城市污水厂由于能够大量释放氧化亚氮(Nitrous oxide，N2O)而被认为是一种重要的人为温室气体释放源，了解污水处理厂运行过程中N2O的产生机制和影响因素对温室气体减排具有重要意义。本文以污水处理厂最小的功能单元——活性污泥絮体为主要研究对象，利用微电极穿刺及高通量测序等技术，研究实际污水厂新鲜活性污泥在不同粒径和溶解氧(Dissolved oxygen，DO)条件下，其内部微环境特征、微生物组成及分布规律和N2O产生的相关关系。在此基础上，通过实验室模拟实验，考察曝气剪切应力和外源性N-酰化高丝氨酸内酯类(N-acyl homoserine lactonase，AHL)信号分子对污泥特性(如胞外聚合物(Extracellularpolymericsubstances，EPS)含量和组成、粒径、分形结构、传质速率、微生物群落结构)和N2O产生的影响，将宏观处理效果和微观特征相结合，深入分析了污泥特性与N2O产生的关联机制，为城市污水厂温室气体减排提供参考。
　　DO浓度和粒径特征对污泥絮体微环境和N2O分布具有显著影响。对于小粒径污泥絮体(＜100μm)，其内部N2O、DO、NH4+-N和NO3--N分布较为均一，N2O产生速率低；大粒径絮体(＞200μm)内DO，NH4+-N和NO3--N浓度随深度的增大而下降，N2O浓度及生成速率随则随深度的增大而增大；絮体微环境直接影响功能微生物的数量与分布，絮体内反硝化细菌(denitrifying bacteria，DNB)丰度随粒径的增大而增加，是导致絮体内N2O通过反硝化途径产生的重要原因。水体DO浓度能够对污泥絮体微环境和N2O分布产生重要影响，随着水体DO浓度的降低，絮体中心区域DO浓度进一步降低，内部N2O产生速率显著提高。
　　曝气剪切应力的增加有利于活性污泥系统污染物去除和N2O减排。随着曝气剪切应力的增大，污泥絮体粒径越小、结构越致密，氧传质系数越大，污染物降解越快。当剪切应力由1.5×10-2N/m2增大到5.0×10-2N/m2时，其硝化速率由(4.0±0.5)×10-2mgN/(g MLSS?min)增大至(5.7±0.3)×10-2mgN/(g MLSS?min)。并且，剪切应力增大致使氨氧化细菌(Ammonia-oxidizingbacteria，AOB)含量减少、亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite oxidizing bacteria，NOB)含量增大，NO2--N积累量减少、导致N2O释放量降低，N2O-N转化率由4.8±0.3%降低至2.2±0.6%。
　　外源性AHLs信号分子对活性污泥系统的处理效果、污泥特性和N2O产生影响显著。信号分子C6-HSL和C8-HSL能够提高活性污泥硝化与反硝化速率，同时增加N2O释放量。与对照组相比，投加C6-HSL和C8-HSL后N2O-N转化率分别增长10.2±2.1%和2.2±1.8%。同时，C6-HSL和C8-HSL可显著增加系统中EPS的含量，其增幅分别为59.6±2.8%和9.4±1.5%，并改变其化学组成，从而导致絮体的粒径、表面粗糙程度以及内部传质阻力增大。系统中微生物丰度与多样性明显增加，AOB、DNB丰度的增加，但对NOB影响不大，与C、N去除和EPS分泌有关的功能菌相对含量均显著增大。