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为了强化CAST工艺的脱氮除磷性能并对其进行优化，以模拟城市污水为处理对象，对传统CAST工艺的运行模式进行了改良，并对不同运行模式下系统去除有机污染物、氮磷污染物性能及其强化措施进行了研究，并运用荧光原位杂交技术(FISH)等分子生物学技术，研究了微生物菌种群结构及其对污染物去除效率的影响。 研究结果表明:三种运行模式下COD的去除稳定，模式1、模式2、模式3下COD平均去除率分别为92％，89％，83％。运行模式对氮污染物去除的研究结果表明:氨氮氧化不成为限制条件的前提下，模式1、模式2、模式3运行期间TN的平均去除率分别为71％，88％，89％，三种模式下出水TN均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB-18918-2002)的一级A标准。但是由于曝气时间的缩短，模式三下系统出水氨氮偏大。模式1、模式2、模式3下典型周期内NO2--N的平均累积率分别为46％，75％，47％。静态试验分析运行模式对系统内微生物的硝化活性和反硝化活性影响的结果表明:三种运行模式下系统的硝化速率分别为VN,M1=4.1 mgNH4+-N/gMLSS/h，VN,M2=3.2mgNH4+-N/gMLSS/h，VN,M3=2.2mgNH4+-N/gMLSS/h。三种运行模式下的活性污泥的反硝化过程均发生了不同程度的亚硝态氮积累。三种模式下活性污泥的硝态氮还原速率(γRed,NO3--N)分别为:5.6mgNO3--N/gMLSS/h，5.1mgNO3--N/gMLSS·h，5.1mgNO3--N/gMLSS/h;亚硝态氮还原速率(γRed,NO2--N)分别为为:0.9mgNO3--N/gMLSS/h，0.5mgNO3--N/gMLSS/h，1.7mgNO3--N/gMLSS/h。FISH分析结果表明，氨氧化细菌(AOB)占总体细菌的比例在模式2条件下最高。除磷方面，三种模式都呈现出较好的除磷性能，模式1，模式2下磷酸盐的去除率稳定，模式3下磷酸盐的去除率波动性较大;模式1，模式2，模式3下系统磷酸盐的平均去除率分别为91％、96％、80％，反硝化聚磷菌在三种模式下占总聚磷菌的比例分别为36％、49％、7％。 总之，可以通过改变工艺运行模式来优化系统脱氮除磷性能并提高主要污染物去除效率。