船舶生活污水直接排放到海水中,会造成海洋环境富营养化甚至藻华。国际海事组织（IMO）制定了严格的排放标准,限制船舶生活污水未经处理不能直接排放,使得新型船舶生活污水处理技术的开发迫在眉睫。现有的船舶生活污水处理技术普遍存在着体积较大和脱氮效果不稳定未能满足IMO新的排放标准等缺点,制约着这些技术在船上的应用。实际船舶生活污水处理系统中可能会遇到进水水质组成变化、温度突变、船舶生活污水盐度变化和冲击负荷等突发情况,但是现有绝大部分研究仅停留于初步的结构优化与因子调控方面,难以考虑到上述突发状况,使得污水处理系统无法应对复杂工况时可能出现的故障。针对上述问题,本研究将多种污水处理技术相耦合构建新型船舶生活污水处理O-AMSMBR系统,辅以动力学模型和分子生物学技术,开展船舶生活污水碳氮降解过程的功能机制研究。首先研究了不同的COD和TN负荷、C/N、p H和温度对O-AMSMBR系统碳氮的降解效能。并基于分子生物学手段研究了新型船舶生活污水处理系统不同类群微生物的协同作用机制。结果表明系统可以实现快速启动,符合船即开即走的特性。常规条件下,由于好氧区内置沉淀池且缺氧区的存在,使得好氧区内存在DO梯度,构造了好氧/缺氧微环境,使得同步硝化反硝化脱氮（SND）成为主要的脱氮方式;当系统处于极端条件如低C/N,低p H和低温下运行时,虽然好氧活性污泥的同步硝化反硝化脱氮效率下降,但是缺氧生物膜上的TN去除率分别提高了22%。以上结果证明了“缺氧微污泥效应”在实际船舶生活污水中的潜力。在C/N和温度变化时,好氧活性污泥和生物膜上相关硝化菌和反硝化菌的协同作用是SND和“微缺氧微污泥效应”发挥作用的关键,保证了O-AMSMBR系统能够在不同进水条件和环境因素改变下保持稳定的脱氮效率。其次,针对现有研究实验研究和工程运行脱节问题,建立了适用于船舶生活污水处理的动力学模型来探究不同条件下碳氮降解的限制因素并提出了潜在的解决方案。通过动态模拟测试了模型的可行性,并对模型进行灵敏度分析和参数校正,保证模型的准确性。利用模型对中试实验仿真发现船舶生活污水的高盐度和低C/N对生物系统的微生物活性都有一定的抑制作用,但是硝化菌对盐度敏感度更高,而反硝化菌由于异氧反硝化碳限制,使得在处理低C/N污水时受抑制程度更大。此外,低温时由于氨氧化菌（AOB）活性下降导致的NH4+-N积累,建议主要在好氧区加装加热装置以提高NH4+-N的去除。但是温度敏感系数研究结果表明低温环境下,O-AMSMBR技术在受到低温冲击时可恢复性更高。动态模拟工程样机实验结果表明,中试和工程实际污水处理反硝化菌相关动力学参数存在较大差异,主要由于部分反硝化菌株可以利用难降解的COD作为碳源进行反硝化,使得反硝化菌的活性受到的影响较小。最后,针对新型船舶生活污水处理技术可能在温度突变和水力负荷冲击下存在的碳氮降解不理想的问题,通过动力学模型和小波神经网络算法（WNN）对现有工艺进行优化。小波神经网络仿真结果表明当生物系统稳定后,温度和HRT则对于O-AMSMBR系统去除污染物效率影响更大。基于此,在系统前端加装一个缓冲池或者好氧区装加热装置来缓解水力负荷剧增和低温对系统的影响。此外,针对受到水力负荷冲击时新型船舶生活污水处理系统工程样机的TN去除效率不理想的问题,基于动力学模型提出了不同的优化方案（提高DO浓度、污泥回流比、MLSS浓度和直接补入碳源）。处理低C/N污水,最优方案为将反应器中的MLSS维持在5000-6000 mg/L,且补入50 g/d的碳源。处理正常C/N船舶生活污水,最优方案为将反应器中的MLSS维持在6000-7000 mg/L或者将污泥回流比提高到70%均可提高TN去除效率。该优化方案可以与控制硬件相结合,当系统受到水力负荷冲击和温度突变影响时,控制系统可以根据优化策略自动对工程样机运行参数进行优化,从而实现软硬件协同控制船舶生活污水处理过程。