深圳市要求污水厂提标改造后出水污染物达到地表水准IV类标准,即除TN和SS外,其余指标达到地表水IV类。为此,污水厂迫切需要经济有效的工艺提标改造方案。三级AO工艺是一种高效的生物处理工艺,虽然已经在工程上应用,但其工艺潜力、运行稳定性及其调控策略等缺乏系统研究。本文以深圳市高排放标准城市污水处理为目标,系统研究三级AO工艺污染物处理性能,挖掘工艺潜力,研究筛选与之匹配的适宜深度处理单元,并验证了组合工艺的效能。通过小试实验,优化了三级AO工艺段的主要参数。结果表明,在进水水质:COD为250±30 mg/L、NH₄⁺-N为40±5 mg/L、TN为46±5 mg/L、TP为3.5±0.5 mg/L时,三级AO工艺在HRT为12 h,进水配比为5:3:2,采用一段式硝化液回流且回流比为50%,污泥回流比为80%的条件下,最适工况下出水仅COD和NH₄⁺-N可以稳定达标。为保证出水其他指标（TN、TP和SS）达标,增加了与三级AO工艺段相匹配的深度脱氮、除磷和除SS单元。采用深床滤池进行深度脱氮,外加甲醇作为碳源。调节进水C/N为3:1,设定HRT为0.3 h,出水满足TN≤10 mg/L的要求;采用化学除磷工艺进行深度除磷,通过实验比选了同步化学除磷和后置化学除磷两种除磷方式的运行效能。结果表明,同步化学除磷具有明显优势,即在三级AO工艺的好氧Ⅲ区投加20 mg/L的聚合氯化铝,可使二沉池出水TP≤0.3 mg/L;在三级AO及其深度脱氮除磷工艺之后增设滤布滤池,通量低于5 L/（m2·h）,可保证出水SS≤5 mg/L。在对上述三级AO工艺、同步化学除磷、深床滤池和滤布滤池四个单元分别优化的基础上,进行了工艺组合,考察了该组合工艺的特性。连续运行30 d期间,组合工艺运行稳定,出水浓度:COD为17.6±2.2 mg/L,TN为8.40±0.73 mg/L,NH₄⁺-N为0.28±0.14 mg/L,TP为0.19±0.06 mg/L,SS为4±1 mg/L,满足深圳市污水高排放标准。