本文从适用性、高效性和稳定性等视角，对短程硝化和厌氧氨氧化反应器的性能进行了系统的研究，取得以下结果： 1)评估了短程硝化反应器的适用性。试验结果表明，通过控制进水碱度、DO和HRT，可在气升式反应器中实现稳定的半短程硝化，反应器出水适宜后续厌氧氨氧化反应器处理。有机物(乙酸钠500和800mgCOD/L)对半短程硝化反应器的运行性能有重大影响。添加有机物后，反应器出水氨氮浓度不变，亚硝氮、硝氮和总氮浓度减小，且变化程度与所添加的有机物浓度呈正相关。引发反硝化是造成有机物影响的主要原因。短期批次试验表明：在摩尔浓度相同的条件下，3种盐(NaCl、KCl和Na<,2>SO<,4>)对氨氧化活性的影响程度接近，盐浓度为150mmol/L时，氨氧化活性为未添加盐时的60％。连续流试验证明：通过逐渐提高盐浓度，半短程硝化反应器能适应25gNaCl/L盐度的水质，出水可作为后续厌氧氨氧化工艺的进水。当盐度大于27gNaCl/L时，出水NO<,2><->-N/NH<,4><-N>偏低，出水水质不合要求。亚硝酸细菌对高盐度胁迫比硝酸细菌敏感。 2)研究了改进型短程硝化反应器流体力学特性。 考察了逆流湍动床短程硝化反应器的混合特性。试验结果表明，反应器返混明显；表观气速增大、固含率减小和表观液速增大都会增强反应器返混；反应器死区较小，结构性能良好，死区百分率与表观气速和液速相关性不强，但与固含率呈负相关关系；利用轴向扩散模型、等体积和非等体积多釜串联模型对反应器的流态作了模拟，确定了模型参数。 考察了改进型气升式短程硝化反应器的功耗特性。试验结果表明：反应器总功耗与进气流量线性相关。当需气量一定时，适当缩小导流筒尺寸，增加导流筒内静态混合元件数，有助于降低反应器的功耗。经过优化后，反应器的总功耗可比普通气升式反应器降低23.6％。反应器的总功耗与充氧能力正相关。当充氧能力设定时，采用的导流筒尺寸越大，内置的混合元件越多，功耗越小。经过优化，反应器的总功耗可比普通气升式反应器降低43.9％。在整个反应器中，升流区的功耗最大，它是反应器节能的重点区域：底隙区次之；气液分离区最小。 考察了改进型气升式短程硝化反应器的流体剪切性状。试验结果表明：该反应器的剪切率呈现一定的空间分布，最大剪切率出现在升流区。反应器操作和结构条件可对剪切率产生重大影响。剪切率与导流筒直径负相关，与混合元件数正相关。改进型气升式硝化反应器的剪切率分布均匀性略低于普通气升式反应器，采用较大的导流筒尺寸和适宜的混合元件数可促进剪切率均匀分布。 3)研究了短程硝化反应器的高效性。试验结果表明，采用“预挂膜”和“陕速排泥”联合挂膜方法，以及“低浓度，高负荷”启动策略，可快速启动短程硝化湍动床生物膜反应器。在氨氮负荷为5.60 kg/(m<3>·d)时，该反应器氨氮去除速率最高可达4.25 kg/(m<3>·d)。亚硝氮最高生产率可达3.70kg/(m<3>·d)。采用。Haldane、Edwards、Aiba、Luong模型对短程硝化湍动床的基质抑制动力学行为进行数学模拟，并求得模型参数值。冷模传质试验结果表明，液相容积传质系数k<,L>α随着表观气速和表观液速的增大而增大，随着固含率的增大先增大后减小，0.05～0.08为反应器传质的最优固含率条件。液体性质对k<,L>α有重大影响，高浓度模拟废水和工业废水中的k<,L>α比清水中的k<,L>α分别减小39.0％和50.9％。热模传质试验结果表明，氧传质系数随表观气速、DO和需氧量的增大而增大；存在对氧传质效率较优的表观气速和DO操作范围：短程硝化系统不仅需氧量少，而且供氧效率高，具有供需两方面的优势；短程硝化反应的传质增大因子大于1.16。 4)考察了短程硝化反应器的稳定性。试验结果表明，冲击负荷对硝化反应器性能有重大影响，其典型影响体现在运行性能恶化、中间产物累积、pH值和游离氨浓度上升等方面。剧烈的负荷冲击可导致反应器性能不能自然恢复。pH值是影响冲击效应的关键因子。硝化反应器的稳定性受各种系统特性(氨氮负荷、负荷要素组合方式、污泥浓度)和冲击特点(冲击强度、负荷要素组合方式、冲击时间、冲击碱量、冲击期进水pH值)的制约。反应器内的污泥浓度越大，稳定性越好；冲击强度越小，冲击时间越短，冲击期进水pH和碱量适中，稳定性越好。此外，适当的人为干预也可强化反应器运行的稳定性。不同类型的负荷冲击对反应器稳定性的影响不同，浓度冲击的影响比水力冲击大。 5)研究了厌氧氨氧化反应器的适用性。试验结果表明，厌氧氨氧化反应器对含有机物水质的适应性与基质负荷有关。当总氮负荷低于0.43kg/(m<3>·d)时，有机物对厌氧氨氧化反应器运行性能的影响较小，氨氮和亚硝氮去除率保持在94％以上；但当总氮负荷为0.72 kg/(m<3>·d)(满负荷)时，氨氮和亚硝氮去除率降至75％以下，有机物对厌氧氨氧化反应器运行性能产生严重影响。采用适当的运行方法，通过逐渐提高盐浓度，并调整反应器运行负荷，厌氧氨氧化反应器能适应30g NaCl/L盐度的水质，其效能与进水不加盐的对照期接近。盐度对厌氧氨氧化细菌生长有负面影响，经驯化后，这种影响可部分消除。在30g NaCl/L的盐度条件下，反应器运行较易失稳。短期批次试验表明：未驯化污泥在30gNaCl/L盐度条件下的厌氧氨氧化活性比对照(无盐水质条件)低67.5％；而驯化后同盐度条件下污泥厌氧氨氧化活性比对照低45.1％，驯化可部分解除高盐度胁迫。盐度抑制为可逆抑制。 6)研究了厌氧氨氧化反应器的高效性。试验结果表明，当进水总氮浓度为608 mg/L，HRT为2h，总氮负荷为7.34 kg/(m<3>·d)时，反应器获得最大基质去除速率6.11 kgN/(m<3>·d)。厌氧氨氧化的中性反应从本质上保证了其高效性的稳定发挥。进水基质比例是决定厌氧氨氧化反应器高效性的重要因子，以出水水质(效果)为优化目标，所得较优的进水基质比例为NO<,2><->-N/NH<,4><+>-N=1.2。基质抑制是厌氧氨氧化反应器高效性的重要障碍，厌氧氨氧化菌活性受高浓度亚硝酸盐抑制，266mg/L亚硝氮可致活性降低24.3％；但能够耐受较高的氨氮浓度，270mg/L氨氮的抑制作用不显著。Haldane、Edwards和Aiba模型可描述厌氧氨氧化的基质(亚硝酸盐)抑制行为。二级动力学模型和改进的Stover-Kincannon模型均适用于非基质抑制状态下的厌氧氨氧化反应器过程模拟。 7)研究了厌氧氨氧化反应器的稳定性。提出了反应器稳定性的评价体系(稳定性表征参数和模糊评价方法)，并将其用于厌氧氨氧化反应器的选型。结果表明，在不同类型的负荷冲击下反应器稳定性不同，在基质浓度冲击下，反应器的稳定性参数值是水力负荷冲击下的1.68～5.44倍，厌氧氨氧化反应器抗水力负荷冲击能力强于抗基质浓度冲击。不同类型反应器对同一类型的负荷冲击也有不同的效应。在3种备选反应器中，抗基质浓度冲击能力以颗粒污泥床最强，生物膜反应器次之，SBR最弱；抗水力负荷冲击能力以SBR最强，颗粒污泥床次之，生物膜反应器最弱。模糊综合评价认为，以颗粒污泥床综合抗负荷冲击能力最强，生物膜反应器次之，SBR最弱。此外，负荷冲击特性影响厌氧氨氧化反应器的稳定性。冲击强度越大，冲击时间越长，冲击影响越大；当冲击过载基质质量相等时，冲击时间的影响大于冲击强度的影响。