氧化沟是一种常见的城市污水处理工艺，具有结构简单、运行稳定、耐冲击负荷、处理效果好等优点。传统氧化沟采用表面曝气设备，具有点式曝气的特征，脱氮效率在工艺运行过程中易受溶解氧不足或过量以及供氧分区调控困难的影响；而氧化沟等速运行的方式，又存在着系统能耗高的问题。与此同时，我国污水处理厂普遍存在进水碳源不足的问题，氧化沟工艺在运行过程中面临着新的挑战。因此有必要对氧化沟工艺曝气模式及碳源利用机制进行深入研究，为实现氧化沟工艺强化脱氮与节能降耗奠定理论与技术基础。本课题是国家水体污染控制与治理科技重大专项的部分研究内容，针对目前氧化沟工艺碳源利用与运行调控强化脱氮理论与技术存在的问题，开展颗粒态碳源转化与释放特性研究，分析曝气模式对氧化沟工艺脱氮性能影响和机制，评价开孔方案对氧化沟流态调节作用与节能效应，并将研发理论与技术成果应用于三项实际污水处理工程，验证了理论与技术的可行性与实施效果。　　本研究主要内容包括：⑴对污水处理厂进水碳源组分进行解析，指出了城市污水具有颗粒态碳源含量高、碳源种类差、生物降解速率低等特点，从而导致初沉池中碳源流失严重，系统中碳源利用效率低的问题。通过扩大传统初沉池污泥斗容积延长污泥在初沉池底部的停留时间、增设污泥回流系统与淘洗单元等措施构建活性初沉池中试系统，分析污泥停留时间、污泥回流比、淘洗强度对系统碳源转化与释放的影响，开展颗粒态碳源转化与释放特性研究。研究结果表明，活性初沉池系统有利于Paludibacter、Macellibacteroides、Ruminococcaceae等水解发酵细菌的繁殖与富集，可实现污泥中颗粒态碳源向溶解性碳源的高效转化，淘洗单元通过破碎污泥粒径、促进发酵产物释放等途径强化颗粒态碳源转化。活性初沉池系统最佳运行工况为污泥停留时间5d、污泥回流比10％、淘洗强度152s-1，系统出水溶解性COD（SCOD）与VFAs可分别提高57mg/L和22mg/L，显著改善污水中碳源种类，提高城市污水中快速易生物降解有机物的含量，从而促进生物系统的脱氮除磷性能。⑵针对传统氧化沟点式曝气模式供氧缺陷以及脱氮效率低的问题，对比分析了点式曝气模式与连续曝气模式对系统脱氮性能的影响，结果表明，在相同曝气面积与曝气量的条件下，两种曝气模式均具有较好的硝化效果，氨氮去除率达到98%以上。然而，两种曝气模式下系统出水TN浓度分别为5.3mg/L和11.1mg/L，连续曝气模式对TN的去除效果明显高于点式曝气模式。对两种曝气模式脱氮机制进行分析，研究发现无论哪种模式，氧化沟曝气区末端均存在一段较长的好氧延伸区，从而影响氧化沟好氧-缺氧分区比例。相比较而言，同样的曝气量与曝气区域，连续曝气模式使得好氧区域集中，在氧化沟内提供了更大的缺氧区体积，提高了系统脱氮效果。更重要的是不同的曝气模式影响了系统微生物种群结构，高通量测序分析结果表明，两种曝气模式下微生物种群分布存在显著性差异。连续曝气模式相对集中的缺氧区域有利于反硝化细菌的富集，反硝化细菌的相对丰度达到1.55%，明显高于点式曝气模式下系统中反硝化细菌含量（1.12%），从而强化了系统反硝化脱氮性能。⑶通过在微孔曝气氧化沟缺氧区廊道弯道处开设孔洞、设置设挡水墙与导流板等措施，提出了开孔变速氧化沟流态调节理论与技术。采用CFD模拟与现场流态测定的方法对开孔变速氧化沟流态进行分析研究，结果表明二者流速分布吻合较好，开孔方案可实现较好的变速运行效果。在氧化沟流速为0.15m/s时，其开孔廊道流速可提高至0.25m/s。开孔变速方案通过提高氧化沟缺氧区廊道流速，减少氧化沟系统推进器功率，实现推进器节能21.6%。⑷研发的活性初沉池碳源转化与释放技术、氧化沟连续曝气与开孔变速流态调节技术成功应用于西安市第四污水处理厂初沉池、昆明市第一污水处理厂Carrousel氧化沟及西安市第三污水处理厂Orbal氧化沟工艺，有效解决了污水厂进水碳源不足、氧化沟系统溶解氧与分区调控困难、运行能耗高等问题，取得了良好的运行效果。三座污水处理厂应用研发的技术后，生物系统运行稳定，脱氮效率显著提升，同时氧化沟系统运行能耗大幅降低。