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城市污水处理通常采用传统活性污泥法及其变型工艺来实现污染物去除和水质达标排放。然而,污水本身是一种宝贵的资源,其中含有高价值的再生水、营养物质及化学能。传统处理方法通过高耗能实现污染物去除,但未进行相应资源回收。因此,通过技术方式改变,使污水处理转变为污水资源回收,即污水资源化,有望成为实现水环境治理可持续发展的重要途径。污水资源化的主要目标是在出水水质达标的前提下,实现有机碳捕集、能量回收以及再生水的产出。然而,现有资源化工艺往往碳捕集效率不高且产能效果不佳。为此,本论文开展了生物吸附MBR组合RO强化碳捕集和营养物浓缩,以及捕集浓缩液强化产能和脱氮除磷的污水资源化工艺研究,通过对有机物捕集性能、浓缩液产能和脱氮除磷性能的考察以及针对生物吸附碳捕集机理、污泥破壁机理和全程自养脱氮机制的深入分析,构建高效污水资源化系统。主要研究成果如下:(1)构建高负荷膜生物反应器和新型高速接触-稳定膜生物反应器两种生物吸附工艺,比较运行研究表明,随着泥龄(SRT)的增加(0.5～1.8 d),两MBR出水效果和生物吸附性能逐渐提高,碳捕集率逐渐降低而膜污染逐步缓解;与高负荷MBR相比,高速接触-稳定MBR生物吸附性能占优,接触池的污泥经过稳定池后使微生物细胞内外层处于“空腹”状态,进入接触池后EPS含量快速上升,污泥吸附性能得到迅速提高,在0.5 d SRT条件下,高速接触-稳定MBR碳捕集率达到56.9%。膜污染分析表明MBR膜滤饼层污染物主要成分为蛋白质和多糖,高速接触-稳定MBR在膜污染控制方面较高负荷膜生物反应器具有一定优势。微生物群落分析证明,Chloroflex菌门相对丰度的提高有利于污泥絮凝性能的提高。SRT为1.2 d时,高速接触-稳定MBR的单位体积浓缩液甲烷产率为1073 mL·L-1,转化电能4.28×10-3 kW·h,证明高速接触-稳定MBR是一种适用于城市污水资源化的碳捕集工艺。(2)采用反渗透(Reverse Osmosis,RO)膜实现再生水的产出、营养物及剩余有机物的捕集,构建高速接触-稳定MBR-RO和UF-RO资源捕集双膜系统,比较运行研究表明双膜系统产出再生水水质良好,而单独的RO膜对总氮(TN)、总磷(TP)和COD的捕集浓缩效率分别稳定在71%、80%和71%以上。相比MBR,直接UF过滤出水COD浓度较高,致使RO膜污染加重;同一水质条件下,UF-RO浓缩液的产甲烷潜势高于MBR-RO,说明UF-RO在有机物回收方面具有优势,但从膜污染及能耗角度考虑,采用MBR-RO更为可行。(3)通过耦合厌氧消化和厌氧氨氧化工艺,实现捕集浓缩液有机物去除、沼气回收和脱氮。厌氧膜生物反应器(Anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)在37天内实现快速生物启动;全程自养脱氮膜生物反应器(Completely autotrophic nitrogen removal membrane bioreactor,CANON MBR)实现好氧氨氧化菌(Aerobic ammonia-oxidizing bacteria,AerAOB)富集后,接种Anammox菌,27天后反应器运行稳定脱氮率在78.2%以上;耦合AnMBR-CANON MBR系统连续运行甲烷产率为223 mL·(g COD)-1,TN去除率为81.4%。荧光原位杂交分析证明了 AerAOB和Anammox在污泥中为优势菌种。(4)构建复合CANON MBR反应器以强化厌氧氨氧化作用,利用悬浮填料富集Anammox,扫描电镜结果显示了填料内壁生物膜Anammox所具有的火山口特征形貌;构建以硫铁矿为载体的反硝化过程以强化浓缩液脱氮并实现除磷,TN和TP去除性能显著提升;复合CANON MBR耦合硫铁矿自养反应器中捕集浓缩液的TN和TP去除率分别达到96.0%和91.7%,说明了该系统脱氮除磷的优越性。Illumina Miseq测序表明CANON MBR中悬浮污泥和生物膜两者在群落丰富度和菌种多样性上相似,包含典型Anammox的Brocadiaceae菌科在生物膜上占有优势,典型AerAOB的Nitrosomonadaceae菌科则在悬浮污泥中占有优势;在硫铁矿自养反应器中,具备自养反硝化功能的Thiobocillus和Sulfurimonas菌属占优。结合脱氮性能及菌种分析,确定了处理系统的三种脱氮路径,明晰了脱氮机制。(5)采用游离亚硝酸(Free nitrous acid,FNA)耦合过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)破壁处理高速接触-稳定MBR捕集污泥,批式实验结果证明单位质量挥发性固体COD溶出量增加0.158 mg·(mg VS-1),SKN和NH4+-N分别较原污泥提升123.69和64.42 mg·L-1,表明耦合反应能够显著强化污泥破解效率并相应增加细胞内COD和N的溶出;连续运行实验表明,耦合破壁处理使得反应器内溶解性COD增加及非溶解性COD明显减少,非溶解性COD的水解率提高7.06%,甲烷产率相应提高36.69%,证明FNA和PMS的耦合协同作用对系统甲烷产能具有显著强化作用。机理分析实验表明,耦合作用条件下PMS将污泥絮体氧化后导致絮体内部细胞破碎,并被扩散和转化成溶解性有机物,而FNA可以直接作用于细胞膜,溶出DNA,造成污泥的破碎和分解。(6)污水资源化工艺系统连续运行RO膜出水满足我国再生利用工业用水水质要求;碳捕集率稳定在53%～62%,经污泥破壁处理及浓缩液处理后,甲烷产率均值为200.30 mL·(L Concentrate)-1,转化电能为1.19 kW·h;TN的去除率达到95.9%,TP浓度稳定在1.0 mg·L-1以下。构建了城市污水资源化工艺路线及物料平衡,污水资源化集成系统能够实现74.7%总水量的再生水产出,43.7%总有机物的甲烷产出,70.8%的全程自养总氮脱除以及61.4%的磷去除。技术经济分析表明系统能量自给率为39.48%,扣除该项电能消耗成本后,则单位运行成本降为1.06元/吨水,污水资源化示例工程实际收益达到1.42元/吨水,实现了良好的经济效益。