现代工业的快速发展、农业的高强度生产以及城市化的人口剧增产生了大量的工业废水、含有残余化肥的农田废水以及生活污水,这些污水未经处理或处理不达标排放到周围自然水体中,加剧了水体的氮污染。氮污染不仅给城市供水带来困扰,而且会引发周围水域的富营养化。传统的生物脱氮工艺大多是在活性污泥法基础上进行改造,为达到预期的硝化、脱氮效果,通常需要延长曝气时间、添加硝化液回流设备以及分别建立硝化池、反硝化池,以保证各段运行效果,工艺过程冗长复杂、运行成本较高且脱氮效果也并不理想。针对传统生物脱氮工艺存在的诸多问题,本课题采用自主设计的流化床生物膜反应器(FBBR)结合新型MFD(Multiple Fluidized Dynamic)悬浮填料处理城市生活污水,优化该工艺各个阶段运行参数,并探讨系统对有机物、氨氮、总氮的去除效果和脱氮机制。首先,考察挂膜启动期填料结构、填料填充比、进水C/N比、溶解氧浓度、污泥接种方法对FBBR挂膜时间、附着生物量以及运行效果的影响。研究发现,FBBR启动期挂膜时间和附着生物量的主要影响因素是填料结构和填充比。与普通PE02填料相比,投加MFD填料的FBBR挂膜时间更短(7天)、附着生物量更高(≥70mg VSS·g Carrier-1),说明MFD的多孔结构有助于填料流化,进而促进填料与微生物的接触、增加氧传质效率。此外,污泥接种方法也对启动期附着生物量有影响,快速排泥法减轻了悬浮微生物与附着微生物的竞争,使附着生物量能够稳定增长。采用MFD填料启动FBBR的最佳启动条件为:填料填充率为40%、进水C/N比10:1、溶解氧(DO)3~4mg·L-1和快速排泥法。其次,探讨稳定运行阶段载体表面负荷(SALR)、水力停留时间(HRT)以及曝气量对FBBR去除有机物、氨氮、总氮的效果以及碱度消耗的影响。结果显示,影响系统有机物去除效果的主要运行条件是HRT,在最佳HRT条件(8~9h)下,提升曝气量或降低有机负荷对COD的去除率影响不大;影响系统氨氮去除效果的主要运行条件是曝气量和SALR,当曝气量为0.6L·min-1、SALR为3g COD·m-2·d-1时,氨氮的去除率可达71.55%;影响系统总氮去除效果和碱度消耗量的主要运行条件是HRT和SALR,当HRT为8h左右、SALR为4~5g COD·m-2·d-1时,总氮的去除率可达60%以上;而HRT为6~8h、SALR为5g COD·m-2·d-1左右时,碱度的消耗量预测值低于150mg·L-1;随着SALR的增加和HRT延长,碱度消耗量呈上升趋势。稳定运行阶段,FBBR运行参数优化方案为:SALR为4.18g COD·m-2·d-1,HRT为8h,曝气量为1.66L·min-1(或气水比为35:1)。该方案预测COD的去除率为92.61%,氨氮去除率为84.63%,总氮去除率为67.93%,碱度的消耗量为128.74mg·L-1,与实际运行结果相差不大,出水COD、氨氮、总氮分别为19mg·L-1、3.0mg·L-1、11.0mg·L-1,符合一级A标准,可为该工艺今后的实际应用提供设计参考。进一步对FBBR的硝化、脱氮机制进行探讨,发现FBBR运行各阶段菌群数量位居前四位的菌属基本相同,按照数量从大到小依次为变形细菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(bacteroidetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和厚壁菌门(Firmicutes)。由于MFD填料特有的多孔结构以及FBBR的反应器内循环流动特点,挂膜启动末期、稳定运行期的硝化菌群结构与挂膜启动存在较大差异,自养型硝化菌和厌氧氨氧化菌大幅减少,异养硝化菌成为系统内主要的硝化菌,稳定运行期系统硝化、脱氮效果良好,因此推测FBBR工艺的脱氮机制为异养硝化-好氧反硝化(HN-AD),family水平的菌群结构分布情况表明,FBBR系统内的HN-AD菌群主要有丛毛单胞菌科(Comamonaceae)、根瘤菌科(Rhizobiaceae)、假单胞菌科(Pseudomonadaceae)以及红杆菌科(Rhodobacteraceae)。