本论文通过对新疆农垦地区的水环境和农村水质现状调查,确定新疆农垦地区污水处理设计的基本条件。结合各污水处理工艺及工程应用条件,选用氧化沟工艺处理生活污水,以期达到水质净化和生态循环的统一。基于此目标,本文开展氧化沟装置的设计、运行工况与影响因素（HRT、进水C/N、曝气量）和污泥微生物种群结构与分布等工作。氧化沟工艺因其处理效能高、运行简便和基建费用低等优点逐渐成为更多研究者所关注的污水处理工艺^[1]。氧化沟属于活性污泥法的一种,活性污泥是污水处理系统中决定处理效能的关键角色,污泥中的微生物物种组成和群落分布是脱氮除磷最主要的影响因素。在反应器运行过程中,氧化沟的水力停留时间（HRT）^[2]、进水COD/NH₄⁺-N（化学需氧量/氨氮）浓度^[3]、曝气量^[4]等因素对微生物的活性具有直接或间接的影响,也就决定污水处理工艺最终的污染物去除能力。因此,活性污泥所处的环境变化对微生物的新陈代谢有密切的关系,只有上述工艺参数维持在最优运行状态,才能保证污泥中的活性最高,发挥微生物的最大潜力,保证出水水质满足相关标准达标排放;同时,完整的解析氧化沟活性污泥中的微生物群落分布和功能分布也就显得极为必要。本文在设计并安装氧化沟工艺的基础上进行生活污水中有机碳源、氨氮和总磷同步去除的工作。为完整系统分析氧化沟污水处理工艺,利用高通量测序技术和实时荧光定量分析（q-PCR）技术对目的基因检测分析,研究污水处理工艺运行过程中微生物种群变化。此外,鉴于污水处理行业中能耗在污水厂运行成本中占比相对较大,本试验研究不同曝气量条件下对脱氮除磷功能性细菌（硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌等）的动态变化和具体分布。针对生活污水中氮和磷的去除提供了理论支持。得出如下主要结论:（1）利用CAD软件设计符合本实验的实验室规模的氧化沟装置,具体尺寸如下:L×B×H=80cm×20 cm×35 cm,有效体积40 L,污水处理量为80 L/d。本实验装置中的最优运行参数为:HRT=10h、进水C/N=9/1、pH=8.0、曝气量=2 L/min,在此运行状态下,氧化沟工艺的COD、NH₄⁺-N、TP的去除情况最好,其最高去除率分别为90%、96%、76%。（2）通过对污泥样品中微生物菌群分布及结构分布的研究,分析氧化沟反应器中活性污泥的微生物生态组成和群落分布,将污泥中的细菌进行高通量测序分析,共检测出细菌:33个门类、51个纲类、424个属类和部分未能完全匹配上的基因序列。验证了高效的同步脱碳脱氮除磷在微观层面上的原因,这在先前的研究中并不多见。通过对氧化沟污泥的Miseq高通量分析,揭示了活性污泥丰富的物种结构组成和巨大的微生物功能分布。其中Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes和Chloroflexi是污泥样品中的主要优势菌门,在污染物中的生物降解反应中发挥了核心作用。硝化细菌、反硝化细菌和聚磷菌等是系统脱氮除磷的有力保证。此外,还有一部分微生物的存在可能对污水处理效能和水质产生不利的影响。（3）为了探究不同曝气量条件下,硝化细菌、反硝化细菌和聚磷菌等功能细菌在此过程中动态变化趋势,利用q-PCR对采集的污泥样品进行基因原位检测分析,得出结果如下:系统的脱碳性能始终维持着较高的去除效率,保持在90%以上。随着曝气量的降低,系统对NH₄⁺-N和TP的去除率发生了变化,在2.0 L/min的时候,反应器的脱氮除磷性能达到了最高,NH₄⁺-N和TP的去除率分别为97%和77%,出水中NH₄⁺-N和TP浓度分别为1.4 mg/L和1.2 mg/L。PCR结果显示:AOB、NOB、DNB和PAO的菌种数量的随着曝气量的调节,其变化范围分别为3×10³¹×10⁴ copies/g、4×10⁶¹×10⁷copies/g、7×10⁶¹.2×10⁷ copies/g、1.1×10⁴¹.8×10⁵ copies/g。通过本课题的研究,确立氧化沟工艺处理生活污水的最佳运行参数,高通量分析的结果有助于研究者了解NH₄⁺-N和TP去除的微观机理,为氧化沟工艺处理实际污水的实际应用提供理论支撑,对同类污水处理工艺设计有借鉴意义。