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生物膜法是污水生物脱氮处理技术之一。填料作为生物膜的载体，对生物膜的生长、结构和活性均具有显著影响。适宜的填料可促进生物膜的形成和系统的启动过程，提高系统的处理效能，降低运行成本。因此，对于新型填料的开发一直是污水处理领域的热点研究问题。聚氨酯（PU）填料具有高孔隙率、高比表面积和低密度等诸多优点，可显著提高系统的生物量和处理效能，已在各种有机废水处理中得以应用。但关于PU填料生物膜系统的脱氮效能及其生物学机制仍然缺乏研究，限制了其在污水生物脱氮处理中的推广应用。本文采用自主研发的改性PU填料（MPU），构建了批式生物膜反应器（SBBR）污水生物膜脱氮系统，建立了基于改性PU填料的硝化反硝化动力学模型，解析了填料负载的生物膜硝化功能菌群的分布特征，为经济高效生物膜脱氮系统的构建提供了材料、技术和理论支撑。在对MPU生物膜脱氮效能和生物学机制研究的基础上，针对高氨氮和低C/N废水的处理对PU进行了改性试验制备出负载电气石聚氨酯填料（TPU）和负载淀粉聚氨酯填料（SPU），并考察了以其构建的生物膜系统的氨氧化和脱氮效能。与采用常规聚乙烯（PE）填料构建的SBBR的对比实验研究表明，在相同运行条件下启动并达到运行稳定后，以MPU填料构建的SBBR（MPU-SBBR），其氨氮和COD去除率与普通PE填料构建的SBBR（PE-SBBR）相当，分别约为92.0%和85.5%，但MPU-SBBR系统可在15d内启动成功并达到稳定运行，较PE-SBBR系统提前了21d，大幅缩短了生物膜脱氮系统的启动周期。对生物膜脱氮系统影响因素的研究表明，MPU-SBBR系统具有良好的脱氮效能。在常温（20℃）条件下，其生物脱氮的适宜条件为HRT6h、pH7.0~8.5和DO1.5~2.5mg/L，总氮去除率为75.4%左右。在DO维持在较低的0.5~1.0mg/L水平时，MPU-SBBR系统的总氮去除率仍可维持在70.6%上下。pH8.2最利于亚硝酸菌群的富集，系统的氨氮去除率可达90%以上。在水温为12℃时对硝酸菌群（NOB）受到较亚硝酸菌群（AOB）更大的抑制作用，系统会发生了亚硝酸盐的累积，而温度升高到15℃以上时，这一抑制作用逐渐得以消除，系统对氨氮的去除率随之提高。硝化反硝化反应动力学分析表明，MPU生物膜系统在脱氮过程中的硝酸盐饱和常数K D大于传统活性污泥系统，保持较高硝酸盐浓度有利于MPU生物膜系统的稳定脱氮。生物膜的功能微生物分析表明，在HRT6h、pH7.0~8.5和DO1.5~2.5mg/L条件下，MPU-SBBR生物膜的微生物多样性要显著高于其他工况，优势亚硝酸菌和硝酸菌分别以亚硝化单胞菌（Nitrosomonas sp.）和硝化螺旋菌（Nitrospira sp.）为主，而反硝化细菌则以陶厄氏菌（Thauera sp.）和红假单胞菌（Pseudomonas sp.）占据优势。进水C/N比（C和N分别以COD和总氮计）对系统短程硝化反硝化影响显著，C/N比越大，生物膜的生物多样性越高，最佳的氨氮去除率92.9%和总氮去除率79.0%分别出现在C/N比分别为5.0和1.8时，其硝化功能优势微生物为氨氧化菌（Unculturedammonia-oxidizing bacterium）、Nitrospira sp和硝化杆菌（Nitrobacter sp.），反硝化优势菌为Pseudomonas sp.，工程中可以通过对进水C/N比的调节实现对系统氮素转化和总氮去除的调控。针对高氨氮污水的处理，采用电气石负载对PU进行了改性而制备一种新型载体材料TPU。研究表明，与改性前的PU相比，TPU填料表面更粗糙，持水倍率更高，可对微环境pH进行有效调节。电气石良好的热电性和压电性进一步提高了填料的吸附性能，使TPU填料更有利于硝化细菌的富集。TPU填料生物膜中的亚硝酸细菌和硝酸细菌在数量上比PU填料生物膜分别提高了62.9%和46.4%，可显著强化系统的硝化作用。对于COD和氨氮浓度分别为600~650mg/L和230~250mg/L的污水，与PU生物膜处理系统相比，TPU生物膜处理系统的氨氮去除率提高了12.3%。针对低C/N比污水，采用淀粉负载对PU进行了改性而制备出另一种新型载体材料SPU。淀粉的负载对低C/N比污水脱氮起到了良好的持续调节作用。对于COD和C/N比分别为150mg/L和2.5的污水，SPU-SBBR系统表现出了更好的脱氮效率（65.3%），与聚己酸内酯(PCL)构建的SBBR系统（53.3%）相比，其总氮去除率提高了12%。