城镇污水排放始终是地表水的主要污染源，对其进行有效处理是保护水环境的重要措施。在北方寒冷季节，污水处理系统的效能也会因微生物代谢水平下降而受到显著影响，主要污染物，尤其是氮磷的达标排放受到严重威胁。为解决北方污水处理设施在寒冷季节处理效能低，出水达标保障率大幅下降的问题，开发低温污水强化处理技术意义重大。本论文以具有良好脱氮除磷功能的厌氧-缺氧-好氧（A²/O）污水处理系统的运行为基础，对比了23℃和14℃条件下A²/O系统的处理效能，探讨了季节性水温变化对系统处理效能的影响规律和生物学机制，并进一步研究了14℃条件下A²/O系统脱氮除磷效能的强化技术，以期为工程技术的应用提供理论指导和技术支持。A²/O系统在水温为23℃和14℃条件下的启动运行结果表明，温度降低显著延长了A²/O系统的启动过程，且降低了系统的处理效能。在HRT10h、MLSS2800～3000mg/L、好氧池DO2～3mg/L、二沉池污泥回流比50%、硝化液回流比200%和SRT15d的条件下，23℃运行的A²/O污水处理系统可在24d内启动成功并达到稳定运行状态，而在14℃条件下运行的系统，其启动过程则需要28d。当系统处于稳定运行时，23℃和14℃的系统均能保持87%和92%以上的COD和TP去除率，能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准的要求。但在14℃条件下，即便通过污泥回流比和硝化液回流比的优化，系统出水NH₄⁺-N和TN仍不能满足排放要求。对于北方寒冷季节的A²/O污水处理系统的运行管理，应重点关注对NH₄⁺-N氧化能力的调控。温度的季节性降低对A²/O系统的处理效能具有显著影响。在水温从23℃阶段性降为18℃、14℃和11℃的过程中，A²/O系统对污染物的去除效能总体表现为下降趋势。但是，即便是在11℃的条件下，系统出水COD和TP仍能满足GB18918-2002一级A标准。而温度降低到14℃以下时，系统对NH₄⁺-N和TN的去除效能明显下降，甚至无法达标排放。对系统活性污泥微生物的检测发现，活性污泥微生物群落随着季节性温度变化发生了演替，在特定温度下均能检测到新的优势菌群的出现。尽管温度下降从整体上降低了活性污泥的代谢能力，但新的优势菌群的出现，从一定程度上弥补了活性污泥在低温条件下代谢能力的不足，使系统在14℃¹8℃的较低温度下仍能表现出良好的污染物去除效能。然而，这一“补偿作用”是有一定限度的，当水温降低到14℃以下时，尽管也有新的耐冷菌群出现，但系统的整体处理效能仍然受到了很大限制，尤其是增殖缓慢的硝化细菌和反硝化细菌，当温度下降时，其代谢能力受到严重影响，造成系统出水NH₄⁺-N和TN无法达标。驯化培养耐冷功能菌群并以其对A²/O系统进行生物强化，是提高低温条件下污水处理效能的有效途径。以3.24%（w/w）的比例向14℃运行A²/O系统投加耐冷硝化功能菌群，可使系统的NH₄⁺-N和TN去除率从强化前的65%和59.4%提高到72.8%和67.2%，COD去除率也由88%提高到了91%。可见，耐冷硝化功能菌群的投加，不仅提高了系统的脱氮效率，同时也提高了COD去除能力。根据生物脱氮除磷的基本原理，设计出具有厌氧（包括缺氧）和好氧生物相分离功能的双污泥旁路A²/O改良工艺，中间沉淀池和厌氧释磷池的增设，显著提高了A²/O系统的脱氮除磷效能。在HRT10h、中间沉淀池污泥回流比50%、好氧污泥厌氧释磷12h、厌氧释磷池污泥回流比控制在75%等优化条件下，改良A²/O系统在14℃运行时，其出水COD、NH₄⁺-N、TN及TP平均浓度分别为20mg/L、7.8mg/L、18.9mg/L和0.3mg/L。其中，COD和TP达到了GB18918-2002一级A标准，而NH₄⁺-N和TN也达到了一级B标准。