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本论文基于北京市某污水处理厂实际运行中遇到的问题，针对曝气池升级改造工程来控制污泥膨胀同时确保污水稳定达标进行应用研究与工程设计。进行改造的污水处理厂污水处理采用A2/O处理工艺，受工艺本身特点影响，冬季极易发生污泥膨胀，影响处理水量及水质，此问题一直是冬季制约污水处理厂运行效果的一大难题，新建水厂通过增加生物选择器，或者使用新工艺等方式，可以减少污泥膨胀带来的影响，而对于已建成污水处理厂来说，增加生物选择器等设施存在一定难度，因而选择对对现况曝气池进行设施改造，工程设计本着实施方便，改造工程量小，改造后可增加工艺运行调控的灵活性的基本原则，在冬春季切换A/O工艺运行，实现在冬春季控制污泥膨胀，并通过优化运行参数在提高处理水量同时保证出水水质满足国家排放标准。 针对工程改造项目，搭建模拟小试反应器，验证曝气池改造后对污泥膨胀的抑制作用以及对污染物去除能力的变化，以及AO模式运行下不同内回流比及污泥浓度对曝气池污染物去除能力的影响，小试结果AO模式下运行较A2/O模式运行时丝状菌丰度下降1级，能够有效控制丝状菌生长;AO模式下最佳运行参数为内回流比300％，污泥浓度4000mg/L左右，此时出水水质能够达到与改造前相同效果。根据对改造前曝气池内丝状菌丰度及SVI变化周期，提出运行模式切换最佳时间段为每年10月初至次年4月中旬;由于曝气池切换AO模式后，原A2/O的厌氧区受到破坏，系统生物除磷功能下降，需通过投加化学除磷药剂方法辅助去除总磷，通过烧杯实验，摸索最佳除磷药剂投配率范围在12mg/L左右，为改造后切换运行模式同时总磷实时达标做好准备;针对目前环保局及水务局要求出水实时达标的要求，利用烧杯实验提出紧急应对措施，当发生严重污泥膨胀时投加絮凝剂不超过1.5mg/L，杀菌剂投加量不大于3.75‰，降低污泥膨胀恶化导致出水水质超标的风险。 改造工程实施后，通过跟踪实际运行情况，结合大量现场实际进出水及延程水质检测数据进行分析，结果表明。污水处理厂在每年10月初切换为AO模式运行同时投加化学药剂除磷除磷，能够对污泥膨胀起到抑制作用，切换后丝状菌丰度同比下降一级。SVI较往年下降，处理水量较往年提升7％。通过调整运行参数，出水COD、氨氮、总氮等指标与切换前无明显差异，出水水质能够实现稳定达标。 此次升级改造能够提高目标水厂冬春季处理能力，减轻对现况水厂所在区域的水体污染。同时通过工程实践验证现有水厂通过小规模设施改造解决污泥膨胀问题同时保证出水水质稳定的可行性，为目前已建成运行的污水处理厂在污泥膨胀控制及提高出水水质方面提供理论依据和数据支持。