与发达国家相比，我国城镇污水处理厂普遍存在进水碳氮比偏低、无机悬浮固体含量偏高等问题。随着污水处理厂污染物排放标准的日趋严格，生物脱氮除磷所需碳源不足的问题更加凸显，直接影响到生物系统整体效能的提高。因此，如何充分有效地利用进水中的碳源，是目前我国城镇污水处理厂普遍面临的工程问题。本论文选择了太湖流域部分典型一级A及更高排放标准的城镇污水处理厂，开展了污水处理过程碳源损耗的调查研究，结合关键工艺节点模拟实验和部分工艺单元的生产性测试，重点探讨了预处理单元复氧与碳源消耗的量化关系，提出相应的工程措施，为城镇污水处理工程精细化设计提供科学依据。　　通过对太湖流域4座不同工艺类型城镇污水处理厂的调查与分析，重点研究了预处理单元的复氧与碳源损耗问题。结果表明，污水处理厂进水通常处于低DO和低ORP状态，而经过进水泵出口、沉砂池出口等敞开式或半敞开式跌水后，DO和ORP均有明显增加，部分工程单一跌水点的DO增量超过3 mg/L，甚至达到4～5 mg/L;预处理单元构筑物内具有明显的DO消耗现象，10 min的停留时间下通常可使DO降低1 mg/L。根据模拟实验和理论计算，因跌水复氧及输水过程消氧可导致5～10 mg/L的碳源无效损耗量。　　调查研究表明，绝大多数污水处理工程将内回流泵安装于高DO区域，加之沿途跌水及冲击造成的复氧作用，导致内回流混合液挟氧问题突出，进入缺氧池前普遍含有2～4 mg/L，甚至更高的DO值，由此导致0.6～5.3 mg/L的TN去除理论损失量。基于DO反硝化脱氮影响的基本理论，结合污水处理厂调研与模型实验结果，构建了内回流混合液挟氧对反硝化脱氮影响的预测模型，并对案例污水处理厂进行了预测。　　城镇污水处理厂回流污泥通常具有较好的内源代谢反硝化能力，平均速率在0.5～0.7 mgNO3--N/g MLVSSh之间，工程中可借助回流污泥高浓度的优势，通过设置一定停留时间的内源反硝化池，实现6～9mg/L的NO3--N去除量的同时，改善厌氧池的厌氧环境，提高厌氧释磷能力，为反硝化除磷或好氧吸磷提供充足的PHB;模拟实验表明，通过改变缺氧池进水方式和控制内回流混合液DO值，可以进一步强化反硝化除磷微生物的竞争优势，实现工程上的反硝化除磷。根据工程模拟条件，在相同工程条件下，反硝化吸磷速率约为好氧吸磷速率的50％。　　结合调研和实验模拟结果，提出了在工程中采取跌水面加盖抑制空气流通、双层加盖控制除臭工程空气流通、斜板缓冲控制跌水扰动等技术措施，可实现预处理单元跌水复氧控制，并对跌水面加盖抑制空气流通方案进行了工程性验证;针对内回流混合液挟氧问题，提出在现有好氧池末端分割出30～50 min的独立消氧区，在200％回流比的情况下，可实现1.5～2.0 mg/L的消氧能力;提出回流污泥内源反硝化池和反硝化除磷池的工程设计方案和控制策略。