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随着我国地表水污染问题的日益严重，污水处理标准的不断提高，以及陕西省《渭河污染治理三年行动计划》和西安市政府下发文件要求，2013年西安市污水处理厂的出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，并对不能满足排放标准的污水厂进行升级改造。基于上述背景，论文以西安市某污水处理厂的倒置A2/O工艺为研究对象，解析了该工艺长期以来面临的出水水质不达标问题，并提出了相应的升级改造方案，对西安市渭河水质改善具有重要的社会与经济效益。对该污水处理厂运行工艺现场调研并对沿程水质各项指标进行研究分析，该污水处理厂出水COD、BOD5、SS、氨氮均能稳定达到一级A标准，但TN和TP超标是处理水不能达标的主要限制因素。处理系统沿程水质分析的结果表明，该污水处理厂存在碳源不足，缺氧段反硝化效果差，以及厌氧段硝酸盐含量过高抑制释磷效果等问题。针对上述问题，提出将该污水处理厂倒置A2/O工艺改成传统A2/O工艺、增加缺氧段停留时间以强化反硝化作用、停用部分初沉池以增加碳源的改造方案。通过上述升级改造，厌氧池硝酸盐含量从升级改造前的平均3.67mg/L减少到改造后的0.17mg/L，厌氧生物池的溶解性碳源从升级改造前的25.69mg/L提高到改造后的31.77mg/L，缺氧生物池的溶解性碳源从升级改造前的25.35mg/L提高到改造后的27.14mg/L，脱氮除磷效果显著提高，且处理水各项指标均能稳定达到一级A排放标准。