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近三十年来,我国经济社会快速发展、城镇规模日益扩大、城镇污水排放量急剧增加；加上现有城镇污水厂因工艺技术、装置配置和过程控制等方面不足,存在尾水氮磷超标、运行能耗偏高等问题,导致我国水环境质量严重恶化。为强化污水处理工艺生物脱氮除磷性能,国内外研究者从机理探析、工艺优化、过程调控等角度,开展了既有工艺升级优化、强化脱氮除磷新工艺开发等研究,但面对城镇污水组分复杂、进水碳源不足、工艺操控复杂等技术屏障,仍存在系统氮磷去除效率低、运行性能不稳定等问题。为此,开发简便、高效、低耗的脱氮除磷新技术新工艺,需求强烈。论文针对我国城镇污水C/N比、C/P比低,现有脱氮除磷工艺流程复杂、运行能耗高、尾水达标难等突出问题,围绕生物处理系统内碳源有效利用,开展现有城镇污水厌氧/好氧(A/O)处理工艺强化氮磷去除、污水生物脱氮除磷新工艺开发等研究,得到以下研究结论：1、以多分室A/O工艺为平台,研究了常规A/O工艺的脱氮除磷性能及主要影响因素。研究发现,A/O工艺脱氮性能受进水C/N比影响较大,当进水C/N比从14.25±2.66降至5.72±0.47时,TN去除率由81.49±6.64%降至61.93±8.55%；工艺除磷性能与进水C/N比、C/P比和污泥浓度等有关,系统在进水C/N比11.55±2.40、C/P比62.48±7.34、污泥浓度3.61±0.51gMLSS/L条件下除磷率稳定在99.33±0.91%；除磷过程物质转化特性分析表明,该A/O工艺具有典型的强化生物除磷(EBPR)系统代谢特征。2、应对城镇污水厂节能降耗增效的现实需求,研发了低DO序列式A/O工艺。系统在进水COD、NH4+-N、PO43--P分别为241.94±32.55mg/L、47.86±2.01mg/L和3.78±0.13mg/L,好氧段DO浓度0.54±0.92mg/L条件下,COD、NH4+-N、TN、PO43--P去除率分别达91.84±4.90%、98.15±1.56%、65.53±2.21%和100%。过程物质转化特性分析发现,低DO条件下NH4+-N基本去除,同步硝化反硝化(SND)性能有所强化,除磷性能进一步提升；能耗分析结果表明,系统稳定运行阶段处理单位废水所需曝气量为48±3L/L,比常规A/O工艺降低71.2±3.8%,节能优势明显。3、从生物处理系统内碳源有效利用角度出发,创新研发了连续流后置反硝化AOA工艺。厌氧段混合液按一定比例分流至缺氧段,通过控制厌氧段分流比F(厌氧段分流流量与进水流量之比)为0.5、污泥回流比R为1.0,新工艺在进水COD、NH4+-N、PO43--P分别为400mg/L、37.65±1.64mg/L和5.63±0.14mg/L条件下,TN和PO43--P去除率分别达74.50±1.42%和92.11±5.20%,脱氮性能比A/O工艺显著提升。构建了表征AOA工艺氮磷去除效果的物质平衡量化模型,分析发现缺氧段PO43--P和NO3--N去除量分别达1.63±0.09gP/d和0.78±0.14gN/d,其PO43--P/NO3--N比为2.17±0.42,表明缺氧段具有反硝化除磷功能,其除磷量占系统总除磷量的24.19±0.52%；分批实验进一步证实,污泥中反硝化聚磷菌(DNPAOs)占聚磷菌(PAOs)的22.20±1.97%。结合模型模拟计算结果可知,该工艺TN去除主要通过异养反硝化、SND和反硝化除磷等途径实现。4、针对城镇污水碳源不足影响氮磷去除性能的问题,考察了AOA工艺处理低C/N(C/P)比污水过程影响因素。结果表明,当进水C/N比和C/P比分别控制在7.41±0.26和52.36±1.25时,通过将SRT由10d延长到16d,系统TN和PO43--P去除率分别稳定在65.86±2.06%和90.00±3.97%；当进水C/N比、C/P比进一步降至6.14±0.32和43.40±1.37时,将A/O/A体积比由1/3/1调整为1/2/2,TN和PO43--P去除率分别升至69.76±3.36%和98.73±1.82%；综合分析认为,在SRT为16d、A/O/A体积比为1/2/2条件下,处理低C/N(C/P)比污水AOA工艺可获得较好的氮磷去除效果。分析AOA工艺不同工况下污泥PHA等内碳源含量变化发现,污泥PHA含量与进水COD浓度呈正相关,其含量的降低影响SND和反硝化除磷性能,从而导致系统氮磷去除性能下降；延长SRT可保证体系内一定的污泥浓度及内碳源含量,缩短好氧HRT、延长缺氧HRT亦可提高污泥PHA含量,强化系统脱氮除磷性能；可见,采用控制SRT、调整好氧/缺氧HRT等策略,可保证处理低C/N(C/P)比污水AOA工艺高效稳定运行。5、为提升AOA工艺处理效能、简化工艺流程,取消厌氧段混合液分流,研发了低DO连续流AOA工艺。在进水COD、NH4+-N和PO43--P分别为300mg/L、49.99±2.64mg/L和3.79±0.1Img/L条件下,将好氧段DO浓度控制在1.19±0.16mg/L、好氧和缺氧HRT分别控制在2h和4h,系统NH4+-N.TN和PO43--P去除率分别达95.07±1.57%、93.26±1.30%和97.83±2.95%。模型分析表明,好氧段和缺氧段TN去除负荷分别为0.112±0.013gN/gVSS/d和0.055±0.015gN/gVSS/d,二者对TN去除的贡献率分别为41.76±1.03%和39.93±6.11%；缺氧段去除的PO43--P为0.76±0.14gP/d, NO3--N为0.80±0.16gN/d,分析认为,其中0.36±0.07gN/d的NO3--N通过反硝化除磷去除,其余NO3--N则由反硝化聚糖菌(DNGAOs)去除。对新工艺的脱氮除磷机理分析发现,缩短好氧HRT可减少好氧段PHA消耗、提高污泥PHA含量,从而强化好氧SND和反硝化除磷作用,改善系统脱氮除磷性能。与前述基于厌氧混合液分流的AOA工艺相比,低DO连续流AOA工艺不仅脱氮除磷性能进一步提升,而且处理单位废水曝气量降低了11.6±0.56%,能耗更低。综上,新型低DO连续流AOA工艺取消了厌氧混合液分流,工艺更简单；基于内碳源的好氧SND作用和后置反硝化作用得到强化,系统脱氮性能更强；曝气量减小,能耗更低,可为低C/N(C/P)比城镇污水处理提供新的技术思路。