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东北属于高寒地区，在冬季，水藻、鱼类等水生动植物和微生物等生长缓慢，水体自净能力大幅下降。同时，污水处理厂的运行也受到低温环境的影响，导致污水处理设施结冰，生化处理效率低下，出水水质变差。为了提高污水处理效率，改善出水水质，提出采用适合于高寒地区的改良式A2O底部曝气氧化沟工艺处理城市污水。该工艺具有适用于低温条件下运行，通过缺氧好氧交替运行以及污水中的有机物与悬挂在填料上生长的固着微生物相互接触，可强化污水生物处理的综合效能。由于改良式A2O底部曝气氧化沟工艺具有上述优点，以东北某污水处理厂的底部曝气氧化沟工艺实际运行情况作为研究对象，考察了气温、内回流比、污泥浓度等参数对系统处理效果的影响，并通过分析底部曝气氧化沟工艺沿程各反应阶段水质的变化情况，明确各反应阶段污染物浓度的消减规律。使用ASM2D模型可以对底部曝气氧化沟工艺进行模拟，并利用大量监测数据对该工艺模型进行校正，达到对底部曝气氧化沟工艺进行运行参数优化的最终目的。在冬季低温环境下，污水厂的气温变化幅度为-31℃~5℃，底部曝气氧化沟工艺的水温变化幅度为7℃~13℃。温度对污水处理厂CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP的去除效果均有影响，去除率随温度的下降而降低，尤其是TN去除效果在低温环境下比较差。考察了底部曝气氧化沟系统沿程各阶段在不同控制条件下水质的变化规律，发现DO在工艺的各个阶段呈现一直上升的趋势，PH由进水的7.35-7.42转变为出水的6.81-7.02，CODCr在厌氧段去除最高，达到58.9%，缺氧段和好氧段分别为15.2%和14.5%,TP呈现先升高再降低的趋势。出水TP浓度相对稳定，维持在0.48mg/L以下。调整底部曝气氧化沟系统的内回流比，使其控制在180%，在此条件下，TN和TP的去除效果达到最佳状态，CODCr的去除效果受内回流比的影响很小。调整工艺内的污泥浓度，将MLSS控制在4500~5000条件下时各污染物指标的去除率高于MLSS控制在3500~4000的去除率，出水效果较好。为了深入研究底部曝气氧化沟工艺在高寒地区的运行情况，使其运行参数得到优化，利用ASM2D数学模型，根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律，构建氧化沟各反应阶段的物料平衡方程，进而提出了适用于北方高寒地区的底部曝气氧化沟工艺数学模型。