多级缺氧/好氧（AO）工艺因碳源利用率高、脱氮除磷效果好等优点,近年来,在我国城市污水处理中开始应用。但该工艺已有的相关研究均以达到一级A排放标准为目标,且在实现更高排放标准（COD≤30 mg/L,TN≤10 mg/L和TP≤0.3 mg/L）的工艺优化及微生物群落特性方面鲜有研究报道。为此,本论文研究了多级AO工艺运行特性,探讨了深床滤池深度脱氮性能,同时,构建了多级AO-深床滤池组合工艺,并探讨其处理低温和低C/N比污水效能及强化脱氮措施。最后,利用微生物组学手段揭示了组合工艺功能菌群特性及响应特征。在常温条件,通过小试单因素试验考察多级AO工艺运行特性,探讨各工艺参数对多级AO工艺污染物去除的影响;提出化学除磷和深床滤池深度脱氮除磷工艺,探讨其运行特性及污染物去除机理。结果表明,多级AO工艺可达到高排放标准,但达标率低,增加深度处理工艺后,出水可稳定达标。在最优的参数条件下,多级AO深度处理组合工艺可实现平均出水COD浓度为19 mg/L、TN为7.59 mg/L、TP为0.14 mg/L,深度处理成本增加0.229元/t。深度处理工艺中的Fe²⁺/S₂O₈^2-化学除磷段可有效地去除多级AO出水中的TP和有机物,反应符合一级动力学方程,其除磷机理在于通过形成Fe₄（PO₄）₃（OH）₃沉淀去除,有机物降解机理为蛋白质类大分子有机物被体系生成的羟基自由基（HO?）和硫酸根自由基（SO₄^-?）降解。深度处理工艺中的深床滤池段可有效去除多级AO工艺出水中的TN,滤池中部TN去除量最大,去除率与生物量呈正比。低温和低C/N比进水影响生物脱氮过程,为保证低温和低C/N比条件组合工艺出水稳定达标,考察低温和低C/N比进水对组合工艺的影响,并提出针对多级AO工艺和深床滤池的强化脱氮措施。结果表明,低温条件下,通过多级AO工艺运行优化、填充10%悬浮填料和延长深床滤池空床停留时间（EBCT）可使低温条件多级AO深度处理组合工艺出水COD、TN和TP平均浓度达到:16、7.78和0.20 mg/L。在低C/N比条件下,工艺参数优化可提高工艺对碳源的利用率,但仍无法满足排放要求,通过投加碳源至C/N为5⁶,组合工艺出水TN和TP低于10和0.3 mg/L。为揭示污染物去除机制,采用高通量测序手段解析了多级AO深度处理组合工艺微生物群落特性,结果表明,多级AO工艺中的A/O交替导致不同功能单元微生物群落丰度和代谢功能存在差异,但多样性差异较小。微生物响应结果发现,进水分配比、混合液回流显著影响厌氧区和缺氧区有机物降解和脱氮功能菌群丰度,低温促使耐低温菌群富集。采用填料强化多级AO工艺脱氮,提高了工艺好氧区脱氮菌丰度,脱氮代谢网络中硝化作用竞争关系增强,进而提高TN的去除效率。在深度处理段,深床滤池中Blastocatellaceae_Subgroup₄和JG30-KF-CM45丰度为6¹0%,其余群落丰度均在2⁵%之间波动,滤池中部功能菌群的丰度高于滤池两端。本研究为多级AO工艺的推广和应用提供理论和技术支撑。