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污水生物膜处理工艺作为一种高效的污水处理工艺,广泛应用于生活污水和工业污水的处理。污水生物膜处理工艺剩余污泥(生物膜污泥)是污水生物膜处理工艺运行的副产物,主要由脱落的生物膜、污水中的悬浮物和微生物代谢物等组成,并含有多种有害物质,如致病菌、病原体、有机污染物等,为防止其导致的二次污染及限制污水生物膜处理工艺的应用,需对其进行妥善处理。同时,生物膜污泥因其富含有机物和磷等营养元素,也是一种潜在的资源。本文主要开展生物膜污泥碳源与磷回收研究,对生物膜污泥资源化利用具有重要意义。论文首先考察了生物膜污泥水解酸化产挥发酸的可行性,对产酸工艺条件包括搅拌速度、接种物和生物膜污泥浓度进行研究。结果表明,利用生物膜污泥水解酸化产酸具有可行性。在搅拌速度150 rpm、不外加接种物的条件下,生物膜污泥(VSS浓度:5.41 g/L)水解酸化第3d,获得最大挥发酸产量为363.16mg COD/g VSS。采用连续分级提取法和31P-核磁共振(Phosphorus-31 nuclear magnetic resonance,31P-NMR)研究生物膜污泥及不同p H条件下水解酸化后的生物膜污泥中的磷形态及组成,考察生物膜污泥磷释放和磷回收的特性,通过钙盐沉淀法和亚铁盐沉淀法对生物膜污泥水解酸化液中的磷回收进行研究,结果表明,固相无机磷(IPsolid)占原生物膜污泥固相磷(TPsolid)的比例最大,为69.21%,可释放和生物可利用的磷为15.56 mg P/g TSS(占固相磷的90.57%),表明生物膜污泥可以作为潜在的磷源资源回收。在酸性和碱性条件下,生物膜污泥水解酸化过程中磷释放的适宜条件分别为p H=5和p H=10,其相应的正磷酸盐最大浓度分别为72.44 mg/L和76.84 mg/L。此外,p H在生物膜污泥水解酸化过程中的磷形态转化和再分配起着重要作用。通过单因素实验获得的钙盐沉淀法回收磷的适宜工艺条件为:反应时间3min、反应初始p H 10、Ca2+/PO43--P 4;亚铁盐沉淀法回收磷的适宜工艺条件为:反应时间10min、反应初始p H 8、Fe2+/PO43--P 2。考察了生物膜污泥碳源的特性及生物膜污泥碳源添加对生物膜系统的污染物去除效能的影响,结果表明,生物膜污泥碳源添加对污水生物膜处理工艺污染物去除效能有一定的促进作用,氨氮、总氮、化学需氧量和总磷去除率均有一定程度的提高。为完善和加深对生物膜污泥碳源回收和利用的认识,同时为生物膜系统工艺条件优化、运行稳定性分析、处理效能预测等提供理论和技术支持,通过数据驱动方法建立模型并对不同工艺条件下生物膜污泥水解酸化产酸效能和生物膜污泥碳源投加前后的生物膜系统污染物去除效能进行预测。建立了基于极限梯度提升树(e Xtreme Gradient Boosting,XGBoost)方法的生物膜污泥水解酸化产酸效能预测模型。利用生物膜污泥水解酸化产酸实验数据,以传统梯度下降决策树方法为对比实验方法,对基于XGBoost方法的生物膜污泥水解酸化产酸效能预测模型在不同工艺条件下的预测准确度和有效性进行对比验证,通过均方根误差(Root mean squared error,RMSE)、平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)和平均相对误差(Mean relative error,MRE)评价模型的准确度和可行性。不同搅拌速度、接种物和生物膜污泥浓度条件下基于XGBoost方法的预测模型的MRE分别为15.86%、16.30%和20.56%。同时,将去噪堆叠自编码器(Stacked denoising auto-encoder,SDAE)方法与XGBoost方法相结合,提出SDAE-XGBoost方法,并基于该方法建立了生物膜系统污染物去除效能预测模型,对生物膜污泥碳源投加前后污水生物膜系统污染物去除效能进行预测,得到的氨氮、总氮、化学需氧量、总磷去除效能预测模型的RMSE分别为0.50mg/L、1.48 mg/L、10.01 mg/L和0.22 mg/L。利用生物膜系统污染物去除实验数据,将反向传播神经网络、支持向量机、极端学习机、SDAE、XGBoost方法作为对比实验方法,结果表明了基于SDAE-XGBoost方法的生物膜系统污染物去除效能预测模型的适用性和有效性。