针对目前日益严重的水体氮污染和传统污水处理厂存在的脱氮效率不高等问题,本文以提高生物脱氮工艺的TN去除率为主要研究目标,研究工程与实验室中发生的同时硝化反硝化(SND)现象,分析SND脱氮的关键影响因素,进而从机理层面对SND脱氮现象进行解释,并建立SND脱氮的反应动力学模型。首先,本文对青霉素废水的实际处理工程进行脱氮性能研究,该工程由原先的CASS池改造成了 SND系统。系统实现了高效脱氮,当进水流量为4522±628 m3·d-1,进水COD、TKN 与 NH3-N 分别为3089±453 mg·L-1、251.4±26.5 mg·L-1 与 124.8±26.8 mg·L-1 时,COD、TN与NH3-N的去除率分别为89.7%、88.7%和99.5%。经脱氮物料衡算,SND脱氮主要是依靠硝酸盐反硝化,其脱氮比例占进水TN的72.8%;经脱氮过程分析,71.4%的TN去除发生在曝气池前40%区域,68.9%的TKN去除发生在曝气池后60%区域。上述结果的理论解释是:在曝气池前端存在着充足的易降解碳源,反硝化以接近缺氧时的速率进行;而在曝气池中后端当易降解有机物降解结束后,反硝化受到碳源的限制而几乎停止,硝化速率升高。鉴于碳源在SND工程研究中所发挥的重要作用,为了考察碳源种类对SND脱氮的影响,在实验室内建立三套平行的SND装置,分别以甲醇、邻苯二酸氢钾与苯酚作为进水碳源。结果显示,当进水COD负荷与COD/TN分别为5.0 kgCOD·m-3·d-1与5.0时,三套装置对COD与NH3-N显示出相似的去除率,分别约为95%与99%,而对TN的去除率有所差异,分别为80.4%、70.5%与66.0%。碳源影响SND脱氮的本质是反硝化与碳氧化对不同碳源竞争能力的差异,在上述3种碳源中,甲醇污泥的反硝化活性与反硝化速率最大,分别为4.35与3.94 mgTN·gVSS-1·h-1,反硝化所消耗的COD比例也最高(76.6%),对甲醇碳源的竞争能力最强,因而达到了最高的SND脱氮效率。所以,对于SND脱氮,宜选用反硝化速率快的易降解碳源,这有助于提高反硝化对有机物的竞争能力,从而提高SND的脱氮效率。本文在实验室SND装置中考察了供氧速率对SND脱氮的影响。研究表明,提高系统的供氧速率,可提高COD与NH3-N的去除速率,但降低了系统的TN去除率。这是由于,在碳源有限的前提下,随着供氧速率的增加,碳氧化速率随之提高,加剧了碳氧化对有机物的争夺,虽然反硝化速率几乎不受影响,但降低了反硝化可利用的COD比例,导致TN去除效率的降低。故为了提高系统的TN去除率,在保证完全硝化与曝气池良好混合的前提下,宜尽量降低系统的供氧速率,使更多的COD为反硝化所用。此外,在SND过程中,碳氧化与硝化存在着对供氧的竞争,当微生物菌相比例一定时,在不同的供氧速率下,碳氧化与硝化对供氧的速率竞争接近于碳氧化与反硝化活性之比,即rCO/rNH≈rCOM/rNHM。根据本文的研究结果,总结出SND的脱氮机理:SND本质上是硝化与反硝化发生在曝气池的不同位置,即反硝化主要发生在曝气池的前端,硝化主要发生在曝气池的中后端;SND高效脱氮的原因是在曝气池前端存在充足的易降解碳源与硝酸盐,反硝化过程不受供氧速率的限制,以接近最大反硝化的速率进行;在SND脱氮过程中,存在着反硝化菌和碳氧化菌对碳源的竞争,以及碳氧化菌和硝化菌对供氧的竞争。根据SND脱氮过程中微生物菌相之间的速率竞争关系,本文通过简化莫诺方程,提出建模假设,推导并建立起SND脱氮的反应动力学模型,该模型包括了 COD、TN、NH3-N与NO3-N等4条过程模拟曲线。基于上述模型,并结合本论文的4组批次试验数据,拟合出这4组进水条件下的SND脱氮过程,结果显示,SND模型能很好的反映SND的脱氮过程,4组批次试验的模拟曲线与实测点的相关系数均在0.99以上。本文的研究结果为现有污水处理厂的脱氮升级提供了理论依据与指导方向;并为深入研究SND的脱氮机理奠定了基础。