水环境质量变化趋势的综合评价研究是进行流域水污染控制规划与水资源合理利用的重要依据之一。而城市集中污水处理厂的建设则是确保污染物有效减排实现水健康循环的重要手段。本论文以牡丹江污水处理厂为研究对象，对其处理工艺实施的情况进行了氮磷减排与环境效益的系统研究，为我国城市排水减排提供有价值的参考。本论文采用聚类分析与主成分分析相结合方法对牡丹江流域下游污染因子季节性变化分析，并采用环境功能区灰色加权关联度法对不同水期的水质及2013年的水质现状进行综合评价，通过调查与研究全面掌握了牡丹江不同水期、不同断面的水质变化情况，为牡丹江污水处理厂减排效果的预测提供了基础数据。针对污水处理厂下游监测断面水体中氮磷污染物的存在形态与变化趋势进行分析，选用水质模拟模型中的一维、二维水质预测模型，分段建立了牡丹江污水处理厂至柴河大桥段水质预测模型，并将模型应用到污水厂采用深度处理关键技术后的水质预测中，通过模型可以预测水质的时空变化趋势，可以对污水处理厂氮磷减排提供科学指导。研究结果表明污水处理厂应用深度处理关键技术后，下游各断面的氮磷污染物均有不同程度的削减。为研究牡丹江污水处理厂下游段底泥氮磷吸附释放对上覆水体水质的影响规律，对水样与底泥采用实验室模拟。结果表明：下游河段的底泥对上覆水体基本不会造成磷的污染，且从弱吸附态磷角度得出底泥对上覆水中的磷仍具有一定的吸附容量，而在污水处理厂断面氨氮与总氮含量均为最高值，在桦林镇河段也出现升高，加强牡丹江污水处理厂对于总氮、氨氮的处理效果研究，有利于降低底泥总氮和氨氮的沉积，减少底泥含氮污染物二次污染水体的风险。不同影响因素的研究结果表明：在环境温度较高或厌氧条件下，底泥向上覆水体释放氨氮的通量增大，需要对污水处理厂氨氮的排放浓度进行严格控制；在环境温度较低、温度较高或厌氧条件下，总磷的释放通量较大，需要加强总磷排放浓度的控制。当下游水体出现扰动时，除正磷酸盐外其他污染物(氨氮、硝态氮、总磷)的释放通量均增大，需要严格控制污染物排放浓度，防止底泥污染上覆水体。