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活性污泥法是目前应用最为广泛的污水生物处理方法之一，其中活性污泥絮体在污水净化过程中起着至关重要的作用。本研究采用微电极及分子生物学技术，对活性污泥絮体微环境特征及絮体内微生物群落组成与分布进行了研究，明确了活性污泥絮体微环境对微生物种群结构及功能的影响，为活性污泥法污水处理系统优化提供了科学依据。
通过对污水处理厂Orbal氧化沟的调查，明确了不同运行条件下氧化沟内活性污泥絮体粒径的分布特征。通过实验室的批量实验，进一步研究了运行条件对污泥絮体特征的影响。结果表明，随着剪切应力增大，活性污泥絮体表面粗糙度降低，形状趋于规则化，絮体平均粒径减小；而且在相同的剪切应力下，活性污泥絮体对气流剪切作用的敏感性高于机械剪切作用。
采用微电极技术对不同运行条件下活性污泥絮体微环境进行检测，结果表明，在稳态运行条件下，活性污泥絮体内部pH值没有明显变化，DO、NH4+、NO3-浓度从絮体表面到其中心区域呈逐步递减分布。这种分布特征随絮体粒径及外环境不同，可以分为三种类型：Ⅰ型，絮体外环境中DO浓度在1.0 mg/L以下，粒径大于100μm的絮体中，从其表面到中心区域形成好氧/缺氧或缺氧/厌氧这种渐变的功能分区；Ⅱ型，絮体外环境中DO浓度在1.0 mg/L以下，粒径小于100μm的絮体中，从表面到中心区域无明显功能分区；Ⅲ型，絮体外环境中DO浓度在1.0 mg/L以上，无论粒径大小，絮体从表面到中心区域均为好氧状态。同时，研究结果表明，活性污泥絮体微环境特征与絮体自身结构、絮体外环境及反应器内水力条件均有密切关系。
活性污泥絮体内部微生物组成及分布特征与相应絮体微环境条件存在明显相关。在Ⅰ型微环境特征的活性污泥絮体中，好氧细菌和兼性厌氧细菌共存，微生物多样性丰富，α-变形菌纲、γ-变形菌纲、δ-变形菌纲、ε-变形菌纲、拟杆菌门、厚壁菌门和异常球菌门细菌可被检出，且变形菌门和拟杆菌门细菌是其优势菌群，同时功能菌群氨氧化细菌(AOB)和硝化细菌(NOB)仅分布于活性污泥絮体表层，中心区域未检出；在Ⅱ型及Ⅲ型微环境特征的活性污泥絮体内部，微生物多样性相对简单，均主要以好氧细菌为主，且AOB和NOB在絮体表层及中心区域均可检出。
活性污泥絮体微环境及相应微生物相变化，对反应器内污染物处理效果存在明显影响。Ⅰ型微环境特征的活性污泥絮体占主体的生物反应器内，COD、NH4+、TN去除率分别为83.1％、80.3％、47.8％；Ⅱ型微环境特征的活性污泥絮体占主体的生物反应器内，COD、NH4+去除率上升，分别为85.5％、91.0％，而TN去除率下降，仅为22.2％；而当反应器内完全为Ⅲ型微环境特征的活性污泥絮体时，COD、NH4+、TN的去除率分别为85.2％、89.7％、6.6％。
研究表明，不同运行条件下，活性污泥絮体微环境特征迥异，絮体内微环境变化直接影响其内部微生物组成及分布，造成其功能不同，体现为污水生物处理过程中污染物去除效果差异。