随着我国社会和经济的高速发展，水资源短缺已经成为许多城市可持续发展的制约因素，因而以再生水作为景观环境用水成为这些地区缓解用水紧张的必要手段。然而虑及氮磷等营养元素对水体富营养化方面的不利影响，各地往往对景观补给水的氮磷含量要求非常严格。曝气生物滤池以其较小的占地面积、高质量的出水、灵活的模块化设计、适合处理稀淡废水并尤其适于二级污水处理厂的扩建及升级等优点，在当今具有良好的应用前景。 本课题采用内部填充不同粒径陶粒填料的上流式曝气生物滤池作为试验研究装置，并以生活污水及生活污水经二级生化处理后的出水为试验用水，对曝气生物滤池高效脱氮除磷深度处理机理及其运行机制进行了研究，为该工艺在污水的深度处理与回用方面的进一步开发利用提供理论基础。 本试验首先对曝气生物滤池处理生活污水效能进行了研究，并考察了运行条件、环境条件以及滤池自身的物理化学因素对处理效果的影响。结果表明，以曝气生物滤池处理生活污水，挂膜启动速度较快，稳定运行后出水可以达到城市杂用水水质标准。曝气生物滤池有较高的耐冲击负荷能力，有机物容积负荷可达到16kg/m<3>·d。水力负荷及容积负荷的变化对曝气生物滤池去除氨氮的能力有较大影响，进水负荷为1.9kgCOD/m<3>·d以下时，氨氮可以达到完全硝化。对于二段上流式前置脱氮曝气生物滤池，当C/N比为4.43：1，回流比3：1，好氧区与缺氧区的比例为4：1时，总氮去除率可以达到85％。本试验采用气水联合三段式反冲洗方式，滤池的处理能力在较短的时间内即可恢复。 以串联运行的二段上流式滤池处理二级生化处理出水，其最终出水可以达到北京奥运湖补给水要求的总氮小于2mg/L，总磷小于0.3mg/L的严格标准。当硝化柱水力负荷为2～7.5m<3>/m<2>·h时，氨氮去除速率随着进水负荷的增加而增加，甚至可以高达2kgNH<,4><+>-N/m<3>·d；容积负荷在0.6 kg NH<,4>M<+>-N/m<3>·d以下时，氨氮出水浓度不大于1mg/L，在运行的大部分时间段内，氨氮的去除率到可以达到90％以上。 采用甲醇作为外加碳源，缺氧反硝化柱处理二级生化出水较适宜的碳源量应控制COD/NO<,x><->-N比为5.5：1，在此范围投加碳源，可以使处理水中的NO<,x><->-N接近完全反硝化，同时出水有机物浓度保持较低水平。缺氧柱的反硝化脱氮效率很高。NO<,x><->-N去除速率可以高达6kgNO<,x><->-N/m<3>·d而接近完全脱氮。NO<,x><->-N进水容积负荷与去除速率之间呈较好的线性关系；在缺氧反应器进水空柱滤速达到16m/h，实际水力停留时间仅为2.8min的情况下，反硝化率仍然可以达到将近90％，显示生物膜法在抗水力负荷冲击方面的巨大优势。 由于水力负荷的增加促进了反应器内的传质效率与布水的均匀性，在不超过反应器处理能力的条件下，硝化和反硝化反应均可在较高的滤速达到更好的处理效果。硝化滤池与反硝化滤池的反冲沈策略与处理生活污水时不同，硝化滤池不进行单独的气冲洗而直接采用气水联合反冲洗的方式，缺氧滤池增加了释氮循环(NRC)过程。 在处理效果及投药量方面将不同絮凝剂对生活污水中磷的去除效果进行综合比较，结果表明三氯化铁较为适宜。在曝气生物滤池中投加三氯化铁去除二级出水中磷时，投药量至Fe/P摩尔比为3.6：1时，出水总磷浓度小于0.3mg/L。三氯化铁药剂与水快速混合后进入滤柱中进行微絮凝反应，需要一定的反应时间，因此在滤速为5m/h的硝化滤池以及反硝化滤池前投加FeCl<,3>絮凝剂，滤柱出水TP小于0.2mg/L，效果好于在滤速为10m/h的反硝化滤池前加药。 以生活污水为原水研究曝气生物滤池的同步硝化反硝化，发现气水比为3：1、C/N比为5.1：1时对同步硝化反硝化最有利，在水力负荷0.4 m<3>/m<2>·h时总氮的去除率可达到66.4％。 在pH小于8.5时利用游离氨抑制获得较长时间的短程硝化较为困难。当pH为9.0时由于游离氨的抑制作用，出水亚硝酸盐一直呈现增加状态，一个月后可达将近80％，但同时氨氮氧化率只有50％。随着进水氨氮浓度的增加，游离氨对亚硝酸盐氧化菌的抑制加强。氨氮浓度恢复后，亚硝酸盐的积累有一定程度的下降，显示系统对游离氨的抑制作用已经有了一定适应能力。对于连续运行的曝气生物滤池反应器，要控制较高程度的短程硝化，除保持较低溶解氧条件外，尚要综合考虑系统的进水负荷。反冲洗对短程硝化的发生也有较大影响。在氨氮进水负荷为0.4kgNH<,4><+>-N/m<3>·d时，按本试验操作方式控制系统的反冲洗操作条件及反冲洗周期以控制反应器的排泥量，调节反应器DO水平在0.8-1.8mg/L，亚硝酸盐积累率最高可达84％。 串联运行的两极曝气生物滤池处理生活污水时，COD进水负荷的加大使得氨氮的硝化开始点沿滤床高度逐渐上升，而第二级反应器受进水残余有机物的影响，硝化速率下降，说明有着不同的最大比增长速率的不同种群微生物之间由于对空间以及氧的竞争，在反应器内出现了不同种类的微生物占据不同反应器空间的现象。 在第一级反应器内根据COD的降解程度氨氮的硝化速度不同，而且在第一级反应器出水进入第二级滤柱后，氨氮的硝化速率明显加快，这显示了单独驯化的硝化滤柱在硝化氨氮上的优势，即将有机物降解与氨氮的硝化分开在两个柱内进行能够充分发挥其各自的优势。从气水比的角度看，将有机物的氧化与氨氮的硝化分别在两个不同的反应器内进行不仅使其可在各自的最佳生物状态下运行，还可以根据情况适当选择气水比，节省曝气量。 在不同负荷下，氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌活性均有沿柱高逐渐增高的趋势，在低负荷时氨氧化菌及亚硝酸盐氧化菌的活性要高于高负荷时的活性，说明异养菌的快速增长抑制了自养型的硝化菌生长。异养菌的生物活性变化表明生长较快的异养菌通常占据了反应器的进口区，其活性随负荷增加而增高。不同启动条件下形成的生物膜在稳定运行时仍然能够保持其生物特性。在有利于某菌种生长的条件下，生物膜内各种群经过一定时间的淘汰、优选，适应生长条件的菌种成为生物膜中的优势种属，即实现了微生物种群结构的优化。