活性污泥法是过去100年来全球污水处理的核心工艺,但在应对高浓度难降解废水处理中存在脱氮不充分和有机物降解不彻底的问题。本文以中国石化镇海炼化分公司2280万吨/年炼油装置的典型配套炼油污水处理厂为对象,采用计算流体力学、同步高速运动分析系统(S-HSMA)、扫描电镜(SEM)、激光光散射(LLS)和三维荧光光谱技术(3D-EEM)等方法,系统研究了旋流场湍流流动、絮体运动、溶解性COD(SCOD)和喹啉等难降解有机物之间的关联关系,研发了旋流强化缺氧-好氧(AOH)工艺、旋流释碳技术及双分支流并联放大旋流释碳装置,对镇海炼化100m~3/h老A/O生化池实施工程改造,取得以下成果及进展:(1)研发了适用于活性污泥释碳的Φ35 mm和Φ25 mm旋流器,采用同步高速运动分析系统(S-HSMA)测试了 Φ35 mm旋流器中污泥絮体的自转运动特性及污泥与污水耦合作用,再通过数值模拟研究了旋流器中的流场分布特性。测试结果表明,旋流器内污水自由涡与强制涡边界区域以外,模拟污泥絮体沿与公转运动方向相反的方向高速自转,最高转速达到1550rad/s;旋流场中疏松多孔的活性污泥絮体在自转过程种破散,污泥絮体中值粒径从78.8 μm减小至15.8-23.3 μm,并脱附了絮体孔道中的胞外聚合物(EPS),使AOH过程混合回流液中SCOD/TN值从3.0提高到4.7-5.8,回流液中污泥SOUR提高了 7.2 ± 0.9%,反硝化关键酶NAR和NIR活性分别提高15.1%和17.6%。数值模拟结果表明,Φ35 mm旋流器内速度场分布符合常规旋流器速度分布趋势;轴截面上连续相压力呈对称式梯度递减分布,使污水中的溶解氧(DO)浓度平衡被打破,并克服污水表面张力而向空气柱中迁移排出,泥水混合液中残留DO浓度由此降低了 60.7±4.8%;(2)搭建50L/h的AOH生化池、2L/h旋流破散泥水混合回流液强化厌氧/缺氧/好氧(A~2OH)生化池和剩余污泥释碳装置,通过连续或成套实验验证旋流释碳综合效应。旋流强化模式时通过释碳、改善污泥活性和脱除残留DO,AOH过程TN去除率较A/O模式提高了 15.6个百分点达到76.2%,其他出水指标和污泥沉降性维持稳定。A~2OH生化池中,旋流过程通过更新污泥絮体的界面、疏通絮体孔道、扩展EPS结合喹啉复合物的构型,模拟煤制氢气化废水中的喹啉平衡吸附速率提高了 32.7%,连续运行时A~2OH模式下的喹啉去除率较A20模式提高了 17.0个百分点。进一步提高旋流强度和频率,旋流器对剩余污泥的最佳SCOD释放量达到1248mg/L,旋流处理80min、且从第50min起加入碱解的组合破解过程中SCOD增幅为3689 mg/L、污泥破解度达到18.7%;配套水解酸化过程的组合破解污泥VFAs累积量高达639mg/L,厌氧消化甲烷产量达到134.3 mL/gTS,旋流+碱组合破解预处理实现污泥厌氧产气资源化的净利润为341.2元/t TS;(3)为满足工程需求,通过Φ35 mm旋流器等比例缩放设计了适用于工程规模的Φ100mm旋流器;中试试验表明,Φ100mm旋流器最佳处理量为11.7m~3/h,可使回流液中SCOD浓度增加107.2%,污泥SOUR提高9.3%,内回流液中残留DO浓度降低44.0%,硝氮去除率由此提高11.7%。依据旋流破散强化A/O提标实验开发了 AOH工艺,并依据双分支流理论设计了 400 m~3/h的U-Z型并联放大旋流释碳器,应用至中石化镇海炼化100 m~3/h老A/O生化池提标改造。经过4个月的缺氧池反硝化驯化和2周的AOH模式稳定运行,改造老A/O池出水趋于稳定;在6个月的连续运行过程中,旋流压降仅为0.043 MPa条件下,改造老A/O池出水COD降低了 17.7 mg/L,TN去除率提高了 8.4个百分点,出水关键指标直接满足GB31570-2015要求。