活性污泥法是城市污水处理厂常用技术方法,其中具有同步脱氮除磷功能的连续流A²/O（厌氧-缺氧/好氧）工艺是我国污水处理厂首选工艺。近年来基于连续流A²/O工艺开发了很多改良工艺,包括简单倒置A²/O工艺和分点进水倒置A²/O工艺等。有必要对这三种A²/O工艺的脱氮除磷性能进行全面分析。N₂O是重要的温室气体,且存在破坏大气臭氧层、产生酸雨等环境危害,因此污水生物脱氮工艺中N₂O的产生和积累过程不容忽视。目前,针对生物脱氮中N₂O释放规律的研究大都集中在实验阶段,也有人采用活性污泥数学模型来探讨N₂O的产生机理,但这些数学模型的发展尚不完善,有待于进一步改进和建立新的模型。本论文采用实验和数学模拟相结合的方法,对污水脱氮除磷及N₂O产生过程进行了研究,得到以下结论:（1）本论文借助GPS-X软件和ASM2D模型,在相同的建设投资和运行条件下,对连续流传统A²/O工艺、简单倒置A²/O工艺和分点进水倒置A²/O工艺的脱氮除磷性能进行预测和分析,结果表明:在不同的进水C/N比水平下,三种A²/O工艺均取得了良好的脱氮除磷效果;两种倒置A²/O工艺由于将缺氧池置于厌氧池之前,反硝化过程可获得充足的碳源,TN去除率高于传统A²/O工艺;传统A²/O工艺由于厌氧释磷量远大于两种倒置A²/O工艺,好氧吸磷能力更强,且在缺氧池中发生了反硝化除磷反应,因此除磷性能优于两种倒置A²/O工艺。（2）本论文针对限氧亚硝化过程,开发了描述AOB（氨氧化菌,Ammonia oxidizing bacteria,AOB）反硝化反应和NH2OH不完全氧化反应产生N₂O的自养菌双路径模型。该模型通过省去中间体NO和NOH等策略减少了模型组分和参数数量、简化了模型结构。使用多组亚硝化-硝化工艺实验数据对模型进行校正和验证时,模型预测值与实验实测值均取得了良好的一致性。研究结果表明:在低DO条件下,AOB反硝化路径产生的N₂O占主导部分;当DO浓度较高时,NH2OH不完全氧化路径产生的N₂O占主要地位。（3）本论文在自养菌双路径模型中加入了异养菌基于胞内聚合物（XSTO）的内源反硝化过程,首次建立了包含产生N₂O的AOB反硝化路径、NH2OH不完全氧化路径和异养菌内源反硝化路径的三路径模型。该模型被用来模拟多组全程序批式AOA（厌氧-好氧-缺氧）工艺和A/O（厌氧/好氧）工艺中XSTO的贮存与消耗、NH4+的氧化和NO3-、NO2-的内源反硝化及微生物的增长和衰减过程,模型预测值与实验实测值均取了良好的一致性。研究结果表明:由于较低的DO和较高的NO2-积累,AOA系统的N₂O主要来源于好氧段的AOB反硝化过程（67.84⁸1.64%）,由NH2OH不完全氧化路径（15.61³2.17%）和异养菌内源反硝化路径（0¹2.47%）产生的N₂O较少。在异养菌内源反硝化过程中,FNA（游离亚硝酸）对Nos（N₂O还原酶）活性的抑制是N₂O产生和积累的主要原因。（4）本论文对三路径模型进行深层改进,通过引入异养菌四步反硝化对XSTO的竞争过程,描述Nar（硝酸盐还原酶）、Nir（亚硝酸盐还原酶）、Nor（NO还原酶）和Nos在电子不足情况下对电子的竞争现象,并使用改进模型对不同运行条件下序批式A²/O工艺中电子竞争对N₂O产生和积累的作用机制进行预测和分析。结果表明:改进模型可以较好地描述不同A²/O系统中SS（易生物降解基质）、NO3-、NO2-、NH4+和N₂O的变化趋势;而且,改进模型比原三路径模型可以更准确地模拟A²/O工艺中NO2-和N₂O的积累现象。由于Nar和Nor竞争电子的能力更强,大部分XSTO被NO3-和NO的还原过程所消耗,NO2-和N₂O的还原过程摄取的XSTO较少;当XSTO含量减少、电子供应不足时,Nos获取电子的能力比Nir更弱,因此N₂O还原速率比NO2-还原速率下降得更快,最终导致N₂O在异养菌内源反硝化过程中积累。数学模型可用作预测污染物转化规律、研究N₂O产生机理的有效工具。