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伴随着污水处理厂出水水质不能达标现象的普遍存在，如何在不对现有处理工艺作较大改动的条件下，对其进行技术改造，提高工艺处理性能，是当前亟待解决的问题。颗粒污泥序批式反应器（GSBR）和活性污泥-生物膜复合工艺（HBR）具有生物量浓度较高、对现有工艺改动较少等特点，在城市污水处理厂升级改造方面具有很大优势。本文分析了GSBR和HBR处理城市污水的效果，优化了工艺参数，研究了污染物质的去除机理，并利用分子生物技术对HBR中悬浮态和固着态污泥中的微生物群落进行了分析。首先，在厌氧-好氧交替式的中试规模圆柱形GSBR反应器和生产性试验规模的平流式SBR反应器中对好氧颗粒污泥进行了研究。结果表明，GSBR经过72d的培养，反应器内出现小粒径颗粒污泥，在最佳工况运行条件下，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为91.63%，74.02%，68.42%和96.41%；平流式SBR反应器实现了同步脱氮除磷，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为90.1%，87.3%，60.2%和89.3%。以上两项试验表明，限制城市污水SBR中污泥颗粒化的最重要因素是进水负荷和反应器构型。然后，利用课题组自行开发的新型生物膜填料，研究了HBR反应器处理城市污水的效能。HBR中以活性污泥生物量为主体，生物膜量仅占全部生物量约25%，对COD、NH4+-N和TN的去除率分别达到85%、90%和60%，而且能够耐受较高的冲击负荷。利用中试HBR，对某工业园区废水进行了6个月的现场试验研究，结果表明，HBR中的生物膜量占全部生物量40%以上，明显大于城市污水HBR中的生物膜量比例；出水COD，NH4+-N和TN可分别降至65.3mg/L，0.86mg/L和5.48mg/L；出水中残余的COD基本为在难生物降解COD；高效脱氮的实现方式主要是前置反硝化脱氮和好氧反硝化脱氮。最后，利用分子生物学技术揭示了工业废水HBR中悬浮污泥和生物膜污泥中微生物群落的特点。结果表明，HBR系统中菌群具有较高的微生物多样性，污泥内种群结构变化随着工艺运行呈现出一定的演替，对废水具有降解作用的微生物在两相污泥中逐渐得到富集。生物膜上Nitrosospira属和Nitrosomonas属是氨氧化菌的优势菌属；悬浮污泥和生物膜共有的亚硝酸盐氧化菌菌属较多，主要来自Nitrobacter属、Pseudomonas属和Nitrospira属；反硝化菌属以β-proteobacteria纲为优势菌属；随着实验的进行，AOB、NOB和反硝化细菌所占比例逐渐提高。