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氮污染物是废水中主要的组份之一,未经处理直接排放到天然水体中会造成严重的生态和人类健康危害。生物脱氮技术是水体氮污染物去除最为可行的方法,根据生物脱氮理论开发出了多种脱氮路径（硝化反硝化、亚硝化反硝化和短程硝化厌氧氨氧化等）。然而,目前并无一种生物工艺能实现这些脱氮路径的整合,能够在实际需要时进行简单的操作并具有实现不同脱氮路径转换的可能。本文开发了一种基于生物流化床为基本结构、三泥法运行且双好氧配置的好氧-水解-好氧（OHO）工艺,对其中的脱氮路径进行了实验研究和理论分析。以高毒性和高C/N比（COD与总氮的比值）的焦化废水为案例,研究了工艺进行硝化反硝化路径的碳氮污染物去除性能;研究了在单一或两种以及多种功能菌群以焦化废水组份（苯酚、硫氰酸盐和氨氮）为电子供体在反应器H的缺氧环境中实现亚硝酸型脱氮的可行性及其微生物行为。基于工艺的结构配置及反应器H亚硝酸型脱氮的研究结果,分析了工艺潜在的各种脱氮路径及其适用范围。主要获得的研究结果如下:（1）OHO工艺具有稳定高效地去除焦化废水中还原性污染物的性能,废水中总氮的去除受工艺操作模式的影响,其中最高的总氮去除效率达到88.7%（进水257 mg/L）,这是由不同操作模式的硝酸盐与废水中的有机污染物在反应器H中浓度分布和停留时间所决定。在OHO工艺中,主要的有机物及毒性污染物在反应器O1和H中被去除,总氮的去除主要通过反应器H中的反硝化反应来完成,而反应器O2最主要的贡献是通过彻底的硝化反应去除氨氮。异养菌与自养硝化菌在OHO工艺中实现了选择性富集,其中异养菌在反应器O1中富集,而反应器O2则富集了自养硝化菌。这种污染物去除及微生物的分布在空间上的差异性分离,为工艺的稳定性提供了内在保障。（2）基于（1）中的OHO工艺H反应器实现了硝酸盐和硫氰酸盐的共同去除,提出以硫氰酸盐作为单一电子供体进行亚硝酸盐还原的短程脱氮新途径。在实现硫氰酸盐和亚硝酸盐的完全反应时实现了最高的总氮去除效率（68.5%）。过程中,在硫氰酸盐完全消耗之前观察到了单质硫的存在。以Thiobacillus为优势菌属的驯化污泥中,在硫氰酸盐硫完全转化为硫酸盐的硫时NO2--N/SCN--N的化学计量比大约为2.0。我们注意到,硫氰酸盐的降解导致了氨氮污染物的产生。（3）基于（2）过程氨氮的产生,我们提出了将自养反硝化（AD）和厌氧氨氧化（AN）微生物进行耦合去除硫氰酸盐及亚硝酸盐的同时降低氨氮产生的联合实验和模型研究。在一定的初始（NO2--N/SCN--N 3.0）条件下,共养群落几乎可以实现对所有污染物（包括氨氮）的完全去除。然后通过改变氨氮与硫氰酸盐的浓度比以及AD与AN的生物量比来改变初始条件。结果表明,氨氮的加入对硫氰酸盐的去除率有负面影响,而添加AN污泥则对硫氰酸盐和氨氮的去除率具有相反的影响。对此,建立了一个数学模型,同时改变这两个初始条件,确定了共养生态系统在去除总氮方面最有效的参数范围。并且,此实验全程未观察到AN反应硝酸盐副产物的产生,表明产生的硝酸盐被硫氰酸盐还原为亚硝酸盐或氮气。（4）基于（3）过程未产生硝酸盐,提出利用废水中的低浓度COD污染物作为电子供体降低厌氧氨氧化反应副产物硝酸盐的产生,同时将这些COD去除。以氨氮、硫氰酸盐和苯酚作为电子供体在三种功能微生物（自养反硝化、异养反硝化和厌氧氨氧化）的耦合作用下进行亚硝酸盐还原的实验研究。在多电子供体共存的间歇实验中,亚硝酸盐的残留伴随着硝酸盐的产生,提高电子供体的浓度可显著降低硝酸盐的产生;而在长期连续流反应器实验中,过量的氨氮并未抑制低水平浓度的硫氰酸盐和苯酚的去除,苯酚和硫氰酸盐的降解降低了硝酸盐的产生。然而提高COD/NO2--N进水比例可显著降低总氮和氨氮的去除率,恢复到先前的COD/NO2--N比例后污染物的去除性能却无法完全恢复,且显著提高了硝酸盐的产生,表明微生物之间的协同效应减弱而竞争底物亚硝酸盐增强,然而,污染物去除性能仍要高于单一微生物菌群去除效率。因此,构建缺氧微生物的代谢协同可以显著降低废水脱氮的能耗和药耗,为新型脱氮技术的开发提供了新的思路。（5）基于（1）-（4）的研究成果及理论分析,OHO工艺具有多种脱氮路径（硝化-反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化及亚硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化）的开发潜力,这是由工艺的结构配置、各反应器污泥内部循环及丰富的物质流调控所决定。对于高C/N比和高毒性工业废水的处理,进行硝化-反硝化路径的工艺具有更强的适应性和稳定性的结构特征。在低C/N比的高氨氮废水处理,实行短程硝化-厌氧氨氧化路径的工艺更具高效和低成本等特点。而中低C/N比的高氨氮废水,按照亚硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化路径所运行的工艺可实现总氮和其它污染物的高效低耗去除。本论文开发的OHO工艺具有多种脱氮路径的开发潜力,根据废水性质可进行脱氮路径的选择,具有处理高C/N比和高毒性废水的能力,同时也具有节能低耗处理低C/N比废水的潜力,研究成果将为废水及氮污染物的处理提供新的节能降耗途径和基于目标的多种工艺选择。