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随着我国大批污水处理厂的建成运行，污泥产量大幅提高，现有的污泥处理处置技术存在工艺流程长、投资及运行成本高、运行管理复杂等问题，妥善处理处置污泥成为当务之急。针对现有污泥源头减量技术工艺流程长、能耗高、效能不稳定以及污泥减量与生物除磷的矛盾等问题，研究以开发工艺简单、低成本、便于管理的污泥源头减量技术为目标，提出基于序批式生物膜反应器(SequencingBatch Biofilm Reactor，SBBR)的原位生物解偶联污泥减量技术。通过对SBBR系统充氧方式调控研究，成功构建出了原位生物解偶联污泥减量系统，研究考察了运行控制条件(负荷、温度和碳源种类)对系统污泥减量效能的影响，得出了系统运行的关键工况参数。针对该污泥减量系统表现出的低污泥产率和高效生物除磷特征，通过对污泥的磷平衡、磷形态分析及结合态磷化氢检测，探讨了原位污泥减量系统的除磷途径，初步证明其除磷途径为磷酸盐生物还原。在此基础上，采用微电极技术量化分析了减量系统生物膜内微环境的ORP分布，通过对生物膜污泥中ATP、微型动物及污泥粒度定量研究，分析了不同供氧阶段系统内能量耗散规律、系统内微型动物捕食作用及污泥溶胞程度，探讨了原位污泥减量系统污泥减量主要途径。研究得出如下主要结论：
①充氧方式对原位污泥减量系统构建影响显著。对SBBR反应器采用间歇充氧曝气30min/停曝30min的方波供氧运行方式时，稳定运行6周后，系统污泥产率为0.0218 kgMLSS/kgCOD，其污泥产率比连续曝气、曝气15min/停曝15min时，分别减少了72.38％、66.49％，试验结果表明：该充氧方式能使系统生物膜污泥内ATP呈现曝气阶段升高，停止曝气阶段降低的规律性波动，曝气阶段为0.0026mgATP/gMLSS～0.0055mgATP/gMLSS，停曝阶段为0.0014mgATP/gMLSS～0.0023 mgATP/gMLSS，表现出良好的能量耗散，强化了生物膜中生物解偶联作用，成功构建出了原位生物解偶联污泥减量系统。
②运行控制条件(负荷、温度、碳源种类)对原位生物解偶联污泥减量系统效能影响显著。系统最大运行负荷为4.0 kgCOD/(m3填料·d)，对应污泥产率为0.029kgMLSS/kgCOD。温度为10℃、15℃、20℃和25℃时，各反应器平均污泥产率分别为0.0432kgMLSS/kgCOD、0.0328kgMLSS/kgCOD、0.0318kgMLSS/kgCOD和0.0292kgMLSS/kgCOD，25℃时，系统内平均污泥产率最小。当进水有机质为淀粉、乙酸钠、粪水和葡萄糖时，反应器对应平均表观污泥产率分别为0.0583kgMLSS/kgCOD、0.0480kgMLSS/kgCOD、0.0348 kgMLSS/kgCOD、和0.0292kgMLSS/kgCOD，当进水碳源为葡萄糖时，系统污泥产率最小。
③负荷对原位污泥减量系统微环境影响显著。随着负荷的增加，反应器生物膜内部好氧环境逐渐减小，缺氧环境逐渐增加。负荷为4.0kgCOD/(m3填料·d)时，生物膜厚度为1.2cm，此时，反应器在曝气阶段与停曝阶段形成了好氧/缺氧交替运行的微环境，并且系统内污泥ATP呈现出曝气阶段升高，停曝阶段降低的规律性变化。当负荷为1～4kgCOD/(m3填料·d)时，随着负荷的增加，曝气与停曝阶段污泥中ATP变化幅度逐渐增大，分别在0.001～0.0055mgATP/gMLSS、0.010～0.022mgATP/gMLSS、0.011～0.022mgATP/gMLSS、0.007～0.023mgATP/gMLSS之间，负荷为4kgCOD/(m3填料·d)时，系统曝气阶段与停曝阶段污泥中ATP变化最大。
④在水温为25℃，挂膜密度为45％，有机负荷为4.0 kgCOD/(m3填料·d)，供气量为150L/h的最佳运行工况下，反应器污泥产率为0.029kgMLSS/kgCOD，与传统SBBR工艺污泥产率0.158 kgMLSS/kgCOD相比，平均污泥产率减少了81.52％，污泥减量效果良好；系统出水COD、NH4+-N、TN去除率分别为96.5％、88.8％和76.8％，可达一级B排放标准，出水TP为1.8mg/L，去除率为64％，投加氯化铝、三氯化铁进行化学强化除磷后达一级B排放标准，化学污泥产率为0.0003 kgMLSS/kgCOD和0.0002kgMLSS/kgCOD，分别占系统生物污泥产量的1％和0.6％，化学污泥对整个系统污泥产率影响极小。
⑤构建的原位污泥减量系统在高效污泥减量的同时，生物除磷率达到了64％，对系统的磷平衡分析表明：反应器连续运行30d后，液相中磷损失量为1440mg，固相中磷增加了1016.7mg，系统中磷共损失了423.3mg。同时，系统固相中含磷量为2.02％，低于传统聚磷菌除磷工艺中污泥含磷量3％～7％，系统内的结合态磷化氢(MBP)值为1.8μg/gWS。研究结果初步表明：减量系统中生物除磷途径为磷酸盐生物还原，该生物除磷途径解决了聚磷菌除磷富磷污泥排放与污泥减量的矛盾。
⑥原位减量系统机理研究表明，生物能量解偶联为该减量系统主要减量途径。反应器周期运行过程中形成良好的好氧/缺氧交替运行微环境，为原位生物解偶联提供了环境条件，第一次曝气/停曝交替运行时，曝气阶段生物膜内ORP为-53.21～34.32 mV，好氧缺氧环境分别占16.7％和83.3％；停曝阶段生物膜内ORP为-140.35～-75.64 mV，此时膜内全部为缺氧环境。最后一次曝气/停曝交替运行时，曝气阶段生物膜内部ORP为-41.86～130.43 mV，好氧环境和缺氧环境分别占33.3％和66.7％；停曝阶段生物膜内ORP为-68.66～14.32 mV，好氧缺氧环境分别占8.3％和91.7％。原位污泥减量系统中形成了良好的好氧/缺氧交替运行的微环境，为原位生物解偶联提供了环境条件。同时，系统生物膜污泥内ATP呈现曝气阶段升高，停止曝气阶段降低的规律性波动，曝气阶段为0.0185mgATP/gMLSS～0.0234mgATP/gMLSS，停曝阶段为0.0071mgATP/gMLSS～0.0081 mgATP/gMLSS，反应器周期运行过程能量耗散良好，表现出了明显的生物解偶联作用。
⑦系统定量研究表明，传统SBBR系统生物膜上微型动物种类多，数量大，附着型纤毛虫达到1150个/mL，轮虫达到110个/mL，同时还出现了红斑顠体虫，达到35个/mL，反应器中存在大量的红斑颗体虫聚集的现象；而原位生物解偶联污泥减量系统中，轮虫数量基本没变，附着型纤毛虫减少为950个/mL，同时红斑顠体虫逐渐消失，表明系统在微生物捕食方面表现出减弱的现象。
⑨系统污泥溶胞减量效能研究表明，传统SBBR系统中，污泥平均粒径为12.82μm，与原位减量SBBR系统污泥平均粒径12.6μm相比无明显差异。传统SBBR系统中，污泥颗粒粒径大于5μm的占92.18％，大于10μm的占59.76％，大于20μm的占10.82％；而原位减量系统中，污泥颗粒粒径大于5μm的占87.27％，大于10μm的占54.17％，大于20μm的占12.92％。原位减量系统平均污泥粒径与传统SBBR系统污泥平均粒径相近，表明该系统内部没有明显的污泥水解溶胞现象，通过水解酸化溶胞污泥减量不是其主要途径。
研发的原位生物解偶联污泥减量技术，实现了污泥生物解偶联减量系统工艺流程短，能耗低、操作运行简便的目标，并解决了污泥减量和聚磷菌生物除磷矛盾，为源头污泥减量技术开辟了新途径，研究具有重要的现实意义和实用价值。