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随着城市污水处理量的进一步增加,必将会产生更大量的生活污泥,生活污泥的有效处理与处置已成为城市污水处理厂急需解决的一大难题,研究开发生活污泥处理新技术是目前国内外环保界关注的一个热点。本文针对生活污泥处理中存在的问题,有效利用超声波的特性,将超声波预处理技术与污泥缺氧／好氧消化工艺相结合,通过实验室小试和中试试验研究,考察了超声波预处理对污泥缺氧／好氧消化的影响；在此基础上,研究了超声波-缺氧／好氧消化工艺实现污泥减量化的机理；最后在广州某城市污水处理厂现场,进行了污泥超声波—缺氧／好氧消化工艺示范工程的应用研究。本文首先研究了超声波溶胞前后对污泥理化和生化性质的影响。研究结果表明,声能密度对超声波预处理污泥效果影响最显著,最佳的超声预处理参数组合为：超声频率28kHz,声能密度0.15W/mL,超声时间10min。此外,研究还发现不同浓度的污泥,对应的最佳超声组合参数也有所不同。其次通过实验室小试和中试试验,研究了超声波预处理对污泥缺氧／好氧消化的影响。小试试验结果表明,超声波-缺氧／好氧消化工艺最佳的停留时间为12d；中试试验结果表明,引入超声处理后,大大缩短了污泥的稳定时间,显著提高了污泥的消化效率,污泥消化12d就已经达到了稳定标准,比对照污泥缩短了8d；经过25d的消化后,TSS、VSS、TN的去除率分别达到38.32%,50.48%和40.5%,比对照污泥分别提高了6.72%,8.52%和4.69%。然后通过实验室中试对比试验,研究了污泥超声波-缺氧／好氧消化对传统好氧消化的比较优势。研究结果表明,经过25d的消化后,超声波-缺氧／好氧消化污泥TSS和VSS的去除率分别达到了35.77%和50.02%,比好氧消化污泥分别提高了3.90%和8.99%；超声波-缺氧／好氧消化污泥稳定时间比好氧消化污泥缩短了近6d；超声波-缺氧／好氧消化污泥的TN去除率为40.8%,远高于传统好氧消化,并且超声波-缺氧／好氧消化污泥上清液中氨氮和硝态氮浓度却远低于传统好氧消化,因而降低了上清液回流氨氮和硝态氮对污水处理系统的负荷压力。在工艺条件试验研究的基础上,利用生化分析法和分子生物学方法,从物质转化、能量的传递以及反应器内微生物群落结构的演替等方面阐述了超声波-缺氧／好氧消化工艺实现污泥减量化机理。生化分析研究结果表明,超声波加快了EPS和蛋白质溶出,促进了有机物降解,提高了蛋白酶与脱氢酶活性；同时超声污泥ATP的含量比对照污泥要低,能量在超声污泥中耗散的速度比对照污泥快,因此,超声污泥的TSS和VSS降解比对照污泥要快,超声污泥的TSS和VSS去除率大于对照污泥。分子生物学的研究结果表明,在污泥超声波-缺氧／好氧消化反应器运行期间,微生物群落结构和氨氧化细菌群落结构均发生动态演替。微生物群落结构DGGE图谱的优势菌种中,发现了4株在活性污泥消化过程中起着重要作用的芽孢杆菌(Bacillus),它们加快了超声污泥的TSS和VSS降解。氨氧化细菌DGGE图谱的优势菌种中,发现了6株反硝化菌,它们对提高反应器脱氮效率具有重要作用,其中3株菌属于假单胞杆菌属(Pseudomonas),1株菌属于德氏食酸菌属(Acidovorax),2株菌属于伯克氏菌属(Burkholderia)。因此,超声波促进了硝化与反硝化作用,超声污泥的TN去除率高。Real-time PCR结果表明,AOB数量先减少后增加,且AOB数量与氨氮的浓度有关,高浓度氨氮有助于AOB数量的增加。此外,AOB数量的增加可促进氮去除率的提高。此外,还通过绿色荧光蛋白菌(GFP)表征溶菌特性的手段,从细胞转化的角度阐述了超声波-缺氧／好氧消化的反应机理。研究结果表明,超声波-缺氧／好氧消化过程中的好氧期污泥上清液对荧光菌胞内GFP的释放具有明显的促进作用；该时期的污泥上清液具有显著的溶菌作用,污泥上清液具有的溶菌活性可能主要来自于污泥胞外水解酶。在实验室工艺条件和机理研究的基础上,将超声波-缺氧／好氧污泥消化工艺应用于污水处理厂现场,考察了该工艺的污泥减量化实际效果。工程连续运行3个月以上,污泥TSS去除率和VSS去除率分别达到36%和50%,总氮的去除率达40%。污泥上清液中氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐和TP的含量较低,相应的氮负荷和磷负荷也较低,回流返回的氮磷量不会影响污水处理厂出水水质。超声波-缺氧／好氧污泥消化费用为0.324-0.389元/m3污水,比传统好氧消化的要高,但其优点在于节省占地面积,停留时间更短,处理效果更好。本研究结果为生活污泥超声波-缺氧／好氧消化工艺技术的推广应用提供了重要的理论基础和实践依据。