我国北方冬季寒冷漫长,平均水温在4～15℃之间。低温环境下污水处理厂氮磷达标困难,污泥沉降性能差、水面产生大量泡沫且结冰迅速,直接影响出水水质。而提高污泥浓度、延长生化池停留时间、加大污泥回流比等常规改善方法不仅增加了污水厂的运行成本,且出水效果不够稳定理想。因此,开发利于低温、低碳源污水处理的工艺具有重要意义。本试验利用多级AO工艺及多段多级AO耦合生物膜填料工艺生物量丰富、脱氮效率高及抗冲击负荷能力强等特点,采用三级进水连续运行模式,水温为10±0.5℃、进水流量分配5:4:4、进水C/N为7～9、HRT为8h、污泥回流比为50%工况下进行了小试实验,考察了装置对低温低碳源污水污染物的去除效率、反应器内部OUR趋势及污泥浓度、生物膜量规律、混合液硝化反硝化功能及微生物菌群特点等,为低温条件下污水厂的提标改造提供了思路。实验结果表明:（1）多级AO反应器在10±0.5℃环境下20d污泥接种成功,进水COD、NH3-N、TN质量浓度分别为110～280mg/L、13～25mg/L、25～42mg/L,稳定条件下出水COD、NH3-N、TN质量浓度分别为13～34mg/L、9～10mg/L、11～14mg/L,平均去除率分别为88.3%、40%和56.5%,有机物去除能力良好,氨氮去除效果不理想。装置整体OUR值逐级升高,前两级混合液OUR值偏高,好氧池混合液OUR值偏低,第三级差异不明显。（2）改良型多级AO反应器内部投加耦合流离生化球填料挂膜成功约23d,镜检可观察到大片褐色生物膜附着于悬浮填料表面及内部。稳定期间出水COD、NH3-N、TN质量浓度分别为9.03～36.12mg/L、0～1mg/L、10mg/L,平均去除率分别为88.36%、93.56%和72.63%。装置内部三级好氧池、缺氧池污泥浓度呈逐级递减的方式,三级平均污泥浓度分别为6300mg/L、4640mg/L和3580mg/L,三级缺氧池内生物膜量分别为1428mg/L、1500mg/L和1856mg/L,好氧池内生物膜量分别为1588mg/L、1967mg/L、2263mg/L,每级好氧池内悬浮填料上富集的生物膜量均高于厌氧池内生物膜量,反应器内部悬浮污泥浓度和生物膜浓度沿程趋势相反。镜检结果显示,装置中悬浮污泥内富集的微生物,以独缩虫属、草履虫属、轮虫居多,悬浮填料富集的生物膜上多为生长状态的菌胶团。高通量测序结果显示检测到的主要微生物门有Proteobacteria、Bacteroidetes、Nitrospirae、Firmicutes和Planctomycetes,表明装置内部同时存在同步硝化反硝化、厌氧氨氧化和短程硝化反硝化脱氮过程。多段多级AO耦合生物膜填料工艺NH3-N、TN较多级AO工艺去除率分别提高了53.56%和16.13%,出水NH3-N、TN完全达到《城镇污水处理污染物排放标准》GB18918-2002一级A类标准,装置内部微生物种类丰富,脱氮效率较高。