氮磷是引起水体富营养化的重要因素,也是多数城市污水处理厂提标改造面临的难题。为了提高我国污水处理厂出水水质,降低水体中氮磷含量,提高水体自净能力,因此研发一种占地面积小、处理效率高和运行能耗低的污水处理工艺对于城市污水处理厂的提标改造就显得尤为必要。本论文主要以西安市第四污水处理厂提标改造后工艺和实际运行状况为研究对象,通过减少初沉池实际运行数量、将倒置A²O工艺调整为传统A²O工艺并且重新划分反应池容积、向厌氧池和缺氧池中添加填充率为20%悬浮填料以及新增纤维转盘滤布滤池措施使出水各项指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A排放标准。本次改造具有工程量少、费用低和充分利用原构筑物特点,以期为同类污水处理厂提标改造提供借鉴。通过国标法对西安市第四污水处理厂改造前后各项进出水指标进行检测,分析出改造前出水COD和NH₃-N指标已达到一级A排放标准,但TN、TP和SS一级A的达标率仅有65.3%、33%和26.7%,因此此次污水处理厂提标改造应以TN、TP和SS为去除对象。提标改造完成后,日常出水COD、NH₃-N、TN和TP、SS等指标平均值分别为25 mg/L、0.28 mg/L、7.21 mg/L和0.21mg/L、5 mg/L,实现完全达标。通过对改造后污水处理系统各级处理效果研究表明:1)减少初沉池运行数量,一级处理（初沉池末端）后出水COD、NH₃-N、TN和TP各项出水指标平均值提高至199.01 mg/L、34.7 mg/L、49.82 mg/L和4.19mg/L,COD由以前的90 mg/L提升到199.01 mg/L,为生物脱氮除磷提供了充足的碳源。2)重新划分生物反应池容积、降低好氧池末端溶解氧浓度、将倒置A²O工艺调整为传统A²O工艺和在厌氧池和缺氧池中添加悬浮填料方式,使厌氧和缺氧池中MLSS含量分别达5620mg/L和6200 mg/L,实现不增反应池容积条件下提高微生物数量,并且厌氧池中硝氮含量低至0.88mg/L,较改造前3.49 mg/L出现大幅度下降,为高效吸磷提供前提。在脱氮方面,改造后缺氧池TN去除量达22.14 mg/L,较改造前约15mg/L获得提高。在除磷方面,改造前厌氧池释磷量约0.67mg/L,改造后提高至1.47mg/L,比改造前增加0.8mg/L;改造前好氧池吸磷量约1.5mg/L,改造后增加至2.77 mg/L,比改造前增加1.27mg/L。3)另外新增的纤维转盘滤布滤池深度处理工艺,对COD、NH₃-N、TN和TP、SS平均去除率分别达到12.7%、15.2%、11%和42.8%、35.09%,尤其是对TP和SS的进一步去除,保证出水常年稳定达标。对复合处理工艺各阶段处理效果通过拟合方法发现,一级物理处理阶段中的NH₃-N、TN、TP和硝氮的相关性显著,二级生物处理阶段基本不具备拟合条件,深度处理阶段仅有COD、NH₃-N和TN这三项指标相关性显著。