随着我国城镇化快速推进,现代农业规模化集约化不断提升,水环境污染问题日益突出,严重影响饮用水的安全。鉴于混凝沉淀、过滤消毒等常规饮水处理工艺在高有机物高氨氮原水处理中性能受限制,生物膜预处理技术逐渐得到广泛应用。论文以我国东部河网地区高有机物高氨氮污染原水为处理对象,针对寡营养生境生物膜富集难、工艺启动周期长和运行性能差等问题,开展污染原水生物膜预处理工艺快速启动与运行性能强化研究,应用模型解析、高通量测序等手段,揭示预处理工艺的性能强化机制,并在中试尺度上开展了技术应用与性能提升研究,主要结果如下：1、针对寡营养条件下微生物生长速率低、生物膜富集慢等问题,研究营养添加、菌源强化和水力搅拌等方式对生物膜预处理工艺启动性能的影响。结果表明,营养添加可明显促进生物膜形成,提高系统的氨氧化速率(AOR)和TOC去除速率(ORR),且AOR和ORR与初始氨氮、TOC浓度分别呈指数关系(AOR=0.4558e0.045x,R2=0.9999)和正相关(ORR=0.3255x-1.016,R2=0.9995),试验范围内体系最高AOR和ORR分别达到6.43和28.50mg L-1 d-1。研究发现低温条件下AOR和ORR受到不同程度抑制,通过水力搅拌可明显增强系统运行性能。分析不同强化措施下的生物膜群落结构发现,通过营养水平强化、接种河道底泥和接种生物膜预处理工艺出水的措施可提高生物膜群落多样性,Shannon多样性指数H分别为3.15、3.31和2.87,分别是对照组的1.44、1.51和1.31倍。然而,尽管营养添加和接种底泥可强化生物膜富集,但提高了生物膜对基质的表观亲和力常数KS值,而接种底泥易导致出水UV254升高和生物膜有机组成下降。相比而言,缩短换水周期能够提高系统营养通量,有效强化生物膜预处理系统的启动与运行性能。2、以实际污染原水为处理对象,弹性填料、组合填料、聚氨酯填料为生物膜载体,应用低水平营养添加与出水回流策略启动生物膜预处理工艺,研究工艺连续流运行稳定性及生物膜富集特征。结果表明,低水平营养添加与出水回流的启动策略使得负载不同填料的生物膜系统在20d内成功启动。弹性填料、组合填料、聚氨酯填料反应器的氨氮去除率分别为84.0±7.5%、80.1±11.1%和79.6±10.7%,TOC去除率分别为8.8±5.4%、18.1±8.4%和4.4±5.5%；相比而言,负载弹性填料的生物膜系统具有较高的氨氮去除性能,而组合填料对TOC去除性能最佳。然而,低营养强化启动仍存在Ks增高、生物膜脱落等问题,但可通过负荷调节及长期寡营养驯化进行调控。当弹性填料系统ALR大于临界ALR值6.29 mg L-1 d-1时,AOR受Ks影响不大,长期的驯化可有效降低其Ks值并增加生物量、ATP和EPS值,实现工艺长期稳定运行。鉴于硅藻土的高效多孔吸附特性,研发了硅藻土强化生物膜预处理新工艺(Bio-diatomite biofilm process, BDBP)。新工艺采用低水平营养添加与出水回流完成启动后,AOR和ORR分别为9.33和5.13 mg L-1 d-1,连续流运行过程中TOC、氨氮和TN去除速率分别为7.87、14.1和1.93 mg L-1 d-1,明显高于对照反应器。研究还发现,硅藻土的投加可降低消毒副产物的生成,系统潜在THMs去除率增加6.3%。生物膜镜检与组分分析发现,填料表面大量硅藻土与生物膜交错富集,生物量高达3.75 mg DOC g-1载体,是对照组的1.44倍,同时生物膜ATP含量也高达251.6μg g-1 TOC表明硅藻土的投加有利于微生物富集及其活性增强。3、针对原水生物膜预处理工艺长期运行过程藻类易生长、脱氮性能待提升等问题,开展藻类影响与控制以及工艺性能强化研究。结果表明,预挂膜填料生物膜系统出水NH4+-N平均浓度稳定在0.30 mg L-1左右,N02--N累积现象得到明显抑制。在原水处理过程中,系统叶绿素含量累计超过200 mg m-3,当藻类破碎时出水NH4+-N是进水0.78-4.33倍且有明显的亚硝酸盐积累。采取人工除藻和遮光曝气等措施,系统藻类生长和富集得到有效控制,出水氨氮浓度均低于0.5mgL-1,且无任何亚硝酸盐积累。研究曝气强度及温度对生物膜预处理工艺运行性能的影响发现,预处理工艺硝化反应的最佳DO浓度和温度分别为1.0-2.6 mg L-1和21-22℃。在此工况下,最大NH4+-N去除率从70.0%提高到91.1%,DOC的平均去除率达到25.4±19.9%,UV254从前期几乎无去除提升到了13.2±11.3%,而潜在THMs生产量减少了9.2-21.8%。4、基于前期小试研究成果,在海宁第二水厂建设了两组规模为3.6m3的中试装置,开展生物膜预处理工艺性能强化研究。结果表明,采用弹性填料-悬浮球填料-弹性填料组合的工艺在不曝气-曝气-不曝气分区供气模式下获得最优性能,氨氮、CODMn和浊度的平均去除率分别为89.4±9.9%、32.4±9.2%和76.7±7.9%,明显高于相同曝气模式下全悬浮球填料反应器的对应值88.7±9.9%、26.1±11.1%和17.2±12.6%。与此同时系统对TN的去除性能得到强化,减少了超过50%的供气能耗和曝气装置建设成本并可减少47.0%-76.7%的浊度去除所需的混凝剂用量,具有明显的经济效益。分析表明底泥营养释放、进水悬浮物微生物富集作用以及DO分布导致的功能分区是系统运行性能提高的关键。5、应用Illumina MiSeq高通量测序技术分析小试、中试和全规模原水生物膜预处理系统的生物膜菌群结构与变化规律,结果表明原水生物膜预处理工艺生物膜的菌群结构受运行时间、载体、基质和DO等多种运行因素的影响,反应器启动初期生物膜菌群多样性指数较低,但无论小试、中试还是全规模预处理系统载体生物膜都含有主要菌群Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、 Firmicutes、Actinobacteria、Verrucomicrobia、Acidobacteria和Gemmatimonadetes,其中Proteobacteria基本上占优势。有机物、氮素等污染物去除由多功能菌群协同完成。值得注意的是,原水生物膜预处理工艺生物膜中生长一定比例的蓝藻和病原菌,生物膜剥落时易增加出水蓝藻和病原菌水平。然而,通过遮光曝气或提高反应器运行规模能有效控制蓝藻和病原菌的相对丰度。