本论文通过对煤矸石及其热产物微结构研究，提出了以煤矸石为原料制备曝气生物滤池滤料配方与烧成工艺，揭示出制备比表面大、孔隙率高的曝气生物滤池滤料烧结机理，并对制备的滤料进行了TiO2改性和光催化降解污水处理试验；进行了曝气生物滤池生物强化处理微污染河水试验，并以城市污水、含无机氮废水、有机氮废水为处理对象，研究了曝气生物滤池沿程生化特性、硝化特性及沿程生物特性，建立了曝气生物滤池数学模型，并开发出了计算机模拟仿真软件。 主要研究内容和研究结果如下： (1)通过对煤矸石及不同温度下热处理后的煤矸石粉体进行普通显微光学分析，观察出煤矸石及其热产物矿物形貌。通过SEM、EDS、XRD、DTA和IR分析，揭示出煤矸石及不同温度下热处理后的煤矸石粉体的矿物相特征与晶体结构，得出煤矸石在不同高温烧结阶段中，其中所发生的矿物结构及其化学反应过程，并辨别出反应产物，进而较系统地对煤矸石及其热产物进行了矿物学微结构基础研究，揭示出煤矸石在高温环境中所发生的矿物相变化规律，从而为煤矸石综合利用于各种用途时的热处理程度提供基础性研究成果。例如，用作水泥熟料或混凝土胶凝剂时则主要利用其中的γ-Al2O3和无定型SiO2，则以800℃—900℃热处理为宜，用作玻璃体粘结剂时，则以900℃-1000℃热处理为宜，用作烧结陶粒时应以1100℃-1200℃热处理为宜，用作高强度烧结砖时应以1150℃-1300℃热处理为宜，用作烧结瓷器时应以1300℃以上热处理为宜。得出以煤矸石为主要原料生产球型多孔轻质污水处理滤料主要原料配比为：煤矸石50-99％，粉煤灰0-25％，膨胀剂0.5-1.0％。所得成品滤料主要性能参数为：比表面积6.0-8.6mZ/g，孔隙率40-50％，堆密度0.9-1.1g/cm3，磨损率＜2.0％，平均孔径85-19μm。其中最佳配方为：煤矸石94％，粉煤灰5％，膨胀剂1％，水加入量百分比20％(即原料总量的20％)。最佳烧成参数为：从105℃升温至400℃时恒温30min后再升温至烧结终点，终温1150℃，终温煅烧时间10min。煤矸石制备多孔、轻质、高比表面积、耐磨、抗腐蚀滤料的烧结机理是：高温煤矸石中的元素以硅铝为主要成分，类似于粘土的化学成份，易于烧结形成陶状结构特性。煤矸石内部物质高温烧结过程产生的CO、CO2、水蒸气及有机质燃烧所产生的气体被包入液相中而形成气泡，气泡内压力使滤料迅速膨胀而逸出，形成内外连通的多微孔状结构，使得滤料具有较大的比表面积和孔隙率。 (2)以氟钛酸铵和硼酸为原料，采用液相沉积法对煤矸石烧结滤料表面进行纳米TiO2改性。SEM、EDS、XRD分析表明，滤料表面粗糙多孔，产生的晶体TiO2薄膜分散度高，纳米级TiO2晶体平均粒径达30-50nm，比表面积由改性前的4.0m2/g增至8.1m2/g。TiOz—紫外光催化氧化降解微污染原水试验表明，改性滤料具有良好的光催化活性，有机酚去除率达到98％、细菌灭除率达到75％；曝气、pH值、流量是影响纳米TiO2改性滤料光催化活性的主要影响因子。TiO2-紫外光催化氧化可降解微污染原水中“三致”有机有毒污染物、杀灭细菌和病毒，大幅提高饮用水水质，并具有成本低、操作简单、易于控制、无污染等优点，是一种理想的微污染原水深度处理技术。 (3)应用曝气生物滤池生物强化工艺，以高比表面积粉煤灰陶粒为滤料，对城市郊区重污染河水进行处理试验。结果表明，曝气生物滤池工艺对重污染河水中的浊度、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮、细菌的平均去除率均达到85％以上，出水水质达到了地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的基本项目目标限值中的Ⅰ—Ⅱ级标准，可作为工业生产用水。应用曝气生物滤池生物强化法处理重污染河水适宜的工艺参数是：气水比0.5-1.0，反冲洗周期为3d—5d，气水联合反冲洗强度均为5—8 L/(m2·s)，反冲洗时间为10-15min，温度23℃-30℃，pH值7.0-8.5，污泥负荷0.2-0.6kgCODMn/(kgMLSS．d)，滤速1.5—4.5m3/(h．m2)。上向流曝气生物滤池处理CODcr200mg/L—400mg/L之间的低浓度生活污水，其对CODcr的去除主要发生在滤料层相对高度为0.75以下的部分，对NH3-N的去除主要发生在滤料层相对高度为0.25—0.42之间，对SS的去除主要发生在滤料层相对高度0.42以下。 (4)以无机氮、有机氮为处理对象，在不加任何有机碳源的情况下，研究曝气生物滤池中无机氮、有机氮转化规律、动力学模式与沿程生物特性。其中，无机氮转化规律及沿程生物有如下规律：曝气生物滤池相对高度0.52以下部分氨氮负荷高，营养丰富，微生物繁殖快，数量多且活性高，此区间硝化速率高，进水中70％以上的NH3-N在此区间被硝化。滤料上部氨氮负荷低，微生物数量相对较少，硝化速率低；随着NH3-N的硝化，NO3-N浓度沿程逐渐增大，滤池相对高度0.52以下部分NO-3-N浓度增加速率最快：反应器中的NO-2N含量较低，这是由于较高DO浓度水平下，无NO-2-N累积；在高DO浓度、无有机碳源条件下曝气生物滤池沿程TN浓度基本维持平衡，反应器内基本上以硝化反应为主，进水NH3-N大部分转化为NO-3-N；仅在反应器底部，相对高度0.29以下，生物膜内部因缺氧发生了部分的反硝化反应；依据Eckenfelder模式，曝气生物滤池中的无机氮转化动力学方程为：Se=S0 exp(—0.0134D/L1.2612)，在含有机碳源、不含有机碳源、滤池高度不同情况下，模型预测值和实测数据均基本一致。有机氮转化规律及沿程生物有如下规律：在处理含DON废水时，氨化作用与硝化作用是同步进行的，在相对高度0-0.29之间氨化作用大于硝化作用；在相对高度0.29-1.0之间氨化作用速率与硝化作用速率基本相等；反应器内以硝化、氨化为主，近90％以上的DON转化为NO3-N；反应器沿程NO2-N含量较低，高DO情况下，生成的NO2-N会被氧化成NO3-N。由于反应器内无有机碳源，反硝化菌难以生存，因而未见明显的反硝化反应；受沿程营养物浓度及生长环境不同的影响，曝气生物滤池由下向上生物量呈逐渐递减的趋势；其各段内均能形成稳定的生态系统；沿程OUR呈现逐渐递减的趋势，数量级为102mgO2/(g生物量×h)。滤料材质、比表面积等参数对曝气生物滤池硝化性能有一定影响，就滤料材质而言，颗粒活性碳滤料、煤矸石烧结滤料滤池的生物膜硝化负荷较高。就理化性能来说，滤料比表面积越大，滤池硝化负荷较高，而滤料孔隙率与滤池硝化负荷之间无明显关系。 (5)通过研究、推导曝气生物滤池模型，进行曝气生物滤池工艺计算机可视化软件开发，实现了曝气生物滤池工艺计算机模拟仿真与设计可视化。提出曝气生物滤池反应器反应动力学模型特点与参数传递公式。以非稳态系统来观察曝气生物滤池，将曝气生物滤池分成若干个微元区段，每个区段看成是完全混合式活性污泥系统，其生物降解动力学借用活性污泥动态模型ASM来考察。在滤料层内，在气、水交界面上没有限制性基质传递，在进口处不存在基质浓度梯度，可忽略进水(污水)中溶解性氧的存在。以扩散形式透过生物膜液膜的基质传递速率等于生物膜内生物反应的基质消耗速率(以单位时间单位面积生物膜表示)，且液膜内无纵向混合，滤料层无论是黏附在滤料表面生物膜，还是悬浮于滤料层间隙的生物膜，均看成是生物活性物质，以MLSS或MLVSS计。由于过滤而吸附的颗粒物为主要因素时，忽略生物膜老化脱落而形成的阻力，而将其归结为纯过滤阻力，以颗粒物体松比沉积量和过滤阻力作为确定滤池反冲洗周期的依据。较完整的曝气生物滤池数学模拟模型应包括：曝气生物滤池中的过滤数学模型、水力学(水力阻力)模型、基于Lawrence—McCarty稳态模式的曝气生物滤池生物反应动力学数学模型、基于ASM非稳态模式的曝气生物滤池生物反应动力学数学模型、氧的利用与溶解氧浓度分布数学模型。论文还开发了基于上述数学模型的曝气生物滤池工艺计算机数值模拟与可视化仿真设计软件，并与实验室试验结果及国内外有关论文成果数值进行了验证，结果表明所开发的模型计算机仿真模拟结果与实际基本一致。