近年来,污水排放标准中氮的控制指标尤为严格,许多污水处理厂需要提标改造,以满足管控要求。AAO氧化沟在我国城市污水处理厂得到广泛应用,向其处理单元内投加一定数量的填料形成泥膜混合,是提标改造的有效手段。然而,目前的填料投加方式较为粗放,悬浮污泥和生物膜的脱氮机制尚不明晰,因此探究AAO氧化沟沿程各区域悬浮污泥和生物膜的脱氮特性有着重要意义。本课题向AAO氧化沟沿程各区域投加填料,以沿程各区域的悬浮污泥和生物膜为研究对象,系统研究其脱氮活性、结构特征,并对微生物群落进行分析,结果如下:考察了各区域悬浮污泥和生物膜的脱氮活性变化。好氧区中段（DO=0.93mg/L）的悬浮污泥硝化能力最强,好氧区出水段（DO=1.14 mg/L）和内回流段（DO=0.10 mg/L）分别是针对工艺NH4+-N和NO2--N氧化能力提升的最适填料投加区域。缺氧区的悬浮污泥具有最强的反硝化能力,好氧区中段是针对工艺反硝化能力提升的最适填料投加区域。好氧区内回流段的悬浮污泥和生物膜具有很好的厌氧氨氧化的潜力。探究了各区域悬浮污泥和生物膜结构特征对脱氮活性的影响。厌氧区和缺氧区悬浮污泥的胞外聚合物（EPS）含量较高（21.57、19.84 mg/g）,脱氮活性受到抑制,但好氧区悬浮污泥EPS含量较低（15.74 mg/g）,有助于硝化。过量的EPS会导致膜污染,抑制生物膜脱氮活性,而适量的EPS能提高生物膜的脱氮活性。在微观层面,适宜的生物膜厚度是良好脱氮活性的前提,填料的投加可以增加系统生物多样性,且悬浮污泥和生物膜上观察到了不同种类的脱氮细菌。采用高通量测序对各区域悬浮污泥和生物膜的微生物群落结构进行研究。填料在厌氧区和缺氧区投加能提高系统微生物的多样性,但在好氧区投加提升较小,同时脱氮活性相近的悬浮污泥和生物膜之间微生物相似度高。属水平上,悬浮污泥和生物膜的硝化效果主要由Nitrospira作为全程硝化细菌所提供,好氧反硝化菌属、自养反硝化菌属和异养反硝化菌属的分布差异是悬浮污泥和生物膜反硝化活性变化的原因。Candidatus Brocadia的相对丰度能指示悬浮污泥和生物膜厌氧氨氧化潜力的高低。