目前,高含固污泥热水解-厌氧消化已应用于国内外污水处理厂污泥稳定化处理,然而,高含固污泥在处理过程中氮和硫的转化特性仍不明确。因此,研究高含固污泥热水解-厌氧消化过程中氮和硫的转化、控制及沼气脱硫,对实现城市污水厂污泥资源化利用及污泥高效、低成本处理具有重要意义。本研究以高含固污泥热水解-厌氧消化组合技术为主线。首先,探讨热水解-厌氧消化过程中氨氮生成特性及高含固厌氧消化时硫化氢浓度下降原因。其次,分析高含固污泥热-碱联合预处理过程中污泥氮组分及有机物浓度变化,探讨缓解高含固厌氧消化池氨抑制的可行性。最后,采用体外供氧-气液逆流生物滴滤塔,分析不同运行条件对硫化氢及溶解氧浓度变化的影响,探讨低硫化氢浓度沼气的生物脱硫特性,并在此基础上构建一维多层-气液逆流生物脱硫模型。主要结论如下:(1)采用热水解批次试验和中温厌氧产酸连续试验,分析高含固污泥热水解-厌氧消化过程中氮转化特性。在热水解温度165℃、污泥含固率12.5%的条件下,有机物水解率高达40%,生成的氨氮可占总氮的20%。在热水解温度为165℃、污泥含固率10%的条件下,高含固污泥热水解-厌氧消化过程中氨氮生成主要在厌氧消化阶段完成(约65%),其次在热水解阶段(约35%)。热水解污泥在中温厌氧消化时,氨氮生成主要在厌氧产酸阶段完成,氨基酸的脱氨基优先于脱硫基及脱甲硫基。因此,为缓解高含固污泥热水解-厌氧消化组合技术中消化池氨抑制,可在热水解后-厌氧消化前对污泥氨氮浓度进行控制。(2)采用热-碱联合预处理对高含固污泥进行处理,探讨污泥水解特性及氨分离可行性。当预处理温度为120℃、水解时间为30-150min、氧化钙投加量为0.05-0.20gCaO/gTS、污泥含固率为12.5%时,可挥发固体水解率最高可达43.45%,有机物水解速率可提高59.07-73.18%,热-碱联合预处理与厌氧消化组合可在较低预处理温度下提升污泥处理负荷。同时,预处理过程中氨氮的生成浓度为1.40±0.68g/L,且生成的氨氮可被有效分离,为城市污水处理厂污水处理过程中氮的回收提供一种新途径。(3)采用常规含固率污泥及高含固污泥开展厌氧消化批次试验(20天、35±1℃、120rpm)。随着污泥含固率的上升,氨氮浓度的上升导致硫化氢生成量降低。分别以半胱氨酸及甲硫氨酸为基质,在水解产酸反应器中连续培养(pH 6.02±0.40、35±1℃),探讨含硫氨基酸的厌氧水解特性。结果表明,在厌氧产酸过程中,半胱氨酸可直接分解产生硫化物,而甲硫氨酸分解几乎没有生成硫化物,即甲硫氨酸分解生成硫化物的过程需要水解产酸微生物及甲烷菌共同参与。(4)采用体外供氧-气液逆流生物滴滤塔开展连续脱硫试验,探讨低硫化氢浓度沼气的生物脱硫特性。结果表明,当硫化氢浓度为200ppm_v、气体空床停留时间40-100s、气液比2-5、循环液pH值7.0-9.0时,硫化氢去除率可达92.27±10.30%;当循环液pH值高于8.0时,硫化氢出口浓度对中国天然气标准(GB17820-2012,二级)的达标率为95.63%;填料区50%高度的填料完成了72.23±26.52%硫化氢的去除。同时,溶解氧浓度为0.25-5.00mg/L的连续生物脱硫单因素试验结果表明,循环液溶解氧浓度需维持1.0mg/L以上以降低其对脱硫效率的影响。(5)依据生物脱硫塔内流态及硫氧化微生物代谢特性,构建了一维多层-气液逆流生物脱硫模型,校准后模型可准确预测生物滴滤塔硫化氢出口浓度(R~2=0.9146)以及垂直截面硫化氢浓度变化(R~2=0.9120)。采用该模型对不同操作条件下硫化氢去除过程进行模拟,结果表明生物脱硫的主要影响过程与pH值相关,在低pH值为非生物过程影响生物脱硫、高pH值时为生物过程影响生物脱硫。由硫氧化微生物的基质半饱和系数可知,低硫化氢浓度沼气生物脱硫过程中硫氧化微生物对硫化物亲和力较低,限制了生物滴滤塔负荷的进一步提升。