城市污水是国际公认的宝贵的城市“第二水源”，城市污水再生全流程的研发及应用，是缓解水危机、恢复或维系社会用水健康循环的重中之重。在污水生物处理过程中，为了从本质上解决除磷菌和脱氮菌之间存在的矛盾和竞争，可以将除磷和脱氮过程分别进行考虑。目前，对于生物除磷，厌氧-好氧工艺最为经济可靠；而对于生物脱氮，厌氧氧氧化工艺无疑最具有可持续发展的意义。针对厌氧/好氧生物除磷-部分亚硝化/厌氧氨氧化生物脱氮城市污水再生全流程工艺，通过对除磷反应器的运行工况进行调整，提出了污泥膨胀的解决方法，确定了其快速恢复的技术手段；通过对部分亚硝化和厌氧氨氧化反应的机理特性进行分析，确定了影响生物自养脱氮反应的主要因素，提出了低氨城市污水条件下厌氧氨氧化脱氮的主要技术手段；并将全流程工艺中的脱氮菌和聚磷菌进行耦合，探究了不同工况条件下反应器的运行效能，为全流程优化提供了基础资料。本论文研究工作的主要内容和创新点表现在以下几个方面：（1）确立了低溶解氧控制是实现城市污水部分亚硝化的主要途径对于生物滤池亚硝化系统，通过在滤池上部水中进行曝气和处理水携氧内循环联合的方式，可以实现对生物膜系统内溶解氧浓度的良好控制，并同时能起到提高处理水pH值的作用，这更有利于氨氧化细菌的富集生长。亚硝化生物滤池间歇运行条件下，“三氮”浓度的变化均符合零级动力学反应的特点，而亚氮与氨氮的比例呈二次曲线变化规律，在本试验条件下实现部分亚硝化所需要的适宜水力停留时间为9.05~13.58小时。（2）实现了常温、低氨氮城市污水厌氧氨氧化生物滤池的快速启动接种厌氧氨氧化菌的生物滤池反应器将经历厌氧氨氧化菌的驯化和快速扩增过程，其中驯化时间约为30天，快速扩增时间约为75天。以火山岩活性生物陶粒为滤料的生物膜反应器作为厌氧氨氧化菌富集与增殖的载体，在反应器启动过程中，反应器内生成气体的产量、生物滤料颜色的改变、各类氮素的转化以及pH值等的变化情况，均可作为表征厌氧氨氧化菌驯化与扩增阶段厌氧氨氧化反应特性的重要标志。（3）提出了磷酸盐对厌氧氨氧化生物滤池脱氮性能的影响机制进水磷酸盐浓度的提高对常温、低氨氮城市污水厌氧氨氧化反应存在可逆性抑制作用。当进水总磷浓度高于10mg/L时，在滤池内开始有鸟粪石晶体等沉积物形成，这些沉积物填充了厌氧氨氧化生物填料的部分孔隙，并阻滞了厌氧氨氧化反应基质的正常传递，从而造成了反应器脱氮负荷的明显下降。通过联合减少磷酸盐的投加、短期降低进水pH值和反冲洗三个途径，可在2天内将厌氧氨氧化生物滤池的脱氮负荷恢复至原来的88.8%。（4）获得了SBR同步亚硝化-厌氧氨氧化深度处理城市污水的方法在SBR悬浮污泥法同步亚硝化-厌氧氨氧化处理城市污水的过程中，根据溶解氧、氧化还原电位和pH值在反应周期中的变化规律，在控制DO≤0.30mg/L的系统运行条件时，可将DO=1mg/L作为SBR周期反应终点的标志。在较低温度条件下，厌氧氨氧化菌活性难以提高，考虑到城市污水处理工程的实际情况，相对于升高温度和增加非曝气反应时段两种途径来说，适当提高厌氧氨氧化菌的生物量密度，是提高厌氧氨氧化工艺脱氮效果的适宜途径。（5）实现了常温、低氨氮城市污水生物滤池CANON反应器的启动溶解氧控制可作为常温、低氨氮城市污水条件下，生物滤池亚硝化-厌氧氨氧化反应器启动的主要控制因子，通过在生物滤池上部水中进行曝气和处理水携氧内循环联合的方式，可以实现对生物膜系统内溶解氧浓度的良好控制。间歇式运行条件下，可通过pH值的变化来对反应周期进行实时控制。