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本文以沂水县第二污水处理厂曝气沉砂池+水解酸化池+缺氧池+卡鲁塞尔氧化沟+絮凝沉淀池组合工艺为研究对象，系统的介绍污水处理厂组合工艺不同处理单元的功能及工艺参数，评价污水处理厂组合工艺处理城市污水的运行效果，结合生物学技术，分别解析水解酸化池、缺氧池、卡鲁塞尔氧化沟内微生物形态特征和种群结构。沂水县第二污水处理厂服务区内污水污水经过曝气沉砂池+水解酸化池+缺氧池+卡鲁塞尔氧化沟+絮凝沉淀池组合工艺处理后，出水COD浓度低于47mg/L、BOD5浓度低于7.8mg/L、TN浓度低于11.4mg/L、NH4+-N浓度低于2.8mg/L、TP浓度低于0.5mg/L、SS浓度低于7.8mg/L，出水pH在6.95-7.77之间变化，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准的要求，进水污染物浓度低于设计值情况下，出水污染物浓度不易受进水量增加的影响。季节变化对组合工艺去除COD、BOD5、TN、NH4+-N、TP、SS的影响较小，对氧化沟内污泥沉降性能影响显著。环境温度的降低导致污泥沉降性能降低，在春夏季节，污水处理厂氧化沟内SVI值在22-33ml/g范围内变化，污泥沉降性能良好，在秋冬季节氧化沟内SVI值增加，在28-47ml/g范围内变化，污泥仍然具有良好的沉降性能。2012年2月至2013年1月期间，污水处理厂实现污染物减排COD4340吨、BOD51184吨、TN1159吨、NH4+-N255吨、TP258吨、SS24吨。在水解酸化池中和缺氧池中均以短杆菌和球菌为主。在氧化沟中短杆菌和球菌在氧化沟内普遍存在，丝状菌只在氧化沟中段大量存在。在水解酸化池中Ruminofilibacter xylanolyticum、Brachymonas denitrificans、Dysgonomonas mossii和Brooklawnia cerclae占优势地位。在缺氧池中，filamentous bacterium Plant1Iso8、Ruminofilibacter xylanolyticum、Dysgonomonas mossii、Dechloromonas sp. JJ、Nitrospira sp.和bacterium Ellin6519占优势地位。氧化沟前段filamentous bacteriumPlant1Iso8， Ruminofilibacter xylanolyticum， Brachymonas denitrificans，Dechloromonas sp. JJ，Nitrospira sp，bacterium Ellin6519为优势菌种，在氧化沟末段，Dechloromonas sp. JJ和bacterium Ellin6519消失。filamentous bacteriumPlant1Iso8， Ruminofilibacter xylanolyticum， Brachymonas denitrificans，Dysgonomonas mossii，Brooklawnia cerclae在氧化沟运行过程中几乎一直处于优势菌种的地位。