近年来，城市水资源的短缺以及严重的水污染现象使得国家对于污水处理的重视程度越来越高。只有不断完善市政排水管道系统以及建设高效、高产的污水处理厂，才能从根本上解决水环境的污染问题。污水处理厂的改扩建工程是一项满足社会发展需求的必要手段，寻求高效的脱氮除磷工艺更是提高我国水资源综合利用率，加强节能减排工作的重要举措。本文以陕西省定边县污水处理厂二期改扩建工程为基础，通过对城市实地调查研究，分析城市给排水现状及存在问题，提出污水处理厂改扩建的必要性。研究经过长时期的水质监测及取样分析寻找到定边县污水有机物的变化规律，为工艺的选取提供了重要的依据。论文以传统污水处理工艺为基础，分析传统工艺在不同环境下处理效果及存在的不足，在以活性污泥法以及生物膜法的理论基础分析过程中提出了新型污水处理技术。分析了多段多级AO、MBBR、CNR三种新型处理工艺在理论以及试验中均表现出了较强的污水处理能力和脱氮除磷效果。最终结合定边县实际工程，以MBBR和CNR工艺进行分析，通过技术、经济及运行维护等方面进行综合比选，最终确定CNR工艺在类似定边县环境变化较大地区能够达到出水水质一级A标准。由于不同菌群的最佳生长环境不同，脱氮与除磷之间存在着矛盾，实际应用中经常出现脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果好时脱氮效果不佳的情形。CNR同步脱氮除磷工艺是一种新型、高效、稳定的污水处理工艺，其纤毛状生物膜填料表面始终形成动态、平衡、高效和多样的优势菌的增殖、繁殖环境，能形成比例合适的厌氧层、缺氧层和好氧层，从而形成了比以往的填料有所不同的生物膜层，该填料是集游动型和固定型、柔性和刚性填料的优点集为一身的产品，同步脱氮除磷效果良好，具有可推广性。论文重点对于几种新型污水处理技术进行研究比较，旨在为今后污水处理技术研究以及工程设计中提出新的思路。本论文的结果表明多段多级AO、MBBR以及CNR技术具有高效的脱氮除磷能力，但是在类似定边县冬季气温较低的城市，CNR处理能力尤为明显，在改扩建工程中具有一定的经济、社会以及环境效益。