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20世纪70年代以来，水体富营养化已成为世人瞩目的水环境问题，有效控制氮磷污染物排放是解决水体富营养化的根本途径。针对国家越来越严格的氮磷排放标准，现阶段大部分城镇污水处理厂均面临着升级改造任务。本研究以青岛市李村河污水处理厂为研究对象，结合该污水处理厂采用MBBR升级改造前后的实际运行情况比较处理效果，以强化污水处理二级生化单元脱氮除磷功能以及污水处理厂出水稳定达标为主要研究目标，进行了生产性试验分析系统出水总氮超标的主要原因，在此基础上，为改善系统反硝化效果，以乙酸钠、浓缩池污泥上清液作为补充碳源以强化系统反硝化能力，为此，分别通过静态过程试验确定乙酸钠、浓缩池污泥上清液的适宜补充量，然后对静态试验确定的最优投加量进行生产性试验验证，同时以静态试验研究MBBR填料硝化能力。研究结果表明：1、系统升级改造前后污水处理性能对比试验研究（1）在污水处理厂常温、低温的正常进水条件下，通过对两期生物池改造前、后对比研究发现，升级改造后氨氮和总磷去除更加稳定、效率更高，出水COD、氨氮满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准中的A标准，出水总磷部分时间不达标，需要经过三级处理进行化学除磷，出水总氮大部分时间内超标。（2）通过考察一期2组生物池（1-1未改造、1-2改造）运行效果，采用MBBR改造后系统氨氮、磷酸盐去除能力均提高，出水水质波动性较小。（3）由常温及低温条件下硝化过程试验可知，MBBR对于提高活性污泥系统的抗氨氮负荷冲击能力、抗低温能力以及硝化能力具有重要作用。2、提高升级改造系统处理能力的技术优化研究（1）在低碳源负荷、低回流比、低温的水质条件下，出水COD大部分时间能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准中的A标准，出水氨氮满足一级A排放标准，但是出水总氮无法达到一级A排放标准。（2）在补充碳源、适宜回流比、常温的水质条件下，出水COD、氨氮均能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准中的A标准。出水总氮部分时间内能够达到一级A排放标准。（3）分别以乙酸钠和污泥浓缩池上清液作为补充碳源进行反硝化过程试验，结果表明，乙酸钠浓度控制在40-60mg/L(以CODCr记)时，系统反硝化结果最优；进水与污泥浓缩池上清液按30:1的比例混合时，系统反硝化结果最优。