牡丹江是松花江第二大支流，全长726公里，流域面积3.1万平方公里，是我国重要的河流之一。近年来，随着沿岸经济的发展，牡丹江受到的污染日益严重。为保障牡丹江水质安全，针对牡丹江污水厂在低C/N进水条件下处理效果较差的问题，在“十二五”水专项课题的资助下，本试验以改良A2/O工艺为基础，增设从二沉池到好氧首端的污泥回流，并在好氧段投加了填料，研究了试验工艺对低C/N污水的处理效果并建立污染物去除模型。本试验进行了试验工艺影响因素研究，结果表明，在控制厌氧段溶解氧<0.2mg/L、（预）缺氧段溶解氧0.2mg/L～0.5mg/L、好氧段溶解氧在2.5mg/L～3.5mg/L，进水比为1:9，MLSS为3000～4000mg/L，SRT为15d左右的前提条件下，当预缺氧段污泥回流比为15%、好氧段污泥回流比为30%、硝化液回流比为300%时，系统的技术经济效果最佳。此时，COD出水浓度为40.88mg/L，去除率为81.83%；氨氮的出水浓度为1.56mg/L，去除率为95.83%；TN的出水浓度为8.18mg/L，去除率为87.47%；TP的出水浓度为0.15mg/L，去除率为96.49%。试验研究了不同进水C/N条件下工艺的处理效能，结果表明，当进水C/N分别为2.5、3.0、3.5、4.0时，出水COD、氨氮、总氮、总磷四项指标均满足国家一级A排放标准；进水C/N为2.0时，总氮指标不满足国家一级A排放标准。有机物降解效果与硝化效果受进水C/N的影响不大。当进水C/N低于3.0以下时，脱氮效果受到显著影响，除磷效果受到较大影响。当进水C/N在3.0～4.0之间时，脱氮除磷效率较为接近。针对进水C/N为2.0时总氮超标的问题，试验调整进水方式为分段进水，最佳分段进水比为0.3，此条件下出水COD、氨氮、总氮、总磷四项指标均可满足国家一级A排放标准。试验进行了填料比选，根据5种填料在低C/N水质条件下的挂膜速度以及单位填料上的微生物量大小，确定组合填料为试验投加填料，并将其投加到好氧段第一格内。结果表明，投加填料强化了好氧段内的硝化效果与同步硝化反硝化效果，但同时降低了除磷效率。在40%、60%、80%三种投加比条件下，出水COD、氨氮、总氮、总磷四项指标均满足国家一级A排放标准。由于投加比为60%时，COD、氨氮及总氮的去除率最高，最终确定填料的最佳投加比为60%。试验研究了投加填料后调整污泥龄对工艺脱氮除磷的影响，结果表明，投加填料有效地缓解了脱氮与除磷之间存在的污泥龄矛盾，通过加大排泥量缩短系统的污泥龄，可以在合理降低脱氮效率的基础上大大提高了系统的除磷效率。在SRT分别为14d、12d、10d、8d、6d时，出水氨氮、总氮与总磷指标均满足国家一级A排放标准。由于SRT为6d时的总磷指标已接近标准要求的限值，因此为保证系统出水水质稳定达标，SRT最小应为8d。试验进行了厌氧段有机物降解模型、缺氧段反硝化除磷模型以及好氧段硝化模型的研究，建立了厌氧段出水COD浓度、缺氧段出水总磷浓度以及好氧段出水氨氮浓度的稳态公式。厌氧段有机物降解模型中出水COD浓度预测值与试验实测值之间的最大偏差率为15.96%，最小为2.36%；缺氧段反硝化除磷模型中缺氧段出水总磷浓度预测值与试验实测值之间的最大偏差率为12.79%，最小为6.5%；好氧段硝化模型中出水氨氮浓度预测值与试验实测值之间的最大偏差率为6.16%，最小为3.47%。