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我国北方部分地区冬季温度较低，城市污水水温可低至10℃，并且存在进水碳源不足问题，碳氮比在3-5之间，低于8-10的适宜碳氮比，这对现阶段污水处理常用的微生物法具有显著抑制作用，导致出水达标困难，对当地环境以及水生态系统带来负面影响。针对该情况，本研究通过对比活性污泥法和生物膜法在低温情况下对于低碳氮比废水的处理效能，在已有的A/O技术基础上，提出了一种组合式处理方案:采用多点回流两级A/O+生物膜组件的装置进行污水生物脱氮，污水原水通过7∶3的分流比进入第一级和第二级缺氧池内，末端好氧池内硝化液分别按照7∶3的比例回流至第一级和第二级缺氧池内，同时在末端好氧池内项部铺设0.5 m厚浸没式生物膜组件维持活性污泥的生物量，并对该方案进行现场试验和工艺优化。 本研究主要以总氮、氨氮和COD为指标，对比考察了生物膜法和活性污泥法对低温低碳氮比污水的处理效能，并辅以高通量测序，探究了活性污泥和生物膜内微生物群落变化和演替规律。 经过一年时间的研究，结果显示，生物膜对于低温和低碳氮比具有极强的耐受性，其内部微生物结构十分稳定。将生物膜组件加入二级A/O工艺中后，可大大强化生物法在低温条件下处理低碳氮比城市污水的稳定性和有效性。对中试多级A/O+生物膜装置进行分流比参数优化后，得到最优工况参数为:进水和混合液回流均按照7∶3的分流比进入一级缺氧池和二级缺氧池。在该工况参数和水温9-10℃条件下，平均进水COD和总氮分别为125 mg/L和26 mg/L的污水经过处理后水质可达COD40-45 mg/L，总氮11-12 mg/L，氨氮0.5-0.8 mg/L。通过沿程分析发现本装置通过内源呼吸提供碳源完成部分脱氮过程，且脱氮所用内源呼吸污泥量可占总内源呼吸所用污泥量的76％，可见本装置对于碳源的利用十分充分，并且在强化脱氮效果的同时具有一定的污泥减量效果。