目前的污水二级生物处理工艺以水质达标为目标，重视利用微生物的作用将不同类型污染物降解去除，存在能耗高、排放温室气体、产生大量剩余污泥等问题，而且剩余污泥中有机质含量偏低导致其可资源化的潜能较低。为降低污水处理能耗、实现污水中可资源化物质的分类回收，本文针对活性污泥与污水接触初期能快速去除污染物的性能，对活性污泥的结构特征、快速去除污水中污染物的机制、强化物质转移的调控方法等进行了研究。在此基础上，研发出活性污泥法污水处理新工艺，为发展能耗低和资源回收型污水处理系统探索新的途径。主要研究结果如下:　　对北京市5个生活污水处理厂（站）细格栅后的污水进行采样分析，污水中颗粒物粒度范围为0.1-100μm，其中＞1μm的颗粒物占90％以上;有机质主要以颗粒态和胶体态存在，氮和磷则主要以溶解态存在;COD浓度与悬浮固体(SS)浓度有良好的相关性。批量实验结果表明，在活性污泥与污水混合后10 min，污水中SS去除率达到95％以上，比转移量为60-70 mg SS/g MLSS; COD去除率在80％左右，比转移量为90-120 mg COD/g MLSS;而TN和TP的去除率较低。由此可见，活性污泥能够快速去除污水中的颗粒态和胶体态物质，但对溶解态的物质去除率较低。污水中有机物质转移至污泥中，使得污泥的挥发性固体与总固体的比值(VS/TS)提升5％-10％。以上结果为污水中不同类型物质的分类回收和低能耗快速去除技术的研发提供了科学依据。　　研究了污泥絮体中胞外聚合物(EPS)的组分特征及其在污泥絮体聚集中的作用。三维荧光图谱和红外光谱图显示，溶解性EPS(S-EPS)、松散结合型EPS(LB-EPS)和紧密结合型EPS(TB-EPS)中均存在一些蛋白质和多聚糖对应的强频段，其中，TB-EPS具有更多的C-O、N-O等基团，有更强的氢键缔合趋势。键能测定的结果表明，污泥絮体之间的结合键以氢键为主。基于此，本研究提出了通过水力剪切分离外层S-EPS和LB-EPS，暴露了内层TB-EPS的强化污泥絮体聚集的调控方法和最佳控制条件:采用较大的水力剪切力(G=400-500 s-1)将污泥絮体破碎为更小的絮体，在暴露内层TB-EPS的同时不会导致EPS的表面侵蚀;破碎后，采用较小的水力剪切力(G=40-60 s-1)，使破碎后的絮体重新聚集起来，重聚集后的平衡粒径d0.5可由原污泥的600-700μm增大至800μm左右。　　通过分层剥离实验，比较了微生物和EPS在快速去除污染物过程中的作用，结果发现，快速去除性能受微生物活性影响较小，TB-EPS起重要作用，其表面官能团以氢键的方式和污染物相结合。另外，污染物的去除率与污泥絮体的聚集性能存在很好的相关性。污泥对污水中污染物的快速去除主要依靠的是基于氢键的化学吸附+絮体的“聚集”作用:颗粒态和胶体态的污染物首先以氢键附着在小颗粒污泥絮体上，再随着絮粒之间的相互碰撞聚集而去除。活性污泥絮体在反复的破碎-重聚集和资源分离回收后，其聚集性能降低。本研究采用曝气的方式对污泥进行再生，结果表明，2-3 d水解和2-4 h、0.01 m3/h·L曝气再生可以同步实现污泥中的资源回收和污泥絮体性能的恢复。　　在上述研究的基础上，研发了新型活性污泥高效转移工艺。转移-再生模式(Ⅰ)的最佳运行条件为:破碎强度GT=～32850，物质转移池污泥浓度～2000mg/L，再生时间2h，污泥龄10d。在此条件下，污染物的转移量为200-300 mg COD/gMLSS，较原污泥提升了20％以上;转移-分离-再生模式(Ⅱ)可以高浓度有机废水的形式回收污泥中的有机质。相比于传统的好氧生物处理工艺（活性污泥法和吸附再生法），新工艺污泥的VS/TS由0.5-0.6提升至0.7以上，耗能水平降低50％左右，能源回收水平为0.4-0.5 kWh/m3，实现了污水中碳资源的有效回收。