剩余污泥的大量产生与排放严重威胁着人们的生存环境。针对目前传统活性污泥法污水处理工艺中大量产生剩余污泥的问题,以污水“达标化”为基础,污泥“减量化”为重点,以“资源化”作为发展目标,使污水处理过程更有效,剩余污泥实现减量化和资源化相统一,符合我国环境保护的重要需求。针对AAO工艺在厌氧段需要外碳源补充进行有效脱氮、系统排放污泥量较大以及剩余污泥资源化能源化利用低等问题,本文在分析单独超声、单独臭氧细胞破解方法的局限性基础上,采用超声-臭氧联合污泥溶胞技术,着重研究了超声-臭氧联合作用对AAO工艺污水处理及污泥过程减量效果的影响,提出了强化污水处理及污泥减量的调控策略。采用高通量测序等手段,解析了超声-臭氧破解液回流的AAO工艺微生物群落结构对系统强化污水脱氮除磷效果的响应及种群互作的生物学机制。同时利用系统排放的剩余污泥,进行生物制氢研究。考察了利用低强度超声处理产氢接种污泥后,接种污泥中产氢菌的氢化酶催化活性的变化。分析了对AAO剩余污泥作为底物进行臭氧、超声和超声-臭氧联合预处理,对生物制氢体系产氢效能的影响。超声-臭氧联合预处理对污泥溶胞效率的影响试验结果表明,当超声声能密度和臭氧投加量分别为1.42 W/m L和0.16 g-O3/g-TS时,可以达到最大污泥减量率39.9%和最大污泥溶胞率61.7%。试验结果表明,超声-臭氧联合预处理有效地提高了污泥的溶胞率,既有利于污泥减量,有利于碳源的再利用。将优化的超声-臭氧联合预处理参数用于连续流运行试验,以生活污水为处理对象,启动了超声-臭氧溶胞液回流的AAO工艺,强化了污水处理过程中碳氮磷的去除及污泥减量的效果。试验表明,当工艺的污泥回流比为60%时,系统可以达到最佳污泥减量率47.0%、最佳COD去除率91.0%、最佳总氮去除率84.9%及最佳总磷去除率78.0%。与未经破解液回流的AAO工艺相比,超声-臭氧工艺在保障出水COD达标的同时,成功地实现了强化污水脱氮除磷和污泥原位减量化的效果。超声-臭氧污泥污泥溶胞破解液回流至AAO主反应系统,使其可溶性碳源、氮源在一定程度上均有所增加,弥补了系统碳源不足的缺陷。采用454焦磷酸高通量测序手段,从微生物群落和结构角度证明,以超声-臭氧破解液回流的AAO工艺中的微生物群落的多样性高于传统AAO工艺中污泥样品的微生物群落,保障了系统高效的运行。超声-臭氧破解液回流AAO工艺系统中,β-Proteobacteria及γ-Proteobacteria含量均高于未进行破解液回流的系统,可见,超声-臭氧溶胞回流的AAO工艺系统选择性富集了具有脱氮除磷作用的微生物,从而强化了污水的脱氮除磷效果。有效解决了现有污泥过程减量系统中出水氮磷含量偏高的问题。采用微电极系统,进行了利用低强度超声处理促进对污泥中产氢氢化酶活性的影响的试验,结果表明,低强度超声的施加,有助于加速产氢微生物细胞的增长并促进微生物的合成代谢。经低强度超声处理后,可以得到最大产氢量为13.0 m L-H2/g-TS(20 h),与接种未经低强度超声处理的污泥相比,产氢量提高了18%(26 h时产氢量达到最大值为10.7 m L-H2/g-TS),且可以有效地缩短产氢时间。试验表明,低强度超声可以刺激产氢氢化酶催化活性的提高,从而使产氢微生物利用底物释放更多的氢气。进行了超声-臭氧联合预处理,利用剩余活性污泥溶胞液进行生物制氢产氢效能强化的试验研究。结果表明,超声-臭氧联合预处理污泥为底物的最大氢气产率为9.3m L-H2/g-TS,与未经处理的污泥样品相比(1.2 m L-H2/g-TS),超声-臭氧联合预处理污泥的氢气产率提高了6.75倍。证明了以污泥为底物的产氢过程,利用超声-臭氧联合预处理污泥,可以实现剩余污泥这类废弃生物质的资源化利用。采用三维荧光光谱技术,对反应过程中NADH的变化进行检测发现,低强度超声的施加,使微生物发生定向代谢,增加了NADH的氧化量。结果证明了剩余污泥可以通过有效预处理,增加其溶解性物质产量(尤其是溶解性多糖的含量),从而作为发酵法生物制氢的底物进行产氢。