传统污水生物脱氮技术普遍存在工艺流程较长,占地面积较大,氧利用效率低,自动化程度低等不足,随着水体富营养化问题的日益严重和氮类污染物排放标准的不断提高,研究开发高效节能的新型污水生物脱氮技术成为当务之急。污水生物倍增处理工艺目前在国内外得到普遍关注,其具有可在低溶解氧下运行及同步硝化反硝化的特点,已在工业废水领域得到广泛应用。目前生物倍增工艺在处理城市污水脱氮方面的应用还很少,因此系统地研究生物倍增工艺处理城市污水的脱氮效能及影响因素具有重要意义。针对我国城市污水特点,本文通过小试试验和现场试验,开展了生物倍增工艺处理城市污水脱氮效能的系统研究。小试试验中,本文系统地研究了低温条件下生物倍增工艺的启动特性,分析了溶解氧和水温对该工艺启动稳定性的影响。此外还深入研究了生物倍增工艺稳定运行期的脱氮效能,分析了不同工艺条件对其脱氮性能的影响;探讨了碳源种类、碳氮比、进水方式对工艺脱氮性能的影响,并对同步硝化反硝化菌群的特征进行了初步分析。小试研究结果表明,溶解氧和温度对生物倍增工艺处理城市污水的启动非常重要,12℃以上启动时,溶解氧是影响系统启动稳定性的重要因素;12℃以下启动时,在低温、低溶解氧和低负荷的运行条件下,极易导致微丝菌(Microthrix Parvicella)的过量生长,可引起同步污泥膨胀,并导致大量的生物泡沫。通过调整溶解氧可控制由于缺氧引发的污泥膨胀;提高进水水温并调整泥龄,可有效地控制低水温期由Microthrix Parvicel引发的丝状菌型污泥膨胀和生物泡沫。生物倍增工艺特有的高容积负荷对有机污染物的去除效果显著,COD出水浓度可稳定达到或优于城市污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级B排放标准。长污泥龄有利于富集增殖缓慢的硝化菌,对氨氮的去除率可稳定达标。生物倍增工艺具有较强的抗低温、抗水质水量负荷冲击的能力,亦具有良好的污泥沉降性能。当水力停留时间在12~21h之间时,其对该工艺的硝化和脱氮效能的影响不明显。稳定运行期TN平均去除率为58.24%。相同HRT和COD负荷下,氨氮负荷越低,TN去除效果越好。外加乙酸钠、葡萄糖和蔗糖等碳源对生物倍增工艺脱氮效能的影响不大,但对除磷有影响,乙酸钠作为外加碳源效果最好;在进水COD负荷变化不大的情况下,系统对TN的去除主要受反硝化过程中有机底物的限制,TN去除率和同步硝化反硝化效率均随COD/TN比的增大而增大,在进水COD/TN比≈2.9时TN平均去除率为64.89%;为保证不同水温期工艺对氨氮的去除效果,研究了基于三种水温期的分点进水流量调控方法,曝气区和厌氧区的容积比高水温期(25.3~26.1℃)为1:1、常水温期(15.7~25.3℃)为1:2时、低水温期(9.7~15.7℃)为1:3时,可实现生物倍增工艺低碳氮比下的最优脱氮效果。初步探讨了分点进水时生物倍增工艺小试反应器内同步硝化反硝化的机理,采用静态试验研究了自养反硝化菌、异养硝化和好氧反硝化菌对工艺系统同步脱氮的相对贡献。生物倍增工艺内部微观缺氧环境的存在导致其能够发生反硝化反应,这是造成曝气区总氮损失的主要原因。在生物倍增工艺现场试验中,系统研究了生物倍增工艺曝气区污泥浓度随空间及时间的变化特征、曝气区溶解氧浓度的变化特征及传质特征;污染物的沿程分布规律;并开展了曝气区同步硝化反硝化脱氮效能及影响因素的研究。生物倍增工艺具有良好的水力混合特性,污泥浓度在水平及垂直方向上基本一致,随时间的变化也不明显。污泥浓度的变化主要受工艺进水条件和运行条件的影响;曝气区的溶解氧沿池宽的变化相对较小,沿池长先大幅降低,后小幅降至最低,池末端溶解氧含量最低。沿池深方向溶解氧逐步降低。氧总转移系数和耗氧速率沿池长方向呈递减分布,表明生物倍增工艺兼具完全混合和推流的双重特征;曝气区未形成明显的缺氧区,较大的污泥絮体粒径和控制低溶解氧有助于形成同步硝化反硝化所需的缺氧微环境。将分点进水的碳源利用方式应用到污水处理厂的生产运行中,实践证明,该优化调控方式可显著提高系统的脱氮效能,三种典型水质期的出水总氮均可达到排放要求。