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我国水污染问题日趋严重,水资源短缺己经影响到生态环境和人类健康,污水排放标准也日趋严格。基于当前情况,对污水处理厂进行提标改造,成为城镇污水处理行业迫在眉睫、亟待解决的关键技术难题。本研究依据天津某污水处理厂的进水水质,以天津市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB12599-2015)的A级标准进行设计,选择多级AO与MBR组合工艺进行试验研究。通过对MAO-MBR工艺的中试设备进行调试和优化试验,系统研究组合工艺的特点和优势,优选合理的参数取值范围,并研究工艺对水中污染物的去除情况和低温下的运行情况。研究结果:在低温(7-13℃)下,经MAO-MBR组合工艺处理后,出水COD、NH3-N、TN、TP 平均浓度 24.45mg/L、0.85mg/L、6.00mg/L、0.10mg/L,平均去除率分别为97%、98%、86%、98%,均达到天津市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB12599-2015)A级标准。系统对进水水质在一定范围内体现出较强的抗冲击负荷能力。通过对HRT、DO、R、SRT和膜池曝气量等因素研究可以得出,当HRT为12.5h时,对各项污染物处理效果较好;DO<1mg/L时,对NH3-N和TN的去除率低,当DO>2mg/L时,影响对有机物的消解,影响出水COD。在污泥回流比R为50%、75%、100%、150%四种工况下运行时,对TN的去除率逐渐增加。在四级多点进水的设计条件下,50%的回流比即可满足出水要求。SRT对TP去除效果影响最大,在SRT=12d时去除率为97.8%,当SRT>40d时,对TP的去除率下降,当SRT=100d时,污泥老化,对COD、NH3-N和TN去除率也出现降低趋势。膜池曝气量为30m3/h时,跨膜压差的增加速率为0.8KPa/d,缓解了膜污染,又保证对TP的去除。对组合工艺MAO-MBR中沿程的变化进行研究得出,MLSS沿程逐渐减低,存在浓度梯度;COD、NH3-N、TN、TP的消耗主要发生在前两级,承担了大部分的去除。COD对TN的影响情况,当COD>400mg/L时,系统的脱氮效果良好,去除率达到85%以上。当COD低于400mg/L时,出水TN在10mg/L左右,去除率降低。从10℃到18℃,组合工艺的硝化速率增加了 25%。与生化部分相比,组合工艺的硝化速率明显较高,温度为10℃时,从0.016kgNH3-N/(kgMLSS·d)增加到0.019kgNH3-N/(kgMLSS·d)。MAO-MBR工艺是一种节能、高效和稳定的污水处理工艺,可运用到升级改造的实际工程中,提高出水水质。