赣南稀土矿区开采活动产生的高氨氮、低C/N废水对区域水环境构成严峻挑战。传统生物脱氮工艺因碳源需求高、脱氮效率低等问题难以满足此类废水处理需求。本研究针对稀土矿区低C/N废水特性,创新性地构建膜生物反应器(MBR)耦合短程硝化反硝化(PND)的新型工艺体系,并通过补充较少的碳源就实现了总氮的高效去除。系统探究了PND-MBR工艺对稀土矿区低C/N废水的脱氮效能、揭示了微生物群落的演替规律、并操作参数优化实现了能效的提升,并以ASM1模型为基础构建了适用于短程硝化反硝化MBR的活性污泥数学模型,主要结论如下: (1)使用MBR反应器,在C/N为1的条件下,通过游离氨控制策略,在MBR系统内仅历时30天就快速稳定的构建起了PND微生物群落。驯化前后,SMP和EPS组分发生显著变化。驯化后SMP中类色氨酸及类富里酸物质荧光强度翻倍,LB-EPS与TB-EPS的色氨酸类、腐殖质类物质同步增加。高FA驯化下,SMP中蛋白质比例从29.09%降至15.01%,而TB-EPS内蛋白质和多糖则成倍增长。驯化后,MBR系统内部形成了以AOB和反硝化细菌等少数功能菌为主导的更加专一化的微生物群落。微生物主要有与短程硝化相关的Nitrosomonas、Nitrosospira和Ellin6067,以及涉及厌氧氨氧化的SM1A02和Brocadia。同时,在代谢基因层面上,高浓度的FA使AOB中的氨单加氧酶和羟胺脱氢酶的基因表达能力得到强化,而控制亚硝酸盐氧化的一氧化氮还原酶和硝酸盐还原酶的丰度,PND系统相较于CND分别下降了50.62%和64.65%,阻止了亚硝酸盐的进一步氧化。 (2)通过单因素实验,探究了HRT、pH和O/A对于NH₄⁺-N去除效率和NAR的影响。开展响应曲面优化分析,得到最佳运行条件为:HRT=14.84h,pH=8.46,O/A=0.98。在最佳运行条件下阶梯式补充碳源,结果表明,在C/N=5时,PND系统的TN去除率最大可以达到97.12%,而未经驯化的CND系统TN去除率只有60%左右,PND系统的碳源需求量节省了33%,此外还减少了曝气时间与反应总时长。 (3)以AQUASIM软件为平台,以国际水协提出的ASM1模型为基础,通过明晰各反应组分、反应参数、相关反应过程及反应速率,成功在软件上构建了MBR的数学模型。通过对系统进行稳态模拟和参数的校正分析,校正后的模型对COD模拟的平均误差为6.05%,对NH₄⁺-N模拟的平均误差为5.78%,对TN模拟的平均误差为6.32%。表明已成功建立适用于短程硝化反硝化MBR处理稀土矿区低C/N废水的活性污泥数学模型。