随着经济的飞速发展和现代化的逐渐实现，我国目前出现越来越多的环境问题，表现在水体污染方面最主要的就是富营养化。水体富营养化的主要原因之一，就是城镇污水处理系统出水中氨氮未完全除尽，使得自然水体中氨氮浓度过高。因此，为了加强其脱氮效果，近年来科研工作者们对能导致生物污水处理系统硝化和反硝化效率恶化的因素予以深入研究。其中，温带地区国家（如中国）季节性温度周期骤降被广泛认为是一个重要的抑制因素。低温条件已经证实对生物污水处理系统中硝化细菌、反硝化细菌和普通异养细菌的活性和生长速率均有不同程度的抑制作用。为了提高生物污水处理系统在低温条件下的脱氮效率和稳定性，本研究分别富集了具有耐低温特性的自养硝化和好氧反硝化两种菌剂，探究了二者在好氧环境下的脱氮性能，并进一步将两种菌剂创造性耦合并应用到实验室水平的低温污水处理系统中。　　首先，通过三个体积不断提升的SBR系统富集得到高效耐低温自养硝化菌剂。该菌剂能在10摄氏度、好氧环境下具有优秀的硝化性能，最大硝化比降解速率为8.85mg N/(g SS·h)。借助分子生物学手段，检测到该种菌剂内主要的优势种群为Nitrosomonas sp.。然后，探究了富集得到的耐低温自养硝化菌剂对于普通SBR系统在低温条件下的生物强化性能。仅需通过一次投加，投加剂量仅为0.04g/L，就能使普通SBR处理系统的出水氨氮达标。长期实验证明该菌剂能够快速整合到现有系统中，稳定性高，强化后系统的抗冲击性强。此外，该耐低温自养硝化菌剂在经过干燥和低温储藏后，依然具有较好的性能，具有很高的工程应用价值。　　进一步在好氧环境下成功富集了一种高效耐低温异养反硝化菌剂。该耐低温异养反硝化菌剂在10摄氏度下反硝化效果优异，最大反硝化比降解速率高达32.93mg N/(g SS·h)。在实现反硝化菌剂快速扩增的同时，优化DO至0.8-1.2mg/L，在缺氧和好氧条件下均有优秀的反硝化效果。借助分子生物学手段，检测到该种菌剂内主要的优势种群为Pseudomonas sp.和Rhodoferax ferrireducens。　　最后，将硝化和反硝化菌剂耦合，得到了能够同步硝化反硝化的耐低温耦合菌剂。该耐低温耦合菌剂能够较好的解决单一使用硝化菌剂的高硝氮出水、单一使用反硝化菌剂碳源消耗大、额外补充碱度平衡pH和额外添加有机碳源的四重问题。该耐低温耦合菌剂能在单一好氧环境去除总氮，简化了系统结构。同时，利用运行方式的优化和DO的控制，使得耦合菌剂能在低COD/N消耗(4)、单一好氧环节、低曝气量和低温条件下实现氨氮和总氮的同步去除，出水能够接近国家一级A出水标准，对于冬季低负荷城镇污水处理厂出水无法达标等问题的解决具有潜力应用价值。