目前國內(nèi)的污水處理廠主要是懸浮和固定型填料，為了彌補它們的缺點，本研究研制出新型的填料，半懸浮生物填料，結合懸浮和固定型填料的優(yōu)點。設計出符合該填料的反應器，接著再構建出可以實現(xiàn)生物膜外溶液基質與反應器中溶液相同的溶解氧(DO)微電極生物膜動態(tài)測量槽。

試驗研究了反應器在不同C/N的人工模擬生活廢水中的處理能力，還從生物膜的物質傳遞、生物膜特性和分子生物學角度研究了不同C/N條件下的同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification，SND)過程的機理。試驗也嘗試找到半懸浮生物填料生物反應器最佳的C/N。反應器的啟動分為兩部分，第一部分是不開啟底部曝氣的生物膜不穩(wěn)定階段，時間為3天。第二部分為生物膜能夠穩(wěn)定的粘附在生物膜，并開啟填料底部的曝氣裝置，使得生物填料呈現(xiàn)半懸浮狀態(tài)，并運行11天。

在反應器的最后一天對生物填料上的水質進行時間段分析、生物膜內(nèi)的溶解氧探測、取填料上的生物膜做生物膜特性和分子生物學分析。其主要研究結果如下:半懸浮生物填料反應器的水處理能力為:在C/N=20時，氨氮100%去除，總氮去除率為99%左右，COD的去除率為100%，COD消耗率為49.26 mg/h，TN的消耗率為2.4mg/h。在研究SND過程中得出:C/N越高就越能提高生物膜內(nèi)的氨氮和COD的傳遞速率，氨氮的消耗時間高于COD的消耗時間是不能實現(xiàn)完全的SND的主要原因。低C/N的時候生物膜由于薄使得生物膜的缺氧層小，反硝化的進行受到限制，使得生物膜在COD還沒有消耗的時候就停止了反硝化;同時低C/N的生物膜的緊密型EPS最低，這會使得生物膜在開啟底部曝氣的時候，TN去除率突然下降，使得SND效能降低。越高的C/N同時也會使得生物膜的孔隙密度越高，傳質阻力變高，使得生物膜的好氧、缺氧和厭氧層的分層時間越長。

高C/N的時候由于在高COD濃度下生物膜中的硝化螺旋菌門類菌群的比例下降使得氨氮的消耗時間提高使得同步硝化反硝化不能完全進行。總而言之，物質傳質和微生物的因素對SND效率有聯(lián)合作用，生物膜的生物量、生物膜的結構和厚度，以及EPS在SND過程中的有著重要的作用。使用半懸浮生物填料明顯提高生物膜反應器內(nèi)的生物多樣性，它可以在C/N比20條件下運行8h后實現(xiàn)下總氮的去除。從生物膜特性、物質傳遞和分子生物學三大方面研究可以為新型填料的推廣和穩(wěn)定使用提供可靠的科學依據(jù)。