菌藻颗粒污泥系统(ABGS)是一种基于菌藻共生体系进行污染物降解的新型污水处理技术。相较于传统污水处理工艺,ABGS系统通过将细菌与微藻结合成颗粒状,提高污水有机污染物降解效能,增强脱氮除磷能力,并实现系统长久稳定运行,是解决日益严峻的水体富营养化问题的最有效途径之一。本研究构建了基于菌藻颗粒污泥的ABGS污水处理系统,通过优化条件控制参数实现反应体系长期稳定运行与污染物高效降解,应用ASM3仿真技术解析菌藻颗粒污泥微观结构,并深入挖掘解析ABGS颗粒化过程与高效脱氮潜在机制,为推动ABGS污水处理系统的理论研究发展及实际工程应用奠定基础。通过DO、沉降时间等关键控制参数对ABGS反应器快速启动及稳定运行优化,研究发现外加光源强度为5000lux、菌藻接种比5:1(w/w)、反应器单周期沉降时间5min、DO浓度为0.3L/min时为ABGS反应器快速启动及稳定运行的最适条件,菌藻颗粒污泥迅速形成,颗粒化程度达到71.6%。比较了R1(小球藻与栅藻接种)、R2(单小球藻接种)、R3(纯污泥ABS系统)不同微藻接种反应器运行过程中污泥颗粒化程度与污染物去除效能,结果表明R1反应器具有最优的污染物去除效能,R1系统TN去除率达到82.28%,优于R2(78.04%)和R3(61.17%),且TN去除主要发生在周期前60分钟和后半小时内,COD主要在前90分钟时被去除,TP去除贯穿整个反应周期,TP去除率分别为81.33%(R1)、78.90%(R2)、26.53%(R3)。在R1系统内表现出最优的污泥颗粒化程度,R1中SV10/SV30达到最大值为87.28%(R1),分别比R2和R3高4.82%和19.18%;运行85天时,R1系统中污泥颗粒平均粒径达到最大值,为1.695mm,大于1.247mm(R2)、0.903mm(R3)。R1和R2长期运行系统更稳定,R1反应系统MLVSS/MLSS平均值为63.74%,和R2反应系统的比值(62.96%)相差不大,高于R3反应系统(55.86%);R1系统叶绿素浓度大于R2,SOD和CAT酶活性为12.29U/mgprot和15.95U/mgprot,低于R2系统,说明R1系统稳定性高于R3。基于ASM3仿真技术建立ABGS系统模型,实现了对氮去除和微生物分布的动态模拟监测,为氮去除和颗粒化机制解析提供思路。对ABGS模型进行灵敏度分析后结果显示,对模拟结果具有相对较大影响的参数分别为以下五种:好氧氨氧化菌产率系数(YAOB)、厌氧氨氧化菌的最大生长速率(uAn AOB)、厌氧氨氧化菌的衰减速率(bAn AOB)、好氧氨氧化菌的最大生长速率(uAOB)和藻类生物量的最大生长速率(uA)。通过在模型中对上述五种参数不断的进行调整校核,最终使得NH4+-N的实测值与模拟值的误差由0.55～12.26mg N/L减小为-0.31mg N/L～9.72mg N/L,NO2--N的误差减由原来的0.48～7.04mg N/L减小为-0.13mg N/L～1.73mg N/L。利用240min短周期内的实测数据来对模型参数灵敏度分析与校核的效果进行了验证。结果表明,三种含氮物质的模拟值与实测值都较为接近,最大相对误差的绝对值不超过40%。对灵敏度分析后对颗粒污泥生物群落分布与数量分析后发现好氧菌和厌氧菌分别分布在菌藻颗粒污泥外层与内层,好氧氨氧化菌XAOB、XNOB与微藻类生物量XA为ABGS系统的优势菌属。通过对ABGS系统的氮分布、氮平衡分析和系统微生物群落分析,辅助模型动态模拟数据,提出了基于群体感应菌藻污泥颗粒系统对氮去除和颗粒化的潜在作用机制。EPS为QS的重要载体,在颗粒形成和污染物去除过程中起关键性作用。R1系统中EPS浓度为81.074mg/g VSS,高于R2系统(76.884mg/g VSS)和R3系统(67.814mg/g VSS),且PN/PS的比例稳定地从1.37增加到4.50,高于R2(1.51到3.86)和R3(1.41到3.16)结果表明R1和R2污泥相中LB-EPS向上清液中促进氮去除SMP的转化程度略高于R3,平均浓度分别为0.284mg/L(R1)、0.266(R2)、0.221(R3)。ABGS系统污染物高效降解特征群落主要包括Uncultured Eukaryote、Chaetothyriales sp.与Cercozoa sp、Fungus、Cupriavidus sp、Rhodospirillales、Arenimonas sp等;微藻的接种显著提高了反应器内微生物群落的丰富度,促进氮磷去除相关菌属生物量的增长,提高ABGS的氮去除和颗粒化效率;混藻接种相对于单藻接种,微生物群落均一性更强,HES指数更高,进一步强化系统污染物降解效率与环境抵抗力。R1系统中微生物同化作用、反硝化作用等相较于R2与R3系统分别提高1.58%、1.69%和19.08%、10.67%。根据颗粒状态和系统稳定性,颗粒化进程可被分为滞后期、造粒期、稳定期、衰亡期;滞后期内,水力剪切力作用增加了污泥絮团之间的碰撞几率,使污泥絮团相互结合形成大量小尺寸污泥团粒结构。系统中等特征菌群的存在对污泥细胞EPS的产生有促进作用,能加速污泥絮团的结合。微藻在获取废水中氮元素时,优先选择吸收氨氮和硝酸盐,这一特性使得微藻在养分需求的驱动下趋于吸附在污泥絮团上,但这种吸附结合的稳定性相对较差。进入造粒期,随着微藻在污泥絮团上不断附着,菌藻颗粒尺寸开始增大,水力剪切力和EPS的作用不断对颗粒结构进行压缩,使得菌藻颗粒结构逐渐稳定,形成分层结构,直至达到稳定期。微藻细胞附着在颗粒外层,依靠颗粒外层较大的比表面积吸收更多光能,促进自身生长增殖,在强化对外界氮同化作用的同时,提高颗粒外层DO浓度值;颗粒内部逐渐形成厌氧微环境,强化包括内源反硝化在内的反硝化过程;在系统衰变期。颗粒出现空腔结构,系统稳定性变差。综上所述,本研究通过构建基于菌藻共生体系的长效稳定的ABGS系统,实现对碳氮磷营养元素的高效吸收降解和系统动态模拟,为生物水处理技术发展提供一定的理论基础与技术支持,同时对ABGS系统的工程应用具有重要意义。