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面向未来的城市污水处理需要符合可持续发展理念,重视污水的资源化处理。以活性污泥为基础的传统主流工艺以曝气强化供氧方式促进微生物转化有机污染物为CO2,并通过能量、物质密集投入的方式去除氮、磷元素,在资源循环、能源回收方面显示出内源性弊端。本论文摒弃传统模式,提出基于“碳源浓缩-氮源回收”的新型污水资源化工艺。工艺核心在于“碳源浓缩”单元浓缩富集污水碳源有机物,实现碳氮磷分离。浓缩碳源可通过厌氧产甲烷方式回收能量,从而提高污水处理过程的能量自给率。同时,氮源回收技术避免了传统处理工艺对氮源的“破坏性去除”,可改善社会氮循环的可持续性。论文研发污水碳源混凝/吸附强化膜浓缩技术。中试结果表明碳源实现高效浓缩,COD截留率达到85.6±3.6%。分离后的碳源浓缩液产甲烷潜力达到210230mLCH4/gCOD,性能优于剩余污泥。浓缩碳源形成的吸附性泥饼层起到预过滤保护作用,减缓不可逆膜污染,同时提高有机物截留率。构建百吨级反应器实现工艺单元放大,开展生产性验证实验。采用“吸附性泥饼层模式+低通量长期运行方式+脉冲曝气+维护性化学反洗”的污染控制手段,在HRT 1h,SRT 24d工况下,在一个月连续运行过程中跨膜压差维持在15 kPa以下,实现膜污染有效控制。针对氮源浓度低、回收难的限制,提出“膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜工艺。中试结果表明,工艺出水水质高,达到地表水体Ⅲ类水标准（除TN外）,高效去除新兴微污染物（去除率91.5%以上）;能量产耗比（49.2%）显著高于传统双膜法产耗比（18.5%）。研究离子交换技术用于氮源回收。污水中二价钙镁离子相对一价铵根离子具有优先吸附竞争性是主要限制。利用膜电容去离子技术选择性去除二价钙镁离子,可提高后续离子交换树脂对氨氮的回收效果。氨氮穿透体积从57.6±5.8 BV上升到156.6±27.6 BV,树脂再生频率明显降低。同时,再生液中铵根比例上升、单位周期内回收氮源总量提高40.0%。基于物料平衡和化学计量学的模型评估表明,碳源浓缩单元能提升工艺产能、降低工艺能耗,其效率对实现完全能量自给起决定性作用。目前高效碳源浓缩技术的研发及应用尚处于起步阶段,未来有望成为污水处理的标准步骤,本论文研发的碳源强化混凝/吸附膜浓缩技术对推动污水资源化处理技术创新具有重要意义。