近年来,随着我国食品、印染、化工、制药等行业的高速发展,相关企业排放的废水水量也在逐年递增,其中高浓度含硫含氮有机废水是对生物和环境造成恶劣影响的一类重污染行业废水的典型代表。硫酸盐大量排放到内陆淡水会危急生态环境失衡和人类健康,如何将硫酸盐从水中去除已经成为水处理业界日益关心的问题。目前,氨氮和硫酸盐废水主要通过不同的工艺分别实现脱硫和脱氮,具有工艺复杂、投资高和运行成本高等弊端。而且,硫酸盐转化到硫化物形式的传统工艺并没有考虑将硫系物在水中去除,造成了二次污染。因此,本研究提出了一套基于生物硫为目的的混养反硝化脱硫为核心的碳氮硫共脱除工艺系统,工艺系统包含硫酸盐-有机物去除单元(SR-CR),反硝化脱硫单元(DSR),生物硫回收单元(Bio-S0R)和硝化单元(AN)。此工艺系统能够处理负荷较高的含硫酸盐和氨氮有机废水,同时将硫酸盐定向调控转化为单质硫(以下称之为“生物硫”),通过生物硫的分离回收,将硫酸盐和硫化物等硫系化合物从废水中脱除。本研究将重点讨论工艺系统单元的匹配和关键参数,建立生物硫分离回收的方法及工艺优化,最后利用实际废水验证工艺系统的处理效能并建立调控策略,揭示了工艺系统生物群落的演替及功能解析,为工艺系统的示范工程提供基础研究。在碳氮硫共脱除工艺系统单元匹配及关键参数研究方面,工艺系统中生化需氧量(COD),硫酸盐和总氮的去除率分别达到98%,98%和78%。反硝化脱硫单元和硝化单元适宜的水力停留时间(HRT)分别为12 h,3 h和3 h。工艺系统适宜的HRT和负荷有助于平衡硫酸盐还原单元中硫酸盐还原和产甲烷作用的关系,为第二阶段反硝化脱硫单元提供适宜浓度的(总有机碳)TOC和硫化物。研究发现,反硝化脱硫单元TOC/NO3--N和S2--S/NO3--N的比率是影响工艺系统生物硫产率和总氮去除最关键的参数,可以通过硝化液回流比(本研究适宜比例为3:1)的调节来形成合适的S2--S/NO3--N。工艺系统中,生物硫的平均产率接近90%,平均60%的生物硫在出水里面,30%附着在颗粒污泥表面并沉到反应器底部。考察了水质波动条件下的不同碳源和COD/SO42-对工艺系统运行效能的影响,当COD/SO42-比值在1:1到3:1之间,硫酸盐还原单元能够让硫酸盐还原和产甲烷过程达到一个平衡,从而为DSR单元提供适宜浓度的TOC和溶解性硫化物浓度来完成生物硫的最大转化率。当COD/SO42-比值在大于3.5:1或小于1:1,硫酸盐还原单元中硫酸盐还原反应不完全,将会影响到DSR单元的运行效能和生物硫产率。通过不同经过乳酸盐、糖蜜和淀粉三种不同碳源的切换,考察了工艺系统的运行效能,得出通过调节HRT等参数的调节,工艺系统仍然能够稳定运行效能。在絮凝法分离回收工艺系统中生物硫的工艺参数优化研究方面,通过对生物硫的物化特性的分析,确定了生物硫的胶体特性并提出用絮凝分离回收方法。在优化絮凝剂投加量方面,通过拟合曲线预测值和实验值的验证,得出三种絮凝剂(聚合氯化铝、聚丙烯酰胺和生物絮凝剂)的投加量,得出聚合氯化铝(PAC)和生物絮凝剂(MBF)的生物硫絮凝效果优于聚丙烯酰胺(PAM);p H和搅拌强度的相互作用对生物硫的絮凝作用有较大的影响,其中搅拌强度相比较p H对絮凝效率的影响比较大;以生物硫絮凝率为响应值经过多次回归建立模型,对生物硫絮凝的二次多项式模型解逆矩阵得到优化生物硫絮凝参数为:絮凝条件分别为PAC(p H 4.63,129 rpm)和MBF(p H 4.96,125 rpm)。PAC和MBF在优化条件下的生物硫絮凝率分别可达96.86%和71%,同时浊度去除率为95.73%和64.61%。得出PAC为生物硫回收的最佳絮凝剂。工艺系统处理制药废水的效能和调控策略研究,在通过三种启动方式比较,得出了以生活污水进行稀释原水,逐渐提高原水比例的方式进行启动驯化,工艺系统的驯化时间会大大缩短,对水质毒性和盐度的耐受性逐渐增强,运行处理效能提高10%左右。在如何进行稳定运行的调控策略方面,在硫酸盐还原单元中调控产甲烷过程来辅助硫酸盐还原来脱除部分碳源,发现通过调节产甲烷菌和硫酸盐还原菌的相同生态位,包括p H和HRT可以有效的调控两类菌群的关系。从而,保证反硝化脱硫单元适宜的TOC/NO3--N和S2--S/NO3--N,研究发现TOC/NO3--N和S2--S/NO3--N分别在3-4.5和0.8-1.5之间,是碳氮硫去除率和生物硫生成率最高的比值范围。因此,通过调节进水浓度、负荷、HRT和p H等参数来调整硫酸盐单元中产甲烷和硫酸盐还原的效率、设置硝化单元到反硝化脱硫单元合适的回流比(3:1)是调控工艺系统稳定运行的关键点。在工艺系统实际废水负荷运行研究方面,确定工艺的极限负荷为18.36 kg COD m-3·d-1(进水COD为8140 mg/L),达到COD、硫酸盐和总氮去除率分别为95.34%、95.34%和88%。工艺系统展现了抗高负荷冲击的能力,能够进行良好的自我恢复。工艺系统在处理实际废水的过程中,各单元驯化了相应功能的微生物群落。驯化出以Paracoccus、Ochrobactrum、Thauera、Thiobacillus和Melioribacteraceae起到的混养反硝化脱硫系统。这些功能菌群的富集为反硝化脱硫单元保证了高效的功能。解释了处理实际废水过程中生化单元中微生物群落演替的变化及功能解析,从微观尺度验证了工艺调控过程正确性。经过运行成本核算,平均处理1吨废水产生0.55 kg的生物硫,耗费PAC的成本为0.58元,在保证出水达标的同时能降低运行成本。