目前,城市污水处理厂普遍存在因污水碳源匮乏脱氮除磷效果不稳定、剩余污泥难以处理处置、污水中磷资源流失等问题,这些问题对生态环境的影响日趋严重,在一定程度上制约了社会经济的发展。在这种情况下,开发融合脱氮除磷和磷回收功能且剩余污泥产生量少的污水处理工艺技术就显得尤为重要。论文在全面综述现有污泥减量技术和生物除磷脱氮技术的基础上,针对污泥减量技术中存在的剩余污泥减量效果与除磷效果之间的矛盾以及污泥减量系统能耗普遍偏高等具体问题,创新性地开发了厌氧释磷污泥水解酸化、多级串联接触曝气、侧流除磷A2/O工艺,即:HA-A/A-MCO处理新工艺技术。论文对该工艺技术进行了系统研究,取得了如下成果:①在低温运行条件下,HA-A2O系统通过回流好氧污泥至水解酸化池能较为稳定的提高污水中的VFA。但由于受低温和剩余污泥与水解酸化池污泥中优势菌不能良好兼容这两个因素的影响,在控制系统污泥浓度稳定的前提下,调整好氧污泥水解酸化回流比为最大值3%时,水解产生的VFA仍不能满足后续A2O系统除磷脱氮对碳源的需求。HA-A2O工艺对有机物的去除性能良好,COD平均去除率为96%。由于受低温和碳源限制,系统脱氮除磷效果欠佳,NH3-N和TN的平均去除率分别为78.6%和65.4%。较低的温度和有限的碳源导致系统除磷率较低,TP平均去除率仅为62%。HA-A2O系统相对较长的污泥龄(60d)运行使得系统污泥表观产率为0.198gMLSS/gCOD,与现有已开发的污泥减量技术相比,HA-A2O工艺减量效率优势不够明显。②针对水解酸化-A2O工艺回流好氧污泥影响水解酸化池污泥水解酸化效果的问题,论文在水解酸化-A2O工艺的基础上,研究开发了水解酸化-A/A-多级串联接触曝气(HA-A/A-MCO)工艺。通过回流部分厌氧池释磷污泥至水解酸化池,将A2O系统中的完全混合曝气池改为多级串联接触曝气池。研究发现,当污泥龄控制在60d的条件下,HA-A/A-MCO系统可以维持污泥活性以及满足系统污水处理效果并获得较小的剩余污泥排放,稳定运行时污泥产率为0.1gMLSS/gCOD.d,仅为传统活性污泥工艺的1/4。1)在SRT=60d条件下,当进水COD=316-407mg/L、NH3-N =30-40mg/L、TN=35-53mg/L、TP =8-12mg/L时,出水COD≤18mg/L、NH3-N≤2.1mg/L、TN≤10.3mg/L、TP≤0.44mg/L,出水水质全面满足GB18918-2002一级A标准要求。2)论文通过比较回流污泥形式对水解酸化效果的影响时发现,将厌氧释磷污泥回流至水解池更有利于产酸。将相当于进水量2%的厌氧释磷污泥进行回流水解时,水解液中VFA的浓度为原水的4.74倍,解决了系统除磷脱氮对碳源的竞争矛盾。3)采用排除厌氧释磷污水侧流除磷方式有效地解决了HA-A/A-MCO系统低污泥产率诱导的除磷能力低下的难题。研究进一步发现,在强化厌氧释磷侧流除磷的情况下,HA-A/A-MCO系统获得很强的超量吸磷潜能,具有较强的抗磷冲击负荷的能力。4)在富含VFA的污泥水解液作用下,HA-A/A-MCO系统厌氧释磷池的平均释浓度为57mg/L,在综合考虑系统磷平衡的情况下,将约为进水量13%的释磷液进行侧流化学固磷,并控制化学除磷池出水磷浓度为5mg/L时,可以提高化学药剂利用率同时提高化学污泥的含磷率。研究发现,采用石灰法固磷时,产生的化学污泥含磷率高达18%,以有效磷(P2O5)计高达40%,具有较高的回收利用价值。③研究发现,好氧脱氮是HA-A/A-MCO系统主要的脱氮方式,占总脱氮率的50%,缺氧反硝化脱氮占26%。通过生物菌群分析发现系统中存在一定数量的在好氧条件下具有反硝化能力的好氧反硝化菌(如Z3和Z10菌株)。HA-A/A-MCO系统采用低DO控制方式其反硝化脱氮效果不受DO浓度影响,有利于好氧条件下污泥絮体内缺氧环境的形成,有利促进SND脱氮,对保证系统的脱氮效果具有积极意义。④污水生物处理系统在不影响系统硝化作用的前提下,增加进水有机负荷有利于提高系统脱氮率,而低有机负荷有利于污泥减量,获得低的污泥产率。研究发现,HA-A/A-MCO工艺的临界有机负荷为0.141~0.162g/g.d。侧流比增加,系统除磷率增大,当侧流比约15%时出水P浓度开始小于0.5mg/L;侧流比增加,化学固磷量和去除率也随之增加,而生物除磷量和去除率则逐渐减少。当SRT=60d时,系统除磷和污泥减量效果最佳,除磷率达97.6%,污泥产率仅0.11gSS/gCOD。⑤PCR-DGGE分析结果表明,水解酸化池、厌氧池、缺氧池和多级串联好氧池各池中微生物菌群均呈高度多样性分布,各池多种优势功能菌群的共同作用促进系统发挥出稳定良好的产酸、除磷脱氮和污泥减量性能。梭菌属是水解池中起产酸和污泥减量作用的主要菌种之一,乳球菌属是水解池中的专性水解产酸菌,梭菌属、芽孢杆菌属和乳酸菌属这三种具有产酸功能的细菌是导致回流厌氧释磷污泥时水解池VFA产量高的原因。不动杆菌属和螺旋体菌属能够抵抗系统内高等微生物的捕食而在各反应池内稳定分布,前者是保证系统维持良好除磷能力的基础,后者承担降解去除有机污染物的功能。细菌培养区的工艺参数和环境条件有利于芽孢杆菌属和俊片菌属等细菌的大量生存繁殖,并且能够作为原生动物和后生动物生长区中高等微生物的食源被捕食而消失,通过这种高等级别微生物生长密度的提高和微型动物的分级生长,并利用高等微生物对低等微生物的捕食作用促进系统获得较低的污泥产率,约0.1kgMLSS/kgCOD。⑥HA-A/A-MCO反应器整体拥有较低的SOUR,是由于系统长泥龄、低负荷的运行模式导致缺乏可供生物分解的有机质引起的,而不是由微型动物捕食作用所致。系统利用微生物捕食减少污泥产率的同时还能增强悬浮污泥的沉降性能。轮虫可作为系统悬浮污泥沉降性能的指示性生物,且呈正相关,轮虫和红斑飘体虫可作为系统污泥产率的指示性生物,呈负相关。⑦在HA-A/A-MCO系统好氧池,特别是在含有较多数量轮虫和红斑顠体虫等较大型后生动物的好氧2、3池内,这些微生物依靠其自身活动能够使较大的污泥絮体和生物膜疏松,有利于提高氧向大粒径污泥絮体内部及生物膜深层的传递和转移,提高氧的转移与利用率,使得HA-A/A-MCO系统在低耗氧条件下可以取得理想的同步除污和污泥减量效果。综上所述,论文开发的HA-A/A-MCO工艺不仅具有良好的除磷脱氮效果,而且具有良好的污泥减量效果,可以誉为是一种具有清洁生产理念和资源循环特征的污水、污泥处理技术。研究成果具有较强的创新性及较显著的学术意义和实用价值,可为该技术的工程推广应用提供技术支撑。