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通过对污水生物处理技术相关原理的总结可知,不管是传统的缺氧/好氧工艺,还是新型的短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺或者好氧颗粒污泥工艺,其污染物去除过程的本质都是O（好氧）-A（缺氧）/A（缺氧）-O（好氧）工艺的组合与变形。通过曝气控制系统中溶解氧（DO）水平来调节相关功能微生物的代谢活性并最终实现污染物的去除是含氮含硫废水生物处理技术的核心。随着溶氧浓度的升高,好氧反硝化因其独特的耐氧优势和代谢特性,拓宽了总氮（TN）在不同DO条件下被去除的可能性。本论文主要以序批式反应器（SBR）为主体,研究在不同曝气强度（AI）的驯化下,活性污泥系统对硝酸盐以及硫酸盐的去除性能及其中潜在的涉及碳（C）、氮（N）、硫（S）的生物转化机制。基于此,本论文开展了“微生物在不同曝气强度驱动下的脱氮脱硫特性及其种间协同/竞争机制的研究”,包括以下三个部分:（1）首先,研究了不同AI对反硝化性能的影响。在不同的AI（0.00、0.25、0.63和1.25 L/（L·min））作用下,不同SBR生物反应器中的TN去除速率分别为0.93、1.45、0.86和0.53 mg/（L·min）。反应器在AI为0.25 L/（L·min）时,能够实现最高的反硝化速率。而且,在此AI下,微生物胞内还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的积累速率和反硝化功能基因（nap A,nir K和nos Z）的相对丰度都达到最大值。通过物质守恒分析可知,随着AI的继续增加,流向硝酸盐反硝化过程的电子通量随之减少,而硝酸盐的生物同化作用却随之增强。一方面,氧气的增加主要通过竞争电子供体而抑制单一菌株条件下的硝酸盐还原过程。但是,另一方面,一定的AI能够促进好氧及兼性微生物的呼吸作用并快速的消耗氧气,保护了反硝化过程中相关功能微生物的活性。既曝气条件下的反硝化过程是由功能微生物类群（Azoarcus,Paracoccus,Thauera,Stappia和Pseudomonas）与其他异养微生物之间的种间合作（竞争性相互作用和共生关系）而实现的。这项研究增强了我们对混合菌群中曝气条件下反硝化过程的进一步认识。（2）其次,深入研究了不同AI对反硝化过程中,中心碳代谢和氮代谢的影响及微生物种间互作机制。在适度AI条件下（R2,0.25 L/（L·min））,细胞内聚-β-羟基丁酸酯（PHB）和NADH的含量均达到峰值。微生物的好氧呼吸作用,不仅可以通过促进胞外硝酸盐的吸收、胞内NADH的产生和转运来强化硝酸盐的生物转化过程,而且还能够通过种间的呼吸保护作用为反硝化过程创造一个最佳的缺氧反硝化生态位。宏基因组分析结果表明,微生物的好氧代谢并不随着AI的增加而线性增强。相反,通过戊糖磷酸途径（PPP）进行生物合成的碳通量却随着AI的增加而增加,这也导致了TN去除效率的降低。电子守恒的化学计量学分析表明,随着AI的增加,流向生物质合成过程中的电子通量随之增加,而流向好氧反硝化过程中的电子通量却随之减少。以上分析结果表明,随着AI的增加,过度的氧气引入通过消耗掉大量的电子供体而降低了好氧条件下的硝酸盐还原效率。最后分析了功能微生物的代谢特性和潜在的共现网络特征,关键微生物类群之间的种间代谢产物交换,底物竞争和有效的呼吸保护是曝气条件下有效碳代谢和氮转化的重要基础。不曝气系统中微生物间存在针对碳通量分配的相互作用机制,即Thauera sp.MZ1T和Thauera sp.SWB20分泌的胞外多糖（鼠李糖,半乳糖醛酸）可以通过CE16（乙酰酯酶）的脱乙酰作用被T.phenylacetica所利用。同时,T.phenylacetica所进行的胞内糖原代谢也可以为其他微生物提供能量和还原当量。在曝气反应器中,功能微生物之间通过互营共生的方式实现TN的去除,而且,T.linaloolentis,Azoarcus sp.PA01以及A.phosphatis可能参与复杂有机物的水解过程,同时,这些水解产物将作为碳源被兼性好氧反硝化微生物Azoarcus sp.BH72进一步利用。此外,曝气条件下,Thauera sp.63,Thauera sp.27,Thauera.28,T.linaloolentis以及Azoarcus sp.CIB具备在不同的DO水平下呼吸氧气的能力。这些异养反硝化微生物所执行的有氧代谢可以消耗系统中大量的氧气,从而实现了功能微生物种间的呼吸保护。本研究揭示了混合菌群中好氧反硝化的代谢机制,为优化现有的基于曝气控制的污染物生物去除技术提供了理论指导。（3）最后,研究了不同AI对同时实现铵去除脱氮和硫酸盐还原脱硫性能的影响。当AI不小于0.22 L/（L·min）时,微生物可在盛宴期（Feast）实现完整的硝化过程,同时在盛宴和饥饿期（Famine）均能进行反硝化作用。R3（0.56 L/（L·min））,R2（0.22 L/（L·min））和R1（0.08 L/（L·min））在盛宴期均达到至少72.39%的硫酸盐去除效率,但R1中易发生H2S积累和释放。R1中,随着曝气的进行和外源底物的消耗,在盛宴期被还原而降低的硫酸根浓度却在饥饿期增加,并最终超过其进水浓度值,表明硫酸盐的生物转化过程受氧气引入的影响。宏基因组学分析结果表明,较高的AI促进了硫酸盐的还原过程从异化还原途径转变为同化还原途径。序批实验结果进一步表明,较低AI驯化的微生物（来自R1）在脱硝脱硫的过程中容易发生H2S和NH4+积累,而高AI驯化的微生物（来自R3）在该过程中则容易发生NO2—积累,这些结果证明,N和S的生物转化过程受到曝气驱动（氧气引入）下的氧化还原失衡的调节作用。在较高或者较低氧气引入的条件下,微生物通过“呼吸控制”这一自我调节机制,实现了电子供体和电子受体之间的动态平衡。好氧硝酸盐（硫酸盐）还原作为微生物“呼吸控制”的驯化结果之一,在高效的内源代谢过程（PHB）的支持下,可以作为一种替代策略来补偿电子供体和电子受体之间的动态失衡。适度AI通过调节关键微生物类群（包括R3中的Azoarcus,R2中的Thauera和R1中的Thiobacillus,Ottowia,和Geoalkalibacter）的“呼吸控制”和种间呼吸保护来改变其能量代谢和生存策略,以形成一个最佳的厌（缺）氧反硝化和硫酸盐还原微环境来应对氧气引入,最终实现C、N和S的良性生物转化而不积累有毒的中间产物。这项研究阐明了曝气驱动下,铵和硫酸盐的生物转化去除机理。综上所述,随着AI的增加,好氧呼吸及好氧条件下的硝酸盐（硫酸盐）还原过程随之出现,这些好氧及兼性好氧微生物通过调节自身代谢特性,在适度的AI下,基于呼吸控制和种间呼吸保护在实现污染物去除的同时也为硝酸盐（硫酸盐）还原创造了一个最佳的厌氧生态位,并最终实现C、N和S的良性生物转化而不积累有毒的中间产物。