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缺氧／好氧(anoxic/oxic, A/O)和厌氧／缺氧／好氧活性污泥工艺(anaerobic/anoxic/oxic,A2/O)已被广泛应用于城镇污水处理厂的脱氮除磷。然而,在这些工艺的脱氮过程中,通常采用提高硝化液回流比的方式来提高系统的脱氮效率,这样会增加回流过程中的动力能耗。此外,进水碳源不足、低温环境下硝化效果差等问题,对系统的脱氮除磷性能造成不利影响。随着对氮、磷排放要求的不断提高,一些已建的污水处理厂需要进行改造来提高脱氮除磷效率。由于生物膜与活性污泥复合工艺(Integrated Fixed-film and Activated Sludge, IF AS)较易构建,仅需向活性污泥工艺的好氧反应器内加入悬浮载体即可,不需新建构筑物,节约建设成本。因此,本论文分别对IFAS工艺能否在较低的硝化液回流比条件下获得较好的脱氮效果、低温条件下的运行情况以及处理低碳源污水时的脱氮除磷性能进行了考察,并结合分子生物学技术探究污染物去除与微生物群落组成之间的内在联系及降解机理,以期为现有污水处理厂的改造、提高工艺的脱氮除磷效率、降低运行成本提供理论依据和技术支持。主要研究内容和结果如下：(1)以移动床生物膜好氧反应器和活性污泥好氧反应器为参照,对比考察了IFAS好氧反应器对COD、NH4+-N和TN的去除性能。结果表明,当进水CO、NH4+-N和TN的平均浓度分别为130、38.0和42.0 mg/L时,三组反应器对COD的去除性能大致相同,而IFAS好氧反应器的硝化效率高于其它两组反应器,且具有较强的抗负荷能力。当水力停留时间(HRT)和溶解氧(DO)分别控制在5-6 h和2-3 mg/L、载体填充比例(PR)为30%时,IFAS好氧反应器出水COD和NH4+-N能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准,而系统对TN的去除效率较低,需与缺氧反应器结合运行来提高脱氮效率。(2) 针对IFAS好氧反应器脱氮效率低的问题,将其与缺氧反应器结合形成缺氧／好氧复合工艺(A/O-IFAS),并对比考察了A/O-IFAS工艺与A/O活性污泥工艺在不同硝化液回流比(R=100%、200%、300%)条件下的脱氮性能。结果表明,A/O-IFAS工艺能够提高同步硝化反硝化(SND)性能,使出水NH4+-N和TN在R=200%时达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准,而A/O活性污泥工艺出水中NH4+-N和TN在R=200%和300%时未能达到排放标准,证明A/O-IFAS工艺能够在较低的硝化液回流比条件下获得较好的脱氮效果。聚合酶链式扩增-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)结果显示,硝化细菌和反硝化细菌能够共存于A/O-IFAS工艺的好氧反应器中,在二者的共同作用下,促使SND反应的发生。针对低温环境活性污泥工艺脱氮性能差的问题,对比考察了A/O-IFAS工艺和A/O活性污泥工艺在低温(8-12℃)条件下的脱氮性能,并采用荧光原位杂交(FISH)技术,分别对19-23℃和8-12℃条件下两组工艺中硝化菌群的相对丰度的变化情况进行了分析。结果表明,与温度条件为19-23℃时相比,两组工艺活性污泥中硝化菌群的相对丰度在8-12℃时大幅降低,而A/O-IFAS工艺中生物膜上硝化菌群的相对丰度没有明显变化,使得A/O-IFAS工艺在低温条件下仍保持较高的硝化性能。当进水NH4+-N和TN平均浓度为53.7和70.7 mg/LH时,活性污泥工艺出水NH4+-N和TN平均浓度分别为12.7和21.8 mg/L, A/O-IFAS工艺出水中NH4+-N和TN平均浓度分别为1.2和12.9 mg/L,满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准的冬季排放标准(NH4+-N<8mg/L, TN<15 mg/L)。(3)针对进水碳源不足,导致系统脱氮除磷效率降低的问题,考察了厌氧／缺氧／好氧复合工艺(A2O-IFAS)处理低碳源(C/N：3.0-3.4)污水时的脱氮除磷性能。研究发现,在A2O-IFAS工艺的缺氧反应器内存在反硝化除磷现象。采用分流进水的方式对A2O-IFAS工艺进行改造,将一部分污水分流进入到缺氧反应器内,为反硝化除磷作用提供更多的碳源,使反硝化除磷效率提高了23.3%,TN和TP的平均去除率分别提高了25.8%和41.2%。当工艺的污泥龄(SRT)控制在8天时,出水NH4+-N、TN和TP的浓度均能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准。(4) 将A2O-IFAS工艺应用于某城镇污水处理厂的污水处理,并与该厂原有的活性污泥工艺进行了比较研究,考察了A2O-IFAS工艺在工程应用中的脱氮除磷性能,结合分子生物学中的PCR-DGGE和FISH技术对两组工艺中的微生物群落结构进行了分析,探究了脱氮除磷性能与微生物群落组成之间的内在联系。PCR-DGGE和FISH结果表明,硝化细菌、反硝化细菌和聚磷菌在A20-IFAS工艺中的种类和相对丰度均高于活性污泥工艺,使得A2O-IFAS工艺在脱氮除磷方面更具优势。当进水COD、NH4+-N、TN和TP浓度分别为109-302 mg/L、25.0-42.1 mg/L、28.0-49.4 mg/L和2.2-4.5 mg/L时,A2O-IFAS工艺出水中COD、NH4+-N、TN和TP分别小于50、5、15和1 mg/L,达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准(2005年12月31日前建设的污水处理厂,TP<1 mg/L),而活性污泥工艺出水中除COD能够达标排放,其它三种污染物都未能达到排放标准。