菌藻共生(algal-bacterial symbiosis,ABS)系统是一种将细菌与微藻结合的污水处理技术,在当今社会以可持续发展和节能减排为导向的技术需求下,其相关工艺引起高度关注。本研究针对传统ABS系统运行过程中存在的微藻生长速率低、系统氮磷污染物去除效率低及运行不稳定等问题,在ABS系统中引入悬浮型填料,开发了菌藻共生序批式泥膜反应系统(algae-assisted sequencing batch biofilm reactor,A-SBBR)。该系统通过活性污泥与微藻生物质的结合形成ABS系统,并利用悬浮型填料为微藻提供适宜生长环境,生成菌藻共生生物膜,促进微藻对光能的利用,从而提高微藻生长及氮磷吸收速率;通过排泥和更换生物膜填料分别调节系统中污泥和微藻生长速率,实现ABS系统的长效稳定运行。通过对A-SBBR系统长效运行的稳定性及其对人工合成生活污水中营养物质的去除效能进行研究,发现A-SBBR系统能够实现微藻在活性污泥系统中的富集生长,其悬浮生物膜相叶绿素a含量为4.80 mg/g,污泥相叶绿素a含量为0.66mg/g,系统总叶绿素a相对含量是序批式菌藻共生系统(algae-assisted sequencing batch reactor,A-SBR)的7.09倍,说明悬浮型填料强化了藻类的生长和活性;与此同时,藻类活性的增强进一步促进了污泥中细菌等微生物活性的提高,生物膜总质量为5.63 g,是对照系统(C-SBBR)的1.94倍。A-SBBR系统中总氮(total nitrogen,TN)和总磷(total phosphorus,TP)的去除率分别为69.91%和94.78%,比C-SBBR系统分别提高了22.35%和46.39%。通过解析TN的去除途径,发现A-SBBR系统中污泥相微生物同化作用、生物膜相微生物同化作用及反硝化作用比C-SBBR系统分别提高了3.67%,3.97%和12.7%;通过解析TP的去除途径,发现A-SBBR系统中污泥相微生物同化作用及生物膜相微生物超量摄取作用比C-SBBR系统分别提高了3.91%和46.22%。通过分析A-SBBR系统中污泥和生物膜变化特性对系统氮磷去除过程的作用,发现微藻细胞主要粘附生长在污泥絮体外部和生物膜外部,生物膜中微藻覆盖程度显著高于污泥。与C-SBBR系统相比,A-SBBR系统中胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的储磷能力增强,在曝气末期,污泥相和生物膜相EPS中TP含量分别提高了11.18%和28.97%;同时,系统中藻类的引入对EPS具有改性作用,其中,A-SBBR系统中污泥相松散层EPS(loosely bound EPS,LB-EPS)浓度比C-SBBR降低了15.20%,紧密层EPS(tightly bound EPS,TB-EPS)浓度增加了16.73%,生物膜相LB-EPS含量降低了28.59%,TB-EPS含量降低了10.10%。除此之外,A-SBBR系统中污泥容积指数、Zeta电位及污泥絮体平均粒度均低于C-SBBR系统,说明污泥沉降性得到改善;A-SBBR系统中污泥絮体比表面积增加,说明污泥对微生物的吸附与传质速率得到提升。通过解析A-SBBR系统内的微生物群落结构和活性变化及关键环境因子对系统运行效能和稳定性的影响,揭示了A-SBBR系统中菌藻群落的核心功能性微生物的变化规律,阐述了A-SBBR系统的氮磷去除强化机制。与C-SBBR系统相比,在A-SBBR系统中,与氮去除相关的硝化细菌如硝化螺菌属(Nitrospira)、与磷去除相关的菌属如黄杆菌属(Flavobacterium)及脱氮除磷菌属如微白霜菌属(Micropruina)等丰度均有所增强;同时,微藻群落也发生明显变化,主要体现在生物膜相,其中具有良好氮、磷吸收特性的链带藻属(Desmodesmus)、栅藻属(Scenedesmus)和小球藻属(Chlorella)及对高氮磷废水耐受性较高的原甲藻属(Prorocentrum)和裸甲藻属(Akashiwo sanguinea)的丰度得到明显增加。值得注意的是,ABS系统中微生物群落变化及其相互作用受到外界关键环境因子显著影响。系统曝气供氧虽然可促进细菌呼吸作用,提高细菌活性,但会通过“产物抑制”作用抑制微藻的光合作用及活性,不利于ABS系统的稳定运行。悬浮型填料的引入可通过接触更多光照和提供附着环境促进微藻生长及其生物量积累,实现系统中微藻生物量的富集,增加微藻在生物膜中的比例,最终提高了ABS系统中微藻的含量,有利于促进系统氮、磷的去除效果。综上,A-SBBR系统通过建立适宜菌藻共同生长的环境,能够实现单一构筑单元内ABS系统的稳定运行和污水中氮、磷的强化去除,对生物脱氮除磷技术的发展提供了一定的理论基础与技术支持,亦对ABS系统的推广应用具有重要意义。