由于污水中碳源的缺乏，许多污水处理厂(WWTPs)不能够有效的去除富营养化物质氮和磷。在传统生物除营养物工艺(BNR)中应用反硝化除磷菌(DPAOs)，实现低碳氮比(C/N)污水的低耗高效脱氮除磷是必要的。已有的反硝化除磷工艺中，存在出水氨氮较高等问题。本课题以低C/N实际生活污水为处理对象，针对城市污水碳源的缺乏以及单一污泥生长系统固有的弊端，开发了一套以厌氧缺氧好氧(AAO)脱氮除磷工艺为基础，联合硝化型曝气生物滤池(BAF)，以反硝化除磷技术为核心的双污泥外硝化反硝化除磷系统——AAO-BAF。该系统将污水处理厂普遍采用的常规连续流AAO工艺和BAF进行优化整合，延长了AAO工艺中的缺氧反应时间，淘汰了AAO工艺中的硝化菌;BAF出水为系统的最终排水，氨氮得到充分氧化后，一部分回流至AAO反应器缺氧区，为DPAOs提供充足电子受体，DPAOs在总聚磷菌中的比例高达70％以上。试验数据和FISH图像分析均表明，采用优化策略后，AAO反应器内的硝化菌不宜生存，AAO几乎不承担硝化作用，进入二沉池内混合液中的硝酸盐氮含量很低。这不仅能够保证AAO反应器厌氧区处于绝对的厌氧环境，还避免了二沉池内污泥的上浮。　　本课题分别针对AAO单元、BAF单元和AAO-BAF系统的快速启动，基于种群优化思想，通过控制参数的调整、运行方式的优化，以及与在线监测控制相结合的方式，对新工艺的运行特性和控制策略进行了系统研究，给出了AAO反应器的合适容积比、水力停留时间(HRT)、进水C/N、曝气量和BAF单元的氨氮负荷(ALR)等重要设计和运行参数，并借助序批式试验分析了该系统的工艺原理和微生物学特性。试验用原污水平均COD、NH4+-N、TN、PO43--P、C/N分别为311 mg L1、67.6 mg L-1、77.9 mg L-1、5.5 mg L-1和4.0。　　缺氧好氧容积比(Vano/Vaer)对反硝化除磷非常关键。试验发现，AAO反硝化除磷反应器中Vano/Vaer的增大能够明显强化DPAOs的活性。AAO反应器的Vano/Vaer从2∶5逐步增加到6∶1，氮和磷的去除效果得到了改善。基于DPAOs的比例和营养物（氮和磷）的去除率，合适的Vano/Vaer为2.5∶1到6∶1。当Vano/Vaer为6∶1时，AAO-BAF组合系统对COD、TN和PO43-的去除率分别达到了89％，83％和98％。　　试验首次证实，AAO系统的好氧区对于磷的稳定且高效去除非常重要，即使AAO反应器中DPAOs的比例高达约80％。完全依靠反硝化除磷的厌氧缺氧(AA)-BAF连续流系统处理实际生活污水时，除磷效率低且不稳定。反硝化除磷产生的氮气必须得到有效吹脱，才能维持污泥良好的沉降性能和流动性能，才能保证污泥回流的通畅。AA-BAF系统对COD、NH4+和TN具有很好的去除效果，但试验后期PO43-的去除率从80％迅速降低至了不足40％。　　试验首次详细研究了曝气对反硝化除磷的影响，得出，AAO-BAF连续流反硝化除磷工艺中，好氧过程不仅不可或缺，且要保证一定的曝气量。由于磷的不完全吸收，甚至二次释放，在低曝气量阶段(20 L h-1)，好氧污泥中的聚磷含量减少了43％。ORP和DO能够应用于AAO反应器的实时控制。AAO-BAF系统能够在低碳源需求(C/N=4.0)和低需氧量(DO=0.5 mg L-1)条件下稳定运行，对NH4+、TN和PO43-的去除率分别高达99％、80％和94％。　　AAO-BAF系统的PO43-去除率与NH4+去除率存在良好的相关关系。试验首次得出，为保证90％以上的磷去除率，NH4+去除率应该达到99％。当AAO的HRT为4h，即使BAF的气水比达到8∶1，也不能保证NH4+的完全去除。当AAO的HRT大于等于6h，BAF气水比大于等于4∶1时，AAO-BAF系统对COD、NH4+、TN和PO43-的去除率分别可达87％、99％、80％和95％。　　进水有机物浓度的低或高，可以通过限制厌氧释磷量或竞争AAO反应器缺氧区的NO3-，而影响系统的反硝化除磷效果。在合适的C/N情况下，保证缺氧区内几乎不存在反硝化菌易利用有机物，缺氧区内的硝态氮能够被DPAOs迅速利用，有利于DPAOs的富集。很高的C/N（如9.5）会引起缺氧区内VFA的大量剩余，导致普通反硝化菌迅速利用VFA而消耗大量DPAOs的电子受体NO3-。因此，从AAO-BAF系统的优化控制角度讲，组合系统的适宜进水C/N应大于4，小于7。　　通过分析氮的去除特性，确定了适用于AAO-BAF系统中BAF单元的最佳气水比和ALR。在最佳气水比(3∶1)条件下，ALR在0.55至1.07 kg NH4+-Nm-3 d-1之间时，氨氮去除率始终大于95％。试验证实，悬浮型填料对于BAF的稳定、连续运行，降低运行费用和自用水量是一个很好的选择。　　本课题还研究了AAO-BAF系统的启动情况。发现，经过1个月的停运后，系统去除有机物和氨氮的性能基本没有恶化。得出，好氧HRT为1.3h比0.7h更有利于AAO-BAF系统除磷性能和污泥沉降性能的恢复。　　总之，AAO-BAF系统可以利用有限的碳源达到高效的氮和磷的去除，具有启动快，出水氨氮浓度低，污泥含磷量高沉淀性能好，节约曝气量，二沉池污泥不上浮，升级改造简单等优点。