本文设计并研究了厌氧/缺氧/好氧多相生物工艺——多点进水阶式工艺(PITSF)，用以处理动态的生活污水，在连续流多箱系统中通过改变曝气模式和流程达到有机物浓度的动态变化。PITSF工艺在控制上类似SBR工艺，空间上类似AA/O工艺。事实上，PITSF工艺更像常见的多箱工艺，比如AA/O或者UCT工艺，但是该工艺在没有混合液回流设备的情况下也能够达到混合液自动回流的目的，另外该工艺的污泥回流量也较小。PITSF工艺中的流向通过进水位置的不同来改变。这是PITSF工艺和其它常见工艺的主要区别。因此，PITSF工艺能够达到节能的目的，另外还包括结构紧凑，节省空间，操作灵活，容易维护和管理等优点。交替控制能够实现每个池不同的厌氧/缺氧/好氧状态，从而达到去除有机物和强化脱氮除磷的目的。PITSF工艺不是一种稳态运行的工艺，因为受到不同的水力作用，不同的污泥浓度以及进水的波动等。　　PITSF设备是由一个长方体的盒子组成，通过隔板分成了6个反应池。前5个池子的尺寸为(280×240mm)，都配有搅拌器和曝气装置，用来实现相应的厌氧/缺氧/好氧状态。最后一个池子是沉淀池。该研究中主要用到的设备包括:实验装置（860×535×905mm），蠕动泵，搅拌器，PLC可编程控制器，LCD显示屏，进水电磁阀，出水电磁阀，曝气电磁阀，排泥电磁阀，PVC管等。PITSF设备的有效水深为700mm，总深为900mm，一个完整的周期包括上、下半周期，上半周期分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ阶段，下半周期分为Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ阶段。根据不同的生物反应，进水被打进缺氧和厌氧池，在每一阶段内都可以实现AA/O工艺的作用。每个阶段的运行时间通过生化反应来确定，本文通过实验结果确定的阶段Ⅰ,Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ的运行时间分别为3，2.5，2，3，2.5，2小时。　　污泥培养阶段　　该研究所用的污水来自无锡分校的检查井。种泥取自无锡污水处理厂。经过39天的污泥培养，PITSF能够达到较高稳定的去除效率，COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别达到87％、92％、76％、89％以上。　　工艺参数的优化　　水力停留时间HRT，污泥龄SBR，曝气量，污泥回流比对PITSF工艺性能的影响较大，因此，本文对这些参数进行了研究优化。结果显示，延长HRT能够提高COD，NH4+-N，和TN的去除效果，但是高于18h后对去除效果影响较小。最优污泥龄为13d，HRT为15-18d，水/气比为10％，污泥回流比为35％。优化后工艺的处理效果为COD，91％;NH4+-N，93％;TN，77％;TP，90.3％。能够满足排水标准A。　　PITSF工艺营养物去除的离线分析　　在固定的时间控制下，本文研究了PITSF每个反应池中工作机构，运行时间，营养物的生物去除反应。通过分析在每一个阶段中完成主要的生物反应研究了该工艺的设计特色。这意味着在同一个反应池中有若干的反应同时发生，涉及到厌氧释磷，缺氧反硝化，好氧硝化以及同步硝化反硝化等。该研究中进水各指标分别为:COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP浓度平均值分别为202mg/L、29.4mg/L、0.98mg/L、0.12mg/L、49.7mg/L、3.32mg/L，水温介于7～26℃。　　1.反应池在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ是完全混合的，在阶段Ⅲ中它是作为SBR反应池。1＃反应池主要进行了缺氧反硝化，厌氧释磷以及好氧硝化和吸磷作用。　　2.反应池在两个半周期中采用了不同的进水方式，在阶段Ⅰ进行了厌氧释磷反应，在阶段Ⅱ进行了好氧硝化，吸磷以及同步硝化反硝化作用，在阶段Ⅲ进行了缺氧反硝化作用。　　3.反应池在上下半周期中的状态是对称的，在阶段Ⅰ进行了好氧硝化，有机物去除，吸磷以及同步硝化反硝化作用，在阶段Ⅱ进行了缺氧反硝化作用，在阶段Ⅲ进行了厌氧释磷反应。　　4.反应池在阶段Ⅰ处于缺氧状态，进行了同步硝化反硝化作用，在阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，4#池处于厌氧状态，进行了厌氧释磷，还有反硝化作用，它能够改善释磷速率，存贮PHA，使其在5#反应池能够直接利用。　　5.反应池在上半周期处于好氧状态，主要进行硝化、吸磷以及有机物降解反应。5#反应池的主要作用是保证出水的稳定性。　　固定时间控制系统中，COD、NH4+-N，TN和TP的去除率分别达到90.09％±1.03，94.33±2.13％，78.83±0.89％和90.67±2.21。经过三个月的运行，出水可满足中国污水排放标准(GB18918-2002)一级A标准。　　PITSF工艺在线监测参数的分析(ORP，pH以及DO)　　在该研究中，实时控制被证明可以用来对PITSF工艺进行节能优化，主要的参数包括:pH，DO，OPR以及NH4+-N，NO3--N，TN以及TP。曝气过程中的实验数据分析得出:DO和pH的拐点能够用来指示硝化反应的结束，尤其是在pH变化线上的“氨谷”。好氧状态下，2#反应池中DO的拐点能够用来区分同步硝化反硝化反应的发生。通过对缺氧状态下反应池的分析得出，ORP和pH的拐点能够用来区分反硝化反应的结束。另外，该研究发现，dORP/dt变化线存在谷点，它可以用来确定同步反硝化以及反硝化除磷的反应。通过对厌氧状态下反应池的分析得出，ORP降到了最低，在释磷结束的时候，它变得平坦。结果显示，尽管在释磷结束时，ORP和pH都会出现拐点，但是释磷结束的时候它们都变得平坦，并没有观察到特别明显的特征点。因此，本文采用dORP/dt和dpH/dt来确定厌氧释磷的终点。在该研究中建立了有效可行的实时控制策略，通过控制DO，pH以及ORP参数来提高PITSF的处理效果。　　通过同步硝化反硝化和短程硝化强化营养物去除　　在本文研究中，通过维持第一个好氧池中的溶解氧在1.4mg/L以下，可以实现同步硝化反硝化或者异养硝化作用。在PITSF工艺中探究了影响该过程的几个因素（DO，C/N比以及pH）。实验优化后的参数值分别为，DO为1.3mg/L，COD/N比为7.21，pH为7.14，同步硝化反硝化速率达到65-69.7％，TN，NH4+-N，COD，TP的去除率分别为76.7％，94％，85.3％和90.4％，满足污水排放A级标准。　　该研究中，长期（8个月）运行PITSF工艺，在该过程中通过检测亚硝酸盐探究短程硝化的机理，主要考虑了较低的DO和HRT。结果显示:在低DO(0.5-0.8mg/L)和低HRT的条件下，能够强化亚硝酸盐累积速率(NAR)。另外，13d的HRT对于亚硝酸盐的累积非常重要，为保证一定的NAR，DO值不能低于0.2-0.3mg/L。　　对于工程应用来说，PITSF工艺是一种高效的工艺流程，这主要是因为:最后一个好氧池中能够实现稳定的(94％)的短程硝化反应，考虑到较低的碳源需求和曝气能耗，其对于低COD的生活污水来讲是非常有利的。　　通过电镜扫面(SEM)观察了颗粒污泥的形貌和内部结构。种泥的SEM照片显示，由于微生物表面被一些物质覆盖，因此难以区分微生物的形状。在低DO值和低HRT下的结果显示厚的球形细胞和小的杆状细胞（NOB，AOB是杆状和球形的）较丝状细菌和其他细菌多，在污泥中是优势菌种，保证了亚硝酸盐的累积速率。　　在该研究中用PCR进行了AOB的定量，并分析了AOB数量与营养盐去除的相关性。结果显示，AOB是主要的硝化细菌，NAR较高而微生物NOB较少，在AOB浓度分别达到7.7×107cells/g与MLSS5.28×108cells/g时，分别响应于其全硝化与亚硝化反应。　　在低C/N比和低溶解氧条件下，TN，NH4+-N，TP的去除率分别达到了84.2％，97.2％和94.1％。该去除率与添加碳源，(3.5-4)mg/L的溶解氧状况下的去除率基本相等。实验结果还显示，等污泥体积指数(SVI)低于150mL/g时，不会发生污泥膨胀现象。　　利用ASM2d-Ex数学模型对PITSF工艺模拟　　本文利用一个扩展的活性污泥数学模型对PITSF工艺中的亚硝酸盐，硝酸盐等进行了模拟。该模型与其它模型的主要区别在于:两阶段的硝化反应，多阶段的反硝化，同时考虑了磷的去除。本研究中，通过物理化学方法确定COD组分（可生物降解的和不可生物降解的），利用呼吸速率(OUR)确定COD中的生物组分(XAOB，XNOB，XH)。在计算机中编写了PITSF活性污泥工艺的数学模型(ASM2d-Ex)，并通过欧拉方法对模型中的微分方程进行求解。通过在缺省值的基础上变化8％，计算了参数的对于出水组分的灵敏度。模拟结果显示，在4个周期中SNH4，SPO4，SNO2和SNO3的均方差都在0.95±0.7以上，因此本文所用的ASM2d-Ex模型对于工艺的预测非常准确。