与传统的活性污泥相比,厌氧氨氧化颗粒污泥（Anammox granular sludge,An GS）和好氧颗粒污泥（Aerobic granular sludge,AGS）具有出色的生物量保留能力、高负荷抵抗能力、低污泥产量,在废水生物处理中显示出巨大的潜力。颗粒污泥的显著优势与其良好的聚集性能密切相关。在高细胞密度下,细菌之间的信息交换与合作将得到加强,细菌代谢和活性将进一步提高。当前,稳定性差限制了颗粒污泥工艺的推广应用。胞外多糖已被证实对颗粒污泥的聚集性能和结构稳定性有重要作用,但其结构复杂,性质多变,在维持颗粒污泥高聚集性能和结构稳定性中的作用机制仍有待进一步阐明。本文研究了颗粒污泥胞外多糖组成、特性及三维构象;对比了不同聚集能力的An GS和AGS污泥胞外多糖结构及特性差异;研究了胞外多糖支链构型对An GS污泥聚集性能的影响;分析了胞外多糖支链及其支化度与An GS结构稳定性间的构效关系;阐明了胞外多糖参与好氧造粒过程中非丝状菌污泥膨胀的发生机理。论文得到如下主要结论:采用凝胶色谱-示差检测-多角度激光散射系统测定了厌氧氨氧化颗粒污泥不同组分胞外多糖（PS40,PS60和PS80）的分子量分布及分子构象,结果表明三种多糖分子量主要集中在1.0×10~5～1.0×10~6 g/mol范围,占多糖总量的50%以上。PS80拥有最高的数均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）,PS60次之,三种组分胞外多糖均呈现典型的高度分支结构,PS80和PS60呈均匀紧密的球形构象。三组胞外多糖的单糖组成类型和比例明显不同。通过光谱分析发现,相比PS40和PS60,PS80含有较低的糖醛酸单糖残基含量,以及羧基、羟基、羰基等极性官能团占比,这些单糖组成和特征官能团均有利于污泥聚集。通过原子力显微镜技术得到了不同组分胞外多糖的分子形貌,PS80展现了较强的自组装能力,呈现致密棒状和花状三维结构。研究结果揭示了厌氧氨氧化颗粒污泥不同分子量胞外多糖的组成特性及三维构象。通过聚集性实验对比了好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的聚集差异。结果表明,厌氧氨氧化颗粒污泥的聚集能力优于好氧颗粒污泥,且胞外多糖在污泥聚集过程中扮演着重要角色。结合离子色谱、凝胶色谱-示差-多角度激光光散射联合系统和原子力显微镜技术对胞外多糖特性进行深入解析,发现An GS比AGS多糖具有更高的分子量和分子支化结构,更高的机械强度和粘度。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱检测到了An GS比AGS胞外多糖具有更高的疏水官能团占比,分子间氢键及总氢键占比。表明胞外多糖在颗粒污泥聚集中扮演着重要角色,揭示了AGS和An GS胞外多糖在分子结构及特性方面的差异。为阐明胞外多糖对An GS污泥聚集性能的作用及其机理,研究了胞外多糖支链糖苷键被酶剪切后污泥的聚集性能及特性变化。通过聚集实验证实了多糖支链构型破坏后污泥聚集性能降低。分析污泥表面特性发现,疏水性和zeta电位降低,这是影响污泥聚集的两个关键指标。原子力显微镜对胞外多糖分子形貌观察,揭示了胞外多糖支链酶解后多糖分子的自组装性能变弱,聚集体结构破碎离散。进一步采用XDLVO理论证实了胞外多糖支链破坏后,阻碍微生物聚集的能垒增强,压缩双电层能（WR）和酸碱相互作用能(WAB)随着微生物之间距离的减小而升高,导致微生物自聚集能力减弱。研究结果从微生物聚集体自由能角度解释了多糖支链对An GS聚集性能的重要性,揭示了胞外多糖支链构型对厌氧氨氧化污泥聚集的重要贡献。对胞外多糖支链及其支化度在维持An GS结构稳定性中的作用机理展开了研究,通过选择性酶解手段,结合浊度测试和扫描电镜技术,发现胞外多糖支链和支点被酶剪切后,An GS颗粒污泥发生了解体。借助流变学理论,通过流变仪检测到了多糖支链被破坏,支化度降低后,An GS的凝胶特性发生了显著变化,颗粒污泥的机械强度和粘弹性降低。使用原子力显微镜成像测定了多糖分子聚集形貌,证实了zeta电位和疏水性的降低、多糖支链的破坏阻碍了多糖分子链间的交联和聚集,致使An GS凝胶特性恶化,颗粒污泥解体。通过光谱分析测定了胞外聚合物特征化学键和官能团,发现胞外多糖支链酶解后糖醛酸,羟基和羧基等负责亲水性和电负性的基团占比增加,揭示了污泥表面特性和颗粒稳定性恶化的内在原因,阐明了胞外多糖支链及其支化度与An GS结构稳定性间的构效关系。以快速进水直接曝气（R1）、快速进水厌氧搅拌（R2）和厌氧推流慢速进水（R3）三种常见进水模式培育好氧颗粒污泥,发现启动过程中R1和R3发生了非丝状菌污泥膨胀,R2未发生污泥膨胀。通过对接种至污泥膨胀过程反应器性能、污泥特性、EPS组成及特性,第二信使c-di-GMP含量和微生物群落演替的全面检测和分析,研究了好氧造粒过程中非丝状菌污泥膨胀的发生机理。微生物的群落演替表明非丝状菌膨胀污泥中,可分泌多糖和不以多糖为能源的微生物丰度增加;而能够分解利用糖类的群落丰度明显降低。上述菌群的动态变化使污泥胞外多糖被大量分泌和保留。对胞外多糖的结构和特性进一步解析,发现非丝状菌膨胀时期污泥的胞外多糖具有较高的分子量、粘度、亲水性,分子链呈现为更加均匀紧密的球形构象。通过相关性分析,发现有机负荷（OLR）、第二信使c-di-GMP、胞外多糖含量和污泥容积指数（SVI）两两之间均表现出了显著相关性（p<0.05）,污泥表面zeta电位和疏水性降低,亲水性增强,是影响污泥聚集压缩,导致非丝状菌污泥膨胀的重要原因。污泥表面亲水性升高主要是亲水性多糖含量升高所致。因此,在外界高有机负荷OLR选择压下微生物分泌大量的第二信使c-di-GMP作为驱动力,通过调节胞外多糖代谢影响污泥表面特性,恶化污泥聚集,从而导致非丝状菌污泥膨胀。研究结果可为好氧造粒顺利进行,避免非丝状菌污泥膨胀提供理论指导。