活性污泥工艺在污水处理领域的广泛应用势必将产生大量的剩余活性污泥,剩余污泥的处理处置问题已经成为国际上亟待解决的难题之一。针对活性污泥工艺的这一弊端,结合臭氧溶胞隐性生长理论,围绕臭氧化过程的规律、影响因素以及动力学分析和优化方法等方面展开基础研究,设计了可与活性污泥工艺结合的臭氧减量单元,并考察了将臭氧化减量单元与CAS工艺和MBR工艺结合后处理生活污水的工艺设计方法和运行效果。考察了不同浓度污泥混合液在臭氧化过程中各参数的变化。结果表明:溶胞过程中MLSS和rCOD均呈准线性变化;单位污泥溶解释放出的rCOD的量在0.96-1.04之间;活细菌总数呈指数下降趋势,在较短的时间内就完成了杀菌过程;混合液中溶解性的N和TP均呈增加趋势,而pH值则由8下降至5左右。对试验结果的讨论发现:合理控制氧化反应时间、提高溶胞比有利于维持活性污泥工艺运行的稳定性。分别研究了氧化过程和传质过程的影响因素。结果表明臭氧氧化过程的影响因素有臭氧进气浓度、臭氧投量、混合液初始污泥浓度、胞外聚合物含量、还原性物质的浓度、pH值以及减量单元的运行方式等。其中臭氧进气浓度、混合液初始污泥浓度及操作方式为臭氧化过程的主要影响因素。随着臭氧浓度的增加,溶胞速率相应增加;而在相同的臭氧进气浓度条件下,低初始MLSS将更有利于臭氧溶胞;就操作方式而言,在相同能耗的条件下,连续操作的溶胞效果好于间歇操作。研究发现臭氧传质过程的主要影响因子为:污泥浓度、进气臭氧浓度、混合液的高度、表观气速及平均气泡直径,并通过数学模型获得了传质效率与影响因子间的相互关系。对污泥臭氧溶胞过程的动力学研究发现,在一定臭氧投量下,MLSS浓度和活细菌总数可分别用线性方程和指数方程描述。对不同初始MLSS的混合液的杀菌率的研究表明混合液中氧化残余的污泥不适宜再次返回曝气池内;溶胞释放的rCOD与反应时间可用线性方程描述。在减量工艺的优化方面认为低污泥产率工艺有利于降低能耗,从而减少污水处理费用;低污泥浓度条件更有利于臭氧氧化溶胞;臭氧化时间的选择应兼顾溶胞比和经济性两项指标,当溶胞比在0.72-0.8之间可取得较好的减量效果;对于同一浓度的污泥来说,选择较大溶胞比和较低能耗的投量是最经济的;臭氧利用效率为0.9以上的混合液高度为优化高度,反应器的总高取值宜为1.5-2.0倍优化高度。进入SO(Sludge ozonation)单元的污泥混合液的流量可以通过q/Qmax来确定,相应的主要工艺设计参数为:污水流量Q、进水和出水中SCOD浓度变化(S0-Se)、进水中有机物的表观污泥产率Yobs、溶胞比ξ、单位污泥溶解释放的rCOD值η和产率系数Y2;在进行CAS-SO工艺(conventional activated sludge, CAS)或MBR-SO工艺(Membrane Bioreactor, MBR)实验研究时应首先确定这些参数,然后再确定设计污泥流量q,本研究中q值分别为9 L·d-1和2 L·d-1。在设计参数的控制下,两套工艺连续运行80天均取得了较好的运行效果。与控制阶段相比,出水指标中悬浮物浓度、COD以及氨氮的浓度均未受到明显改变,而其他指标如硝酸盐氮、TN和TP则差别较为显著,原因是两套工艺氮的转化途径不同且均无污泥排放,导致出水氮磷含量较高。分析CAS-SO工艺污泥性质发现:SO单元的引入对胞外聚合物浓度、沉降性能、活细菌数量、脱氢酶活性及比耗氧速率均会造成一定程度的影响,但影响不大,SO单元的引入没有恶化系统内的污泥性质。比较CAS-SO工艺和MBR-SO工艺发现:MBR工艺无论是在技术指标上还是经济指标上均略高于CAS工艺,而在运行效能方面二者则各有优点。对运行费用的估算发现MBR-SO工艺处理单位体积废水产生的污泥所需要的费用较少,约为CAS-SO工艺的一半。两种工艺处理单位体积废水产生的污泥所需的费用分别占污水处理费用的9.5%和5.83%。