以生物处理法为主体工艺的污水处理厂,其运行效果易受到温度影响。在我国北方,冬季城镇污水厂进水水温偏低,低温导致生物活性降低、脱氮除磷效果下降;同时污泥的沉降性能受低温影响SVI值增加。针对污水厂实际运行中的问题,本研究对A~2O反应器进行了改良:1)将好氧区拆分成相同体积的两个格室;2)在每个格室填充流离球,填充率为30%,并对运行过程中出现的污泥膨胀等问题提出了间歇运行沉淀池及分段进水的运行方案。研究目的是实现低温城市污水的高效稳定去除。试验结果表明:低温条件下,逐步提高NH4+-N、TN进水浓度,对微生物进行驯化,15d后实现反应器启动。正式运行原水从厌氧段（A1）流入,HRT为12h,污泥回流比100%,硝化液回流比200%,稳定运行后出水COD、TN、NH4+-N、TP浓度分别为37.62、10.70、0.94、0.15mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A类排放标准。针对低温条件下改良A~2O反应器出现的污泥膨胀、沉淀池无法连续出水的问题,提出间歇运行模式:12h为一周期,运行10h,停进水2h同时将沉淀池污泥回流入A1池,系统稳定后出水达到一级A标准但污泥膨胀问题未得到解决。对反应器污泥膨胀进行小试研究,研究结果表明,在溶解氧（DO）、有机负荷、污泥龄（SRT）、投加活性炭等因素中,有机负荷对污泥膨胀具有明显的抑制作用:运行15d后,SVI值降低率为60%。依据小试试验结果将反应器进水流量比由A1:O1=3:0改为2:1。运行稳定后A2、O2两格室SVI值分别降低6.88%、5.64%,实现沉淀池连续出水。流量分配比调整为1.5:1.5,平均出水NH4+-N、TN依次为13.87、17.52mg/L,污泥膨胀较流量分配比2:1无明显改善。综合污染物去除效率及污泥稳定性,改良A~2O工艺采用流量分配比2:1运行,实现反应器的稳定达标运行且抑制污泥膨胀。最佳控制条件下改良A~2O工艺污泥特性研究表明,每个格室有机负荷与细胞外聚合物以及SOUR、TTC的含量有关。活性污泥中多糖含量与进入每个格室的碳源量呈负相关,而蛋白质含量不受有机负荷的影响。在生物膜系统中,好氧区的蛋白质含量受有机负荷影响很大,O1格室含量比O2高出54.93%。SOUR、TTC与进水量呈正相关。在“门”及“属”水平上对改良A~2O系统中微生物群落的多样性、群落结构和优势功能菌分析,改良A~2O系统内各格室微生物群落丰度与多样性具有相同规律,好氧生物膜填料＞厌氧生物膜填料＞好氧污泥＞厌氧污泥;微生物“属”水平分析,拟杆菌门中Firmicutes和Cloacibacterium均具有还原NOx--N的功能;Lactococcus菌属为聚磷菌提供小分子COD,用于磷的吸收。