活性污泥硝化反硝化是公认的最为经济有效的污水处理方法,并被广泛应用于污水处理厂,进行城市生活污水和工业废水的脱氮。但是,传统活性污泥工艺在运行过程中稳定性差,容易发生污泥膨胀和污泥流失,分离效果不够,剩余污泥产量高,增加后续污泥处理成本。生物膜工艺具有较强的抗冲击性能,对水质、水量的变动具有较强的适应性,运行管理方便,能耗较少,能有效的解决活性污泥在具体污水处理中存在的污泥膨胀和稳定性差等问题,为污水处理行业带来了新的选择。同时,由于污水普遍呈现碳氮比较低的问题,导致污水处理厂二级出水仍然含有较高浓度的硝酸盐,难以达到我国越来越严格的污水排放标准。为了实现污水的达标排放,反硝化阶段需要加入溶解性有机物如甲醇等作为碳源,液体碳源的投加虽然能在一定程度上提高了总氮去除效率,但是显著增加了运行成本,而且很容易面临碳源投加过量造成出水有机污染。因而,反硝化深度脱氮的研究具有十分重要的意义。本论文研究了反硝化生物膜系统深度脱氮工艺的运行特性,明确了微生物代谢产物（SMP）的物理化学特性,揭示了微生物群落演替机制。为进一步优化实验条件、确定最优参数和改善出水水质提供理论依据,有助于该技术在工程方面的推广与应用。主要研究内容及结论如下:1.搭建缺氧序批式生物膜反应器（ASBBR）,通过添加悬浮填料使微生物挂膜生长,进行反硝化生物膜的驯化培养。稳定阶段运行60多天,出水中NO₂^--N和NO₃^--N浓度分别为0.19±0.19和1.17±0.67 mg/L,总氮去除效率达到97.27±1.53%;在整个运行周期中,氮化合物和COD的去除效率高达95.1%和94.8%,其中N₂O的释放占总氮去除的1.27%;生物膜形成后,EPS含量从52.5 mg/g降下降到27.5 mg/g,生物膜中TB-EPS中PN/PS的约为6.63,有利于生物膜的稳定;三维荧光-平行因子分子（EEM-PARAFAC）数据显示,SMP中的蛋白质类物质荧光强度得分在周期中开始从0.42降低至0.31,然后增加到0.39,到反应结束又降低至0.31,腐殖酸了富里酸类物质不易被降解,因而变化不明显;高通量测序表明,Lysobacter,Tolumonas和Thauera的丰富度分别上升了23%、15.66%和3.55%,反硝化功能基因实现了富集,自养型微生物Lysobacter的富集说明在本实验体系中存在着自养反硝化过程。2.在传统A/O工艺的基础上,向缺氧池投加40%的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）固体碳源以强化反硝化作用,能够解决传统工艺中进水碳源不足导致的总氮去除效率低的问题。PBS生物膜形成以后氨氮的去除效率较形成前没有明显的变化,分别为97.64±1.82%和98.86±0.91%,亚硝酸盐一直处于低的水平,总氮去除效率提高了近40%;PBS生物膜形成后总氮去除效率的提高主要发生在缺氧池A1,回流后A1的硝酸盐含量仅为18.9 mg/L;PARAFAC数据显示,在好氧阶段SMP荧光强度得分在生物膜形成前后均呈现出上升的趋势,缺氧阶段投加PBS前SMP蛋白质成分的荧光强度从0.36增加到0.41,投加后则从0.40下降至0.34,而较难分解腐殖酸和富里酸类物质则呈现出不规律的变化;扫描电镜图谱（SEM）为PBS生物膜的形成提供了清晰的证据,同时表明PBS作为外加碳源具有较强的耐久性;通过高通量测序对比微生物群落结构的前后变化发现,与固相反硝化相关的微生物Spirochaetes和Chloroflexi分别在PBS生物膜和悬浮微生物中的丰富度较PBS投加前上升了45.11%、38.49%和10.89%、3.26%;微生物的多样性较投加前有了较为明显的变化,而PBS生物膜中微生物和悬浮微生物的物种多样性差异较小。3.在异养反硝化体系的基础之上,开展硫自养反硝化实验。采用上流式固定床反应器（SPBR）,将单质硫磺投加至柱式反应器中,为反硝化细菌提供生命活动所需的电子供体和生物膜生长载体。稳定运行90天,硝酸盐去除效率和总氮去除效率分别高达94.87±2.22%和93.15±2.76%,出水硫酸盐浓度平均在143.16±28.08 mg/L;SMP分子量主要分布在500～1000 Da之间,70000 Da高分子量有机物是硫自养反硝化过程中的中间产物;沿程SMP荧光表征和PARAFAC数据显示,荧光强度评分从进水的0.15上升到40 cm高度的0.53,然后逐渐下降到出水的0.22;红外光谱证明了SMP中含有多糖和蛋白质物质,以及胺,羟基和羧基组分;与接种污泥相比,作为主要的硫氧化菌（SOB）,Sulfurimonas,Thiomonas和Thiobacillus由初始阶段的0.02%,0.07%和0.03%上升至稳定运行90天以后的8.73%,1.11%和6.41%;PCA分析以及Bata多样性分析表明微生物群落演替已经到达稳定阶段。