目前，由氮、磷等元素引起的水体富营养化现象日趋严峻，脱氮除磷工艺及技术是国内外污水处理领域研究的重点和难点。循环式活性污泥法（Cyclic Activated SludgeTechnology，简称CAST工艺）因其流程简单、运行灵活等特点成为国内外要求脱氮除磷的污水处理厂首选工艺，然而，实际的运行结果表明，CAST工艺处理城市污水，尤其是低碳氮比（COD/TN﹤8）生活污水，其脱氮除磷效果并不理想。短程生物脱氮技术因可降低污水处理能耗、提高反应效率及减少污泥产量的特点受到众多研究者青睐，而短程硝化难以维持又是制约其应用的主要问题，如能实现CAST工艺与短程脱氮技术的耦合，这将对污水处理厂的实际运营与管理具有重大意义。针对当前污水厂脱氮除磷性能差等问题，本研究采用实际生活污水，旨在优化CAST工艺运行模式从而强化工艺性能，同时考察低温、进水有机负荷、回流比及碳源类型等运行参数对强化工艺脱氮除磷性能的影响，在此基础上实现CAST反应器的短程硝化及稳定维持。对CAST反应器运行模式优化的研究发现，传统CAST工艺在进水/曝气运行模式下的启动期为30d；而改良型CAST工艺采用分段进水缺氧/好氧（A/O）运行模式后，反应器启动周期短（仅为18d）且出水达到国家污水综合排放标准一级A，同时，污泥沉降性能良好，曝气量可节省约30~40%。对两种CAST工艺在冬季低温运行的试验发现，两系统出水总氮（TN）浓度均因氨氮的不完全氧化而升高。同时，传统CAST系统发生严重的污泥膨胀现象，污泥大量流失，系统几乎丧失污染物去除性能；改良型CAST系统则出现了轻微的污泥膨胀，对有机物和磷的去除不受影响，说明该改良工艺具有较强的抗温度冲击能力。低温条件下，通过延长曝气时间仅能恢复两种系统的硝化性能并部分改善污泥沉降性能，而升高温度并延长曝气时间可快速提高系统总氮去除效果及污泥沉降性能。进水有机负荷试验结果表明，增大进水有机负荷可在短期内提高改良型CAST工艺系统脱氮除磷效率，脱氮效率可达93.78%，但易降解碳源的长期投加会引发污泥膨胀。本课题还研究了三种常用碳源（甲醇、乙醇、乙酸钠）及污泥负荷对反硝化过程中亚硝积累和pH值的影响，批次试验研究发现，同种电子受体条件下，不同类型碳源的比反硝化速率（rDN）及出水pH值表现为rDN,乙酸钠>rDN,乙醇>rDN,甲醇；以乙酸钠为碳源的条件下，比反硝化速率随着不同电子受体投配比（NO3--N/NO2--N）的提高而降低，同时各系统内出现了不同程度的NO2--N积累现象；研究还发现，采用混合碳源并适量投加有利于消除单一碳源造成的反硝化出水pH值过高或反应速率慢的问题。利用季节变化产生的温度梯度辅以降低曝气量以启动短程硝化将为实际污水处理厂CAST工艺强化脱氮并实现节能降耗提供新的思路。本研究以改良型CAST工艺为研究对象，将反应器内温度由17℃分阶段逐步升高至28±1℃，曝气量由0.6m3/h逐步降低至0.4m3/h，成功实现了短程硝化及反硝化并稳定维持132个周期，NO2--N累积率最高可达86.08%，短程硝化阶段系统总氮去除率为69.48%，较之前全程硝化阶段提高21.14%。为考察影响CAST工艺短程硝化的因素，将进水总氮浓度由61.44mg/L分阶段降低至45.45mg/L和35.46mg/L，系统内亚硝累积率下降至30%以下，短程硝化被破坏；增加进水总氮浓度为59.0±1.0mg/L，可在一定程度上可提高亚硝化率，但NO2--N累积率仍低于50%；通过联合提高进水总氮浓度和升温至30±1℃，亦不能恢复系统的短程硝化性能。对两种CAST工艺在冬季低温运行期系统的除磷性能及改良型CAST工艺的强化除磷进行了研究。低温运行结果表明，传统CAST工艺的除磷性能因主反应区内氨氮的不完全硝化而大大提高，但长期低温运行导致系统内污泥严重流失，系统除磷性能受到严重影响，除磷效率降低至10%以下；采取改变运行模式和提高温度的方法可快速稳定膨胀的污泥同时提高系统除磷效率；而改良型运行模式对总磷的去除率一直维持在88%以上。针对改良型CAST工艺的强化除磷的试验发现，降低回流比对除磷效率影响明显，回流比由25%降为12.5%时，除磷率提高约50%，回流比降为0系统因选择区生物量不足而除磷效果降低；提高进水有机负荷改良型工艺可得到较好的脱氮除磷性能，出水TP浓度低于检出限。此外，在不完全硝化系统中，污泥在好氧及存在NO3--N的缺氧环境中均表现出较强的吸磷能力，且好氧吸磷速率约是缺氧吸磷的2倍；而在强化脱氮除磷系统中的污泥可以利用O2、NO2--N和NO3--N这三种电子受体进行吸磷，其中以NO3--N为电子受体的反硝化吸磷速率最低；而短程硝化污泥则几乎没有放磷能力。