我国城市污水处理厂普遍采用A~2/O及其改良工艺等传统活性污泥法以实现对生活污水中的氮、磷等营养物质的去除。近年来,随着城镇污水处理厂污染物排放标准的提高,如何对现有的处理系统升级改造以达到更高的处理效能,是个有待回答的问题。其中一个可能的解决方案就是向生物池中投加悬浮填料来形成混合污泥系统,本论文以西安市第四污水处理厂（倒置A~2/O工艺）为对象,对比研究了一期工程（传统活性污泥系统、未投加填料）与二期工程（投加悬浮填料后形成的MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor））混合活性污泥系统)的处理效果和增效机理,以期为城市污水处理厂提高污水生物处理效能（提标改造）提供一定的理论指导。研究首先考察了该污水处理厂夏季和冬季未投加悬浮填料的纯活性污泥系统（称为工况一和工况二,下文同）以及投加悬浮填料（称为工况三和工况四,下文同）这四种工况下二沉池出水的水质情况。在此基础上对四种工况下对应污泥进行了高通量测定,分析了污泥的菌群结构。最后对冬季不同生物池、不同活性污泥系统的微生物群落结构进行了分析。获得如下主要研究结果:（1）对夏季两种工况下系统处理效果进行了研究,发现相比于工况一（纯活性污泥系统）,工况三（投加了填料）的二沉池出水氨氮?总氮?总磷和化学需氧量浓度分别下降了1.29mg/L、4.16mg/L、0.47mg/L和5.42mg/L,污染物的去除效果相应分别提高了36.5%、25.14%、23.38%和15.40%;对投加悬浮填料的系统在不同季节条件下的处理效果进行了研究,发现相比于工况四,工况三（夏季）的二沉池出水氨氮?总氮?总磷和化学需氧量浓度分别下降了1.34mg/L、4.09mg/L、0.51mg/L和7.33mg/L,污染物的去除效果相应分别提高了37.43%、33.01%、33.12%和19.75%。（2）夏季和冬季好氧池中的微生物菌群结构分析表明,在纯活性污泥系统和悬浮填料混合污泥系统中,变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）都是系统微生物群落中的主要优势菌,其在悬浮填料混合污泥系统中的丰度比前者有较大幅度的提高。在属分类水平上,发现了以Saccharibacteria genera incertae sedis、Kofleria等为主的十数个优势菌属,其中还包括Phaeodactylibacte、丛毛单胞菌属（Comamonas）、硝化螺菌属（Nitrospira）和泉发菌属（Terrimonas）等脱氮相关菌属;硝化螺菌属（Nitrospira）在悬浮填料混合污泥系统为第一优势菌。夏季微生物数量明显优于冬季,冬季的微生物群落的种类数量优于夏季,优势菌属多数属于革兰氏阴性菌,是污水处理厂广泛存在的微生物群落,大多具有降解COD、氧化氨氮和还原硝酸盐的能力。（3）冬季好氧池、缺氧池、厌氧池中除了最常见菌门外,还发现有其他优势菌,如Planctomycetes（浮霉状菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）等;属分类水平上,不同生物池内的微生物群落结构有较大的差异,在厌氧池中发现了Candidatus Kuenenia、Ignavibacterium、Desulfocapsa、Geobacter、Treponema（密螺旋体属）、Sulfurisoma（硫还原菌属）、Hydrogenophaga、Ancalomicrobium等为主的优势菌属,缺氧池中以Litorilinea、Labilithrix等菌属为主的优势菌。不同生物池中的具有共同的优势菌群,但同时也具有较大的差别,具有大量特有的微生物菌群,尤其在厌氧池中发现了厌氧氨氧化细菌的存在。