随着经济发展和城市化进程的加快,城市用水供需矛盾日益加大。进一步开发城市污水,实现污水资源化和中水回用,对于保障城市安全供水和环境资源的可持续利用具有重大的战略意义。近年来,曝气生物滤池(Biological aerated filter,BAF)技术在污水处理领域得到了广泛的应用,但作为三级单元深度处理城市污水,BAF技术仍然存在硝化细菌生长缓慢、脱氮性能不稳定等问题。生物强化技术通过向生物处理系统中引入具有特定功能优势微生物能够起到快速增加细菌数量并提高系统对目标污染物去除效率的作用。研究利用生物强化来改善和提高BAF技术对低浓度污水深度处理的性能具有重大的现实意义和工程应用价值。本文结合我国城市污水处理厂出水的实际水质特征,采用由好氧硝化滤池和缺氧反硝化滤池串联组成的BAF工艺(即倒置反硝化曝气生物滤池工艺,O/ABAF)进行污水深度处理,并从南四湖湿地植物根际和活性污泥中筛选高效氨氧化细菌构建优势菌群对O/A BAF工艺进行强化,重点研究了强化前后O/A BAF工艺运行特性的变化特征以及工况条件的改变对生物强化后O/A BAF工艺性能的影响。在注重工程实际应用的同时,从理论上阐述了采用高效氨氧化细菌强化O/A BAF工艺对低底物浓度废水的脱氮性能的可行性。在此基础上,采用臭氧技术对O/A BAF工艺出水做进一步脱色强化处理,探讨了工艺参数。主要工作如下：1.对生物强化前O/A BAF工艺深度处理城市污水二级出水的运行特征进行了研究,包括工艺的挂膜启动方法和在低曝气量条件下的硝化反硝化特性。(1)在传统闷曝挂膜方法的基础上,增加了单池内循环回流工序,维持硝化滤池在低曝气量条件下(0.3m3/h)进行挂膜培养。25天后,O/A BAF工艺正式启动。此时,硝化滤池最大亚硝酸盐积累率为60%,对应着反硝化滤池13mg/L的甲醇投加量,O/A BAF工艺对总氮的最大去除率为30%。(2)对于进水氨氮负荷为0.04-0.26kgNH4-N/m3.day,有机负荷为0.21-0.65kgCOD/m3·day,控制硝化滤池在低曝气量条件下运行能够维持O/A BAF工艺的短程硝化反硝化特性。当曝气量为0.4m3/h时,硝化滤池实现最大亚硝酸盐积累率(66.9%)。此时硝化滤池中对应的平均溶解氧浓度为1.5mg/L,氨氮去除率为37.2%。(3)硝化滤池在低曝气量条件下(0.3-0.5m3/h)表现出一定的同步硝化反硝化特性。反硝化滤池对总氮的去除与硝化出水中氧化态氮的浓度和甲醇投加量有关。对于曝气量为0.4m3/h的硝化出水,当甲醇投加量为20mg/L时,反硝化滤池出水总氮平均浓度为14.1mg/L,可以满足《城市污水再生利用-景观环境用水水质标准GB/T 18921-2002》的要求,但出水水质不稳定,部分时段出水总氮浓度超标。2.优势氨氧化细菌的分离、筛选及特性研究。(1)从活性污泥和南四湖湿地植物芦竹、三棱草、柳絮等根际土壤中共筛选获得4株高效氨氧化细菌,其中,活性污泥2株(YH-1,YH-2)；芦竹1株(YL-1)；三棱草1株(YS-2)。四株细菌的格兰仕染色结果均呈阴性。通过透射电镜检测确定YL-1为椭球菌、YS-2为短杆菌、YH-1为螺菌、YH-2为长杆菌。(2)四株优势氨氧化细菌在较高的pH值(8.5)和游离氨浓度(18.2mg/L)下均表现出良好的氨氮去除特性,但对高负荷氨氮的去除受氧浓度条件的抑制。3.维持硝化滤池在曝气量为0.4m3/h条件下运行,利用筛选获得的四株高效氨氧化菌株构建优势菌群并投加至硝化滤池,重点研究了优势菌群的投加对O/A BAF工艺短程硝化和脱氮性能的影响。(1)采用人工投加的方式快速提高了硝化滤池中氨氧化化细菌的数量。(2)高效氨氧化细菌的投加提高了硝化滤池对氨氮的去除率和亚硝酸盐积累率,而硝化滤池硝化性能得到改善的同时也提高了O/A BAF工艺整体对总氮的去除效率。(3)在进水流量为2.0m3/h,硝化滤池曝气量为0.4m3/h,反硝化滤池甲醇投加量为20mg/L的条件下,对应着投加前后26.5%的氨氧化细菌增加率,硝化滤池对氨氮的去除率和亚硝酸盐的积累率分别提高了12.1和13.3%,O/A BAF工艺整体对总氮的去除率提高了9.2%。此时,O/A BAF工艺出水总氮平均浓度为11.9mg/L,能够稳定达到《城市污水再生利用-景观环境用水水质标准GB/T18921-2002》的要求。4.研究了曝气强度、甲醇投加量和温度等因素对生物强化后O/A BAF工艺硝化和脱氮性能的影响。(1)生物强化后,O/A BAF工艺对氨氮的去除效率随着硝化滤池曝气量的增加得到明显提高,但短程硝化特性遭到破坏。研究发现,当曝气量为0.6m3/h时,硝化滤池内仍有局部短程硝化现象发生,但当曝气量提高至1.0m3/h时,短程硝化完全消失。曝气量的增加在提高工艺氨氮去除效率的同时,也增强了工艺硝化性能的稳定性。(2)在甲醇投加量受限的条件下,硝化滤池曝气量的提高对反硝化滤池的脱氮性能有明显的抑制。对于进水流量为2.0m3/h,当反硝化滤池甲醇投加量为20mg/L时,控制硝化滤池曝气量在1.0m3/h,O/A BAF工艺可以同时取得较为理想的硝化和脱氮效果。此时,O/A BAF工艺出水氨氮和总氮平均浓度分别为0.79mg/L和13.2mg/L。完全满足《城市污水再生利用-景观环境用水水质标准GB/T18921-2002》的要求。(3)曝气量的增加改变了硝化滤池中氨氧化细菌在固着生物膜和悬浮生物体上的空间分布格局,促使更多的氨氧化细菌集中在具有固定生长优势的生物膜上生长,而固着态生物膜能够凭借其独特的结构特征和庞大的食物链系统,有效地保护氨氧化细菌免予被原生动物捕食和反冲流失,从而维持其高效生长。这也是导致生物强化后,O/A BAF工艺硝化性能稳定性随曝气量的增加而提高的主要原因。(4)生物强化提高了O/A BAF工艺对低温环境的承受力。工艺冬季运行结果表明,在进水流量为2.0m3/h,曝气量为1.0m3/h,甲醇投加量为20mg/L条件下,对于最低温度范围(水温6.4-11.9℃),O/A BAF工艺出水氨氮和总氮平均浓度分别为4.4mg/L和13.8mg/L,能够满足《城市污水再生利用-景观环境用水水质标准GB/T 18921-2002》的要求。5.考察了臭氧对O/A BAF工艺出水的脱色作用(1)在臭氧投加量为2.0mg/L,汽水接触时间为18min的条件下,O/A BAF工艺出水中10-18倍的色度可以降至1倍以下。(2)臭氧在对O/A BAF工艺出水进行脱色的同时,对水中的有机物和氨氮也具有一定的去除作用。本研究的主要创新点：(1)建立的生物强化O/A BAF+O3组合工艺,解决了BAF在三级处理中硝化细菌增长缓慢,脱氮性能不稳定的问题,确保出水稳定达到《城市污水再生利用-景观环境用水水质标准GB/T 18921-2002》,为城市污水深度处理与污水资源化提供了一种新的工艺模式。(2)提出了单池内循环回流+闷曝组合方式进行O/A BAF工艺挂膜启动的新方法,不仅省却了传统循环挂膜方法中单独设立的污泥外流池,而且解决了闷曝挂膜过程中出现的污泥沉积问题,为需要在不同氧条件下运行的滤池工艺的快速启动提供了新的技术途径。(3)筛选并培养了优势氨氧化菌,提高了BAF中生物膜的氨氧化菌的浓度及活性,强化了O/A BAF工艺对总氮的去除效率,阐明了优势氨氧化菌强化短程硝化与脱氮的作用机制。(4)研究了氨氧化细菌在悬浮生物体和固着生物膜上的生长特性和空间分布特征,从微生物学的角度揭示了曝气对生物强化O/A BAF工艺硝化性能的影响机理。