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硝化细菌生长速度慢，产率低，对环境因素(DO，pH，温度等)较为敏感，因此，硝化过程往往成为生物脱氮过程的限制性步骤。膜生物反应器(MBR)依靠膜的高效固液分离作用，为系统内保持足量硝化细菌提供了有利条件，被认为是解决传统工艺中硝化能力不足的重要手段。然而，在长期运行的条件下，膜的高效截留会造成MBR中微生物群落及生物活性与靠重力沉淀进行固液分离的传统活性污泥系统(CAS)产生很大差异，从而影响到反应器的硝化效率及其稳定性。因此，考察MBR中微生物群落的演变机制对提高工艺的性能具有重要的意义。将分子生物学技术引入到微生物生态学研究领域，研究不同运行条件下硝化工艺中微生物群落结构与动态变化，并阐明特定群落的功能，可以在内在机理和宏观调控之间架起一座桥梁。本论文将传统的最大约计数法(MPN)与以聚合酶链反应和变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术和荧光原位杂交(FISH)技术为代表的分子生物学技术以及以微生物呼吸醌方法为代表的化学鉴定技术相结合，系统研究了不同操作条件下MBR和CAS两硝化系统的硝化性能、硝化活性和微生物群落的动态变化。取得如下成果：
1)膜生物反应器可以承受2.0kg/m3·d的进水NH4+-N负荷，实现完全硝化；处理500mg/L的NH4+-N废水时，MBR和CAS分别在水力停留时间(HRT)=10h和=20h时实现98％以上的Nh4+-N去除率，进一步缩短HRT会导致两系统硝化性能的恶化；
2)无排泥条件下MBR中生物量不断积累，但反应器中活菌和硝化菌的比例都呈降低趋势，在实验后期硝化细菌并未成为反应器中的主体。比硝化活性从初期的0.45kgNH4+-N/kgMLSS·d降低至0.15kgNH4+-N/kgMLSS·D；CAS中污泥随水大量流失，而硝化细菌数量维持稳定，比硝化活性处于0.35～0.5kgNH4+-N/kgMLSS·d范围内变化；
3)MBR中截留了大量非活性细胞和胞外多聚物(EPS)，EPS中蛋白质是多糖的10～20倍；EPS的存在不仅导致膜污染，增加氧的传质阻力，而且会抑制硝化活性；
4)Nitrosomonas是两系统的主要氨氧化细菌；Nitrospira是MBR中的主要硝酸菌，在较长HRT下也是CAS系统中的主导硝酸菌，较短HRT下快生型Nitrobacter成为CAS系统中的主导硝酸菌。
5)分别将MBR和CAS的HRT调回10h和20h，考察两系统的硝化恢复能力。MBR的氨氮氧化效率达到99％以上，而出水NO2--N却明显积累，平均浓度达到425mg/L，；CAS系统处理200mg/LNH4+-N废水时可以实现完全硝化。