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城市污水中蕴含大量的碳源(有机物),如将其转化为能源加以利用,对降低污水处理能耗、减少碳排放量和实现污水处理厂能量自给都具有重要意义。由于城市污水中碳源浓度较低,很难经济高效地直接利用其产能,因此,对城市污水中碳源的高效浓缩捕集成为了实现其能源化利用的关键步骤。将生物絮凝与膜分离耦合构建的高负荷生物絮凝膜反应器,既能避免引入外加化学药剂带来的负面影响,又能实现有机物的高效捕集和膜污染的有效缓解,成为了一种非常有吸引力的城市污水碳源浓缩捕集技术。但目前关于该技术尚存在不同构型和不同处理对象的反应器参数需进一步优化、温度对反应器捕集城市污水碳源效能的影响机制不清楚、反应器的膜污染控制技术需要进一步开发等问题。本论文采用膜孔径较小(0.03μm)的中空纤维超滤膜组件构建了圆柱体结构的高负荷生物絮凝膜反应器(HLB-MR),并围绕上述有待解决的科学问题展开了研究。具体研究内容和结论如下:首先,对HLB-MR反应器的污泥停留时间(SRT)进行了优化研究并探析了其影响机制。研究表明:在0.2d、0.6d和1.0d三个短SRT条件下,随着SRT的增加,HLB-MR反应器内胞外聚合物(EPS)的含量逐渐增加,更多EPS和金属(钙、镁、铁)离子之间形成了桥连,增强了胶体有机物的生物絮凝效果,反应器内膜污染逐渐减轻,但是有机物的矿化率逐渐升高,有机物的捕集效率逐渐降低。从有机物回收效果与膜污染控制两方面综合比较,确定SRT为0.6d是HLB-MR反应器较优的控制参数,在该条件下,胶体COD的絮凝效率高达90%,膜污染程度较轻;总COD的回收率可高达80%以上。随着SRT的变化,HLB-MR反应器内微生物的群落结构发生了显著变化;Acinetobacter、norank＿f＿norank＿o＿Saccharimonadales为上清液优势物种,可能会造成更大的膜污染,Ornithinibacter、Trichococcus、norank＿f＿norank＿o＿norank＿c＿Actinobacteria为底泥中优势物种,可能对促进生物絮凝有更好的效果。除对SRT参数进行优化外,也对溶解氧(DO)参数进行了优化研究并探析了其影响机制。研究表明:当HLB-MR反应器的DO浓度分别控制在1～2mg/L和6～8mg/L时,DO浓度升高,反应器中EPS的含量增加,更多EPS和金属(镁、铝)离子之间形成了桥连,增强了胶体有机物的生物絮凝效果,提高了有机物的捕集效率,但反应器内膜污染反而增加,高DO浓度反应器内浓缩液黏度较高、上清液中EPS-多糖的含量较高、浓缩液中细小粒径颗粒(0～1μm)比例较高均有可能是造成膜污染加重的主要原因。鉴于DO为1～2mg/L时,反应器仍然能达到83%的絮凝效率和70%以上的有机物捕集效率,从有机物回收、膜污染控制与运行成本等方面综合比较,确定DO浓度为1～2mg/L是HLB-MR反应器较优的控制参数。不同DO浓度的两HLB-MR反应器内浓缩液底泥和上清液的微生物群落差异显著,且底泥微生物群落与进水中微生物群落更为相似。随着DO的提高,Actinobacteria和Saccharibacteria在反应器底泥中的相对丰度增加,可能对生物絮凝有促进作用。在工艺参数优化的基础上,根据我国不同地区不同季节城市污水的水温特征,选取8℃、15℃和25℃三个典型温度,从温度适应性的角度研究HLB-MR反应器捕集城市污水碳源的效能与机制。研究表明:随着温度的升高,HLB-MR反应器有机物的捕集效率逐渐增大,但在低温(8℃)条件下,HLB-MR反应器仍至少可以回收65%以上的进水COD。三个温度下,HLB-MR反应器的生物絮凝效率均与微生物分泌出的EPS量和污泥基质中摄取的阳离子(钠、钙和铝)量呈正相关关系,15℃时的絮凝效率最高,低温(8℃)条件下生物絮凝效果较差与液体的黏度增大和亚微米颗粒由无规则布朗运动引起的扩散运动速度降低等因素有关,而高温(25℃)条件絮凝效果变差的原因可能主要是存在污泥絮体解体现象。在15℃和25℃温度条件下,HLB-MR反应器都适用于捕集回收城市污水中的碳源,而且膜污染较轻,能保证系统的持续稳定运行。但是,过低的温度(8℃)对HLB-MR反应器的COD去除效果、有机物回收效果、生物絮凝效果和膜污染都产生了负面的影响。在寒区低温季节可采用适当增加SRT、提高曝气强度、投加粉末活性炭、增强反冲洗或降低膜通量(增加膜面积)等措施来克服温度降低带来的不利影响。最后,从膜污染控制出发,在原HLB-MR反应器的基础上,增加低强度超声间歇离线辐射浓缩液回流系统,构建了超声辅助HLB-MR反应器并开展了研究。结果表明:超声辐射对HLB-MR反应器的COD去除效率、有机物捕集效率和生物絮凝效果的影响不大,但超声辅助HLB-MR反应器的膜污染得到了有效缓解,这主要归因于超声辅助反应器内浓缩液黏度、结合态EPS和上清液胶体有机物含量的降低所带的正面影响大于因污泥絮体尺寸减小所带来的负面影响。整合超声能有效清洗污染和改变浓缩液特性两方面的优势,构建了超声辅助HLB-MR工艺升级系统,该系统能有效保证工艺的稳定性和进一步提升所捕集浓缩液的后续资源回收率。超声辐射能导致HLB-MR反应器内微生物群落结构发生显著变化,倾向以浮游形式存在的Neisseriaceae和norank＿o＿＿HTA4比较容易从絮体内部和絮体表面脱离,可能会引起较严重的膜污染,而底泥中的优势细菌Comamonadaceae和Intrasporangiaceae,可能会起到较好的絮凝作用。本论文研究成果可为HLB-MR反应器的工程化应用奠定理论基础,为城市污水资源/能源化中关键的碳源分离单元提供一种可行的工艺,对实现污水处理厂向能量平衡或“碳中和”运行方向的转变具有积极的推动作用。