目前我国小城镇污水处理仍处理较低水平,普遍面临水质水量变化大、技术缺乏、管理不善等问题。因此,针对小城镇典型污水特征,开发应用适宜的高效低耗生物膜法工艺技术十分必要。此外,由于对生物膜的微观作用机制和微生物生态学缺乏深入研究,致使生物膜工艺在运行稳定性上存在不足。为此,本论文以上流式厌氧滤池曝气生物滤池(Up-flow anaerobic biological filter-biological aerated filter,UAF-BAF)为研究对象,研究了COD/N、温度和盐度对UAF-BAF工艺运行效能的影响,通过考察其生物膜特性和微生物群落特征,深入分析了生物膜作用机制和微生物生态学机制。最后结合实际工程案例,证实了其在小城镇污水处理中的适用性。本文首先探讨了COD/N对UAF-BAF工艺效能和生物膜特性的影响。结果表明,随着COD/N减少,系统TN的去除率下降。COD/N的变化明显影响系统污染物的沿程降解规律。基于生物膜特性分析,随着COD/N减少,生物量和生物膜厚度均减少,胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的组成与成分显著变化,脱氢酶活性下降。激光共聚焦荧光显微镜(Confocal laser scanning microscopy,CLSM)图像证实了生物膜结构的微观变化。高通量测序结果表明,随着COD/N减少,UAF反应器内微生物群落多样性显著增加,厚壁菌门的相对丰度由38.0%显著减少到11.5%。此外,功能预测结果显示,随着COD/N减少,氮代谢基因的相对丰度减少。氮代谢通路中,硝酸盐还原酶占据优势地位且相对丰度随COD/N的减少而减少。通过考察温度和COD/N变化对UAF-BAF工艺运行效能的综合影响,分析其在10℃低温污水处理中的可行性。结果表明,UAF-BAF工艺均能实现良好的污染物去除,出水满足一级A排放标准。因此,UAF-BAF工艺是高效稳定的污水处理技术,适合低温污水处理。生物膜特性分析表明,随着COD/N减少,系统生物量、生物膜最大厚度和EPS含量均减少。相反,随着温度下降,它们不同程度增加。CLSM证实了不同运行阶段生物膜组成的微观性质变化。微生物响应结果发现,不同运行条件下微生物多样性和群落结构显著变化。UAF反应器中主要的优势菌属包括弓形菌属、单胞菌属、乳球菌属、脱硫微菌和黄杆菌属,BAF反应器中主要的优势菌属包括紫色杆菌属、黄杆菌属、球衣菌属、假单胞菌和Ferruginibacter。不同运行阶段,微生物群落功能发生明显变化。UAF反应器中,随着COD/N的减少,主要的代谢基因相对丰度增加,而在BAF反应器,B2中主要代谢类型的相对丰度比B1高。为评价UAF-BAF工艺对盐度抑制的适应性,本文探究了不同盐度下的运行效能和生物膜特性。结果表明,盐度增加显著地抑制了NH4+-N和TN的去除,当盐度不高于1.0%时,系统仍能实现较好的去除效果。生物膜物化特性结果显示,随着盐度增加,系统生物量和生物膜厚度减少,BAF反应器EPS中多糖(PS)和蛋白(PN)的含量减少,UAF反应器EPS中PS和PN的含量增加。此外,随着盐度增加,UAF反应器内脱氢酶活性显著下降。CLSM清晰地显示生物膜对盐度增加的响应。16S r RNA结果表明,盐度增加减少了BAF反应器微生物群落的多样性。硝化螺菌属是系统中最优势的属,也是主要的NOB,它的相对丰度显著减少。亚硝化单胞菌属是主要的AOB,随着盐度增加,它的相对丰度增加。功能预测结果表明,随着盐度增加,代谢相关的功能特征发生明显变化。对黑龙江省某小城镇污水处理厂长期运行效果进行分析。结果表明,UAF-BAF工艺对COD、NH4+-N、TN、TP和SS均具有较好的去除效果,出水满足一级A排放标准。基于实际工程的运行成本估算,UAF-BAF工艺吨水处理成本为0.8125元。因此,UAF-BAF工艺是适合小城镇污水处理的高效低耗生物膜法工艺技术。