在生物除磷脱氮过程中,有机物(COD/BOD)不仅为生物脱氮过程提供了电子供体、而且也通过生物同化为生物除磷过程提供了富磷污泥载体,因此,有机物已经成为保证生物除磷脱氮效果的一个重要的碳资源。在低碳源污水处理系统中,如何提高有机物的利用率、优化污水处理工艺,已成为低碳源污水处理领域保障除磷脱氮效果亟待解决的问题。笔者所在课题组基于传统生物除磷脱氮理论,分析了生物除磷脱氮的碳耗,发现去除单位磷需要的有机碳源是去除单位硝态氮的6.1倍,认为改变生物除磷方法有利于开发低碳源污水除磷脱氮技术。在综合分析现有污水除磷脱氮技术时进一步发现,低DO控制运行模式,可以降低有机物的无效氧化;利用反硝化聚磷菌能够消除聚磷菌和反硝化菌之间的碳源竞争和控制污泥龄(SRT)的矛盾;将剩余污泥碳源化转化,可以弥补系统的碳匮乏;同时,辅以厌氧释磷污水侧流除磷技术,可以消除除磷效果对生物同化能力以及剩余污泥排放量的依赖。基于此构建了集强化反硝化吸磷、侧流除磷、低DO控制、剩余污泥碳源化补碳的低碳源污水脱氮除磷技术LCS-SDS(Low carbon consumption Sewage Disposal System),并进行了系统性研究。主要内容包括:低碳源污水的反硝化吸磷特性研究、剩余污泥水解酸化碳源化转化特性、DO对除磷脱氮过程的影响、LCS-SDS系统的运行特征及除磷脱氮性能。得出以下主要试验结论:1)在研究低碳源污水反硝化吸磷特性时发现:LCS-SDS系统能够充分利用回流释磷污泥携带的胞内PHB以及上周期残留的NO3--N,强化缺氧反硝化吸磷作用。同时降低残留NO3--N对后续厌氧段的影响,系统厌氧末端和好氧末端磷浓度分别为5.8mg/L、1.1mg/L,出现了明显的厌氧释磷和好氧吸磷现象。论文利用微量热法对反硝化吸磷进行热力学分析发现,当Na Ac作为碳源时,传统生物除磷方式的摩尔电子产热量约为反硝化除磷系统的一半,即反硝化吸磷系统碳源有机物用于氧化还原反应明显多于传统生物除磷系统,这说明厌氧/缺氧环境下生长的反硝化吸磷菌较厌氧/好氧环境下生长的聚磷菌增殖速率慢,污泥产率低。生物能学计算结果表明,传统除磷系统和反硝化吸磷系统污泥产率分别为0.36 g VSS/g COD、0.04g VSS/g COD。进一步分析热力学分析还发现,反硝化吸磷过程较传统除磷脱氮方式可节省碳耗量约29.4%。此外,研究还表明反硝化吸磷系统最佳SRT为32d,SRT过长或过短,其厌氧段合成的PHB较少,而缺氧段放热量高,用于吸磷的能量也少。2)反硝化吸磷因素影响试验结果表明:反硝化吸磷作用主要取决于缺氧段中电子受体NO3--N浓度和胞内PHB含量,延长缺氧时间不能提高反硝化吸磷作用。试验还发现污泥龄(SRT)对反硝化吸磷过程有明显的影响,反硝化吸磷系统最佳污泥龄为20-25d,过低或过高的污泥龄都会致使系统的处理效果下降。3)DO对系统除磷脱氮影响的试验表明:LCS-SDS系统最佳DO工况为0.21mg/L,此时,出水COD、NH4+-N、TN、TP均能稳定达到一级A标,其中出水NH4+-N平均浓度仅为0.3mg/L,去除率达到了98.6%,系统硝化效果并未受到明显的抑制。进一步的周期试验结果表明,DO会对系统脱氮途径多样化产生一定影响,DO浓度为0.1 mg/L会使前缺氧段中的反硝化吸磷作用消失。试验结果还表明DO为0.21mg/L时具有好氧段碳源的有效利用率最高,SND碳耗占好氧段总碳耗的58%,远大于其余两组工况。此外,DO为0.21mg/L的系统中同时存在着三种脱氮途径,分别为反硝化吸磷(15%)、缺氧反硝化(70%)和SND(15%),具有最佳的脱氮除磷效率,其较ERP-SBR系统理论上可以节省脱氮除磷过程碳耗量约27.4mg/L。4)在研究剩余污泥水解酸化碳源化转化特性时发现:序批式反应过程投加接种污泥,对提高剩余污泥降解效率的作用不明显,但是能够改善发酵系统的产酸特性。VS降解效率与剩余污泥投配比成正比。试验表明,当系统发酵至第5天或第25天,剩余污泥投配比范围在60%~80%之间时,此时,系统发酵液中的VFAs浓度最高可达到600mg/L左右,而且系统也具有较佳的VFAs表观转化率(约24%)。而连续投加剩余污泥运行模式下,试验最佳剩余污泥投加量范围为4.0~5.5g/d,此时,污泥负荷率(Nfs)在0.048~0.053 g剩余污泥/(g MLSS·d)之间,系统稳定后,VFAs的表观转化率相对较高约为6.5%,且稳定后发酵液中VFAs浓度可达430mg/L,VFAs/COD比值为40%左右,较其他剩余污泥投加水平要高,是连续投加剩余污泥动态运行发酵工艺较为理想的运行条件。5)在研究水解发酵基质对LCS-SDS系统除磷脱氮性能影响时发现:当发酵液中SCOD和VFAs平均浓度分别为1690mg/L、295mg/L时,LCS-SDS利用剩余污泥碳源化基质作为释磷碳源时,释磷池依然具有稳定的释磷效果,平均释磷量达到了42.0 mg/L。较以乙酸钠为释磷碳源的系统,以污泥水解基质为释磷碳源时,不仅不会影响系统主体反应器中脱氮方式多样性,而且LCS-SDS系统的前缺氧段反硝化吸磷作用得到增强。此外,尽管污泥水解基质会增加释磷池上清液中的氮磷盐浓度,但不会对LCS-SDS系统总体脱氮除磷效果造成明显影响。表明污泥水解液基质作为系统补充碳源是可行的。6)在研究LCS-SDS系统总体运行效果时发现:在进水平均C/N(BOD/TN)、C/P(BOD/TP)比值范围分别为2.6、14.3的条件下,LCS-SDS系统在好氧段平均DO浓度为0.21mg/L,SRT为40d,污泥外循环比10%,LCS-SDS系统总体运行效果良好,出水各项指标均能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标。进一步分析发现,污泥外循环比降至8%左右也能满足系统除磷要求。7)在研究LCS-SDS系统微生物特性时发现:PCR-DGGE技术分析表明LCS-SDS系统有助于DPAOs的繁殖生长,但会抑制PAOs和GAOs。此外,根据Biolog数据计算得到的功能多样性指数表明LCS-SDS与接种污泥相比,其生物多样性基本没有变化,而主要的优势菌发生了改变,这与PCR-DGGE的结果相似。这表明LCS-SDS系统具有强化反硝化吸磷作用的功能,且在系统中实现了脱氮除磷方式的多样化。从稳定运行的低碳源污水处理系统LCS-SDS分离鉴定可得三株反硝化吸磷菌,分别命名为Klebsiella pneumoniae strains13#,Ralstonia pickettii strain15#,Acinetobacter junii strain17#,其中,13#为低碳源条件下高效的反硝化吸磷菌。此外,还发现除17#外,13#和15#均具有好氧反硝化能力。