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好氧颗粒污泥技术、短程硝化技术与反硝化除磷技术是目前国内外水污染控制研究关注的热点技术。基于以上理论，本论文研究了如何从传统的活性污泥培养成具有硝化功能和除磷功能的颗粒污泥，并考察了不同环境条件对其性能的影响。在此基础上，本论文还提出了一种以颗粒污泥为介质的反硝化除磷新工艺。该工艺将颗粒污泥技术和反硝化脱氮除磷技术相耦合，由两个交替运行的厌缺氧SBR和好氧硝化SBR组成，具有以下特点：(1)发挥了颗粒污泥沉降性能好，生物量大，脱氮除磷效率高的优势；(2)解决了硝化菌和聚磷菌污泥龄不同的矛盾且不需污泥回流，简化了系统装置；(3)节省耗氧量，减少污泥产量。本文包括3部分研究内容：(1)短程硝化颗粒污泥SBR的研究①短程硝化颗粒污泥的培养：采用SBR反应器，在温度28C，溶解氧(DO)2.0mg/L，污泥龄(SRT)为15d的运行工况下，缩短沉降时间为2min，通过以pH作为氨氧化过程的控制参数，优化曝气时间，防止过曝气，经过80周期(19d)成功实现短程硝化絮状污泥的颗粒化，并维持稳定。形成的颗粒污泥粒径在1.5-2.0mm之间，对COD和氨氮的去除率分别达到80%和95%，亚硝酸盐积累率(NO2--N/NOx--N)平均达到95%。分子生物学FISH技术对颗粒污泥种群结构的定量分析表明，氨氧化细菌(AOB)依旧是优势菌群，约占17.8%左右，亚硝酸盐氧化菌(NOB)占0.6%。曝气初期FA的抑制和实时控制是启动和维持颗粒污泥短程硝化性能的主要原因。②亚硝酸盐氧化菌颗粒污泥的培养及反应动力学研究，采用SBR反应器，在温度25C，曝气量0.2m3/h，DO2.0mg/L，沉降时间为2min的条件下，经过130d成功培养出亚硝酸盐氧化菌颗粒污泥，平均粒径在0.72mm。长期监测发现，颗粒污泥具有良好的亚硝酸盐氧化能力且出水中硝酸盐几乎检测不到。FISH定量分析表明，Nitrospira为优势菌群。利用莫诺特方程测定亚硝酸盐底物，动力学参数Vs为30.94mg/(g VSS·h)，Ks为8.19mg/L。③C/N比对硝化颗粒污泥形成和微生物群落迁移变化的影响，采用4个完全相同的SBR系统R1、R2、R3和R4，分别在进水COD/N比为0/200，200/200，400/200，800/200的条件下培养硝化颗粒污泥，结果表明，在R2和R3反应器中，颗粒污泥培养成功。但是发现，R2中的低负荷下培养的颗粒污泥，形态规则，颗粒污泥强度高，粒径较小，硝化活性强，且硝化菌群的数量较高。④温度和游离氨的协同作用对硝化颗粒污泥和絮状污泥氨氧化特性的影响，结果表明，氨氧化速率随着温度的升高逐渐增大，在相同温度下，颗粒污泥的氨氮去除率是絮状污泥的2-3倍。同时还发现，当游离氨升高到90mg/L，温度降低到10C时，两系统的氨氧化都受到明显抑制。随着温度高到30C，氨氧化反应速率增加，这说明高温有利于减轻游离氨的毒害作用。相同条件下，颗粒污泥似乎有着更强的抗FA抑制能力。主要原因是颗粒污泥相对于絮状污泥结氨氧化菌种群数量较高，且游离氨进入颗粒内部传质受到限制，从而表现出抗高氨氮负荷冲击的优势。(2)除磷颗粒污泥SBR的研究①除磷颗粒污泥的培养与丝状菌膨胀控制，在SBR反应器中接种普通活性污泥，通过厌氧好氧交替的运行方式，以沉降时间作为选择要素，经过人工配水快速实现污泥颗粒化、实际生活污水稳定维持以及提高P/COD比强化富集聚磷菌3个阶段，成功培养出聚磷能力良好的好氧颗粒污泥，并稳定运行360周期。模拟废水水质成份单一且易降解是好氧颗粒污泥发生丝状菌膨胀的主要原因，变换水质为实际生活污水可有效控制丝状菌的过度生长。成熟的好氧颗粒污泥平均粒径0.8mm，SVI在17~30ml/g，平均除磷效率在90%以上。FISH定量分析表明，聚磷菌约占总菌的51.48%。②缺氧环境对颗粒污泥强化除磷系统释磷的影响，在厌氧起始阶段投加不同浓度的NO3--N和NO2--N，结果表明，硝态氮的投加对聚磷菌释磷无明显抑制，系统中VFA的吸收、磷的释放和硝态氮的反硝化同时发生，VFA吸收速率增大，比释磷速率降低，主要原因是反硝化菌与聚磷菌竞争碳源。但是在颗粒污泥系统中有明显的亚硝酸盐积累。不同pH和不同浓度的NO2--N批次试验表明，游离亚硝酸(FNA)对磷的释放有明显刺激作用。当FNA增加到0.004mg HNO2-N/L，比磷释放速率增加了4倍。另外，FNA对VFA的吸收和PHA的合成均有明显抑制，分别减少了53%和70%。FNA刺激磷释放的机理是聚磷菌需要释放更多的能量来保持足够的质子驱动力。(3)以颗粒污泥为介质的双污泥工艺氮磷去除性能研究本研究考察了HRT对双污泥系统脱氮除磷的影响，发现HRT的变化对COD的去除率影响较小，出水COD浓度平均为35.2mg/L。增加好氧硝化SBR的HRT，可实现氨氮的全部氧化，降低出水总氮浓度。增加缺氧SBR的HRT，可增大系统的反硝化除磷能力。本研究同时考察了进水C/P/N对双污泥系统脱氮除磷的影响，随着进水C/P比的逐渐增大，磷的释放能力逐渐增大。进水C/P比为20/1时，磷的去除能力维持在90%，出水磷浓度平均为0.75mg/L，当C/P比增加到40/1时，出水磷浓度较高，平均为3.8mg/L。通过探索影响双污泥工艺的关键因素，优化系统运行工况，实现了以颗粒污泥为介质的双污泥系统完成短程硝化反硝化除磷脱氮，最大程度的优化同步生物脱氮处理工艺。