具有生物脱氮或生物除磷功能的污水处理系统常常受到污泥膨胀问题的困扰。大量研究表明,向传统活性污泥系统中加入脱氮与除磷功能更容易诱发污泥膨胀。目前,对于由此引发的污泥膨胀的机理尚不清楚。本研究采用多套连续流实验装置,在不同运行条件下进行生物脱氮和生物除磷,对系统的污染物去除和污泥特能(尤其是沉降性能)进行考察;采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术和排序分析(对应分析和典范对应分析),对传统活性污泥系统和脱氮除磷系统微生物群落结构与污泥沉降性之间的关系进行了深入分析。本研究的主要结论如下:(1)当进水中含有大量缓慢降解有机物时,平行运行两套传统好氧活性污泥(CAS)系统,考察接种污泥对污泥性状的影响。反应器高径比(H/D)为1.0,沉降时间为2 h。混合物悬浮固体浓度(MLSS)控制在2800-3500 mg/L之间,有机物负荷为0.38-0.48 kg COD/(kg MLSS·d)之间。对于1号系统,当接种污泥中含有一定量丝状菌时,系统成功培育了好氧颗粒污泥。该颗粒污泥沉降性较好,SVI在50-90 mL/g之间。颗粒污泥的粒径为0.18-1.25 mm。电镜扫描显示球状菌和杆状菌为颗粒污泥中占据优势地位。PCR-DGGE分析显示颗粒污泥中的优势细菌为变形菌、拟杆菌和厚壁菌。对于2号系统,接种污泥中无丝状菌,尽管污泥沉降性能较好(SVI<100 mL/g),在整个试验阶段未见颗粒污泥形成。(2)当进水中含有大量缓慢降解有机物时,在好氧CAS系统中,污泥沉降性较好(SVI约为122 mL/g)。然而,采用相同进水基质时,具有缺氧区的脱氮(MLE)系统的污泥沉降性较差,SVI在175-260 mL/g之间。两个系统的MLSS和有机负荷约为3500 mg/L和0.40 kg COD/(kgMLSS·d)。在MLE系统中,当缺氧区与好氧区容积比为1:3时,系统脱氮效率较低,污泥膨胀严重,SVI约为258 mL/g。当缺氧区与好氧区容积比增加至1:2或2:1时,系统的脱氮效率显著提高,污泥膨胀得到缓解,SVI降至约175 mL/g。在MLE系统中,当缺氧区与好氧区容积比增加时,污泥中菌群的多样性和丰度持续降低。对应分析显示,CAS系统和MLE系统中的污泥沉降性与菌群结构密切相关,具有不同沉降性的污泥样品聚集在对应分析二维图的不同象限。(3)在生物除磷(EBPR)系统中,当进水COD:N:P为100:1.90:2.86,氮元素为污泥的生长限制因素,021N型丝状菌(属于丝硫菌)大量增殖,污泥SVI为240 mL/g左右。当进水COD:N:P为100:4.3:2.86时,021N型丝状菌逐渐减少,污泥膨胀得到控制,SVI降低至100 mL/g左右。在整个试验过程中,反应器中的MLSS和有机物负荷约为3000 mg/L和0.63 kg COD/(kg MLSS·d)。相关性分析显示,丝状菌含量对污泥沉降性有显著影响(r=0.858,p<0.001)。PCR-DGGE分析发现,污泥膨胀即将发生时,污泥菌群的均匀度、多样性和丰度明显升高。对应分析显示,氮负荷对污泥的菌群结构影响很大,氮缺乏对系统中厚壁菌门的生长不利。污泥的沉降性与菌群结构存在某种关联,具有较差和较好沉降性的样品分别聚集在对应分析二维图的上半部分和下半部分。(4)对于EBPR系统,污泥沉降性受丝状菌含量、Pns/VSS和NVSS/VSS的共同影响。在整个试验过程中,反应器中的MLSS在1992-3000 mg/L之间,有机物负荷在0.42-0.63 kg COD/(kg MLSS·d)之间。当温度由20°C升高至25°C时,系统除磷率显著降低(p<0.01),丝状菌大量减少,污泥沉降性明显改善(p<0.01)。丝状菌含量的减少掩盖了Pns/VSS和N VSS/VSS对沉降性的影响。当温度从20°C降低至15°C时,系统除磷率显著增加(p<0.01)。短期内污泥沉降性迅速恶化,随着系统的稳定运行,沉降性逐渐恢复(p<0.01),但依然较差(SVI>150 mL/g)。由于温度降低对丝状菌含量无明显影响,污泥沉降性能主要受Pns/VSS(r=-0.647,p<0.01)和NVSS/VSS(r=-0.463,p<0.05)的影响。PCR-DGGE分析发现,EBPR系统中存在共同的核心菌种。典范对应分析显示,污泥菌群结构与温度和污泥性状密切相关(F=1.738,p<0.01),菌群组成沿SVI箭头所示方向呈现明显变化。