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厌氧-缺氧-好氧(Anaerobic-Anoxic-Oxic,A~2O)工艺是我国应用范围最广的污水处理工艺之一,但面临着脱氮除磷效率低、污泥产率高等难题。面对日益严格的污水排放及污泥处置标准,基于A~2O工艺研发强化脱氮除磷与污泥减量的组合工艺,是我国环保领域的重大需求。研发A~2O-膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)-生物捕食组合工艺,利用MBR出水水质高的技术优势,协同生物捕食污泥减量作用,促进组合工艺污泥高效减量与出水水质达到一级A排放标准;研发A~2O-电化学活性生物膜组合工艺,利用微生物燃料电池原理开发新型填料,将污水中的能量转化为电能,提高生物膜活性、强化污染物降解,实现组合工艺出水水质达到地表水准IV类标准;在研发上述两种组合工艺的基础上,进一步考察两种组合工艺的污水处理效能、污泥减量效果,解析组合工艺强化脱氮除磷与污泥减量机制。研发了生物捕食与微生物菌群强化的蠕虫床(Worm reactor,WR),创建了A~2O-MBR-WR组合工艺。研究表明,A~2O-MBR-WR组合工艺出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准,污泥产率较传统A~2OMBR降低49.8%,膜过滤周期延长65.5%;与传统A~2O-MBR相比,组合工艺污泥体积平均粒径减少24.7%,污泥均匀性增加36.1%,污泥的毛细吸水时间降低16.7%,污泥脱水性能得到提升。解析了WR内细菌与蠕虫的相互作用关系,细菌代谢消耗的总氮(Total nitrogen,TN)和化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)分别占减量污泥污染物含量的60.2%和55.5%,对降低WR上清液污染物浓度具有重要作用;在WR中发现了反硝化除磷及污泥磷的强化释放,WR排泥上清液中总磷(Total phosphorus,TP)浓度达到34.8±4.8 mg/L,实现了WR排泥旁路化学辅助除磷。研发了具有电化学活性的生物膜(Electrochemically active biofilm,EAB)填料,创建了A~2O-EAB组合工艺。研究表明,A~2O-EAB组合工艺出水COD、氨氮(NH4+-N)和TP浓度分别为23.0±4.7、1.2±0.4和0.26±0.11 mg/L,满足《地表水环境质量标准》中的IV类水标准,出水TN浓度为9.8±1.8 mg/L;与传统A~2O相比,组合工艺中填料增加的生物量约为悬浮活性污泥量的19%,污泥产率降低18.6%,污泥体积平均粒径减少36.6%,污泥表面疏水性提高102.7%,污泥沉降性能提高8.4%。电化学活性的生物膜填料在运行过程中具有稳定的输出电压,平均为13 m V,填料对污染物去除的贡献主要来自电流对污泥活性的促进作用。开展了A~2O组合工艺强化脱氮除磷与污泥减量机制研究:与传统A~2OMBR相比,A~2O-MBR-WR污泥比耗氧速率、亚硝酸菌活性和污泥吸磷速率分别提升了23.1%、301.6%和27.8%;A~2O-MBR-WR组合工艺中好氧反硝化菌、自养反硝化菌与反硝化除磷菌得到了富集,有效提高了系统脱氮除磷效能;A~2O-MBR-WR工艺泥饼层中Dechloromonas、Reyranella等对蛋白质、糖类膜污染物有降解能力的菌群相对丰度提高,能有效减缓膜污染。对A~2OMBR-WR组合工艺污泥减量机制分析表明,WR对污泥减量的贡献为41.7%,捕食后污泥回流到A~2O-MBR中发生的能量解耦(2.3%)、污泥溶胞-隐性生长和微生物群落结构的改变(5.8%),进一步导致A~2O-MBR-WR组合工艺污泥产率的降低。与传统生物膜相比,A~2O-EAB组合工艺中电化学活性生物膜的比耗氧速率、亚硝酸菌活性和反硝化活性分别提高了55.0%、141.2%和2.4倍;组合工艺缺氧池生物膜中硝化菌Nitrosomonas和Nitrospira、厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia的相对丰度较传统生物膜分别提高了75.5%、107.5%和275.0%;组合工艺悬浮污泥中除磷菌的相对丰度为传统A~2O的1.2倍,A~2O-EAB组合工艺中脱氮除磷功能菌的富集能有效促进污染物降解,提高出水水质。A~2O-EAB组合工艺悬浮污泥内源呼吸速率和内源呼吸比例分别比传统A~2O提高了127.6%和13.9%,促进组合工艺污泥产率的降低。A~2O-MBR-WR组合工艺和A~2O-EAB组合工艺能有效提高污水处理效能、降低污泥产率,为A~2O的提标改造与应用提供了重要的技术途径。