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剩余污泥是污水生物处理过程中的重要副产物,含有大量有毒有害物质（如病原体、重金属、有机污染物等）,若处置不当会造成严重的环境污染,甚至危害人体健康。因此,本论文以污泥为处理对象、厌氧膜生物反应器（anaerobic membrane bioreactor,An MBR）为技术核心,针对污泥厌氧消化过程中存在的“有机固体水解速率慢、产甲烷潜力低、膜污染严重”等难题,系统开展了基于游离亚硝酸（free nitrous acid,FNA）-电化学（electrochemical,EC）（FAN-EC）、热水解（thermal hydrolysis,TH）预处理,生物电化学（bio-electrochemical systems,BES）和纳米零价铁（nano zero-valent iron,n ZVI）诱导的污泥强化甲烷转化与膜污染原位削减技术研发工作。主要研究结论如下:1)研发了游离亚硝酸耦合电化学（FNA-EC）污泥预处理技术,全面评估了组合预处理策略对污泥溶裂及后续产甲烷能力的协同作用。结果表明,FNA-EC预处理通过破坏胞外聚合物结构,显著增强了污泥的溶裂和胞内物质释放,在10V-14.17 mg N/L预处理条件下,最大可溶性化学需氧量（soluble chemical oxygen demand,SCOD）浓度达到3296.7 mg/L,比原污泥浓度（128.9 mg/L）提高了25.6倍。但由于NO2-和NO3-等副产物对微生物的潜在生物毒性,经FNA预处理后的污泥产甲烷能力明显下降。单独10 V预处理下,甲烷产率最高(152.0±9.6 ml/g-VSadded),但仅较对照(149.4±1.6ml/g-VSadded)提高1.7%,此时消化污泥亦获得较佳的脱水性能。因此,FAN-EC联合预处理虽可大幅提高污泥的溶裂和水解程度,但对甲烷产生促进作用甚微。2)开展了基于TH预处理的污泥An MBR中温厌氧发酵（TH-An MBR）技术研究,探讨了不同TH温度下污泥水解与甲烷生物转化情况。结果表明,TH温度为125℃时,预处理效果最佳,SCOD为1116.2±62 mg/L,较未处理污泥增加2.6倍,甲烷产率达到73.2±7.5 m L/Lreactor/d,较原污泥提高了3.0倍。此外,引入TH预处理有效控制了膜污染,并维持了稳定的膜通量（10.8±0.5 L/m2/h）和较低的跨膜压差（transmembrane pressure,TMP,≤4.7 k Pa）。膜阻分析表明,滤饼层是导致膜污染的主要贡献者,约为总膜阻的66.1±1.0%。16s r RNA高通量分析表明,TH预处理通过改变污泥特性可调节反应器内部微生物多样性,增强有机物降解菌（即Bacteroidetes、Firmicutes等）和产甲烷菌（即Methanosaeta、Methanobacterium等）的增殖,加速有机物降解,同时缓解膜污染,提升甲烷产量。TH-An MBR耦合技术作为一种新型的污泥处理策略,在促进污泥溶裂、甲烷生物转化和减轻膜污染等方面具有巨大潜力。3)构建了新型的BES-An MBR污泥处理耦合体系。结果表明,在0.8 V施加电压和85℃预处理温度下,甲烷产量最高,达到77.5±5.9 m L/Lreactor/d,与对照阶段(46.5±4.3 L/Lreactor/d)相比,提高66.7%。由于生物电化学系统提供的静电排斥力和电化学氧化作用,BES-An MBR实现了优异的膜污染控制,获得了稳定的膜通量（8.6 LMH）和相对较低的TMP（<4.5 k Pa）。此外,阳极和阴极石墨毡纤维为功能微生物（Proteobacteria、Smithella等）的生长和繁殖提供了更适宜的环境,促进了电极上生物膜的生长和“Smithella-pathway”代谢途径。大幅增强了阳极上Geobacter参与的DIET活动,促进了耦合系统产甲烷效率。应用BES和TH预处理可以进一步提高系统的整体能量回收,实现污泥高效甲烷转化和原位膜污染削减4)探讨了nZVI作为电子供体诱导强化污泥甲烷生物转化效率及功能微生物代谢。为避免n ZVI在An MBR由膜截留导致的内积毒性,将n ZVI添加到连续搅拌反应器（continuous stirred tank reactor,CSTR）中进行长期厌氧发酵。结果表明,甲烷生产率强烈依赖于n ZVI的连续添加量(Rp=0.988,p0.05=0.001)和浸出的Fe2+浓度(Rp=0.943,p0.05=0.005)。在添加量为161.6 mg-n ZVI/g-TS时,甲烷产量达到59.2±4.9 m L/Lreactor/d,较未n ZVI添加阶段增加了87.3%。进一步分析表明,n ZVI的解离可以通过增加系统缓冲能力、降低氧化还原电位和作为电子供体（H2/[H]）,为有机物降解菌（Firmicutes与Smithella等）和氢营养型产甲烷菌（Methanobacterium）等厌氧功能微生物的增殖创造更有利的热力学环境。更重要的是,持续供应161.6 mg/g-TS的n ZVI,使消化污泥的毛细吸水时间从191.8 s显著减少至88.8-97.6 s,脱水性恶化的情况得到缓解。上述结果表明,连续供应n ZVI对提高甲烷生物转化率、改善后续消化污泥脱水性、降低最终处置成本有很大应用潜力。