当前,我国城镇化的迅速推进使得水体污染、环境恶化等问题日益显著。虽然很多城镇都新建了污水处理厂,基本能保证出水水质达标排放,但多数存在运行费用高、系统运行不稳定等缺点。因此,对于污水处理系统全过程运行优化的研究是十分必要的。城镇污水处理厂全过程包括正常运行工况、事故工况及污泥处置工况。只有常态系统内的优化运行、事故状态下的稳定运行,同时保障污泥的妥善处理处置,才能保证污水处理厂稳定、可靠运行。针对小城镇污水氮、磷含量高的特点,本文以模拟厌氧-缺氧-好氧(A~2O)污水处理系统为研究对象,通过A~2O工艺内回流比/外回流比优化配置、系统分格节能供氧、聚合铝铁和聚合铁的科学投加,实现了系统的高效、稳定运行,保证了低温条件下A~2O系统出水的N、P的高效去除。另外,通过研究持久性有机污染物阿特拉津冲击下模拟A~2O工艺系统中化学需氧量(COD)和氨氮(NH4+-N)的去除,为A~2O工艺在有毒物质冲击下的高效运行提供技术参数;最后,论文对污水处理的副产物——污泥,进行了固化研究,固化后污泥可做为土工材料或填埋覆盖土利用。研究结果表明,A~2O系统在启动30d后能够实现对生活污水中污染物的高效去除,系统内各单元污泥浓度基本保持在2500~3000 mg/L之间,其中以缺氧段浓度最高,而厌氧段、好氧段污泥浓度明显较低。内、外回流比均对A~2O系统脱氮除磷产生明显影响,其中随着内回流比从100%向300%逐步升高过程中,除磷效能呈现出回流比300%(93.0%)>回流比100%(89.2%)>回流比180%(88.7%)>回流比150%(88.6%)>回流比200%(83.0%),但系统脱氮在内回流比为180%时最佳。在内回流比180%、外回流比80%时能够实现系统对生活污水中COD、NH4+-N、总氮(TN)、总磷(TP)的高效去除。随着A~2O系统好氧末段的溶解氧浓度由1~1.5 mg/L升高到2~3 mg/L、3~4 mg/L,系统的硝化效果提高,NH4+-N去除率从73%逐步升高至90%左右,其中在3~4 mg/L溶解氧条件下好氧段第3格污泥硝化活性可上升至15.8 mg O2/(g MLSS·h)。类似的,溶解氧在三个阶段的提升将使TN得去除率从54.3%分别提高至63.3%和67.3%,而TP的去除率则从42.7%提高至58.3%及69.2%。A~2O系统好氧末段的分格供氧在节约曝气量的同时,能够有效提升系统对生活污水中污染物的去除效率,好氧段第1格、第2格及第3格供氧量分别为0.6~1.0 mg/L、3.0~4.0 mg/L和2.5~3.5 mg/L。在该条件下可使系统出水COD、NH4+-N、TN、TP浓度分别降低至29.3 mg/L、1.6 mg/L、16.3 mg/L、0.71 mg/L,将使得出水达标排放。在A~2O系统好氧段第2格投加体积比为30%的填料,可以保证COD去除率提升的同时(去除率提升3%),大幅提升NH4+-N的去除率(提高近15%),从而达到低温条件(8~12℃)下系统中N的高效去除。聚合铝铁在曝气池前段投加条件下对A~2O系统生物除磷效能有负面作用,对COD去除效果不佳,但有利于反硝化进行,提高了脱氮效果。A~2O系统曝气池末端聚合铝铁的投加生物除磷系统影响较小,在投加量为4mg/L时出水TP浓度为0.17 mg/L,磷的去除效达到97.6%,出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)Ⅰ级A标准,但聚合铝铁末端投加时系统出水NO3--N浓度要高于前端投加。且低温条件下在A~2O系统曝气池末端投加聚合铝铁有利于系统中TP的去除。同时,A~2O系统中聚合铝铁投加后将使得系统污泥龄减小,污泥沉降性也大幅改善,泥水分离顺利,有利于A~2O系统的高效运行。城镇污水厂接纳高比例的工业废水,存在工业废水事故排放造成的超标风险,以阿特拉津为风险目标物开展研究,将为污水厂的应急运行提供技术对策。结果表明阿特拉津的短时间冲击并不会造成运行系统毁灭性的崩溃。当进水中阿特拉津浓度为20.0mg/L,冲击时间为2d时,阿特拉津的冲击会造成污水的COD、NH4+-N去除率明显降低,COD去除率从95%将至65%,而NH4+-N去除率从88%最低降到36%左右。受到冲击的A~2O处理系统有一定的自我修复能力,冲击后半个月左右,可以恢复正常运行,出水达标。投加颗粒活性炭(GAC)能抵抗高浓度阿特拉津对活性污泥系统的瞬间高浓度的破坏作用。当GAC投加浓度为300mg/L时,能够缓解冲击作用对系统的影响,系统恢复正常运行的时间缩短至一星期,持续增大GAC的浓度,并不能获得同比增大的去除率。为了实现对添加化学药剂的污泥进行有效处理,论文比较了不同类型的污泥固化剂对污泥脱水性能及固化效果的影响。通过对固化污泥含水量、抗压强度、重金属含量和重金属沥出情况的研究,得出硅灰石粉和高岭土相对于其他固化剂具有较高的污泥脱水性能,但是高岭土固化污泥具有较高的Cu、Cr和Ni的沥出率,而硅灰石粉具有较高的Zn和Pb的沥出率。相较而言,铝基胶凝固化剂(AS)、灰钙粉、Mg基固化剂和铝酸三钙等固化剂固化后的污泥具有较低的重金属沥出率和较高的抗压强度。