目前国内的污水处理厂主要是悬浮和固定型填料，为了弥补它们的缺点，本研究研制出新型的填料，半悬浮生物填料，结合悬浮和固定型填料的优点。设计出符合该填料的反应器，接着再构建出可以实现生物膜外溶液基质与反应器中溶液相同的溶解氧(DO)微电极生物膜动态测量槽。


试验研究了反应器在不同C/N的人工模拟生活废水中的处理能力，还从生物膜的物质传递、生物膜特性和分子生物学角度研究了不同C/N条件下的同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification，SND)过程的机理。试验也尝试找到半悬浮生物填料生物反应器最佳的C/N。反应器的启动分为两部分，第一部分是不开启底部曝气的生物膜不稳定阶段，时间为3天。第二部分为生物膜能够稳定的粘附在生物膜，并开启填料底部的曝气装置，使得生物填料呈现半悬浮状态，并运行11天。

在反应器的最后一天对生物填料上的水质进行时间段分析、生物膜内的溶解氧探测、取填料上的生物膜做生物膜特性和分子生物学分析。其主要研究结果如下:半悬浮生物填料反应器的水处理能力为:在C/N=20时，氨氮100%去除，总氮去除率为99%左右，COD的去除率为100%，COD消耗率为49.26 mg/h，TN的消耗率为2.4mg/h。在研究SND过程中得出:C/N越高就越能提高生物膜内的氨氮和COD的传递速率，氨氮的消耗时间高于COD的消耗时间是不能实现完全的SND的主要原因。低C/N的时候生物膜由于薄使得生物膜的缺氧层小，反硝化的进行受到限制，使得生物膜在COD还没有消耗的时候就停止了反硝化;同时低C/N的生物膜的紧密型EPS最低，这会使得生物膜在开启底部曝气的时候，TN去除率突然下降，使得SND效能降低。越高的C/N同时也会使得生物膜的孔隙密度越高，传质阻力变高，使得生物膜的好氧、缺氧和厌氧层的分层时间越长。


高C/N的时候由于在高COD浓度下生物膜中的硝化螺旋菌门类菌群的比例下降使得氨氮的消耗时间提高使得同步硝化反硝化不能完全进行。总而言之，物质传质和微生物的因素对SND效率有联合作用，生物膜的生物量、生物膜的结构和厚度，以及EPS在SND过程中的有着重要的作用。使用半悬浮生物填料明显提高生物膜反应器内的生物多样性，它可以在C/N比20条件下运行8h后实现下总氮的去除。从生物膜特性、物质传递和分子生物学三大方面研究可以为新型填料的推广和稳定使用提供可靠的科学依据。