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南水北调是解决北方地区水资源严重短缺问题的特大基础设施项目。其中东线工程从长江下游扬州附近抽引长江水，利用京杭大运河及其平行的河道为输水主干线和分干线逐级提水北送。济宁市位于南水北调东线工程山东段调水干线的汇水区域范围内，市区各河流均汇入作为南水北调东线工程天然调蓄水池的南四湖。因此，南四湖是南水北调东线工程沿线水质保障的重点。为了保障南水北调东线工程的供水安全，山东省建设厅要求济宁市污水处理厂出水水质按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标准控制。
本研究在对济宁市污水处理厂现有处理设施的COD、TN、TP的去除能力的分析基础上，通过采用活性污泥测定仪(ABAM)装置好氧区好氧速率(OUR)测定方法，研究发现该污水处理厂进水中惰性COD浓度较高，并且在现有工艺条件下难以降解去除特性。
根据济宁市污水处理厂进水水质状况及出水水质指标要求，在济宁市污水处理厂现有工艺与设备设施条件分析基础上，确定济宁市污水处理厂升级改造工程主要分为两部分，一是对原有二级生物处理单元的升级改造，目的在于提高有机物、氮、磷的去除效率，稳定二沉池出水的水质，降低后续深度处理工段的难度。二是增加深度处理单元，目的在于提高难降解有机物与总磷去除效率，保证最终出水满足一级A的排放标准。
针对二级生物处理单元的升级改造技术难题，本研究进行了移动床生物膜反应器(MBBR)现场中试研究。研究结果表明，在生化反应系统好氧区前三段投加悬浮填料，填充率在50％以上，可保证二级生物处理系统COD、NH4+-N、TP去除率分别达到85％、90％、70％以上，而且MBBR工艺具有较好的抗冲击负荷能力，同时有助于提高难降解有机物去除能力，为二级生物处理单元的升级改造技术选择提供了技术；针对深度处理单元技术选择问题，本研究通过对絮凝沉淀、过滤及消毒单元的比较分析，确定了深度处理单元技术选择优化方案，即采用斜板沉淀、滤布滤池与NaClO消毒深度处理组合技术方案。
通过上述研究，最终确定济宁市污水处理厂一级A升级改造工程可行性方案为MBBR强化二级生物处理→二次沉淀池→二次提升泵房→絮凝沉淀池→滤布滤池→次氯酸钠消毒池→出水，并对上述技术方案进行了工艺设计。