随着水体富营养化的日益加剧,氮磷排放标准的提高,污泥处理处置要求的日益严格,现有城镇污水生物除磷脱氮技术存在的氮磷去除的泥龄矛盾、聚磷菌生物除磷与污泥减量的矛盾、富磷污泥处理处置难度大,以及磷资源难于回收等问题,成为城镇污水高效生物除磷脱氮的瓶颈,开发新型高效的污水生物除磷脱氮技术成为当务之急。针对上述问题,论文提出了基于磷酸盐生物还原的城镇污水生物除磷脱氮新技术,通过磷酸盐生物还原菌的作用将磷酸盐转化为气态磷化合物形式排除并回收,实现磷的高效低耗去除和剩余污泥的减排,从根本上解决生物脱氮除磷难以同步去除的泥龄矛盾。论文以高浓度城镇污水为研究对象,在序批式生物膜反应器中成功构建出基于磷酸盐生物还原的城镇污水除磷系统,考察了进水氮磷组分及种源对系统构建的影响,确定了系统的微生物构建方法。从磷形态转化角度分析了底物基质条件(碳源、COD/TP)、运行控制条件(溶解氧、温度、有机负荷)对城镇污水磷酸盐生物还原系统除磷效能、结合态磷化氢及聚磷变化的影响;同时考察了不同底物基质和运行控制条件下,城镇污水磷酸盐生物还原系统的脱氮效能,构建出基于磷酸盐生物还原的同步脱氮除磷系统,并得出了该系统高效运行的关键控制因子。采用微电极技术量化了高效磷酸盐生物还原除磷脱氮系统生物膜内微环境好氧、缺氧、厌氧区域的构成分布,确定了系统生物膜内部ORP体系;结合不同电子供体对系统的影响及系统周期运行中液相、固相磷变化规律分析,对磷平衡及磷形态进行了系统的量化研究,从磷形态的迁移转化角度探讨磷酸盐还原系统的除磷机理。研究得出了如下主要结论:　　 ①种源对城镇污水磷酸盐生物还原系统构建影响显著。以生活污水粪便中微生物为补充种源的系统,在无污泥外排,连续曝气条件下运行30d期间TP去除率稳定在80.7％～91.8％,生物膜污泥中MBP含量高达3.1 mgPH3/kgWS,一个周期内TP呈现下降趋势,成功构建出磷酸盐生物还原系统,缺乏种源补充的系统未能成功构建出磷酸盐生物还原系统。补充种源系统污泥中Org-P矿化分解为Iorg-P速度快,污泥中NaOH85-P、NaOH-P、BD-P共减少0.73 mgP/gDS;缺乏种源补充的系统中磷酸盐还原菌难以成为优势菌种,致使系统污泥中Org-P矿化分解为Iorg-P后,致使NaOHgS-P和BD-P累积增加。　　 ②进水氮磷组分对城镇污水磷酸盐生物还原系统构建影响不显著。分别改变进水NO3--N(5～15 mg/L)、有机氮(5～15 mg/L)、PO43--P(3～12 mg/L)浓度,在无污泥外排,连续曝气条件下,均未能成功构建城镇污水磷酸盐生物还原系统。各反应器污泥中Iorg-P变化趋势与缺乏种源补充系统类似。　　 ③底物基质条件(碳源种类、COD/TP)对城镇污水磷酸盐生物还原系统除磷效能影响显著。投加碳源为葡萄糖时系统除磷效果最好,每天外源磷去除量42.1mg,生物膜污泥中MBP含量最高为8.5 mgPH3/kgWS。进水COD/TP比值为120时系统除磷效果最好,生物膜污泥中MBP含量最高为5.9 mgPH3/kgWS。单个周期运行规律显示,不同进水COD/TP比值系统的pH变化不同,过高或过低的pH值均不利于PRB菌生长。进水COD/TP比值为200时系统脱氮效果最好,进水TN浓度为109.2 mg/L～120.1 mg/L,出水TN浓度为10.7 mg/L～15.5 mg/L。　　 ④运行控制条件(溶解氧、温度和有机负荷)对城镇污水磷酸盐生物还原系统除磷效能影响显著。DO浓度为6 mg/L时系统除磷效果最好,每天外源磷去除量74.5 mg,污泥中Inorg-P转化效果最好。DO浓度为8 mg/L时系统内氧化还原电位相对较高还原力不足,NaOH85-P转化为整个磷转化过程的限制性步骤;DO浓度为4 mg/L时系统内氧化还原电位相对过低,Fe3+易被还原为Fe2+,BD-P转化成为整个磷转化过程的限制性步骤。温度为30℃时系统除磷最好,每天外源磷去除量74.1 mg,污泥中MBP含量最高为5.7 mgPH3/kgDS,污泥中TP降低量最大;DO浓度为4 mg/L时系统脱氮效果最好,进水TN浓度为93.1 mg/L～135.9 mg/L,出水TN浓度为14.2 mg/L～18.5 mg/L。温度为20℃和40℃不利于PRB菌生长,污泥中微生物分解Org-P量明显降低,由微生物参与的各Inorg-P转化均受到限制。温度为30℃时系统脱氮最好,进水TN浓度为95.3 mg/L～114.1 mg/L,出水IN浓度为11.4 mg/L～18.9 mg/L。有机负荷为1.0 kgCOD/(m3·d)时,城镇污水磷酸盐生物还原系统除磷效果最好。有机负荷为1.0 kgCOD/(m3·d)和1.5 kgCOD/(m3·d)时系统生物膜污泥中MBP含量较高。有机负荷为1.0 kgCOD/(m3·d)时系统污泥中Inorg-P主体成分NaOH-P和BD-P转化效果最好,有机负荷过高Fe-P稳定性不足,BD-P处于积累状态成为整个磷转化过程的限制性步骤;有机负荷过低系统内微环境构造不利于PRB菌生存,污泥中NaOH85-P转化为整个磷转化过程的限制性步骤。有机负荷为1.0 kgCOD/(m3·d)时,系统脱氮效果最好,进水TN浓度为100.9mg/L～128.7 mg/L,出水TN浓度为10.2 mg/L～17.4 mg/L。　　 ⑤碳源种类对城镇污水磷酸盐生物还原系统影响显著。以葡萄糖为碳源时,系统污泥中Inorg-P转化效果最好,其主体成分NaOH-P和BD-P的转化量最高:以淀粉为碳源时,系统污泥中Org-P的转化为整个磷转化过程的限制性步骤;以甲醇和乙酸钠为碳源时,系统污泥中NaOH85-P和BD-P的转化为整个磷转化过程的限制性步骤。葡萄糖有利于分解产生磷酸盐生物还原微生物所需的还原糖,可能利用甲酸脱氢酶酶促反应的生理代谢活动将其进行脱氢,产生还原性辅酶(NADH)作为生化还原反应的供氢体的还原力,从而将磷还原为气态磷化氢。　　 ⑥不同氧环境下城镇污水磷酸盐生物还原系统中氧化还原状态不同,对铁离子价位的变化产生决定性影响,进一步影响Fe-P的转化,系统内固-液界面ORP＜100 mV时尤其容易发生此情况;生物膜内部ORP＞-100 mV时,系统内还原力不足,不利于磷酸盐还原反应的进行。本试验条件下,DO为6 mg/L时系统内ORP体系(-182 mV～-133 mV)适合磷酸盐还原反应进行。　　 ⑦城镇污水磷酸盐生物还原系统在一个周期运行过程中,TP浓度一直保持下降趋势;整个周期内ploy-P含量基本保持不变,最高含量为0.26 mgPH3/gDS;MBP呈现先逐步降低后逐步上升的趋势,MBP含量高达3.5 mgPH3/kgDS。系统污泥中H2O-P、NaOH-P、NaOH85-P和HC1-P在一个周期运行中均呈现出先升高后逐渐降低的趋势;BD-P在周期运行开始稍有降低随后逐渐升高最终趋于降低的趋势;BD-P与NaOH-P的前期转化使得NaOH85-P在周期运行前7 h运行中持续增加,此后PRB菌对其分解转化而呈现下降趋势;HCI-P在前9 h运行中HCI-P逐渐升高,随后呈现下降的趋势。　　 ⑧城镇污水磷酸盐生物还原系统连续运行45d过程中,磷平衡测试显示整个系统共损失磷530 mg,单位污泥含磷量(以DS计)为1.93％小于传统PAOs除磷法污泥中含磷量。生物膜污泥中Org-P比接种污泥减少3.0 mgP/gDS,Inorg-P减少1.43 mgP/gDS。在各Inorg-P中,H2O-P、NaOH-P、BD-P、NaOH85-P分别减少1.34mgP/gDS、0.4 mgP/gDS、0.2 mgP/gDS和0.06 mgP/gDS,HC1-P增加了0.53mgP/gDS,推测磷形态的转化过程可能是Org-P→H2O-P→NaOH-P→BD-P→NaOH85-P→HCI-P。　　 ⑨在温度为30℃,DO为6 mg/L,有机负荷为1.0 kgCOD/,(m3·d),COD/TP为120的条件下,城镇污水磷酸盐生物还原系统具有良好的同步脱氮除磷效能。系统TP和TN连续25d稳定运行跟踪测试结果显示,TP出水0.9 mg/L～1.6 mg/L,去除率稳定在82.7％～91.6％;TN出水8.0 mg/L～18.9 mg/L,去除率稳定在86.6％～92.2％。　　 上述研究结果,解决了现有除磷脱氮技术中除磷脱氮的泥龄矛盾,为城镇污水高效生物除磷脱氮开辟了新途径,为污泥减量奠定了良好的基础,研究成果具有较强的创新性和重要的理论意义与学术价值。