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氧化亚氮(N2O)是一种强力的温室气体，增温潜势为CO2的300倍左右，对全球温室效应的贡献约占5％～6％;N2O在空气中的稳定性极高且不断累积，在一定条件下，极易产生光化学烟雾及酸雨等，对环境造成巨大危害。而污水的生物脱氮过程中会产生大量N2O，其对于全球的N2O排放有着显著贡献。 污水处理工艺中，生物膜法处理污水以其有机负荷高、占地面积小、投资少、出水水质好等优点受到人们的青睐。近年来以生物膜为核心的污水处理工艺得到了广泛应用，其中曝气生物滤池工艺最多。但目前，对于污水处理中N2O形成及释放机理研究主要集中在活性污泥系统方面，而对生物膜系统中N2O的形成及释放研究较少，主要是由于生物膜内的微观特性比活性污泥更为复杂，且生物膜相关测试技术尚缺乏或不太成熟。 论文主要研究了不同DO、HRT、C/N条件下曝气生物滤池(BAF)生物脱氮过程中N2O释放规律和反应器沿程氮元素迁移转化规律，从宏观角度揭示了DO、HRT、C/N等因素对N2O产生的影响程度;在此基础上，利用日益成熟的微电极测试技术结合PCR-DGGE技术，深入研究氮元素在生物膜内的形态转化规律以及不同条件下生物膜的结构与特性，从微环境和微生物学角度探索了生物膜内N2O产生的相关机理，最终获得了以下主要结论: 1)控制BAF的DO分别为2、4、6 mg／L条件下稳定运行反应器，发现好氧段的N2O平均产生速率分别为0.2889mg/h、0.1341 mg/h和0.0653mg/h，缺氧段N2O平均产生速率分别为0.0613、0.1114、0.1981 mg/h，说明N2O主要在好氧段产生，DO=2 mg/L时，N2O平均总产生速率最大，DO=4 mg/L时，N2O平均总产生速率最小。对微生物多样性及种群结构分析发现:接种污泥经过BAF不同DO条件的驯化，微生物的种群结构发生了变化;DO=2 mg/L时，反应器内主要优势菌群为Kribbella属等;DO=4 mg/L时，主要优势菌群为Acidovorax属等;DO=6 mg/L时，主要优势菌群为Flavobacterium属等;从门的分类角度分析:变形菌门、拟杆菌门、放线菌门为主要的脱氮类细菌，其中某些细菌与N2O的产生有着密切关系;从属的分类角度分析:Nitratifractor属细菌主要参与硝化过程，是仅存在于好氧段的优势菌群;黄杆菌属(Flavobacterium)和食酸假单胞菌属(Acidovorax)是COD降解的主要参与者。对生物膜微环境的研究发现:生物膜内N2O产生能力分别为DO=2 mg/L＞DO=6 mg/L＞DO=4 mg/L; DO=2 mg/L时，沿生物膜纵深方向DO浓度、ORP值逐渐降低，生物膜内部呈现缺氧或弱氧化性状态，引起NO2--N积累，促使N2O产生。 2)控制BAF的HRT分别为4h、6h和8h条件下稳定运行反应器，发现好氧段的N2O平均产生速率分别为0.2258 mg/h、0.0872 mg/h和0.1015 mg/h，缺氧段的N2O平均产生速率分别为0.0155 mg/h、0.0323 mg/h和0.0276 mg/h，说明N2O主要在好氧段产生，HRT=4 h时，N2O平均总产生速率最大，HRT=6 h时，N2O平均总产生速率最小。对微生物多样性及种群结构分析发现:接种污泥经过BAF不同HRT条件的驯化，微生物的种群结构发生了变化;HRT=4时，反应器内主要优势菌群为Nitratifractor属等;HRT=6 h时，主要优势菌群为Cloacibacterium属等;HRT=8 h时，主要优势菌群为Cloacibacterium属等;从门的分类角度分析:变形菌门、拟杆菌门、放线菌门等为主要的脱氮类细菌，其中某些细菌与N2O的产生有着密切关系;厚壁菌门等为主要的去除COD类细菌;从属的分类角度分析:Nitratifractor属细菌存在于各个反应器中，主要参与脱氮过程，尤其在HTR=4 h的好氧段里数量最多，其有可能和N2O的生成有一定关系;黄杆菌属、食酸假单胞菌属是COD降解的主要参与者。对生物膜微环境的研究发现:生物膜内N2O产生能力分别为HRT=4 h＞HRT=8 h＞HRT=6 h，HRT=6 h条件下生物膜内部微环境不利于N2O的产生，HRT=4h时，N2O浓度沿生物膜纵深增大幅度最为显著。 3)控制BAF的C/N分别为2、5和8条件下稳定运行反应器，发现好氧段的N2O平均产生速率分别为0.2390 mg/h、0.1257 mg/h和0.2137 mg/h，缺氧段的N2O平均产生速率分别为0.0136 mg/h、0.0089 mg/h和0.0105 mg/h，表明N2O主要在好氧段产生，C/N是好氧段N2O产生的关键原因之一，亚硝酸盐浓度是缺氧段N2O产生产生的主要因素，C/N=2时，N2O平均总产生速率最大，C/N=5时，N2O平均总产生速率最小。对微生物多样性及种群结构分析发现:接种污泥经过BAF不同C/N条件的驯化，微生物的种群结构发生了变化;C/N=8时，反应器内主要优势菌群为Sulfurimonas属等;C/N=5，主要优势菌群为亚硝化单胞菌属等;C/N=2时，反应器内主要优势菌群为Sulfuricella属等;从门的分类角度分析:变形菌门、拟杆菌门为主要的脱氮类细菌，其中某些细菌与N2O的产生有着密切关系;厚壁菌门为主要的去除COD类细菌;从属的分类角度分析:亚硝化单胞菌属、Lysobacter属等是主要的脱氮细菌，其中亚硝化单胞菌属的存在有利于减少N2O的生成，其余种属多与N2O生成量的增加有一定关系;乳球菌属是COD降解的主要参与者。对生物膜微环境的研究发现:生物膜内N2O产生能力分别为C/N=2＞ C/N=8＞C/N=5，C/N=2时生物膜内N2O的含量远大于C/N=8和C/N=5。 4)通过对BAF反应器沿程水质指标的检测，发现COD的去除主要发生在好氧段进水端0-80cm段;TN的去除主要发生在好氧段进水端0-30cm段，沿程TN浓度逐渐减小;NH4+-N的去除和TN基本一致，但在缺氧段内几乎无去除效果;NO3--N主要在好氧段30-130cm段产生;NO2--N在缺氧段内迅速且稳步增加。利用扫描电子显微镜对沿程生物膜形态结构观察发现:好氧段底部生物膜由大量丝状菌、杆菌、球菌等组成，形态结构比较致密且复杂，容易形成独特的微环境，有利于生物脱氮中各种生化反应（如N2O）的发生;中部形态结构基本和底部相似，但微生物量较少，存在大量的丝状菌、杆菌和球菌等，生物膜较为疏松;上部微生物量很少，主要由杆菌和少量球菌组成一层较薄的不完整的生物膜;缺氧段中部生物膜的微生物量相对较多，主要由球菌和少量杆菌组成结构疏松、不规则的生物膜。对微生物多样性及种群结构分析发现:可根据优势菌群的差异将沿程分为四个区域，好氧段0-30cm段，微生物种群最为丰富，主要优势菌群有Persicobacter属、Lacibacterium属等，主要参与脱氮过程，该类细菌在进水端低DO环境中共同作用，易导致N2O的产生;好氧段30-80 cm段，主要优势菌群有亚硝化单胞菌属、Epistylis属等，该段的DO环境以及亚硝化单胞菌属等细菌的存在限制了N2O的产生，使得该段N2O产生量减少;好氧段80-130 cm段，主要的优势菌群有柄杆菌属、Sulfuricella属等，基本属于变形细菌，主要参与脱氮以及COD去除的过程，高DO及高NO3--N浓度的环境不利于N2O的产生;缺氡段主要的优势菌群有Sulfurimonas属、Persicobacter属等，多为变形细菌，主要参与脱氮以及COD去除的过程。对生物膜微环境的研究发现:N2O主要在好氧段底部0-30 cm段的生物膜内产生，平均浓度约0.3940 mg/L，其次是为30-80 cm段，平均浓度约0.1354 mg/L，最后为80-130 cm段，平均浓度约0.0222 mg/L，与上述按照好氧段生物膜种群结构划分的区域相吻合，结合微环境各检测指标推断:N2O主要是由特定微生物种群在好氧段进水端低DO环境的生物膜内协同作用产生。