好氧生物膜工艺广泛应用于城市污水厂和水体污染修复中,传质效率较低的传统曝气方式已久未革新,其损耗与污染的加剧了污水处理厂的能耗。微纳米气泡（Micro-and nano-bubble,MNB）因其极高的氧传质能力和稳定性成为一种具有发展前景的供氧技术,污水中原位发生的特性使其具备了整合应用在成熟污水处理工艺中的可能。然而,针对纳米气泡在生化单元中的供氧特性和纳米气泡供氧条件下微生物聚集体的生长机制与群落结构响应机制的研究还十分匮乏,利用纳米气泡为污水处理生化单元供氧的研究尚处于探索阶段。本文即针对以上问题展开系统研究,通过对纳米气泡供氧效果、纳米气泡供氧下生物膜处理单元运行策略、环境因素与纳米气泡供氧共同影响生物膜特性的协同机制三个方面进行全面的考察并对纳米气泡作为供氧手段适用范围进行评估,以期通过纳米气泡技术获得简单、稳定、高效的供氧措施。首先考察常见微生物聚集体形式（固定化生物膜、流化床生物膜和活性污泥）在纳米气泡条件下的生长机制与稳定性,以评估它们对纳米气泡特有性质的适应性。结果证实纳米气泡具有极高的供氧能力,其氧转移系数和供氧量分别达到传统鼓风曝气模式的1.5倍和56.53倍。纳米气泡供氧显著促进了微生物聚集体胞外聚合物（Extracellular polymeric substance,EPS）主要成分分泌,并进一步促进其均匀分布,表现为絮体粒度增加和生物膜增厚,有利于微生物聚集体结构生长和生化活性。相较于活性污泥出现上浮,生物膜快速形成了好氧-厌氧层稳定结构,产生更多β-多糖等结构性物质,更适于纳米气泡供氧模式。根据纳米气泡稳定性强、穿透力弱的特点,考察内回流-纳米气泡单独供氧运行的生物滤池（Nanobubble aerated biological aerated filter,NB-BAF）与弱鼓风曝气/纳米气泡联用供氧生物滤池的运行效能和生物膜结构与群落组成的响应机制。结果证实两种运行策略均增强了BAF中纳米气泡的沿程穿透力,优化了氧的沿程供给。在弱鼓风曝气（气水比0.5）和回流（回流比150%）条件下,分别实现在单级BAF中COD去除率91.80%和91.34%、总氮去除率54.98%和70.69%。不同操作策略在生物膜特性和菌群组成造成差异,其中内回流策略下生物膜具有更高的生化活性与EPS积累能力,以及更高的菌群多样性。变形菌门细菌对纳米气泡供氧具有较好的适应性,成为优势菌门;生物膜中富集了丰富的反硝化菌以及反硝化聚磷菌,明显提高了反硝化能力,获得了较好的总氮去除效果。为了评价纳米气泡供氧方式在不利环境条件下的适应能力,系统考察了内回流运行下纳米气泡单独供氧的生物滤池在不同温度和COD/N条件下的除污效能和生物膜响应机制。结果表明COD/N和温度与供氧条件对生物膜除污效能与特性产生多种协同交互影响。温度降低使得纳米气泡供氧效率略有降低,但仍可十倍于鼓风曝气条件。在实验低气水比条件（0.2）下,NBBAF对低温和低COD/N条件适应良好,10°C低COD/N条件下COD和总氮去除率仍能达到91.78%和76.42%。由于异养菌、脱氮菌对DO的竞争,以及纳米气泡逐渐释氧特性,在中低COD/N（COD/N≦5.2）条件下NB-BAF中DO沿程分布更均匀,反而表现出更高的脱氮能力,最高氨氮和总氮去除率分别达到94.63%、97.46%和86.64%、93.10%。反应器中生物膜稳定增厚并同时富集了丰富的好氧和厌氧菌。其中变形菌门仍是主要优势门;随着环境因子变化,拟杆菌门和放线菌门的丰度变化较大,动胶菌等好氧反硝化菌和抗低温能力较强的亚硝化螺菌等功能菌富集保障了NB-BAF的污染物去除效能。综上所述,本研究揭示了纳米气泡在生物膜法单元中的供氧规律与生物膜响应机制,建立了简单高效的纳米气泡供氧生物膜法工艺运行策略,实现其在低温低COD/N条件下的稳定运行。