近年来,日益严峻的环境问题迫使城镇污水处理厂出水排放标准不断提高,尤其对于极易引发水体富营养化的氮磷污染物,国家提出了较一级A标准更为严格的深度脱氮除磷要求。然而由于我国城镇污水普遍存在C/N比过低的问题,因此不得不通过外加碳源强化生物脱氮系统的反硝化潜力,进而导致极大的资源浪费。基于此,本文在低C/N比污水水质调研的基础上,开发了一套分区供氧改进型A~2/O中试反应装置,研究分区供氧与曝气强度联合调控下诱导短程硝化的可行性,分析短程硝化反硝化对系统脱氮性能的提升效果,并就其作用机理进行探究;此外,通过投加悬浮生物填料,构建活性污泥-生物膜复合体系进一步研究了同步短程硝化反硝化作用对生物脱氮的强化效果。研究结果表明,相对于分区比例而言,好氧区DO浓度是决定硝化类型的主要因素。当好氧区DO为2.0~2.5mg/L时,调节分区比例无法实现短程硝化作用;而好氧区DO为0.5~0.8mg/L时,短程硝化效果随系统分区比例变化明显。最优工况的工艺参数:好氧区DO=0.5~0.8mg/L,V_缺:V_好为1:1,此时短程硝化率达到62.6%,出水TN降至10.5mg/L,系统脱氮效率显著。通过间歇OUR法,对各工况下缺氧区进、出水的碳源组成进行分析。结果显示,在最优工况下,通过短程硝化反硝化作用的比COD消耗量与典型的全程硝化阶段1相比降低27.3%,另外,可生化性COD在缺氧区利用率为63.6%,其值远高于其他阶段;缺氧区碳源利用效率高,短程反硝化碳源需求量下降,二者是保证低C/N比污水生物脱氮潜力提高的关键因素。另外,最优工况下的曝气分区能够满足微生物对间歇曝气的要求,因此对活性污泥沉降性能的改善具有重要意义。经高通量测序发现,最优工况下AOB、NOB的相对丰度分别降低7.3%、57.9%,表明分区比例及DO浓度的调整对NOB的淘洗作用更为显著,致使NOB的表观活性受到严重抑制。基于短程硝化运行工况,通过在好氧区投加生物填料成功构建活性污泥-生物膜复合作用体系;载体表面生物膜生长可近似划分为三个阶段,生物膜在挂膜40d左右基本成熟,其后进行动态平衡的自我更新生长,生物量变化较小,并稳定在40.05mg/g(以VSS/填料计)。对生物膜微生物菌群分析发现,其对AOB存在选择性富集作用,AOB相对丰度为2.84%,典型反硝化菌相对丰度达到33.71%,另检测到部分厌氧氨氧化细菌;因此,氨氮去除效率由92.2%提高至97.7%,系统短程硝化作用略有提高,且同步脱氮性能显著,SND效率由挂膜初期的21.6%增加至46.5%,系统对TN的去除率达到86.1%,出水TN稳定在8.0mg/L以下。