氮磷等植物性营养元素引起的水体富营养化问题,极大降低了水资源利用价值,对人类健康和经济发展构成了严重威胁,废水中氮磷的去除得到了越来越广泛的关注。生物除磷具有药剂消耗低、二次污染少和高效节能等特点,是当前废水脱氮除磷处理的主流工艺。但是,由于污水处理厂进水碳氮比例严重失调,碳源明显不足,难以实现同步脱氮除磷,目前国内许多污水处理厂的出水磷浓度难以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。因此,研究开发出一种高效、低耗的新型脱氮除磷技术已迫在眉睫。本文基于反硝化除磷理论,以矿渣基复合滤料生物滤池为依托,以模拟生活污水为处理对象,通过交替曝气来改变两级生物滤池系统的工艺运行方式,营造利于PAOs及DPB富集的反应器环境和工艺条件,考察其同步反硝化除磷和脱氮效果,系统分析了交替曝气两级生物滤池系统的脱氮除磷特性,揭示其脱氮除磷机理;利用PCR-DGGE分析和基因测序技术,对系统生物膜的微生物种群多样性和相似性进行了分析,构建了种群系统发育树,解析了微生物群落演替规律,并探讨了电子受体类型对种群进化分支的影响规律,为反硝化除磷工艺理论研究提供了新的思路和参考。研究结果表明,采用复合接种挂膜法成功启动厌氧/好氧交替运行生物滤池并稳定运行后,系统平均COD、氨氮、磷去除率分别为86.2%、96.0%和64.3%,厌氧/好氧交替运行系统具有良好的碳氮氧化能力和较好的除磷能力。不同电子受体条件下(亚硝酸盐和硝酸盐),缺氧/好氧交替曝气两级生物滤池稳定运行时,系统的平均COD去除率分别为84.3%和88.8%;平均氨氮去除率为93.9%和94.6%;平均磷去除率依次为71.6%和82.6%。缺氧/好氧交替运行生物滤池系统具有良好的碳、氮氧化能力,除磷能力显著增强,出水水质稳定。缺氧/好氧交替运行生物滤池系统最佳单柱HRT为2h,最优交替时间为36h,停曝时间为12h,进水最佳pH范围7.5-8.0,最佳进水COD浓度为300mg/L,亚硝酸盐和硝酸盐作为电子受体时最佳浓度为20mg/L和25mg/L。缺氧滤柱中硝酸盐更易作为电子受体进行反硝化吸磷,且不同电子受体消耗量与聚磷量均呈现良好的线性相关关系。生物相分析结果表明,两种运行模式下系统均呈现出完整生物相,球菌、杆菌等原核微生物和原后生动物等真核微生物共存于系统中。产物结晶SEM-EDS能谱分析表明,晶体以羟基磷灰石(HAP)结晶为主,1、2号滤料结晶表面可能伴有碳酸钙晶体,3、4号滤料表面后期(缺氧/好氧交替运行)可能伴有磷酸钾镁等晶体形成,厌氧/好氧交替运行曝气生物滤池中的磷主要有两个去除途径,分别为好氧段PAO吸磷及结晶除磷,缺氧/好氧交替曝气生物滤池还可通过缺氧段DPB反硝化除磷。不同运行阶段滤池中的微生物群落丰度较高,且表现出明显的演替规律。系统中优势菌群主要有变形菌门(包含Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Epsilonproteobacteria菌纲);拟杆菌门(包含Sphingobacteriia、Flavobacteriia、Bacteroidia、Cytophagia菌纲);硝化螺旋菌门(Nitrospirales菌纲);放线菌门(Actinobacteridae菌纲);绿菌门(Chlorobia菌纲);绿弯菌门(Chloroflexia菌纲),其中变形菌门和拟杆菌门居多,占总菌群种类的85.0%。系统当中优势反硝化除磷菌群有Pseudomonas sp、Pseudomonas putida、Propionivibrio sp、Propionivibrio dicarboxylicus、Rhodocyclaceae bacterium、Dechloromonas sp、Filomicrobium sp。上述优势除磷菌群从属于红环菌科(Rhodocyclaceae)、假单胞菌科(Pseudomonadaceae)和生丝微菌科(Hyphomicrobiaceae),这三种菌科分别从属于变形菌门(Proteobacteria)中的β-变形菌纲、γ-变形菌纲和ɑ-变形菌纲,它们同属于变形菌门,但处在不同的进化分支上。系统中氨氧化菌及硝化菌群演替规律明显,主要存在Nitrosomonadaceae、Nitrosomonas sp和ammonia-oxidizing bacterium三类菌群,其中Nitrosomonadaceae和ammonia-oxidizing bacterium占绝大部分。经过交替震荡环境,氨氧化及硝化菌群多样性显著下降。长期运行结果表明,系统出水水质稳定,实现了对氮磷的同步去除,为新型脱氮除磷工艺提供了技术参考。