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本研究以城市污水上升流式微好氧处理系统(upflow microaerobic sludge blanket reactor，UMSB)为实验对象，采用城市污水好氧系统(aerobic reactor，AR)作为对照，研究污染物去除水平，并通过多种分子生物学手段解析微生物群落结构动态变化规律，同时通过摄氧机理阐明UMSB的技术特征。研究结果表明： (1)相比于常规活性污泥法，UMSB是一种全新的系统，通过反应器构造和DO调控构建的微好氧系统能够在保障出水水质的前提下实现废水的低耗运行。UMSB能够在保障出水水质的前提下实现废水的低耗运行。UMSB在DO=0.7-0.9mgl-1条件下运行实现较高的污染物去除率，COD和NH3-N去除率分别达到98％和90％以上，相比于同样阶段的好氧运行工况，其曝气成本节约了44％-94％。 (2)UMSB在去除COD和NH3-N方面与AR无明显区别，去除率分别达到了98％和92％以上，而在稳定所需的时间以及出水氧化态氮水平上存在差异。AR达到稳定期的时间要比MR提前，同时应对外界条件的变化(提高COD容积负荷(COD volumetriv loading，CODLR)负荷或者改变DO)恢复速度比MR快。AR中三阶段出水产生的氧化态氮主要以NO3-N形式存在(91％～96％)，MR第2、3阶段出水产生的氧化态氮主要以NO2-N形式存在(60％～91％)。 (3)CODLR负荷改变对两反应器COD和NH3-N去除率影响不大，而对出水NO3-N和NO2-N影响较大，MR中NO3-N进一步降低，NO2-N显著升高；而AR中NO3-N显著升高，NO2-N略微升高。相应的自养菌也有所不同，MR以NOB(Candidatus Nitrospira defluvii)为主，AR以AOB为主(Nitrosomonas sp.)。 (4)提高DO可促使UMSB向好氧反应器转变，出水氧化态氮中NO2-N比例减少，表现出与AR类似的特性。降低DO可促使AR向UMSB转变，表现出与UMSB类似的特性。 (5)UMSB未发生丝状菌膨胀。低DO容易诱发丝状细菌生长，SEM和克隆文库结果均表明MR存在较多的丝状细菌，如球衣菌Sphaerotilus，Planctomycetes，Chloroflexi，但是这些菌并没有引发UMSB反应系统污泥膨胀现象，反应器运行状况良好，出水澄清。