我国城市污水处理厂普遍存在处理效率较低、能源消耗和浪费大、能源资源回收率低等问题,迫切需要提高运行水平,降低能耗与物耗。此外,二级处理出水再利用普遍面临氮、磷营养物质的深度削减及难降解有机物去除的问题。同时普通的二级处理出水回用于工业、城市景观生态用水水质得不到保障。上述问题均在不同程度上限制了污水资源化利用的步伐。基于此,本研究以安庆市城西污水厂二沉池出水与曙光化工接触氧化池出水为处理对象,分别构建曝气生物滤池与膨胀式颗粒污泥床的小试装置,考察不同反应条件下反应器深度去除COD及深度脱氮性能;在此基础上,通过运用化学分析及微生物群落结构解析等手段,探讨功能微生物在反应器不同运行阶段的变化规律,分析反应器内关键功能微生物,为强化反应器运行效能提供理论基础。为了高效、经济地去除生物出水中残留的难降解或有毒的有机污染物,本研究构建了曝气生物滤池的小试装置。在反应初期阶段,由于易于利用的有机碳源不足使得一些功能菌群无法完成正常的生长代谢活动,运行25d后,COD的去除率基本在15%左右波动。然而向反应器中投加100mg/L的葡萄糖后,运行35d后,COD的去除率较第一阶段升高了37%左右,一些分子量较大的有机物在特异性氧化酶的作用下被逐步分解与矿化。待出水浓度基本稳定在128mg/L时,停止加入葡萄糖,运行45d后,反应体系内的微生物的活性均得到了提升,此时COD的去除率较第一阶段升高了2.9%,出水COD浓度基本稳定在100mg/L。此时,将臭氧氧化处理后的出水投加到反应器中,经过微生物作用后,有机物的矿化程度增强,COD的去除率稳定在18.9%,但是仍有一部分有机物如2,4-二叔丁基苯酚和3,5-二叔丁基甲苯等物质存在于整个反应阶段中。然而相比于单独采用臭氧氧化技术处理而言,将臭氧氧化工艺作为前处理结合曝气生物滤池可以进一步提升COD的处理效能,从而为后续工艺的配套结合奠定一定的基础。同时为解决工业园区深度脱氮的问题,构建体积为633ml的膨胀式颗粒污泥床装置。在HRT=9h的情况下,反应器运行状况良好,运行25d后,TN和NO3--N的去除率稳定在78.5%和95.2%左右,反应体系内部的功能微生物逐渐被富集。随着进水中NO3--N负荷的增加,HRT由9h调整为4h,运行30d后,亚硝酸盐的含量逐渐降低,NO3--N的去除率较第一阶段上升了2.8%,TN的去除率上升了4.7%,反硝化性能逐渐增强。待出水NO3--N浓度趋于稳定后,将水力停留时间进一步缩短至2h,TN和NO3--N的去除率持续上升,基本稳定在84.9%及98%,硝酸盐基本被完全去除。对于有机物的降解而言,在整个反硝化过程中,随着水力停留时间的缩短,COD的去除率由最初的18%逐渐升高至30%,最后在HRT=2h的条件下稳定在39%左右。造成上述现象发生的原因可能是由于在功能菌群分泌的特异性氧化酶以及生物膜吸附作用的联合作用下,进水中包含碳数在7-12之间的烷烃、3,5-二叔丁基甲苯以及一些结构较为复杂的酯类与卤代烃等物质转化为分子结构较简单的有机化合物。但是可能由于功能菌群的种类和数量有限使得一些物质仍未被微生物利用,如:2,4-二叔丁基苯酚、十六烷烃等物质。对两个反应器中的微生物群落结构进行分析发现,投加实际废水运行后,作为COD降解的主要参与者,以生物膜的形式存在于BAF内的Acidovorax（2.9%）与Hyphomicrobium（17.2%）等细菌,占据一定的优势。通过分泌一些特异性的氧化酶与底物作用,将具有复杂结构的有机化合物进行矿化,实现尾水中COD的深度去除。另一方面,分别在门、属与种类的水平上对膨胀式颗粒污泥床内的污泥样本进行分析。其中,作为重要的反硝化贡献者,Sulfurimonas（19.2%）和Thiobacillus（9.5%）共同作用,利用还原的硫化物或者氢作为电子供体,氧和硝酸盐作为电子受体进行深度脱氮。此外,膨胀式颗粒污泥床内还含有一些相对丰度较低（2.5%）的细菌属,如Denitratisoma、Caldilineaceae和Thermomonas,它们对氮和其他化合物都有一定的去除能力。因此,反应器的脱氮效能的体现不仅仅在于单个微生物种群,而是多物种多水平上的联合作用。