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在污水强化生物脱氮除磷系统中，微生物的的菌群结构及代谢活性决定生物脱氮除磷的处理效果。目前已有许多关于脱氮除磷微生物与运行状态的小试研究，但关于城市污水处理厂的相关研究数据非常有限。本论文针对城市污水处理厂中与脱氮除磷有关的功能微生物的菌群结构、环境因素、胞外聚合物与处理效果的相关性开展研究，进一步阐述微生物菌群结构和污水处理厂高效稳定运行的关系。此外，城市污水厂经常发生不明原因的污泥膨胀，污泥沉降性能变差，最终导致出水水质不达标的严重后果。通过探究胞外聚合物组成与污泥沉降性能的关系，从理论上解析造成污泥沉降性能变差的原因。 硝化作用是生物脱氮的首要环节，该过程的功能微生物为氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB)。本研究选取3个不同工艺类型的污水处理厂进行定期取样，采用PCR-克隆-测序等分子生物学方法对58个污泥样品进行分析。所有活性污泥样品中的AOB相对丰度不足1％，NOB的相对丰度约为6％-12％。Nitrospira占到NOB的90％以上，而且AOB、Nitrobacter均比Nitrospira低1-2个数量级。基于amoA基因的多样性分析发现:7个样品属于Nitrosomonas-like、Nitrosomonas oligotropha、Nitrosomonas communis、Nittosomonas europaea、Nitrosospira五个分支。不同季节、不同工艺类型的污泥样品中并不存在固定的优势菌种。基于16S rRNA基因分析Nitrospira的系统发育分析发现:NitrospiraⅠ为优势菌属，占到全部污泥样品的97％，其次是NitrospiraⅡ。采用Pearson相关分析研究硝化菌群结构与环境因素的关系:Nitrosomonas-like、Nitromonas communis、Nitrosomonas europaea均与溶解氧呈正相关，Nitrosomonas oligotropha与溶解氧、进水总氮以及氨氮呈负相关。通过主成分分析法(PCA)分析硝化菌多样性与季节的关系发现:AOB的菌属分布存在一定的季节性变化，但同时也是工艺类型和季节变化共同作用的结果，而Nitrospira分支分布与工艺类型相关，不存在明显的季节性变化。 “Candidatus Accumulibacter”是污水处理系统中生物除磷的优势聚磷菌，其菌群结构直接影响除磷效果。本研究采用两种不同的标记基因对Accumulibacter进行定量分析其丰度，通过对2种不同工艺的污水处理厂的34个样品结果发现:以16S rRNA和ppk1分别作为标记基因时，Accumulibacter的相对丰度分别为1.19％-35.93％，0.19％-34.79％。为更好的分析Accumulibacter多样性，采用PCR-克隆-测序的分生物学方法对不同季节的4个污泥样品进行分析。结果表明:强化生物除磷的城市污水处理厂的活性污泥中有进化枝ⅡG存在，序列数占序列总数的16.85％。无论从定量还是定性角度均发现:Accumulibacter以TypeⅡ为主，TypeⅠ少量存在，ⅡC和ⅡD为主要进化枝，进化枝ⅡG的丰度会随季节变化。为进一步分析Accumulibacter与水质情况、运行参数的关系，采用Pearson相关性分析发现:Accumulibacter的丰度与总氮去除率以及总磷去除率呈正相关，与出水总氮以及出水硝氮呈负相关，TypeⅠ和ⅡC均与出水总氮呈负相关，与总氮去除率呈正相关，因此，推断TypeⅠ和ⅡC能够利用硝酸盐作为电子受体，进行反硝化除磷。ⅡA与有机物的去除直接相关，ⅡD与除磷效率呈明显正相关。因此，Accumulibacter的部分进化枝表现出反硝化聚磷菌的性能。 胞外聚合物的组分与含量与进水水质紧密相关，而且也是影响污泥性能的重要指标。本研究采用阳离子交换法提取污泥中的胞外聚合物，并以污泥沉降比(SVI)表征污泥沉降性能进行分析。在城市污水处理厂活性污泥中，EPS的总量为24.53-75.25mg/gVSS，其中蛋白质为主要成分，约占25％-63％;其次是腐殖酸，而多糖和DNA的含量较低。通过Pearson相关性分析发现:在污泥微膨胀状态和正常状态下，没有发现EPS总量与污泥沉降性能以及粒径之间的相关性。而EPS中的DNA和腐殖酸均与SVI呈正相关，即DNA和腐殖酸含量越多，污泥沉降性能越差。EPS中多糖含量与脱氮除磷过程存在显著相关性，所以多糖可以作为脱氮除磷过程的有机碳源被微生物利用。EPS与水厂运行参数的关系发现，较长的水力停留时间使EPS作为微生物营养来源而被氧化分解，导致EPS总量下降。 胞外聚合物是影响微生物菌群结构的重要因素之一，菌群结构影响污泥特性。通过菌群结构与EPS的相关性分析发现:Accumulibacter与DNA呈正相关，而与多糖呈负相关;AOB与DNA呈正相关。在活性污泥系统中，Accumuliabcter的存在有助于提高污泥沉降性能，AOB的存在可能会降低污泥沉降性能。而且EPS中的多糖可作为Accumulibacter的碳源被微生物利用。