生物过滤可以有效地去除水中的氨氮、可生物降解有机碳(BDOC)等污染物质,提高出水的生物稳定性。而由于低温时期生物活性降低,导致生物滤池去除污染物的能力大大下降。与异养菌相比,低温时期的硝化细菌世代更长,滤池反冲洗后恢复缓慢,并且很容易被异养菌所覆盖,从而导致硝化细菌与氨氮等营养底物无法充分接触,使得生物滤池低温期除氨氮的能力更低。虽然以沸石材料吸附为代表的物理吸附法去除水中氨氮受温度的影响不明显,但是其吸附容量有限、操作复杂、管理困难、费用高。因此,低温条件下去除氨氮已经成为国际高度关注的难题。研究物化-生化耦合除氨氮技术,发挥其各自的优势,有可能提高低温条件下去除氨氮的效能。本研究中制定了优先除氨氮的策略,首次提出了“臭氧催化氧化-上向流沸石/活性炭复合滤料生物滤池(UMBF)”耦合技术,并成功地应用于低温、高氨氮、氨氮浓度波动大、高有机物污染的地表水处理。本文以UMBF为研究对象,结合气浮、臭氧预氧化等技术,通过中试和生产性试验研究了该技术的净水效能。结果表明,臭氧催化氧化-UMBF在低温水处理中对原水中氨氮浓度波动有良好的缓冲和净化效能。在进水氨氮浓度不超过1.5 mg/L时,UMBF出水氨氮浓度低于0.01 mg/L;当进水中氨氮浓度周期性上升到2.75mg/L时,UMBF出水氨氮浓度低于0.2 mg/L;当进水氨氮浓度持续上升至3.5 mg/L时,在4 h~5 h后UMBF出水氨氮浓度最大上升至0.63 mg/L。当滤池进水氨氮浓度的突然性下降,出水氨氮浓度在4 h后呈逐渐下降趋势。此外,该型生物滤池基本可以实现整个低温期无反冲洗而不堵塞。因而,在处理低温高氨氮污染水体时性能十分稳定。研究了低温期UMBF内“三氮”的迁移和转化机制,发现生物氧化作用是UMBF低温期去除氨氮的重要途径。氨氮在生物滤池的沸石滤料层和下层生物活性炭滤料中得到有效去除,而亚硝态氮在生物活性炭层底部和中部得到积累,在生物活性炭层中部和上部得到有效去除。研究还发现,“三氮”在UMBF滤层的中上部并不守恒,尤其在亚硝态氮大量积累之后的滤层区域内“三氮”的减少量明显增加,说明除了完全硝化过程外,UMBF内也存在局部的短程硝化-反硝化脱氮过程。同时,应用高通量技术研究了生物滤池内不同高度填料上微生物群落结构。结果表明,生物沸石层和生物活性炭层所富集的生物群落结构存在较大差异性。β变形菌和氨氮氧化细菌主要集中分布在生物滤池的生物沸石层中,其中亚硝化单胞菌占整个生物菌群的7%~10%,而在生物活性炭层分布较少,α变形菌和硝化螺旋菌主要分布在生物活性炭层。生物系统的这种分层分布有利于氨氧化菌首先利用氨氮和溶解氧等有利条件,提高硝化类细菌在UMBF内的竞争优势,实现对氨氮的优先去除。研究了UMBF内的填料对氨氮的理化作用,发现使用长达3年的生物沸石对进水中的氨氮仍具有明显的吸附和缓冲作用,并且其对氨氮的吸附过程与新鲜沸石相比发生了一定的变化。生物沸石对氨氮的吸附过程更适合于Freundlich模型,吸附过程中的物理吸附的比重明显加大;对氨氮的吸附量下降了约1/3,但可解吸附率明显上升;水中共存离子、离子强度、pH值和微生物对生物沸石解吸附氨氮的能力具有明显影响,低价态、高浓度的金属阳离子(Na+)、pH<5或pH>10时、生物氧化作用可以促进生物沸石的原位再生。通过适度调节进水中金属阳离子浓度等因素可以原位加快UMBF内生物沸石填料中氮的迁移速率,提高UMBF系统在低温期对氨氮去除的持续性、高效性以及对氨氮浓度波动的缓冲性能。本文利用“臭氧催化氧化-UMBF”工艺实现了低温期对进水中浓度波动的氨氮稳定去除、对高氨氮原水的高效去除;研究了硝化细菌对UMBF内滤料、滤层和进水氨氮负荷的响应机制;证实在低温(2℃~4℃)环境中生物氧化作用仍然是地表水中氨氮去除的重要途径;还研究了氨氮在UMBF内的迁移和转化,为解决低温期原水高氨氮高有机物污染、氨氮浓度波动等问题奠定了理论基础。同时,该工艺几年时间的实际生产应用表明,虽然该工艺的制水成本较常规水处理工艺略有升高,但冬春两季原水氨氮重污染时期可以恢复水厂正常供水。因此,该技术在我国北方寒冷地区或季节性低温地区具有重要的推广价值。