水体富营养化是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。近年来，虽然我国污水处理率不断提高，但是由氮磷污染引起的水体富营养化问题并未获得有效解决。目前我国污水处理厂脱氮除磷工艺普遍存在着能耗高、效率低以及运行不稳定的缺点。因此，如何提高传统生物脱氮除磷工艺营养物去除效果，在现阶段无论从节省资金、改善出水水质等方面都具有重大意义。 A<2>/O工艺作为最简单的同步生物脱氮除磷系统当前广泛应用于国内外大规模污水厂，然而系统微生物种群间存在着复杂的矛盾，导致营养物去除效率低、运行费用高，而基于生物脱氮除磷新技术的过程控制可充分解决系统运行中存在的问题。本论文基于污泥种群优化思想，以小试反应器处理模拟生活污水为研究对象，通过控制参数的调整、反应器结构和运行方式的优化以及在线监测控制相结合的方式，对A<2>/O工艺的运行优化及其过程控制进行了系统地研究。考察了如何强化A<2>/O工艺反硝化除磷性能并建立相应的过程控制策略；研究了A<2>/O工艺反硝化除磷系统不同工况时的性能及其微生物特征。首次系统研究了新型聚糖菌一DvGAOs的反硝化性能。同时也考察了二沉池内发生反硝化和磷释放时各参数间的相关关系，有效控制二沉池出水水质。 通过提供缺氧区足够的电子受体可强化系统的反硝化除磷功能，当系统反硝化除磷性能稳定时，缺氧与好氧吸磷速率比可高达69％，COD、磷、氨氮和总氮的去除率分别为92.3％、95.5％、96％和79.5％。研究表明，进水C/N比对反硝化除磷A<2>/O系统的TN和TP去除产生明显的影响，当系统总循环比恒定时，缺氧/好氧磷吸收速率比和进水C/N比呈负的线性相关性。进水C/P比对TN的去除影响不大，而对总磷的去除有明显影响。对于不同的进水C/N比和C/P比，DO、pH和ORP在线传感器检测信息可以作为A<2>/O系统运行状态的指示参数，对系统运行优化和过程控制具有重要指导作用。 为强化A<2>/O工艺反硝化除磷性能，提出了三种控制策略：(1)通过调整内循环比控制缺氧区末端硝酸盐浓度在1～3 mg/L，来提供反硝化除磷过程所需的充足电子受体，实现内循环回流过程最优化，可节省系统运行费用；(2)试验获得厌氧/缺氧/好氧区体积比对缺氧磷吸收有显著的影响，发现最优厌氧/缺氧/好氧体积比为1/1/2；(3)缺氧区首端引入旁流对缺氧磷吸收和反硝化脱氮有直接的影响，并获得最优旁流流量与进水流量之比为0.32。为进一步提高反硝化除磷系统的营养物去除效果，试验调整A<2>/O生物反应器的运行结构为厌氧-缺氧1-好氧1-缺氧2-好氧2，即A<2>/O+A/O组合系统，同时将部分进水引入缺氧2首端，考察四种分段进水流量与进水总流量比(λ)：0、0.1、0.15和0.2时的营养物去除性能。结果表明最佳九为0.15，此时对应的NH<,4><+>-N、PO<,4><3->-P和TN去除率分别90％、95％和85％。四种λ时的COD去除率并未受到影响，始终维持在90％以上，NH<,4><+>-N和PO<,4><3->-P的去除率略有改善，而且最优九值也可适用于处理低进水C/N比废水。 通过优化管理系统供氧量可在A<2>/O工艺中同时实现缺氧反硝化吸磷和好氧同步硝化反硝化，系统的最佳DO浓度为0.6±0.2mg/L。在常规进水条件下，系统的COD、TN和TP的去除率分别达93％、95％和92％。微生物染色分析表明活性污泥絮体内部缺氧异养菌的生长可能对缺氧硝化和吸磷以及好氧反硝化起着重要作用。 通过微生物分子生物学的染色分析和电镜扫描分析表明，直观的微生物分析鉴定与系统特征参数的典型变化具有很好的对应性。在厌氧阶段，微生物细胞内．PHB颗粒和混合液磷浓度明显增加，而细胞内部的聚磷颗粒明显减少。在缺氧阶段，微生物细胞内PHB颗粒和混合液磷浓度明显减少，而细胞内部聚磷颗粒大量增加。在好氧阶段，微生物细胞内PHB颗粒和混合液磷浓度几乎降至0，而细胞内部聚磷颗粒聚集成大的颗粒簇。相比之下，生物脱氮系统并不存在上述现象。 试验首次发现以乙酸作为碳源在交替的厌氧一好氧条件下间歇SBR反应器内富集的新型聚糖菌-DvGAOs无论是否经过缺氧环境驯化，DvGAOs都只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐，而亚硝酸盐不能进一步被还原。当未经缺氧驯化的DvGAOs初次暴露于缺氧环境时，大约有4个小时的停滞阶段来合成微生物还原所必须的酶。该聚糖菌的存在可能与反硝化聚磷菌相互协同实现缺氧反硝化除磷脱氮功能，全面革新传统观念上对聚糖菌的认识。 试验表明好氧区末端DO浓度和出水硝酸盐浓度与二沉池内的反硝化和磷的释放程度具有很好的相关性，可用来有效控制二沉池内的污泥上浮和减少回流污泥硝酸盐对厌氧磷释放的影响。试验观察到污泥床高度与二沉池的相关运行参数存在很好的相关性，因此可应用污泥床高度作为二沉池运行的一个重要控制参数。