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近年来我国加大城镇污水处理的力度，城镇污水厂的数量也在逐年增加，然而，原有的许多污水处理厂对于N、P的去除效率较低，出水水质不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），其主要原因是原有的传统的脱氮除磷工艺在处理低碳氮比城市污水时，存在碳源的竞争以及污泥龄矛盾等问题，使得传统的脱氮除磷效果不佳，急需进行升级改造。A2O工艺是典型的传统脱氮除磷工艺，近年来出现了许多针对A2O工艺的改进工艺，然而有些工艺在解决了碳氮磷的问题之后，又使得工艺变的复杂，运行的稳定性不够，增加费用等问题。因此，本课题基于反硝化除磷理论的A2N工艺，在处理低碳氮比污水时具有良好的处理效果，结合原有A2O工艺的特点，研究得出适合现有污水处理厂升级改造的ANAO工艺。本文主要对ANAO工艺进行小试和中试试验，研究系统的启动、运行并与A2O工艺的处理效果进行对比研究。小试工艺的研究表明：ANAO工艺硝化池采用纤维填料挂膜速度快，处理效果稳定。在处理低碳氮比的污水时，A2O工艺对于COD和氨氮有较好的去除效果，但是对于TN和TP的去除效果较差；A2O工艺厌氧池反硝化现象严重，导致厌氧池释磷不彻底，影响TP的去除效果；A2O工艺缺氧池缺少碳源，反硝化效果较弱，影响TN的去除效果。而ANAO工艺具有良好的效果，对COD、氨氮、TN和TP的去除率分别为82%、97%、70%和98%，出水水质基本上可以达到一级A；缺氧池和好氧池均具有较强吸磷效果，平均吸磷量分别为9.5mg/L和6.04mg/L，二次吸磷保证出水的TP达标；好氧池具有较强硝化效果，氨氮平均去除量为7.15mg/L，可以有效地去除超越污泥中的氨氮。中试工艺在小试工艺的基础上增加了硝化液回流，很好的解决了对于进水氨氮过高出水TN不能够达标的问题，出水TN基本维持在10mg/L以下。通过控制两套中试工艺排泥量，对比两套工艺的处理效果，A2O工艺对于TP的去除效果不好，如果加大排泥量，随着系统的运行A2O工艺出现TN超标的问题，而ANAO工艺运行期间出水水质稳定，可以看出ANAO工艺的污泥产量较低，运行稳定。进而研究了ANAO工艺系统内C、N、P的平衡问题，可以看出现对于传统的A2O工艺而言，ANAO工艺节省碳源、工艺改造简单、污泥产量低、不同菌群分开培养等优点，很好的解决了传统工艺的脱氮除磷的问题，达到了高效脱氮除磷的效果，出水水质稳定。适合作为新型污水厂建立或原有污水厂的升级改造工艺。