与传统硝化-反硝化生物污水脱氮工艺相比,厌氧氨氧化工艺可节省至少50%的曝气成本,且无需添加外部碳源及中和剂,是一项经济性好、效率高的生物脱氮新技术,具有节能、环保的双重意义。但厌氧氨氧化菌的低增殖速率依然制约着该工艺的实际应用。本文从改进微生物固定化技术的角度出发,提出一种新型复合式反应器概念,将以无纺布为填料的固定床与采用回流或混合搅拌的流化床复合在一个反应器内,达到高生物滞留性及高传质质量的双重效能。本文对复合式循环流化床及复合式混合搅拌床反应器的除氮性能、污泥性状及微生物构成等进行了实验研究,在此基础上,对厌氧氨氧化反应动力学、厌氧氨氧化颗粒污泥传质动力学及复合式厌氧氨氧化反应器传质动力学进行了分析和计算。主要工作如下：(1)设计并建立了复合式循环流化床厌氧氨氧化反应器实验装置,经过270天的运行,反应器总氮负荷达到15.2 kg (N)·m-3·d-1的较高水平,相应总氮去除速度为9.9 kg (N)-m-3·d-1,总氮去除率及亚硝氮去除率基本保持在82%和95%以上。回流比从100%逐步增大到500%时,实际进水基质浓度相应减小,可补偿由于HRT降低引起的系统负荷冲击,对系统氮负荷平稳提高十分有利。由于回流的基质浓度限制及水力剪切作用,复合式循环流化床厌氧氨氧化反应器内颗粒污泥主体尺寸由2 mm～5 mm减小到1mm～2 mm。低基质浓度环境下形成的颗粒污泥厌氧氨氧化比活性为0.28 kg(N)·kg (MLSS)-1·d-1,运行270天后反应器平均污泥活性达1.78kg(N)·(MLSS)-1·d-1,显示较好的反应器综合除氮性能。出水悬浮物浓度多在15 mg·L-1以下,未出现固定床层堵塞现象,显示良好的生物滞留和气体分离效果。对颗粒污泥进行SEM观察及FISH分析可知,复合式循环流化床厌氧氨氧化反应器的颗粒污泥是包裹着好氧菌外层的厌氧氨氧化菌团的团聚体,厌氧氨氧化菌的含量可达74%。(2)成功启动了复合式混合搅拌床厌氧氨氧化反应器,短期内便显示出较高的除氮性能,在38天内反应器总氮负荷达到2.0kg(N)·m-3·d-1。在半年时间内,亚硝氮去除率及总氮去除率能稳定保持在92%及78%以上,总氮负荷稳定升至8.9kg(N)·m-3·d-1。颗粒污泥主体尺寸由1 mm以下增大到1mm～2mm。颗粒污泥厌氧氨氧化比活性为0.32kg(N)·kg(MLSS)-1·d-1,反应器平均污泥活性达0.7kg(N)·kg(MLSS)-1·d-1,显示较好的反应器综合除氮性能。出水悬浮物浓度多在10 mg·L-1以下,未出现颗粒污泥上浮及固定床层堵塞现象,显示良好的生物滞留和气体分离效果。对颗粒污泥进行SEM观察及FISH分析可知,复合式混合搅拌床厌氧氨氧化反应器的颗粒污泥内部结构十分致密,厌氧菌团与好氧菌团无差别地随机分布在颗粒污泥中,厌氧氨氧化菌的含量可达70%。(3)对厌氧氨氧化反应速率方程的结构型式进行分析讨论,通过非线性拟合手段,求得厌氧氨氧化反应速率方程的几个主要参数。根据拟合结果,绘出基质浓度对厌氧氨氧化活性影响的趋势曲线,确定采用双底物单抑制的Haldane方程作为厌氧氨氧化的反应速率方程,其中,厌氧氨氧化理论最大反应速率vmax、氨氮半饱和常数KS,NH4-N、亚硝氮半饱和常数KS,NO2-N及亚硝氮抑制常数KI,NO2-N分别为1.59 g(N)·g(MLSS)-1.d-1、140.01 mg(N)·L-1、0.33 mg(N)·L-1及80007.60 mg(N)·L-1。(4)在标准扩散-反应模型及厌氧氨氧化反应速率方程求解的基础上,研究了流动因素(回流及搅拌)对生物膜外部传质过程的影响。结果表明,较大尺寸的颗粒污泥外传质系数的强化率高；较高进水基质浓度条件下颗粒污泥外传质系数的强化率较高。进水氨氮浓度为500 mg(N)·L-1,回流比为500%时,回流对当量直径为8 mm的颗粒污泥外传质系数的强化率达到最大值,约为4.5%,而同样进水基质浓度下,搅拌速度为40 rpm时,搅拌对同样当量直径的颗粒污泥外传质系数的强化率可达12.7%。可见,在强化传质方面,搅拌比回流更具优势。(5)对于生物膜内的传质过程,通过计算得到复合式循环流化床颗粒污泥的生物膜内氨氮及亚硝氮有效扩散系数分别为1.57×10-4m2·d-1和1.48×10-4m2·d-1;复合式混合搅拌床颗粒污泥的生物膜内氨氮及亚硝氮有效扩散系数分别为1.56×104 m2.d-1和1.47×10-4 m2.d-1。(6)以反应器整体为研究对象,建立了对流-扩散-反应三项耦合的输运方程,得到了各运行参数下基质浓度沿反应器高度的分布规律,并与实验结果进行了对比。实验数据与模拟结果吻合较好。研究发现,复合式循环流化床厌氧氨氧化反应器最适的回流比在200%到300%之间。