目前，城市污水处理厂普遍存在因污水中碳源匮乏而导致脱氮除磷效果不稳定等问题，对生态环境的影响日趋严重。在这种情况下，开发优化碳源有效利用和强化脱氮污水处理工艺技术十分必要。研究将分段进水工艺与好氧生物膜法相结合，使该系统具有节省内回流设施、无需外加碳源、提高系统抗冲击负荷能力及增加系统生物量等优点，通过理论分析、中试试验结合小试试验研究等手段，对组合工艺处理效能进行了系统的研究。以期该工艺在高效脱氮污水领域的应用推广和类似工艺的污水厂升级改造提供指导。为确保组合工艺反应器整体处于推流状态，通过示踪剂流态实验对反应器的结构进行了改造，同时通过Fluent软件进行模拟，证实改造后的反应器推流状态明显，为实现后续生化试验提供了合适的反应器流态。通过对HRT、温度、进水流量分配比、污泥回流比及缺好氧区容积比等因素对组合工艺处理效能影响的研究，系统研究组合工艺的特点和优势，优选合理的参数取值范围。发现组合工艺系统相对于单纯活性污泥系统抗击外界冲击能力明显。在低HRT的情况下，采取增加曝气和减少排泥的措施提高系统的脱氮效果，对于TP采取化学方式予以去除；对于温度的变化，为了保证较好的处理效果，主要采取调整污泥浓度和DO浓度来实现。根据试验城市污水水质条件分析，得到分段进水分配方式为逐级递减。污泥回流比对组合工艺脱氮影响不大，从不影响脱氮效能又能减少能耗的角度出发，采用50%~100%的回流较适宜。在采用最佳进水分流比的前提下，尽量扩大缺氧区所占容积可以提高系统TN去除率。组合工艺好氧区出现了明显的同步硝化反硝化现象，通过小试实验可以发现，各级好氧区的同步硝化反硝化脱氮效能存在明显差别，第一级脱氮效果最佳，第二级次之，第三级最差。同时发现投加填料有助于同步硝化反硝化脱氮能力的提升。在综合考虑各水质指标处理效果情况下，中试反应器在采取梯级曝气溶解氧搭配为0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L的工况下运行时，反应器的同步硝化反硝化能力得到了最合理的发挥，并从进水方式和生物膜结合的角度分析了组合工艺的脱氮机理。采用显微镜镜检技术观察系统运行阶段活性污泥及生物膜的微生物组成和形态特征，发现组合工艺的生物相较为丰富，活性污泥与生物膜污泥生物相存在一定的差异，并分析了反应器内的微生物特性及微生物固定化机理。组合工艺在试验期间污泥的表观产率基本上在0.12～0.21kgMLSS/kgCOD之间，明显低于常规活性污泥法。采用环境扫描电镜结果显示污泥絮体及生物膜内外均存在供物质交流的孔洞和通道，为组合工艺系统同步硝化反硝化的发生创造了物质和环境条件。组合工艺反应器各级活性污泥及生物膜上微生物的SOUR和DHA均呈下降趋势，生物活性还受温度和碳源的影响，系统的污泥活性与所处环境中的有机质浓度呈正相关关系。通过对系统菌群多样性指数和相似性分析，每一级的活性污泥和生物膜多样性指数相比较，生物膜的多样性指数高于活性污泥，说明生物膜中的微生物种群更为丰富。同时生物膜样品的相似性明显高于活性污泥，这与生物膜中微生物菌群的多样性更高有关。多级A/O+好氧生物膜组合工艺是一种节能、高效和稳定的污水处理工艺，可运用到新建及改造的实际工程中，并通过调节各运行参数以实现系统的最佳工况，提高出水水质。