当前我国污水处理厂基本都增设了深度处理，目标旨在进一步去除悬浮物和磷，但是对溶解性氮素，尤其是氨氮的去除效果不甚理想。而污水厂尾排水是一种可再生资源，对其进行深度处理和回用，是缓解当前局部地区水资源短缺、减轻受纳水体污染的一种有效途径。鉴于此，本研究利用SPR-1型悬浮生物载体和轻质陶粒构建了双层填料序批式生物膜反应器（Double-layer-packed Sequencing Biofilm Batch Reactor,DL-SBBR），以城市污水厂常规二级出水为处理对象，考察了低温、低碳氮比条件下除氧预处理，低温和常温条件下控制段溶解氧（DO）水平调整，反应器温度变化以及外碳源投加等对DL-SBBR反应器处理效能的影响，利用16S rRNA解析了不同运行工况下微生物群落结构特征，并探究了其与理化环境特征的关系，主要结果如下：
　　1）于控制段前投加还原剂进行除氧预处理，在低温条件下显著提高了DL-SBBR系统对总无机氮（TIN）和总氮（TN）的净化效率，促进了反硝化作用，但对硝化作用、有机物或磷的去除无显著影响。同时，通过考察控制段DO水平变化，发现低温条件下控制段DO为2.5~3.5mg/L是DL-SBBR深度处理缺碳型二级出水的适宜范围。
　　2）探究了控制段DO调整对常温条件下DL-SBBR深度处理二级出水净化效果的影响，同步分析了微生物群落结构和理化环境特征。结果发现，控制段DO调整对DL-SBBR脱氮性能有显著影响，氨氧化主要发生于控制段，且于控制段内存在同步硝化-反硝化（SimultaneousNitrification and Denitrification,SND）。当控制段DO维持在2.0mg/L时，DL-SBBR脱氮除磷性能最优，磷酸盐（PO43--P）主要通过反硝化聚磷的方式去除；同时段出水盐度（Sal）、比电导率（Specific Conductance,SC）、总溶解固体（Total Dissolved Solids,TDS）、氧化还原电位（ORP）等指标均显著低于其余工况。此外，控制段DO调整对DL-SBBR系统中优势菌种的相对丰度有显著影响；理化环境与优势菌种的关联分析表明，DO调整改变了功能菌丰度进而影响了系统脱氮除磷效果。水质指标净化效率的聚类分析结果表明，PO43--P与TIN和TN的去除具有一致性，氨氮（TAN）的去除效率与部分优势异养菌的丰度呈显著正相关，由此推断于DL-SBBR内可能发生了异养硝化过程。
　　3）探究了反应器温度调整对DL-SBBR净化效率的影响，发现同一反应器中，同时段（3h或6h）温度较高的工况NO3--N的积累率均显著低于温度较低的工况；R1组实验反应温度为20℃时，同时段TAN、TIN的去除效率最高。R1、R2组内同时段温度较高的工况2的PO43--P去除率均显著高于温度较低的工况。此外，同时段温度较高的工况出水的Sal、SC、TDS均显著高于温度较低的工况，出水电阻率（Res）则与之相反。DL-SBBR中物种丰富度与反应温度密切相关。同一反应器中，温度较高的工况2中unclassified_f_Rhodocyclaceae、norank_o_Rhodospirillales、假单胞菌属（Pseudomonas）等优势菌种丰度显著高于温度较低的工况1。DL-SBBR中优势菌种以兼性异养菌为主，自养硝化菌相对缺乏，推断氨氧化主要由异养硝化菌完成。聚类结果表明，TIN和TN的去除具有一致性，且与具有或兼有反硝化功能的蛭弧菌属（Bdellovibrio）、norank_o_Micavibrionales、unclassified_f_Rhodocyclaceae等相对丰度显著正相关。
　　4）针对单级脱氮工艺反硝化碳源不足问题，本研究选择了在温度变化实验中的R1组反应器中，在20℃条件下，于控制段末端投加浓度为150mg/L的有机碳源，考察了碳源投加后，两种不同DO水平下DL-SBBR单个运行周期内净化效率与理化环境的全程变化规律。结果发现，根据周期运行全过程pH、DO等理化指标的变化趋势和拐点位置，推断TAN、CODcr等污染物的降解主要发生在控制段前期。碳源投加后，DL-SBBR出水TN达到一级A标准（GB18918-2002），序批反应周期由360min缩短至330min。