如何高效经济地进行污水中氮的去除一直是解决水污染危机所面临的主要问题之一，本研究在国内外生物脱氮技术研究的基础上，考虑我国污水处理的实际需求，开发了一种新型的一体化生物膜反应器。新型的一体化反应器分为三个功能区，即好氧区、缺氧区和沉淀区。反应器设计的关键在于反应器主体为圆柱形容器，布气管在反应器底部侧方，既保证了填料的流态均匀，同时降低了能耗。 本课题以模拟生活污水进行研究，通过3种不同材质填料(纤维球填料、多面立体空心球填料、橡胶海绵组合填料)的比选，选取了挂膜周期短、处理污水能力强的维纤球填料，通过改变反应器的工艺参数，温度、水力停留时间(HRT)、气水比和碳氮比等，考察各因素对反应器去除污染物的影响，寻求最优化的工艺条件，最终使出水能够达标排放，试验还考察了反应器处理实际污水的能力。为了促进反应器在好氧状态的脱氮能力，从活性污泥中筛选了好氧反硝化菌，并将其添加到反应器中，考察好氧反硝化菌在挂膜启动和平稳运行阶段对系统脱氮的强化研究。同时，使用国内外主流的研究环境样品的分子生物学方法PCR—DGGE(DenaturingGradientGelElectrophoresis)、克隆测序、荧光原位杂交(FluorescenceinsituHybridization)、流式细胞术(FlowCytometry，FCM)等对微生物群落结构进行解析，进行工艺控制和微生物作用与脱氮效率之间的相关性分析。 在反应器的运行过程中发现，纤维球填料和其它两种不同材质和构造的填料相比，具有造价低廉、挂膜速度快、单位生物量高，微生物种群结构稳定、去除污染物效果好等的特点。考察了HRT、气水比、碳氮比、温度等因素对反应器污染物去除的影响，同时分析了各影响因素下的分子生物学特征表现。HRT的改变对系统内生物的生存环境的影响不大，某些特定种群的微生物在不同的条件下活力有所不同。综合考虑去除效果和经济原因，最佳气水比为4.0。气水比对于有机物的去除效果影响不大，但对氨氮和总氮的去除具有显著的影响。气水比的水平也对硝化菌群的群落特征产生影响，生物多样性随着气水比的增加而降低。反应器中占优势的菌属为亚硝化单胞、丛毛单胞等菌群，且多数为未培养菌的变形杆菌。碳氮比5：1有利于反硝化作用和总氮的去除，有机物的去除效率也较好。优势微生物属于假单胞菌的不同分支，另外还有少数的节细菌属和杆菌属。反应器在常温条件下运行稳定，低温情况下亚硝酸盐的积累较高。常温条件下的样品条带数量多于低温条件，同样的温度下，填料上生物膜的条带数多于其它两个部分，常温的生物多样性高于低温条件。氨氧化细菌(AmmoniaOxidizingBacteria，AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NitriteOxidizingBacteria，NOB)和占总细菌的比例和温度正相关。反应器对南方某小区实际污水中COD、氨氮和总氮的去除效果较好，出水水质稳定，说明反应器比较适合用来处理较低碳氮比的城市污水。 从活性污泥中筛选的8株好氧反硝化菌脱氮能力均高于50％，多数属于假单胞菌属的不同菌株。好氧反硝化菌在挂膜启动和平稳运行阶段对系统脱氮的强化研究表明，投加好氧反硝化菌，可缩短系统的启动时间，提高系统对污染物的去除效果，增强系统处理的稳定性。 从分子生物学得出的结果来看PCR—DGGE对菌群结构分析只能反映优势微生物的信息；FISH方法操作简单，选择何种方法检测荧光信号是精确定量的关键；FCM方法准确、简便、快速，但是对设备要求比较高。任何一种方法单独使用评价生物多样性都有局限性，应该多种方法互补分析。本研究为探索一套简便、快捷、有效的分子生物学方法，对微生物群落结构进行动态监控，为工艺运行和特异菌群的动态变化及其功能之间架起一座桥梁。