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针对传统同步硝化反硝化（SND）处理生活污水过程中脱氮效率低、功能菌群的结构分布、耦合机制及相互作用关系不明晰、缺乏稳定运行参数等问题,研究了溶解氧（DO）浓度为2 mg/L的好氧同步硝化反硝化脱氮效能及脱氮途径,明晰了异养硝化好氧反硝化的作用;在此基础上研究了DO浓度为0.2～0.3 mg/L的低氧同步硝化反硝化脱氮效能及脱氮途径,探索了低氧条件下实现同步硝化反硝化的可行性,并对微生物群落结构和脱氮功能菌进行了深入探讨;为充分利用氧气和有机物,构建了DO浓度低于检测限（0.003 mg/L）的超低溶解氧同步硝化反硝化反应器,研究了水力停留时间（HRT）和碳氮比（C/N）对脱氮能力及微生物群落演替的影响并得出了关键运行参数。主要研究成果如下:（1）解析了好氧同步硝化反硝化脱氮效能及脱氮途径,发现除自养硝化和缺氧反硝化外,异养硝化、好氧反硝化、硝酸盐异化还原及氮固定也是重要途径。在进水NH4+浓度为100.0 mg/L、C/N比为3.8的条件下,于序批式生物膜反应器（SBBR）中实现了好氧同步硝化反硝化,总氮去除率达73.2%,出水NO2-和NO3-浓度低于0.05和0.21 mg/L,SND率达99.8%;当NH4+作为唯一氮源、自养硝化过程和缺氧反硝化过程被抑制时,NH4+去除率达40.3%,且NOx-浓度为2.02 mg/L,而无抑制时NH4+去除率为72.4%,NOx-浓度为0.01 mg/L,说明传统的自养硝化和缺氧反硝化去除总氮的贡献率为44.6%,同时存在异养硝化和好氧反硝化途径;属水平丰度最高的氨氧化菌种为好氧全程氨氧化细菌（0.67%）,高于其他自养氨氧化细菌（0.11%）。全程氨氧化功能丰度为氨氧化功能的95.6%。说明生物膜外部好氧环境中主要进行全程氨氧化;硝酸盐异化还原和氮固定对应的酶Nir B和Nif的丰度仅次于硝酸盐还原酶,说明生物膜内部缺氧环境中进行反硝化、硝酸盐异化还原和氮固定。（2）解析了低氧同步硝化反硝化脱氮效能及途径,发现主要硝化功能菌为全程氨氧化细菌。在连续进水序批式反应器（SBR）和连续进水挂膜反应器（CR）中实现了低氧同步硝化反硝化脱氮,当进水NH4+为50 mg/L时,反应器内DO浓度为0.2～0.3 mg/L,NH4+去除率达89.0%～90.0%,SND率为50.0%;SBR和CR内的nxr B基因相似,80%来源于全程氨氧化细菌Nitrospira nitrosa,20%源于严格的NO2-氧化细菌Nitrospira defluvii,说明硝化途径主要为全程氨氧化;两个反应器内同时存在缺氧反硝化和好氧反硝化菌,但SBR反应器丰度最高的菌属为好氧反硝化细菌Zoogloea（34.65%）和Burkholderiaceae（14.14%）,而CR反应器内丰度最高的菌属为缺氧反硝化细菌OLB8（24.10%）、Saprospiraceae（11.94%）和Denitratisoma（5.40%）,说明反硝化途径为缺氧反硝化及好氧反硝化,存在生物膜时缺氧反硝化途径作用更强。（3）解析了超低氧同步硝化反硝化脱氮效能及途径,得出了超低氧环境下低碳氮比生活污水同步硝化反硝化脱氮效能及关键运行参数。在SBR中实现了超低氧同步硝化反硝化脱氮,当进水NH4+浓度为50.0 mg/L、每立方米污水供空气量为2.7 m3时,反应器内DO浓度维持在0 mg/L,出水NH4+浓度低于2.0 mg/L,SND率达85.0%;当HRT从24 h缩减至20 h后,硝化能力提高5倍,反硝化能力提高1倍,不产生NO2-累积。C/N从2.2升高到8.0后,硝化能力降低了5.9倍,NO3-还原能力提高了1.1倍,但产生NO2-累积,推荐超低氧条件下同步硝化反硝化脱氮最佳HRT和C/N为20 h和2.2;当HRT时间从24 h缩减至20 h后,反应器内自养硝化菌丰度从0.09%提升至0.73%,异养硝化菌丰度从5.42%降低至2.95%,缺氧反硝化菌的丰度从41.46%提升至62.01%,好氧反硝化菌丰度从4.63%提升至8.57%。C/N从2.2提升至8.0后,自养硝化菌丰度降低至0.50%,异养硝化菌丰度提升至31.88%,缺氧反硝化菌丰度降低至23.34%,好氧反硝化菌丰度增加至38.91%。说明低溶解氧同步硝化反硝化脱氮途径为异养硝化和自养硝化、好氧反硝化与缺氧反硝化共存,短HRT有利于自养硝化、缺氧和好氧反硝化作用,高C/N有利于异养硝化和好氧反硝化作用。本研究明晰了好氧、低氧和超低氧同步硝化反硝化脱氮效能及脱氮途径,得出了关键控制参数,丰富了现有的生活污水同步硝化反硝化生物脱氮理论,提出了节省同步硝化反硝化脱氮能耗的思路与方法,为该技术日后的工程应用提供了技术支撑。