长期以来,城镇生活污水碳源缺乏(即低C/N比),采用传统的生物脱氮除磷工艺时存在着碳源不足和泥龄矛盾等主要问题,其出水难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A排放标准。因此,开发适应低C/N比污水高效率低能耗的脱氮除磷技术对促进城镇污水处理事业的发展、改善水环境质量具有重大意义。此外,磷矿资源属于稀缺资源之一,随着世界人口增长和工农业生产扩大,使得磷矿资源日渐枯竭：磷的循环再利用是解决磷矿资源枯竭的重要战略思路。城镇生活污水中含有“较丰富”的磷,回收潜力巨大。这就要求人类从新的视角去研发高效率低能耗的污水处理工艺和磷回收技术,并将两者有机地耦合在一起,以便满足污水排放标准和污水中磷回收效率最大化。近年来,反硝化同步脱氮除磷和诱导结晶理论的发展,为开发新型脱氮除磷工艺和磷回收技术提供了新的思路和方向。论文以反硝化同步脱氮除磷理论和诱导结晶磷回收技术为基础,以提高低C/N比生活污水脱氮除磷效果和磷回收为目标,构建了一种“反硝化聚磷-诱导结晶磷回收新工艺”。该工艺的主要特点是：(1)采用反硝化同步脱氮除磷技术,反硝化聚磷菌在缺氧条件下以硝酸盐为电子受体实现反硝化同步脱氮除磷,缓解了脱氮和除磷碳源不足的矛盾,并实现“一碳两用”；(2)采用双污泥形式,使反硝化聚磷菌和硝化细菌处于两个独立的污泥系统,充分地发挥反硝化脱氮除磷和硝化反应的各自特点,解决了泥龄矛盾；(3)将厌氧池内富磷上清液通过侧流引入到诱导结晶柱内实现磷的回收,降低了后续生物除磷的负荷,即实现诱导结晶磷回收对生物除磷的强化作用。反硝化聚磷菌(DPAO)的富集驯化是该工艺稳定运行的前提,本文采用两段式(厌氧/好氧+厌氧/缺氧)富集驯化方法完成DPAO富集。富集完成后,单位污泥厌氧释磷量为8.47mgP/gMLSS、单位污泥缺氧吸磷量为11.13mgP/gMLSS,缺氧条件下单位吸磷量可脱氮量为1.08mgN/mgP,表现出明显的反硝化同步脱氮除磷特征；通过电子显微镜扫描(SEM)观察和荧光原位杂交(FISH)分析,富集完成后,聚磷菌(Accumulibacter)的含量由接种污泥的9.3%增加至68.9%,且多以杆状微生物为主；基于PCR-DGGE分析,接种污泥富集前后微生物种群结构发生了根本性的变化,微生物多样性明显减少。通过该工艺内污泥的衰减特征研究发现：DPAO在饥饿状态下可迅速启动紧迫反应,分解体内贮存的PHB等物质来获取能量维持细胞活性,在7天衰减过程中,第1天的衰减速率为0.15d-1,此后6天衰减速率为0.04 d-1～0.05d-1而硝化污泥中亚硝酸盐氧化细菌(NOB)呈指数衰减,氨氧化细菌(AOB)呈匀速衰减。对比反硝化聚磷菌(DPAO)和好氧聚磷菌(PAO)发现：DPAO可以在好氧条件下以氧为电子受体进行立即吸磷,而PAO在缺氧条件以硝酸盐为电子受体很难立即吸磷：DPAO的缺氧吸磷能力稍低于好氧吸磷能力,证明了PAO存在两种类型的学说：一是仅以氧为电子受体吸磷；另一个是以氧或硝酸盐为电子受体吸磷,即反硝化聚磷菌；通过PCR-DGGE分析,Azonexus.spp、Acidovorax.spp、Rhodocyclus.spp和Thiothrix.spp在好氧除磷污泥和反硝化除磷污泥中均出现,即可能属于DPAO。结合化学分析和PCR-DGGE分析研究发现：进水中C/N比和C/P比对工艺脱氮除磷效率和微生物种群结构有着重要的影响；随着进水中C/N比和C/P比增加,氮和磷的去除率提高,微生物多样性减少,在此过程中DPAO被强化,许多微生物在此过程中被淘汰；通过试验发现,在本试验设计中当进水中C/N比为6.3,C/P比为23.3时,TN和P的去除率达到最大,分别为90.5+4.3%,94.0±2.4%。通过诱导HAP结晶回收污水中的磷是可行的,其诱导结晶反应过程呈准一级反应形式；该反应速度快、受温度影响较小,其反应的活化能为5.96KJ/mol,这大大增强了该方法在实际应用中的实用性；pH值对诱导HAP结晶影响较大,当pH超过8.5时可明显提高溶液中的磷回收率,且在一个较宽的pH范围(8.5～10)内可保持较高的磷回收率,这为该方法的实际应用提供了可操作性；通过曝气可以使诱导结晶柱内溶液pH值达到这个范围。为进一步探究最佳的除磷效果和磷回收效率,对侧流比进行了系统研究。研究发现：侧流比对工艺内生物除磷、诱导结晶磷回收和微生物种群结构有着一定的影响；诱导结晶磷回收对生物除磷有着明显的强化作用。在本实验中,当侧流比为35%时,可获得较好的磷去除和回收效果；当侧流比为0%和15%时出水中磷浓度不能满足排放标准：但是过高的侧流比(45%和55%)将破坏生物除磷系统的正常代谢机能,不利于整个系统的生物除磷,导致出水中磷浓度显著增加,甚至导致系统崩溃；因此,在实际运行管理中,侧流比的选择应以不破坏微生物生物除磷机能为前提。此外,随着侧流比的增加,微生物种群多样性也增加。在工艺稳定运行的基础上,考察工艺对生活污水的处理效能,并对诱导结晶产物进行分析。当进水中COD、TN、NH4+-N和TP的浓度为239.2～259.5mg/L,39.6～43.8 mg/L, 38.2～41.8 mg/L和8.72～11.40 mg/L,属于低C/N(约5.98)比生活污水,出水中相应的浓度分别为15.2～21.6 mg/L,8.5～9.6 mg/L,3.6～4.7 mg/L和0.31～0.49 mg/L,满足国家《城镇污水厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准；COD主要在厌氧池被去除NH4+-N主要在好氧硝化池中去除；出水中NO3--N浓度要高于进水中NO3--N浓度,分别为4.87 mg/L和0.58 mg/L；在该工艺内,污水中磷的去除主要由诱导结晶磷回收和生物除磷两部分组成；在本试验中,该工艺磷去除效率为95.9%,其中诱导结晶磷去除率占总去除效率的71.5%,反应该工艺具有较大的磷回收潜力：通过SEM和EDS分析,在诱导结晶反应过程中,方解石晶种表面有明显的变化且主要成分可能为Ca5(OH)(P04)3,即HAP。此外,后置曝气池可对出水中COD、NH4+-N和磷浓度起着把关作用。