稳定化处理是污泥减量化、无害化的一个重要手段，也是污泥处理与处置的重要环节之一。污泥稳定化处理方法包括物理、化学及生物法，生物法由于运行成本低、安全可靠而被广泛采用。污泥自热高温好氧消化（ATAD）工艺属好氧消化范畴，具有污泥停留时间短、病原菌灭活效率高等优势。该工艺较好克服了传统生物稳定法污泥停留时间长、设施占地面积大等不足，因而自上世纪九十年代开始在欧洲、北美等城市污泥稳定化处理工艺中得到较快的应用与推广。目前，我国在ATAD工艺稳定化处理污泥方面研究较少，也无应用实例。借鉴ATAD工艺已有研究基础，本课题组开发了一套新型的单段式污泥高温（微）好氧（ATMAD）消化装置，该装置在满足污泥稳定化处理效果的同时，具有结构简单、占地面积小等优势，其有效性已初步得到试验证明，但相关的污泥稳定化机理亟待深入研究。本论文从物质迁移转化规律、嗜热微生物种群多样性、有机物降解动力学等方面阐述了单段式ATMAD工艺的污泥稳定化过程与机理，并通过中试运行过程考察了ATMAD工艺的污泥稳定化效果、建立了消化体系的热平衡方程。单段式ATMAD工艺批式运行结果表明：稳定化处理污泥时，进料污泥固体物（TS）浓度以5～6%较为适宜（挥发性固体物VS含量约3.3～4.0%）；增大曝气量有利于提高VS去除率，但不能显著促进有机物的快速降解，适宜曝气强度为1.0～1.2L/(h·L泥)；污泥稳定化过程受消化温度影响最为明显，反应器运行温度在50～60oC条件下VS去除率明显较高。污泥经高温消化后其脱水性能明显恶化，延长消化时间有利于适当改善消化污泥的脱水性能。ATMAD工艺按半间歇运行方式在55oC消化温度下稳定化处理污泥时，水力停留时间（HRT）不低于13d的消化体系VS去除率均高于38%，且粪大肠菌群与沙门氏菌均有效灭活，消化污泥达到A类污泥各项指标。考察了污泥稳定化过程VFA组分及其浓度变化，阐述了消化体系有机组分的代谢途径与规律。消化体系上清液有机物浓度相对较高或快速增加时，生化代谢系统可通过乙酸、丙酸、丁酸等合成途径来满足消化体系对氧化态NAD+的需求；消化体系大量累积VFA时，除乙酸外，丙酸、异丁酸与异戊酸均为主要组分，其浓度远高于正丁酸与正戊酸。在曝气强度不变时，有机底物的生化代谢过程对消化体系ORP值存在明显影响。以VS为评价指标建立了单段式ATMAD工艺的有机物降解动力学。消化体系VS降解的宏观一级动力学方程为（消化时间以d计量）：污泥水力停留时间不低于10d时，动力学公式计算值与试验测定结果相对误差均低于10%；中试系统半间歇运行过程中，理论计算值与实际值相对误差不超过6%。分离、纯化了典型的嗜热微生物并进行了生物强化试验。分离的两株典型嗜热菌T1（No: HQ436531）与T2（No: HQ436531）分别属于Hydrogenophilaceae与Xanthomonodaceae。接种嗜热菌株有利于提高污泥稳定化初期的有机物降解效果，但微观环境对稳定化过程也存在明显影响。单独接种嗜热菌T2的反应器在整个消化过程均比空白对照反应器有更高的VS去除率。DGGE图谱表明：好氧、兼性与厌氧微生物可共存于污泥高温（微）好氧消化体系。本论文通过中试运行考察了ATMAD工艺的污泥稳定化效果，并建立了消化体系的热平衡方程。中试系统（HRT为10d）在半间歇式操作条件下连续运行10d后，平均VS去除率为37.8%，反应器运行温度维持在58～62oC，pH值变化范围为7.8～8.2，ORP值在－325～－260mV范围内波动，氧利用率达30%左右。消化体系在60oC左右运行时，因机械能转化而产生的热量占消化体系总放热量的30.8%。可见，单段式ATMAD工艺并非完全的“自热”升温。