在深入分析当前城市污水处理工艺特性和控制理论的基础上,从创建多流态来延长气泡行程和提高氧利用效率的角度出发,研制了一种具有多氧区域来实现同步硝化反硝化的微压内循环多生物相反应器(Micro-Pressure Inner-Loop Bioreactor,MPR)。进一步以高浓度有机废水、常温和低温城市污水为对象,开展反应器内流场、曝气节能和同步有机物去除与脱氮机理研究,获得如下结论:(1)以MPR内涡流特征为研究对象,利用智能流速仪和示踪粒子图像法系统分析了MPR的流速、溶解氧浓度和污泥浓度分布情况,结果显示:MPR内流速由外向内逐渐减小,外环流速高达36 mm/s,而内环流速低于3 mm/s;溶解氧浓度分布也呈现明显的梯度变化,周边溶解氧浓度达到2.02 mg/L,中心区域浓度低于0.05 mg/L;污泥浓度与流速和溶解氧浓度呈现相反的变化规律,由外向内逐渐增大,浓度差高达400 mg/L。(2)在序批式操控条件下,常温下对比了MPR和传统完全混合曝气反应器(SBR运行)对城市污水的处理效果,结果显示:在单一周期内,MPR能够高效脱氮,且在4.5小时内可达到90%的有机物去除率,而SBR需要6小时,体现了MPR良好的同步有机物去除和脱氮功能,且节省反应时间(曝气节能)。(3)进一步分析了MPR反应器的抗冲击负荷性能,结果显示:MPR进水CODCr在713.5-2979.1mg/L范围内(0.4~1.8kg CODCr/(m3·d)),出水CODCr为24.9~99.7 mg/L,呈现出高效有机物效果(去除率>91.0%)。在这个阶段,进水TN在106.3-215.1 mg/L,出水总氮低至14.3 mg/L(去除率高达92.5%),表明MPR具有良好的抗冲击负荷能力,在高有机物条件下仍具有优异的脱氮效果。(4)在连续流运行条件下,研究了MPR处理常温城市污水的性能,结果显示:在实验周期内(120天),进水CODCr在150.5~556.2 mg/L范围内,出水中CODCr低于50 mg/L,优于国家一级A排放标准。(5)在3~15℃条件下开展了MPR连续流处理城市污水的实验,结果显示:MPR在15℃可以快速启动,并呈现良好的氨氧化效率和高有机物去除率,进水CODCr为60.2~450.1 mg/L时(0.18~1.24 kg CODCr/(m3·d))时,出水CODCr低于43.3mg/L。逐步降温培养,可以在MPR缺氧区内形成稳定的兼性菌群来实现硝酸盐的反硝化,使3-9℃运行时出水总氮低于15 mg/L。与正常启动相比,低温下MPR停止后仍可以快速启动,并具有高有机物去除效果,同时增强反硝化效果使总氮去除率达到76.2%。在超低温3度时,MPR运行稳定,即使在外加氮源的运行条件下,有机物和总氮去除率分别达到94.1%和85%。(6)低温菌群分析显示:15℃启动初期,中温菌会大量死亡,但逐步变温培养有助于活性污泥中低温细菌大量生殖,并取代中温菌占据主导地位,由此迅速分解水中有机物并生殖,并将氨氮氧化成硝酸盐。由于MPR的特殊结构延长了气泡行程,提高了氧利用效率,并在曝气推动下混合液形成了涡流,出现一个含有异氧微生物硝化的好氧区和一个含有兼性微生物脱氮的缺氧区,所以MPR中存在大量缺氧细菌强化了低温下脱氮效果。低温下实验停止后重新启动,显著强化了适合缺氧条件下生长的反硝化细菌生殖来还原水中硝酸盐,证明了低温下接种缺氧污泥有助于在MPR快速启动时强化脱氮功能。