高速公路服务区一般远离城镇,产生的污水无法直接接入市政管网,需建设独立的污水处理设施。高速公路服务区污水受过往车辆、司乘人员影响,呈现水质水量冲击负荷高、氮磷含量高、碳氮比低的特性,为此本研究采用分段进水多级A/O+MBR组合工艺（简称“组合工艺”）,耦合生物海绵铁填料和改性玉米芯填料强化脱氮除磷,同时考察组合工艺的抗冲击负荷能力。主要研究结果如下:构建三组分段进水两级A/O+MBR平行装置,设置两级A段进水比分别为7:3、6:4和5:5,考察进水比对组合工艺污染物去除尤其是氮去除效果的影响。结果表明:不同进水比条件下,三组装置COD、TP去除效果接近;进水比为7:3的1#装置,NH4+-N和TN去除效果更好,去除率分别达到80.76%和39.24%。通过海绵铁筛选正交试验结合实际应用需求,确定海绵铁适宜粒径为5-8 mm,投加量为120 g/L;并考察了海绵铁不同投加位置（缺氧区、好氧区）对组合工艺污染物去除效果的影响。结果表明:海绵铁投加位置对组合工艺去除COD的影响较小;在缺氧区投加海绵铁导致TN去除效果下降9.16%;而在好氧区投加海绵铁可显著强化组合工艺对NH4+-N、TN去除效果,去除率分别提升了28.04%和83.99%;投加海绵铁可有效提高TP去除效果,且海绵铁投加量是影响TP去除的主要因素。海绵铁强化脱氮动力学试验表明,好氧区投加海绵铁可促进硝化反应;X射线衍射分析发现,好氧区海绵铁Fe OOH、Fe5（PO4）4（OH）3结晶强度明显高于缺氧区海绵铁,且好氧区海绵铁存在FePO4衍射峰;因此好氧区投加海绵铁可强化除磷。改性玉米芯填料显著强化了组合工艺对TN的去除,三组装置TN去除率分别提升了35.84%、34.04%和53.74%。投加海绵铁和改性玉米芯填料的强化组合工艺表现出较强的抗水质冲击负荷能力和较强的适应性,在近2倍进水水质冲击负荷时,系统仍维持较好的去除效果,且当恢复正常进水负荷3-6 d后,强化组合工艺处理效果即可恢复。分段进水两级A/O+MBR组合工艺最佳运行条件为:进水比7:3、好氧区投加120g/L海绵铁填料、两级缺氧区分别投加100 g改性玉米芯填料。在进水COD、NH4+-N、TN和TP平均浓度为324.55 mg/L、61.78 mg/L、64.64 mg/L和4.34 mg/L的条件下,系统出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。