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水环境污染与水体富营养化已成为备受瞩目的全球性问题。造成水体富营养化的根本原因在于水体中氮、磷等营养物质含量过高,有效控制城镇污水氮、磷等营养物质排放是解决富营养化问题的根本途径。因此,城镇污水生物脱氮除磷技术日益成为污水处理领域的研究热点。张波教授在大量脱氮除磷实验研究结果的基础上提出了倒置A~2/O工艺,该工艺将缺氧区前置,在优先满足反硝化的同时避免了回流污泥携带的硝酸盐对厌氧环境的破坏,从源头上解决生物脱氮除磷系统存在的诸多固有矛盾与瓶颈问题。不仅如此,在李村河污水处理厂和团岛污水处理厂进行的生产性示范研究实验表明,倒置A~2/O工艺具有明显的节能降耗的特点。因此,本论文在前期已有研究成果基础上,以倒置A~2/O工艺和常规A~2/O工艺为研究对象,从两系统的脱氮除磷能力以及活性污泥微生物代谢活性等角度分析倒置A~2/O工艺高效脱氮除磷的机理及其节能降耗的的机制。研究结果表明:(1)在高碳源负荷以及低碳源负荷条件下,倒置A~2/O工艺对有机污染物、氨氮以及磷酸盐的去除效果均优于常规A~2/O工艺,其中以磷酸盐的去除效果更为明显;倒置A~2/O工艺具有更高的硝化速率和反硝化速率;倒置A~2/O工艺系统微生物在好氧条件下的吸磷速率高于常规A~2/O工艺系统,并可以在释磷水平较低的条件下取得更好的除磷效果。(2)在高碳源负荷以及低碳源负荷条件下,倒置A~2/O工艺系统在厌氧条件下产生的PHB含量较低,由于常规A~2/O在后续的缺氧段利用了部分PHB,因此进入好氧段的PHB含量高于常规A~2/O系统,且倒置A~2/O工艺在好氧条件下利用单位PHB的吸磷率高于常规A~2/O工艺在缺氧和好氧条件下的吸磷率。说明倒置A~2/O工艺高效除磷效果来源于进入好氧段的可利用能量的增加以及能量利用效率的提高。(3)在高碳源负荷或低碳源负荷条件下,倒置A~2/O工艺的TTC-DHA活性、INT-ETS活性以及SOUR均优于常规A~2/O工艺,缺氧/厌氧环境倒置强化了微生物好氧生化反应活性、提高了生物脱氮除磷生化反应效率,使得好氧生化过程有机物降解速率与氧的利用效率显著提高;倒置A~2/O工艺活性污泥系统中微生物种群对碳源具有更强的代谢能力和代谢效率。