城市污水管网是城市污水和工业废水系统的重要组成部分,其所承担的污水收集与输送任务是整个系统中污染物转移转化的首个环节。由于污水水质在管网中的紊动变化显著影响了后续污水处理系统的进水水质,使得污水处理厂进水设计参数与实际进水水质之间产生了显著差异,因此,城市污水管网中污染物转移转化现象逐渐成为人们所关注的重点。然而,限于对污水管网生物相间物化-生化反应的了解,污水中污染物的转变机制一直未得到深入揭示。基于此,本研究首先划分污水管网中污水-生物膜-沉积层三相作为主要功能区域,构建了污水与沉积物之间污染物转化途径模型,分析了不同区域生物膜、沉积层中优势功能性微生物种群的结构变化规律,研究了污水管道沿程生化代谢反应的转变特征,并依据环境因子作用机理,探明了环境因子变化、微生物种群代谢以及污染物转化的多向耦联作用机制,研究结果对于丰富城市污水收集系统理论、完善城市污水管网设计、改进城市污水厂进水参数提供了理论与实际指导依据。通过对污水管道流态模拟中试系统的长期监测与研究,指出管道中碳、氮、磷类污染物的含量与形态在流动过程中发生了显著变化,即污水中各类污染物含量降低,而沉积层中的污染物含量逐日增加。结合有机物结构变化分析,探明了污水与沉积层中均存在着颗粒态、大分子有机污染物转化生成小分子有机物的转化规律,同时证明了该现象是污水输送过程中污染物的物理沉积(PPD)、生物转化吸附(BTA)、生物转化释放(BTR)三种污染物迁移转化途径的综合作用结果。通过构建污水与沉积物之间污染物转化途径模型,解析了PPD、BTA、BTR三种途径对污染物转化量的贡献率,结果指出PPD是污染物在污水与沉积层之间的主要转化途径,而BTR的存在使得沉积物向污水中释放了大量的小分子污染物质,从而极大程度上改变了污水的可生化降解性能。进一步结合1200m污水管道模拟中试系统,分析探究了污水管道生物膜、沉积层中生物群落分布情况。研究结果表明,污水管道前端生物膜以Trichococcus属水平微生物种群为代表,主导了大分子污染物水解转化的生物反应,为管道中段生物膜中Veillonella等微生物种群提供了丰富的基质,使其快速繁殖并进行活跃的污染物酸化反应,从而进一步富集了污水中乙酸、丙酸等物质,使得可充分利用上述小分子有机物的产甲烷古菌Methanosarcina与Euryarchaeota迅速成为生物膜中的优势菌属;对沉积层而言,其全部区域均存在有丰富的水解发酵种群,所代谢释放的丰富碳源为管道中其它生化代谢反应提供了良好的物质基础,沉积层中氧化还原电位、小分子脂肪酸以及乳酸等因子与沉积层深度呈现特殊的分布规律,导致硫酸盐还原菌与产甲烷古菌分别集中分布于沉积层的底部与中部区域,并主要在上述区域释放硫化氢与甲烷气体。运用现代分子生物和化学分析检测手段,进一步探讨了污水输送过程中污染物在厌氧环境中的生物转化作用机制。研究表明,污水管道内的氧化还原电位、pH以及溶解氧等环境因子在不同区域存在着差异,而复杂多变的污染物质与环境因子影响着水解发酵菌(FB)、产氢产乙酸菌(HPA)、产甲烷古菌(MA)、硫酸盐还原菌(SRB)等微生物种群在污水管道中的竞争关系,进而影响优势种群结构的变化,促使了污染物质在管道中的转化,从而揭示了管网中环境因子、微生物种群代谢以及污染物转化的多向耦联作用规律,以及污水管道中主要的生化代谢反应由水解产酸逐渐向产甲烷过程进行的水质转化特征。