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水环境中氮过量,富营养化引起了全球化的环境问题。现有实际工程的主要脱氮工艺还是利用传统的脱氮工艺进行,传统的脱氮工艺最大的问题是反硝化碳源不足。不少学者研究了大量的外加碳源,但是都把关注重点放在了碳源的释碳量和脱氮性能,对其释碳的机制和脱氮的动态平衡的问题研究较少。因此,本论文的研究重点是核桃壳-沸石多孔释碳填料释碳机制和脱氮动态平衡,同时为核桃壳-沸石多孔释碳填料的实际工程应用提供理论支持。本论文首先进行了核桃壳-沸石多孔释碳填料静态释碳的长效释碳机制研究,利用三维荧光光谱分析其释碳成分;同时,启动两级硝化反硝化BAF,利用响应曲面法优化不同HRT和C/N的最佳运行工况,通过硝化和反硝化的微生物群落结构揭示核桃壳-沸石多孔释碳填料用于脱氮的机制;最后进行了试验过程填料的成分变化,反硝化碳量的动态平衡和成本计算。通过一系列的试验研究,主要得到了以下的结果:(1)通过静态释碳试验,核桃壳和核桃壳-沸石多孔释碳填料的最大释碳量分别为11.311 mg/g,3.066mg/g。释碳分快速释放,慢速释放和稳定释放三个阶段。释碳过程符合一级动力学、二级动力学和Ritger-Peppas动力学方程,释碳在快速释放阶段机制主要是扩散和溶蚀并存;在慢速释放阶段主要是FICK扩散引起的。释放2-6天内的碳源成分通过三维荧光光谱可知,主要是易降解的色氨酸类蛋白和难降解的类富里酸类物质。(2)在不同工况运行情况下和响应曲面法优化结果可知:最佳的运行工况为一级 O-BAF HRT 为 9.67 h,C/N 为 7.5,二级 A-BAF HRT 为 11.01 h,C/N为7.48。在最佳运行条件下,一级O-BAF对NH3-N,COD和TN的去除率分别为100%,94.35%,48.59%,二级A-BAF对NO3-N和TN的去除率分别为83.70%和81.23%。响应曲面方差分析的一级O-BAF和二级A-BAF的P值均小于0.01,均为极显著,表明所建的模型具有很高的准确性和精准度,得到预测值一级NH3-N,COD和TN的去除率分别为100%,98.83%,51.80%;二级 NO3-N 和 TN 的去除率为 81.78%,82.84%。试验值与预测值最大相差为4.48%,表明试验所建模型均可以准确的模拟本试验。(3)微生物群落结构分析结果:由Biolog结果得到,一级O-BAF对糖类,脂类和氨基酸类这三类碳源利用率较高,对糖类的利用率最高达到了100%;二级A-BAF对脂类和氨基酸类的利用率较高,尤其偏好脂类的利用。由高通量测序结果得到,O-BAF和A-BAF中的特征功能微生物主要为Thiothrix(发硫菌属),Enterobacter(肠杆菌属),norank-f-Saprospiraceae(腐螺旋菌科),Nitrospira(硝化螺菌属)和自养反硝化菌Silanimonas,Thauera(索氏菌),Denitratisoma(红环菌目),Hydrogenophaga(噬氢菌属)。(4)碳量平衡和填料变化特性研究表明:碳源主要消耗为反硝化脱氮利用319.34mg/d,溶出的主要途径为微生物作用,溶出量为309.928mg/d。处理1 mg的NO3-N需要3.38 mg碳源,即核桃壳为3.92 mg。随着填料的使用,填料的内外表面都出现了大量的孔洞结构,表面的主要官能团没有发生位移,主要特征吸收峰变弱,EDS结果表明填料中的碳量逐渐减少。(5)实际生活污水的处理运行结果表明:在稳定运行阶段中,进水总氮在5.93～38.02 mg/L,出水平均总氮浓度为8.74 mg/L,低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A的总氮出水标准15 mg/L,核桃壳-沸石多孔释碳填料可以作为BAF填料实现高效的脱氮性能。本论文揭示了核桃壳-沸石多孔释碳填料的释碳机制,在BAF中的动态碳量平衡和脱氮机制,为反硝化脱氮过程提供了碳源,提高了脱氮效率,节约了脱氮成本,为释碳填料实际工程应用推广提供了数据支撑和理论依据。