氮污染目前已成为仅次于有机污染的第二位水体污染物，开发适合于低浓度氨氮废水的高效、节能的氮污染生物修复新工艺已成为近年的研究热点。本研究采用同步硝化反硝化(SND)、厌氧氨氧化(ANAMMOX)和倒置A2/O三种单级生物脱氮新工艺，以低浓度含氨氮模拟废水和实际城市废水为处理对象，研究了三种新工艺在不同环境因素和实验条件下的生物脱氮效果，提出了低浓度氨氮废水实现单级生物脱氮的最佳工艺条件并建立了相应的废水生物脱氮动力学模型。全文主要研究结果如下： (1)采用同步硝化反硝化技术处理低浓度含氨氮模拟废水，实验采用单级SBR反应器，在成功完成污泥驯化后分别从DO浓度、C/N等因素进行考察和分析。结果表明，在反应条件为pH=7.6-8.0、温度控制在27-30℃、DO=1.5-2.0mg/L下，当模拟废水进水NH4-H=45.4-47.4mg/L、CODcr=240-464mg/L时，NH4-N、TN和CODcr的最大脱除率可以分别达到97.3％、72.1％和91.5％。实际城市污水的验证实验表明，NH4-N、TN和CODcr的平均脱除率分别达到95.2％、71.1％和80.7％，小试建立的SBR生化系统具备处理实际城市废水的能力。根据周期试验研究结果，对同时硝化反硝化过程的动力学方程进行了分析并求解动力学参数。 (2)利用倒置A2/O工艺对实际城市废水进行了生物脱氮除磷的实验，并与常规A2/O工艺进行了对比研究。结果表明，倒置A2/O工艺采用缺氧/厌氧/好氧的布置形式，更符合废水生物脱氮除磷的生化反应机制，该工艺优先满足了反硝化对碳源的要求，强化了系统的脱氮能力。与常规h2/O工艺相比，该工艺只设一个污泥回流系统，工艺流程简单，同时回流比大大降低，节约了动力消耗和能源消耗。在相同运行条件下，倒置工艺较常规工艺具有更高的脱氮率和低温适应性。城市污水处理场的实际工业应用试验表明，出水COD、NH4-N和TN可以达到GB18918—2002一级A类排放标准。本研究结果对于改造现有城市污水处理场和设计新建污水场并提高脱氮除磷能力具有重要意义。 (3)采用污泥混合接种的方法，利用UASB反应器完成了厌氧氨氧化混培菌的培养与驯化并启动了实验室规模的厌氧氨氧化反应器。启动过程中，反应器内污泥由黑色逐渐变为棕红色，扫描电镜图片显示，厌氧氨氧化混培菌主要为短杆菌和球状菌。启动后用含氨氮浓度和亚硝氮浓度分别为3-5mmol/L和4-6mmol/L的模拟废水连续运行210天，进水氨氮、亚硝氮的容积负荷分别从2mmol/L·d、2.5mmol/L·d上升至8.0mmol/L·d、10mmol/L·d，氨氮、亚硝氮的最大去除率分别可达63％和95.1％。对UASB反应器工艺运行条件的研究表明，厌氧氨氧化反应的最适pH为7.5，最适反应温度为35℃。厌氧氨氧化反应速率与亚硝氮浓度有关，当亚硝氮浓度大于10mmol/L时对厌氧氨氧化反应具有明显的抑制作用，同时对基质降解的动力学方程进行了推导。