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本研究以西安市第五污水处理厂升级改造实际工程项目为依托，以污水厂实际运行水质为研究对象，对升级改造前污水厂运行效果进行了分析，提出了升级改造工艺技术方案，并对升级改造后水处理构筑物对主要污染物的去除效果进行了监测分析。研究得出以下主要结论：1、第五污水处理厂提标改造前主要污染物除SS、和TP个别情况下不达标外，其余指标均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级B排放标准要求。其中COD已达到国家一级A标准，出水TN浓度略高于国家一级A标准，因此，提标改造工艺方案应重点对SS、TN和TP进一步去除；2、针对升级改造以SS、TN和TP为主要水质目标，在工艺上着重改进A2/O反应池，增设滤布滤池。通过对生物反应池处理实际污水的能力复核，使出水达到一级A标准，需在原有基础上扩大池容12774m3，但鉴于实际场地有限，增加池容难以实现，故选择添加聚乙烯填料，来提高生物池生物量，且添加填料可缩短建设工期，易于实施改造，经复核计算，添加填料后生化反应池可满足升级改造要求，达到更好的脱氮除磷效果；3、通过对升级改造后主要构筑物运行效果的实际监测和分析，污染物去除率大幅度提高，出水基本符合国家一级A标准，其中COD、SS、TN和NH3-N的去除率分别为97.6%、98%、78%和97%，但TP仍存在不达标情况，不达标率为33%。在对该厂滤布滤池处理效果的分析中发现，增加滤布滤池对出水SS和TP的去除有明显的效果，SS平均去除率可达36%左右，TP平均去除率可达25%，经过滤布滤池处理，除TP偶尔超标外，出水SS稳定达到国家一级A标准要求；4、针对该厂出水TP偶尔超标的情况，进行了化学除磷试验研究，通过对四种常见的化学絮凝剂的比选，结果表明聚合氯化铁去除效果较好，在最优投加药剂量情况下，TP去除率可达65%以上，出水最大TP浓度可稳定降至0.48mg/l以下，建议该厂启动化学除磷系统，并选择聚合氯化铁为该厂化学除磷工艺的絮凝剂。