活性污泥法作为一种比较传统的二级生物处理工艺,现今已被各污水处理厂广泛用于废水的生物处理。但是传统应用的悬浮生物技术存在一系列的缺点和不足,其不足实际上大多与活性污泥法的固液分离过程有关,例如悬浮污泥沉降性能差,易流失,处理后的悬浮微生物与絮体不易从水体中分离,这很大程度上限制了污水处理的效率和性能。为满足废水处理逐渐苛刻的要求,传统的活性污泥法也需在已有基础上不断改进,因此微生物固定化技术的使用具有重大意义。微生物固定化技术通常采用物理、化学或生物的方法将游离的微生物细胞自凝聚为颗粒固定或固定在特定材料内,这项技术与传统的悬浮污泥处理工艺相比存在明显的优势,能够将所需处理的废水和微生物分离开来,使微生物能够重复使用不被流失并且在一段时间内保持活性,此方法作为一种经济可行的生物处理技术表现出极大的潜力。为探究固定化技术在氨氮废水处理中的应用情况及适用性分析,根据固定化目前已初步投入工业应用的方法及原理本试验主要选取物理交联和化学包埋,即微生物自凝聚为颗粒和人工强化使用化学试剂包埋固定进行研究。其中,微生物交联凝聚为颗粒的研究,主要是通过改变培养条件即投加磁性纳米铁(MNPs)促进悬浮污泥成长为颗粒,实现好氧颗粒污泥的快速启动;同时也对包埋法这一可快速形成颗粒的方法进行研究,通过对部分硝化(PN)污泥的固定和部分硝化与厌氧氨氧化(ANAMMOX)的共同固定,研究固定化在氨氮废水处理新型工艺中的应用情况。主要结论如下:(1)微生物交联凝聚为颗粒主要的限制因素为成粒过程所需较长时间,投加纳米铁可显著促进活性污泥成粒,在试验进行9d左右开始实验组颗粒粒径明显大于空白组;实验初期各反应器生物量水平大致相当,均处于3.5～3.8g/外的范围内,试验后期实验组的生物量MLSS均高于4.9 g/L较初期增加1 g/L的污泥量,空白组降至2.4g/L,在纳米铁投加的情况下污泥生长量很大一部分用于颗粒结构因此被固定,从而避免了污泥的流失,而且实验组SVI均为40 mL/g远低于空白组,污泥沉降性也有明显提升;通过q-PCR对微生物群落分析,空白组的亚硝化菌(AOB)量为7.45×108 copies/mL,高浓度纳米铁反应器的AOB量为1.84×109copies/mL,约为空白组的两倍;空白组硝化细菌(NOB)量为5.55×107 copies/mL,实验组量均比空白组高,纳米铁对AOB和NOB有明显的促进或聚集作用。纳米铁对好氧颗粒污泥的影响主要是通过影响微生物表面特性来实现的,纳米铁可以有效的增强微生物表面的电负荷和疏水性能,从而促进颗粒凝聚。在凝聚过程中纳米铁可以有效的改变极性的路易斯酸碱电子作用力尤其是γB(空白组与对照组分别是49.26、4.86 mJ/m2),从而对其吸附自由能△Gadh产生影响(空白组与对照组分别是36.73、-36.81mJ/m2)。(2)包埋固定形成的小球颗粒粒径约为4～5mm,表面光滑且球状结构明显,小球内部呈现有层次的网络状结构,能够保证底物和氧气的传输,固定后的菌种被包被在交联剂里,能够有效防止污泥的流失;固定化包埋试剂虽然有轻微毒性但对目标菌种无明显的致死现象,细胞能够在固定化试剂中正常进行生命和代谢活动;固定化颗粒污泥对氨氮负荷有较好的适应能力,部分硝化菌固定后可在短时间内达到氨氮与亚硝氮比例基本为1:1的状态,且能保持较低的硝氮状态,在部分硝化与厌氧氨氧化共同固定的全程自养脱氮过程中能够有效降低亚硝氮的积累。(3)固定化操作能够保证目标菌种大量存在,在部分硝化与厌氧氨氧化共同固定的微生物群落分析中,在门这一级别的分类上,亚硝化细菌从属的变形菌门(Proteobacteria),厌氧氨氧化从属的浮霉菌门(Planctomycetes),这两部分均占有较高比例。微生物在纲水平的微生物群落分布,亚硝化单胞菌属所属的β-变形菌纲(β-prateobacteria)和厌氧氨氧化所属的浮霉菌纲(Planctomycetacia)均为优势群体,其相对丰度分别为18.94%和1.71%,说明亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌作为优势菌种存在。