含氮污染物的去除一直都是污水处理中的难题,传统CASS处理工艺在污水处理厂中广泛应用,但其普遍存在总氮处理效果不佳的问题。本文分别通过增加硝化液回流、添加聚氨酯海绵填料两种方式对传统CASS工艺进行改进,研究了循环周期、曝气时间、排水比和内硝化液回流比等运行参数对两种CASS改进工艺中总氮强化去除的影响;并从硝化速率、微生物群落结构和工艺氮转化路线三个方面分析两种改进CASS工艺的脱氮机制。研究结果显示,增加硝化液回流工艺（简称CASS回流工艺）和添加聚氨酯海绵填料工艺（简称CASS复合生物膜工艺）均具有强化总氮去除的能力。与传统CASS工艺相比,CASS回流工艺TN去除率能增加10%-15%,CASS复合生物膜工艺TN去除率增加15%-37%;循环周期24 h,在进水TN浓度为50 mg/L时,传统CASS工艺TN出水为20.77 mg/L,而CASS回流工艺和CASS复合生物膜工艺出水TN浓度分别能低至14.78 mg/L和4.65 mg/L。在单个周期内三种工艺中COD、NH3-N降解的速率最快,反硝化作用在进水前期最强,与传统CASS工艺相比,CASS回流工艺和CASS复合生物膜法TN下降的速率较快。两种CASS改进工艺的处理效果需要考虑循环周期、曝气时间、排水比、硝化液回流比等条件的影响,研究发现,循环周期越长,两种改进工艺处理效果越好,CASS复合生物膜工艺处理效果最佳;曝气时间调整为4 h、5 h、6 h,对两种改进工艺处理效果影响不大,随曝气时间增加两种改进工艺氨氮去除效果有所提高;排水比分别设为30%、50%、90%,较小的排水比有利于氨氮氧化,也能够提高两种改进工艺对总氮的去除能力;调整CASS回流工艺硝化液回流比为20%、35%、50%,发现回流比例为35%时CASS回流工艺氨氮浓度最低,回流比为50%时出水中TN浓度能低于15 mg/L。在最优的运行条件下,两种CASS改进工艺能够发挥最佳的处理作用,强化TN的去除。对工艺脱氮机制分析,结果表明,在异养硝化作用与自养硝化作用中,三种工艺内微生物硝化作用均以异养硝化为主;在细菌硝化与真菌硝化中,细菌硝化作用占主要部分。循环周期为8 h和12 h时,三种工艺的硝化速率均较高,CASS传统工艺的硝化速率在三种工艺中最低;CASS复合生物膜工艺内聚氨酯海绵填料内的硝化速率整体高于悬浮活性污泥。三种CASS工艺内的优势菌属主要是具有降解有机物功能的细菌,如Saccharibacteria（糖杆形菌属）、Propioniciclava（丙酸棒状体菌属）等。三个反应器内均检测到常见的硝化细菌Nitrospira（硝化螺旋菌属）,在CASS传统工艺、CASS回流工艺、CASS复合生物膜工艺中的占比分别为0.21%、0.08%、0.71%。CASS复合生物膜工艺内的Thauera、Rhodobacter、Phaeodactylibacter等脱氮菌含量也最高,且都大量集中在聚氨酯填料中,可见在CASS复合生物膜系统更利于脱氮功能菌的生长。