城市污水厂剩余污泥产量大、处理费用高,带来严峻的环境问题。在污水处理的过程中降低污泥产量具有重要的经济和环境意义。溶胞技术应用于污水处理工艺是实现污泥过程减量的主要方法之一,但关于该技术中重金属的迁移变化及对系统的作用机制的相关研究较少,为其安全性应用造成隐患。论文采用超声波污泥溶胞的手段,结合序批式生物反应器(Sequencing Batch Reactor,SBR),系统研究了污泥重金属在溶胞过程中的污泥固-液两相的再分配及形态分布规律,探讨了该工艺运行过程中重金属在系统中的累积机制,研究了重金属对该处理工艺运行效果的影响。通过静态实验的方法研究了SBR工艺中活性污泥在超声波溶胞过程中重金属的变化特性,系统分析了污泥中8种典型重金属(As、Zn、Ni、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg)的污泥固-液两相的再分配及形态分布规律,并研究了溶胞过程关键操作参数对其再分配及形态分布的影响。结果表明,超声溶胞作用能有效破坏污泥絮体,释放重金属,提高了污泥中重金属的稳定性。超声作用时间和声强对重金属在污泥固-液两相中的分配产生影响。在超声声强为188 W/cm2的条件下,作用时间0-15 min,污泥絮体所含重金属在液相中的溶出量与超声波作用时间成正比。超声作用15 min,污泥液相中重金属的溶出存在的有效能量作用范围为125-251 W/cm2。超声污泥溶胞作用影响重金属在污泥固相中的化学形态分布。当超声声强为188 W/cm2时,随着超声波作用时间的延长,污泥固相中重金属的不稳定化学形态比例降低,稳定化学形态比例提高。As、Zn、Ni在污泥中不稳定,易受到超声溶胞作用的影响,溶出率较高,在污泥固相中的化学形态分布变化大。Cu、Pb、Hg等重金属在污泥中较为稳定,受超声溶胞作用的影响较弱,液相中释放的浓度不高,在污泥固相中的化学形态分布变化不显著。利用响应曲面法研究了溶胞过程重金属释放规律,污泥中重金属总量溶出规律可表达为CHM=-3069.09+107.49×t+27.46×I+0.10×t×I–2.11×t2–0.06×I2,与溶胞操作参数有关。以传统SBR工艺为对照,在分析探讨超声溶胞污泥回流-SBR污水处理工艺中污泥减量与污水处理效能的基础上,着重研究了重金属在超声溶胞污泥回流-SBR工艺污水处理过程的累积规律及形态变化。考察了系统中减量效果、出水水质、污泥性能等变化情况,并与对照系统进行对比分析。结果表明,在连续运行的120 d内,污泥超声污泥溶胞回流-SBR污水处理工艺中日平均污泥产量约为85±12 mg/L/d,较对照组降低50%左右;COD去除率达70%以上,氨氮平均出水浓度为16 mg/L,总磷浓度略有升高。与对照组相比,重金属在减量系统中的累积较大,污泥活性略高。活性污泥对重金属的吸附具有选择性,重金属在反应器中的去除率及累积由于自身特性而不同,相应地,其在污泥中的赋存形式具有差异。Cu与有机物亲电性最强,去除率达98%以上,累积量也高;Pb与Cd存在竞争吸附,两者在污泥中的累积呈现此消彼长的现象。重金属在减量系统运行过程中的化学形态变化与污泥吸附重金属的机制有关,经过120 d的运行后,污泥中各重金属的不稳定态比例略有提高。污泥中的重金属的潜在生态危害评价结果表明,除Cd外,重金属的累积对环境的潜在生态风险程度在较低的范围,需要对Cd进行适当处理。采用PCR-DGGE技术分析重金属对超声溶胞污泥回流-SBR污水处理工艺过程微生物的影响,与对照组相比,减量系统中微生物种类较丰富。超声溶胞作用释放大量有机物可供微生物利用,缓解重金属对微生物造成的危害,Sphingobacterium,pirochaeta sp.和Uncultured Acinetobacter sp.为该技术在减量过程中的功能菌。采用数学关系式拟合的方法研究了重金属对超声溶胞污泥回流-SBR污水处理工艺运行效果的影响。构建了基于莫诺方程的超声溶胞污泥回流-SBR污水处理工艺有机物降解数学关系式,能较好的模拟该污水处理过程。计算结果表明,污泥中活性部分减少,不可降解的颗粒有机物增多。溶胞后的污泥作为基质参与污泥微生物代谢,F/M增加到0.93 mg COD/mg biomass/d。通过计算拟合出来的污泥微生物最大比增长速率m’为3.27 d-1。出水COD浓度的模拟值与实验值良好拟合,证实了数学关系式对超声溶胞污泥回流-SBR污水处理工艺预测的实用性。预测重金属浓度对有机物降解及污泥减量效果的影响,结果表明,进水重金属浓度在0-12.5 mg/L的范围内不影响超声溶胞污泥回流的SBR污水处理工艺的正常运行,COD去除率为62.5%-80%,污泥产率系数为0.26-0.41 mg MLSS/mg COD。