鉴于南方城镇生活污水污染物浓度偏低的特点，具备截留悬浮物、去碳、硝化、脱氮除磷等功能和具有占地少、投资低、运行成本低、产泥量低、效率高等特点的曝气生物滤池是污水处理新工艺的理想选择，所以研究和开发以曝气生物滤池为核心技术的新型工艺处理低浓度生活污水很有现实意义。为此，本文提出了提高陶粒曝气生物滤池充氧能力和改善流态的措施；探明了滤池的启动运行规律和两种粒径陶粒滤池的净化机理及其差异；确定了运行影响因素的边界条件并优化了滤池结构参数；探明了铝盐化学强化与生物协同除磷过程、微生态变化规律并提出了协同除磷机理；在下向流陶粒曝气生物滤池基础上，开发出上向流陶粒曝气生物滤池和水解膜床．下向流陶粒曝气生物滤池工艺并在工程上成功应用于处理南方城镇低浓度生活污水，确定了工艺操作参数，掌握了启动运行规律。 采用动态法测定陶粒曝气生物滤池的充氧性能，提出了提高充氧能力的措施，即改善曝气方式和进水水质、减小粒径、增加填料层高度和曝气量。应用示踪剂法研究滤池的流态特征，提出了改善流态的措施并建立了水力停留时间、流态预测经验模型。 通过比较两种粒径陶粒曝气生物滤池的启动运行规律，以掌握滤池的启动方法和选取合适的滤料粒径。滤池启动可采用逐渐增加进水量的自然挂膜法，历时32天。小粒径比大粒径陶粒滤池有更好的净化效果和更强的抗水力负荷能力，得益于小粒径陶粒滤池有更高的生物量和生物活性、更接近推流的流态、更强的充氧能力和更有效的过滤截留、生物氧化、生物接触絮凝、微生态作用。探讨了投加铝盐到陶粒曝气生物滤池的化学强化与生物协同除磷效果。若要使出水TP小于1.0 mg·L<-1>，投加系数和气水比宜控制在1.00和5∶1；若要使出水TP小于0.5mg·L<-1>，投加系数和气水比宜控制在1.50-1.75和3∶1。投加铝盐后浊度、tCOD去除率有一定的提高，但氨氮去除率却不受影响；微生物种类和数量基本不受影响；污泥产率增加了0.10-0.16 kgTS·kg△tCOD<-1>。导出了碱度变化量的计算公式。阐明了化学强化与生物协同除磷机理：生物同化作用、化学沉淀及絮凝体吸附作用、物理过滤截留作用、化学与生物协同作用。 开展了工程规模为1150 m<3>·d<1>的上向流陶粒曝气生物滤池应用于一级处理低浓度生活污水的试验研究，历时46天。 为了进一步开发适用于处理中国南方城镇低浓度生活污水的组合工艺，采用具有脱氮功能的水解膜床作为下向流陶粒曝气生物滤池的预处理工艺，工程规模为1270 m<3>·d<-1>的组合工艺成功用于二级处理低浓度生活污水，试验历时234天。虽然低浓度生活污水中的碳源、磷源能满足组合工艺反硝化脱氮要求，但碳源、磷源的缺乏却会抑制微生物的生长繁殖。组合工艺可通过提高回流比和化学强化与生物协同除磷来实现高效脱氮除磷。 提出了陶粒曝气生物滤池处理低浓度生活污水的降解机理以及定量研究了滤池对LAS、PCBs的去除。碳的转化途径包括合成原生质、生物吸收氧化分解、内源呼吸、反硝化脱氮。氮的转化主要通过同化作用、硝化作用和反硝化作用，其中总氮的去除以异养反硝化为主，以自养反硝化、内源反硝化为辅。磷的去除主要通过微生物吸收同化作用和过滤截留作用。LAS、PCBs虽可通过生物膜去除，但很难得到完全降解。 通过正交试验获得了陶粒曝气生物滤池反冲洗的工程应用参数：气反冲洗强度、水反冲洗强度以及气预冲洗时间、气水同时反冲洗时间、单水反冲洗时间分别为4.88、1.44L·m<-2>·s<-1>和4、5、3 min，反冲洗周期为72小时。反冲洗后1.0-2.5小时内，出水浊度和tCOD较高，但氨氮却在反冲洗前后保持较低浓度。反冲洗后35小时内滤池水头损失很小，但随后却大幅度增加。成功开发出适用于上向流和下向流滤池的基础型自控系统。滤池每处理lm<3>低浓度生活污水产生的污泥量为0.01kgTS，能耗为0.177 kWh。