单级短硝化-厌氧氨氧化生物膜工艺可在一个反应器内实现硝化反应和厌氧氨氧化反应而具有较大的经济优势,成为了废水脱氮领域的研究热点。将好氧短硝化生物膜和厌氧氨氧化生物膜分别置于气升式反应器的上升区和下降区,实现了单级脱氮工艺。为了确定操作条件(曝气量)对反应器流动传质性能的影响、短硝化的控制方法以及流动传质参数和工艺参数对反应器脱氮性能的影响,进行了以下三方面研究工作。(1)用欧拉-欧拉模型对气升式反应器的气含率和液相循环速度进行模拟,并与文献实验数据进行对比,结果表明欧拉-欧拉模型可对反应器的气含率和液相循环速度进行合理预测。采用欧拉-欧拉模型对用于生物膜反应的气升式反应器的流动特性进行模拟,考察了上升区表观气速对气含率和液相循环速度的影响。结果表明当表观气速从0.01 m/s增加到0.12 m/s时,上升区气含率从0.02增加到0.14,下降区循环速度从0.15m/s增加到0.34 m/s。模拟结果表明反应器底部和气液分离区会出现旋涡,而上升区和下降区则是平推流动。同时测试了实验工况下的气含率和氧体积传质系数。(2)针对短硝化-厌氧氨氧化工艺中短硝化难以实现的问题,在鼓泡式序批反应器中进行了悬浮体系短程硝化实验。批式实验结果表明溶解氧浓度是影响短硝化的关键因素。当溶解氧为7 mg/L左右时,系统中亚硝氮难以累积,而当溶解氧为3 mg/L左右时,系统中亚硝氮实现了累积。为了深入研究短程硝化的控制措施,基于最小基质浓度的概念建立了全混合悬浮体系短硝化控制数学模型并采用Matlab程序求解。计算结果表明仅通过改变基质(氮和溶解氧)浓度或pH难以淘汰亚硝酸盐氧化菌(NOB),而利用自由氨和自由亚硝酸的抑制作用,短硝化变得容易实现。生物膜短硝化控制机理与悬浮体系不同,采用生物膜反应器模型对全混流硝化生物膜反应器进行了蒙特卡罗模拟,考察了溶解氧浓度、边界层厚度、氨氮表面负荷、温度和进水氨氮浓度在反应器启动阶段、NOB淘汰阶段和长期运行阶段对短硝化的影响。模拟结果表明生物膜内氨氮和溶解氧浓度的比值是影响生物膜短硝化的关键因素。(3)采用Matlab和Aquasim求解了气升式生物膜反应器不同条件下的混合时间、氧相间传递速率以及反应特性。混合时间随流速和扩散系数的增大而增大。相间氧传递的量与气相中含氧量相比可忽略不计。循环速度、氧体积传质系数、边界层厚度、氨氮表面负荷、生物膜面积和进气氧浓度对反应器脱氮性能有显著影响。