水体富营养化是目前造成我国水污染的原因之一。目前我国颁布了更严格的城镇污水排放标准（GB18918-2002）,相比以前城市污水处理厂出水氮元素的浓度有了更高的要求,其中规定出水氨氮浓度低于5mg/L、总氮浓度低于15mg/L。传统硝化-反硝化工艺具有额外补充碳源、曝气能耗高等诸多弊端。高效的生物脱氮技术成为人们研究的热点之一。基于厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺大大降低了曝气所需能耗,且无须外加有机碳源,剩余污泥产量低,具有显著地优势。本研究开发了一种上流式双层填料反应器用于城市污水单级自养脱氮,研究了低浓度有机物和反冲洗对强化系统启动运行的影响。在此基础上,考察了低氨氮浓度、常温、不同填料比例条件下反应器的脱氮效能,同时对常温低氨氮浓度下系统稳定运行原因进行分析。以预处理的实际生活污水作为进水,考察了反应器处理实际生活污水的运行效能,并分析了不同阶段系统内脱氮途径及其影响因素,同时探讨了内循环比对系统脱氮性能的影响。本研究历时139天成功建立了单级自养脱氮系统,氨氮去除率达到98.3%,总氮去除率达到75.1%。反应器△NO₃^--N/△NH₄⁺-N一直稳定在理论比值0.11附近。反应器表面还有未破碎的厌氧氨氧化颗粒污泥存在,能有效持留厌氧氨氧化菌。反冲洗能较为有效地将亚硝酸盐氧化菌（NOB,nitrite oxidizing bacteria）洗脱,且系统能快速恢复,有利于反应器的稳定运行。低浓度有机物（60mg/L）对单级自养脱氮的启动运行影响较小,并对系统总氮去除性能有利。虽然氨氮去除率比最高时期略低,为92.5%,但总氮去除率提高到84.4%,总氮去除负荷达到0.15 kgN·（m³·d）^-1。在常温低基质运行过程中,通过调节内循环比至1:15,反应器总氮去除率及总氮去除负荷最终分别达到88.7%和0.14kgN·（m³·d）^-1。提高负荷及反冲洗有利于恢复并维持系统稳定运行。当进水未添加有机物时,沸石填料比例更高反应器更能抵御不断改变曝气调节带来的不利影响。聚氨酯填料比例越高,反冲洗后,反硝化菌也得到了更多的生长增殖空间,导致△NO₃^--N/△NH₄⁺-N比值更低。在以上研究的基础上,考察了反应器处理实际生活污水的运行效能。第303天,反应器内循环比提高至1:23后,反应器出水氨氮浓度维持在2⁴mg/L,氨氮去除率稳定在90%以上,平均总氮去除率达到83%。总氮去除负荷达到0.14kgN·（m³·d）^-1,出水能够达到一级A标准。虽然系统中的厌氧氨氧化过程对总氮去除的贡献有所下降,但是厌氧氨氧化仍是系统的主要脱氮途径,而反硝化过程对提高总氮去除率有一定贡献作用。