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水环境污染和水资源短缺加速了污水深度处理与回用的研究。城市污水二级处理出水水质稳定、水量大,是良好的第二水源。生活污水经过二级生化处理后,一般悬浮物颗粒微小、浓度低,溶解性污染物大多为难生物降解有机物。即使如此,由于生物法（如生物膜法）仍然是目前最经济的污水处理方式,这使得人们仍不放弃将生物法作为组合工艺（如与化学法组合）的一部分来对其进行深度处理以实现再生回用。针对现行深度处理工艺存在的去除效率低、占地面积大等问题,在对生活污水二级出水的水质特性进行系统分析的基础上,提出了臭氧预氧化/曝气生物滤池（ozonation/biological aereated filter, O3/BAF）联合工艺,并考察了该联合工艺的长期运行效果、工艺参数和影响因素,并对臭氧预氧化有机物的反应动力学、后续BAF净化有机物的机理、生物膜特性等进行了探讨与分析。二级出水的水质特性分析结果表明,溶解态COD占78.17-86.54%;悬浮物中有机组分占总物质含量的75.54-89.93%;二级出水中大约80%的颗粒分布在2-6.84μm之间。二级出水中分子量（MW）小于1k Dalton的有机物占56.3-62.8%。二级出水的可生化性较差,BDOC仅占DOC的15.5-26%。溶解性有机物和悬浮物（SS）中有机物的GC/MS分析结果表明,具有环状结构的化合物分别占各自总化合物的58%和35%。从结构上看,大多为难降解有机物。上述分析表明,溶解性有机污染物是生活污水二级出水深度处理的主要目标,但由于其可生化性差,采用化学预氧化提高后续BAF的处理效率十分必要。研究了臭氧氧化二级出水的特性。在臭氧投量为10 mg/L、接触时间为4 min情况下,单独臭氧氧化对二级出水的COD、TOC、UV254和色度的去除率分别为25.7%和16.5%、69.3和79.2%;臭氧预氧化使二级出水的可生化性显著提高:使MW<1k Dalton的有机物的比例由52%提高到72.6%、使BDOC从1.08 mg/L提高到2.6 mg/L。建立了臭氧预氧化/曝气生物滤池（O3/BAF）联合工艺。实验发现,臭氧预氧化能够提高二级出水的可生化性,促进后续BAF的生物膜生长,提高生物活性,进而强化BAF的除污染效能。臭氧预氧化与曝气生物滤池具有协同作用,O3/BAF对有机物总量的去除率比单独O3和BAF去除率之和高7-10%;O3/BAF对TOC、UV254、色度的去除效率分别为20-27%、65-75%和87-93%;此外,O3/BAF出水中MW<1k Dalton的有机物比例明显降低。BAF对水力负荷、pH等条件具有较好的适应性。O3/BAF对NH3-N和TN的去除率分别为87-92%和13-17%,TN的去除率主要来源于厌氧氨氧化。实验还发现,温度、NH3-N负荷和pH是影响NH3-N去除的重要因素。在一定温度范围内,温度升高,NH3-N去除率升高;NH3-N负荷增加去除率降低。亚硝化作用最佳pH范围为7.3-7.9,硝化作用的最佳pH范围为6.75-7.5。氮平衡分析表明,供氧受限时,NH3-N被好氧氨氧化菌氧化成NO2-N,然后在生物膜的厌氧区由厌氧氨氧化菌再将NH3-N和NO2-N氧化为N2,同时产生少量NO3-N。上述过程是氮流失的主导原因。气-水联合反冲洗能够有效地去除滤层中的悬浮物和多余的非活性生物膜。适当控制反冲洗强度和时间,反冲洗对有机物去除、硝化作用仅有轻微影响,反冲洗结束后BAF净化效能能较快地恢复到正常水平。臭氧氧化水中有机物的动力学分析认为,臭氧与有机物的氧化反应在0-1.6、1.6-16、16-30 min范围内均呈一级动力学反应,各阶段反应速率常数分别为0.0241、0.00296和0.000732 （L·mg-1·min-1）。在实验和理论分析的基础上,总结提出了曝气生物滤池降解有机物是生物氧化、过滤截留、生物絮凝和食物链分级捕食综合作用的结果。观察发现,进水端生物膜较厚,颜色较深,填料的空隙较小;随着滤层高度增加,生物膜逐渐变薄,颜色逐渐变浅。整个系统中活跃着大量的杆菌、丝状菌、钟虫、藻类、球菌等。进水端、中间段和出水端生物膜表面形态结构、种群组成等各有特点,异养菌和硝化菌分布与有机物去除和硝化作用规律一致。建立了基于有机物浓度和反应器高度两参数的有机物生物降解动力学模型,并根据实验数据进行了线性回归分析,计算得出了模型总体运行常数和填料特性常数,并验证了模型的实用性,该模型可为实际工程提供一定的设计参考。研究结果表明,臭氧预氧化/曝气生物滤池联合工艺对生活污水二级出水具有良好的净化效能,工艺出水的COD、NH3-N低于20 mg/L、2 mg/L,是很有应用前景的污水深度处理工艺。