城市污水处理厂的主要环境功能是去除城镇居民生活排水中的有机物、氮、磷等营养物，以防止城镇居民生活所产生的污水直接进入环境水体造成污染。基于硝化和反硝化两步过程的传统生物脱氮是大多数城镇生活处理厂去除氮的基本过程。因此城镇生活污水处理厂的稳定和高效的运行取决于活性污泥中的微生物组成和功能微生物群的多样性。现有污水处理厂的设计和运行控制是基于对功能微生物群落最佳参数的了解和应用。根据传统的生物脱氮理论，生物脱氮中的硝化作用(将氨氧化为亚硝酸盐，并进一步氧化为硝酸盐)与氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌(分别为AOB和NOB)的良好活性有关。科学研究表明温度是AOB和NOB这两种细菌生长的关键因素之一，一般来说它们生存的最佳温度为25~35°C之间，但是对于城镇污水处理厂来说，很难在四季变化中保持如此高的的水温，维持AOB和NOB的生物活跃性。这反映在运行中，就是在冬季低温情况下，城镇生活污水厂的硝化反应会出现各类问题。
 
　　在冬季期间，北方城镇生活污水的平均温度在冬季时间处于9~13°C 之间，从硝化菌的适宜温度上来看，这样的温度并不适用于硝化菌的生存，但是北方冬季的城镇污水厂的硝化作用并没有停止，冬季期间，出水的氨氮仍然可以维持在较好的水平，在相关的科学研究中表明，污水处理厂中细菌的多样性随着运行温度的降低而降低；由于低温效应导致AOB和铵氧化菌 (AOA)多样性的减少；在一些高寒地区的污水处理厂的活性污泥以及在 10 ± 2 °C 下运行的试点污水处理厂中检测到了低浓度的常规硝化菌，未知的耐温AOA和异养硝化细菌被认为是冬季保持硝化稳定的主要细菌。这也给污水厂带来一个新的问题，在冬季低温情况下，外加的低温硝化菌是否是主要去除氨氮的细菌？
 
　　从目前的科学研究中还不能明确的说明适应低温的城市活性污泥的关键硝化细菌的数据，在一些运行中的污水厂通过投加外加的低温硝化细菌，对冬季运行期间氨氮的去除效果有改善，但是由于活性污泥内部系统的复杂性，活性污泥中微生物的多样性，无法准确定义出水氨氮的下降是由于投加的低温菌实现的。硝化细菌群落对温度波动有较高的敏感性，但是通过控制剩余污泥排放量，控制生物池内较长的污泥停留时间(SRT)的运行模式，可以增加硝化菌落对低温变化的适应性能。而低温菌的投加过程常常需要污水厂采取减少排泥等措施来维持投加硝化菌的系统停留时间，这与控制SRT有相同的工艺功能。污水厂在运行过程中的复杂和时刻变化的环境因素，以及污水厂缺少足够的能力来判断活性污泥系统硝化菌的种群数量在投加前后是否发生变化，最终很难评判低温硝化菌的作用，但是作为工艺的有效补充保障，投加外加菌种是一项较为有效的措施之一。
 
　　除去投加菌种的措施以外，还有就是延长停留时间，在相关的科学研究表明：对寒带地区的污水处理厂的研究显示了低温运行污水处理厂是存在典型高硝化活性污泥细菌群落结构的，研究发现在寒带污水厂中典型的硝化菌属AOB和NOB丰度非常低，而噬纤维菌目和微球菌目丰度很高，这证实了在寒冷气候条件下亚硝酸盐氧化的重要作用。对这些具有硝化作用的菌属的进一步研究，当温度急剧波动时，污水停留时间的延长可以大幅度提升硝化的效率，因此在多数污水厂冬季运行期间采取的低负荷运行，为污水提供了更长的停留时间，这有助于污水厂的冬季硝化作用的提升，当然反过来说，当冬季期间运行处理水量反而增加的污水厂可能就会面临硝化作用下降，氨氮指标超标的风险。
 
　　采取填料的方式为硝化菌提供附着场所，也是提升冬季氨氮处理保障的一项措施。AOB和NOB在悬浮的活性污泥系统中含量极低，随剩余污泥的排放可以快速流失，在工艺运行中，大量的排放剩余污泥，或者外回流系统出现故障导致生物曝气池内污泥浓度快速下降，就很快会影响到硝化作用，造成出水氨氮超标。增加悬浮填料的方式，悬浮填料内部形成的生物膜系统，增加了硝化菌的数量，即使在系统活性污泥中硝化菌数量减少的同时，也会保持填料中的微生态系统的稳定，在冬季也能提供多于传统活性污泥法的硝化菌的数量。研究表明：尽管运行温度极低，但系统中的属数量相对较多。由于添加了悬浮填料，附着在填料上的生物膜为某些细菌创造了合适的生存微环境，一些硝化细菌(例如Nitrospira、Nitrotoga、Nitrosomonas、Cytophagaceae和Byssovorax)的相对丰度显着高于其他样品。亚硝化单胞菌和亚硝化螺旋菌是活性污泥中最重要的AOB属，而在20°C的城市废水中亚硝化单胞菌是主要的AOB构成菌属。而在该填料的生物膜中，亚硝化单胞菌也是5°C和10°C下的主要AOB。亚硝化单胞菌在生物膜上的相对浓度，可以达到1.42%和2.16%。研究表明，填料内部的微环境有利于某些属在极低温度下的生长。这可以说明在采用MBBR填料的污水厂，冬季对氨氮的去除能力相对于传统的活性污泥工艺有较高的稳定性和抗冲击能力。
 
　　冬季运行期间，氨氮对温度、外界进水负荷、进水水量、进水中异常污染物的浓度、污泥浓度等因素的敏感性极高，也常常造成污水厂在冬季期间氨氮去除能力的保证功能差，污水厂要进行年度的周期性温度变化，进水水质、水量变化、污泥浓度，挥发性污泥浓度的分析，确定污水厂的边界运行条件，采取预先的防控措施，实现冬季氨氮的稳定达标运行。