碳源不足是影响城市污水生物脱氮除磷的主要原因,如何在碳源有限的条件下实现良好的氮、磷去除是城市生活污水处理的一大难点。同步硝化反硝化除磷（SNDPR）技术能够在单一反应器内实现低碳氮比城市生活污水碳、氮、磷的同步去除,受到了越来越多的关注,但目前对此认识不足。因此开展SNDPR工艺的相关研究并探索系统菌群结构调控具有重要意义。本研究首先在厌氧/限氧/缺氧（An/MO/A）条件下探究了SNDPR工艺快速启动和长期稳定运行过程,采用亚硝酸盐投加策略强化了低碳氮比下SNDPR工艺的脱氮除磷效果,并通过污染物去除和微生物群落演替规律,揭示了强化机理;其次,通过对进水采取“断磷-供磷”策略,考察SNDPR系统对磷变化的响应规律和微生物群落结构演替特性,阐明了聚磷菌（PAOs）与聚糖菌（GAOs）在反硝化特性与代谢过程的差异;再次,将SNDPR系统与颗粒污泥耦合,研究了颗粒污泥的形成策略和机制,考察限氧低碳氮比下颗粒污泥的稳定性及其氮磷去除特性;最后,基于SNDPR系统的反应过程分析,建立了ASM2D活性污泥反应动力学模型,并采用该模型探究了SNDPR系统的除磷机制。主要研究内容及结果如下:（1）在An/MO/A运行模式的序批式活性污泥反应器（SBR）中,通过两次厌氧期额外添加乙酸钠和延长厌氧段的时间,实现了SNDPR系统的启动和PAOs的富集。试验发现,通过在厌氧阶段额外添加200 mg/L乙酸钠,可有效提高PAOs的释磷量和吸磷量,使工艺出水磷酸盐浓度长期保持低于0.5 mg/L。在碳氮比为7时实现了98.76±0.9%的总氮去除和96.97±1.1%的总磷去除,同步硝化反硝化效率（SND）达到97.01%。为了探究系统在有限碳源下的污染物去除能力,降低进水COD浓度,观察系统中氮磷的去除效果。结果表明,当系统的碳氮比从7降低到5,总氮和总磷去除率分别降到81.95±2.7%和85.47±6.3%,系统的氮磷去除均受到显著影响,并逐步恶化。碳源缺乏会导致厌氧阶段PAOs释磷量的大幅下降。（2）为提高系统在碳氮比为5下的脱氮除磷效率,在连续14天内,每天将一个周期由An/MO/A模式改变为An/A运行模式,An/A运行模式保持原有的进水条件不变,在厌氧期末向反应器加入30 mg/L亚硝酸盐。高浓度亚硝酸盐在酸性环境下会使系统内游离亚硝酸（FNA）水平升高,且高浓度亚硝酸盐反硝化过程会抑制NO还原酶从而导致液相NO积累,积累的高浓度NO和FNA能够抑制系统中亚硝酸盐氧化菌（NOB）和普通异养菌（OHOs）等不利菌群的活性,减少对碳源的消耗。NO可以刺激反硝化聚磷菌（DPAOs）持续释磷,亚硝酸盐的投加促进了亚硝酸盐型反硝化聚磷性能的提升。另外,微生物结果表明,经过亚硝酸盐策略后Pseudomonas sp.,Acinetobacter sp.和Dechloromonas sp.等DPAOs的丰度明显提升,SNDPR系统在碳氮比为5时实现长期稳定的氮磷去除效果,总氮、总磷去除率分别达到98.89±0.7%和98.17±0.9%。（3）为考察SNDPR系统对缺磷环境的响应,对稳定运行的SNDPR反应器进行长期的贫磷培养,并在厌氧期末排出富磷上清液对PAOs胞内磷进行强制剥夺,观察系统在缺磷环境下的污染物去除效果。在经过90天的贫磷运行后向系统恢复供磷,探究系统微生物群落对缺磷-富磷环境变化的响应。结果表明短期的缺磷会导致系统总氮去除率降低18%,其原因可能是DPAOs的反硝化脱氮受到缺磷的限制。而随着缺磷时间的延长,系统氮去除会逐渐恢复,其原因可能是反硝化聚糖菌（DGAOs）逐步替代DPAOs成为主导菌群。另外,微生物群落结果表明,长期的磷剥夺使系统由PAOs主导（Acinetobacter sp.,Zoogloea sp.）向GAOs主导演替（Candidatus＿Competibacter sp.,Defluviicoccus sp.）,在恢复供磷后,PAOs在短时间内仍处于劣势地位,系统以GAOs为主导菌群。（4）为探究PAOs与GAOs的代谢差异,对分别以乙酸和葡萄糖为碳源驯化富集的以PAOs、GAOs为主导菌的两个反应器进行研究。通过对两个系统的还原型/氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD+）的监测发现,厌氧阶段SNDPR系统中PAOs胞内NADH浓度升高,而GAOs厌氧贮存聚-β羟基脂肪酸酯（PHA）的过程中没有观测到NADH的积累,可能是由于二者在厌氧段的代谢差异导致的。实验发现DPAOs的反硝化速率高于DGAOs,其原因是DPAOs在厌氧段存在胞内还原态电子（NADH）的积累,使得其反应速率较快。在缺氧段初期高浓度亚硝酸盐环境下,DPAOs反硝化会产生大量的NO,而DGAOs反硝化只产生少量NO。DPAOs反硝化过程中NO的大量积累是由于亚硝酸盐（或FNA）的抑制和在厌氧段还原态电子积累两个因素的共同作用。（5）为了实现在更低碳氮比进水水质的氮磷去除,研究考虑将SNDPR系统与颗粒污泥耦合,通过定期将反应器进水改为清水的饥饿-饱食策略和逐步缩短沉降时间的方式,实现了颗粒污泥的形成。随后,考察了颗粒污泥形成过程微生物群落的变化和系统污染物去除特性,通过逐步提高进水氨氮浓度,考察颗粒污泥系统在低碳氮比下的氮磷去除效率。结果表明,系统在碳氮比为4的情况下实现了91.59±1.63%和99.81±0.66%的氮磷去除效率。最后通过不同电子受体吸磷的批次实验,结合质量平衡计算来评估系统氮磷的代谢转化途径,系统中有33.03%的氮和31.31%的磷通过DPAOs去除。（6）基于ASM2D模型对SNDPR系统进行过程模拟和除磷机制的研究。在详细分析了实验过程中SNDPR系统可能存在的污染物去除路径的基础上设计改进了ASM2D模型的反应动力学框架。采用基于Sobol的全局敏感性分析方法进行模型参数的敏感度分析,得到各个反应动力学过程的高敏感度参数,然后采用基于遗传算法的智能参数优化方法以高敏感度动力学参数和工艺参数Kla为控制变量,以模型输出与实际测量值之间的均方根误差的均值作为目标函数,进行参数的智能优化,得到最佳的模型参数取值。最后,采用建好的模型探究SNDPR系统的除磷机制,发现在所选取的实验过程中,反硝化聚磷过程占据主导地位。该模型的建立可以为SNDPR工艺的实时运行调控提供一定的理论依据与指导。