随着城市污水处理厂的数量和处理能力不断增加，产生的污泥量也逐渐增加，而剩余污泥是污水处理厂污泥的主要组成，因此，安全有效地处理及处置剩余污泥变得非常重要。对于大型污水处理厂，一般采用厌氧消化进行污泥稳定；而好氧及缺氧-好氧消化则适合于中小型污水处理厂。但有关城市污水处理厂污泥的好氧及缺氧-好氧消化污泥减量机理、生物代谢途径等理论尚不完善，A/O容积比和污泥停留时间（SRT）等关键控制参数不明确，工程设计主要依靠经验进行。本课题主要以污泥减量、有机物和营养物去除为目的，对污泥、消化液和系统中的有机物和营养盐的去除和转化为主线，对剩余污泥缺氧-好氧和单独好氧消化技术进行研究。首先从缺氧-好氧和好氧消化机理出发，分析缺氧-好氧消化中的氮平衡和碱平衡，提出缺氧-好氧消化控制策略，根据污泥缺氧氨化、硝化和好氧氨化速率，计算出缺氧-好氧（A/O）的容积比，利用间歇试验和连续试验进行验证。此外，还对缺氧-好氧和好氧消化中产生的溶解性有机物即溶解性微生物产物（SMP）进行了测定分析，研究了好氧消化中内源呼吸作用和细胞溶解作用对污泥减量的贡献以及缺氧-好氧消化中硝氮的转移趋势，作为氮源异养微生物的增长特性。经过系统研究得出以下结论：（1）基于氮平衡原理，通过对缺氧-好氧消化理论分析，当以硝氮代替氧作为电子受体时，在达到与好氧消化相同的消化效率条件下，可节省17.88%的耗氧量，大幅降低污泥消化的能耗，同时可以实现碱平衡，维持消化过程的pH稳定。提出了基于缺氧氨化、好氧氨化和硝化速率控制的污泥A/O消化策略，计算出间歇式缺氧-好氧消化和连续式缺氧-好氧消化的最佳A/O控制比例分别为1:2和1:1.2。（2）在间歇条件下，当控制A/O比为1:2和SRT为20d时，缺氧-好氧消化的VSS去除率可达到47-49%，好氧消化VSS去除率为45-47%，二者消化效率相当；缺氧-好氧消化的TN和TCOD分别达到了49-50%和40-42%的去除率，比同样操作条件下的好氧消化提高了40-42%和5-7%。（3）在连续条件下，当控制A/O比为1:1.2和SRT为20d时，缺氧-好氧消化的VSS去除率为53-59%，比同样条件下间歇试验提高了7-11%，同时实现了55-60%的脱氮效率和50-53%的TCOD去除率，比间歇试验分别提高了6-10%和10-12%。该A/O消化策略明显提高了连续试验的消化效率、系统的TN和TCOD去除率，并且消化过程中pH能够维持中性。（4）缺氧-好氧消化中SMP的产生量明显小于好氧消化。当SRT为10、13和20d时，缺氧-好氧消化SMP的产生量分别为100mg/L、80mg/L和46mg/L；而好氧消化SMP的产生量分别为150mg/L、315mg/L和89mg/L。从控制污泥消化中污泥减量和SMP的产生量两方面综合考虑，选择SRT为20d的A/O消化工艺较好。（5）好氧消化中，细胞溶解作用和内源呼吸作用对污泥减量的贡献分别为86-87%和13-14%。细胞溶解作用对细胞组分中细菌总数、活细菌衰减的贡献分别为81-84%和90-93%，内源呼吸作用对污泥中细菌总数、活细菌减量的贡献分别为16-19%和7-10%；细胞溶解作用对非细胞组分的贡献为99%。结果表明，细胞溶解作用是污泥减量的主要途径。（6）活性污泥能够利用硝氮为唯一氮源进行生长。与常规氨氮或有机氮为氮源的系统相比，以硝氮为氮源时污泥的产率较低（0.30-0.35mgCOD/gCOD），污泥中氮的含量较少（8-9%）；污泥中的EPS组成也不同，以硝氮为氮源时EPS中蛋白质含量较低。氮源利用途径是硝酸盐异化还原作用（DNRA）。