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污水处理厂担负着水体污染物削减的重要任务。污水厂在设计、建设过程中会出现一定的问题导致运行的稳定性得不到保证，大大影响了其环境效益的发挥。论文结合重庆某小城镇污水厂（以下简称为“A污水厂”）改造工程，首先通过踏勘和论证分析找到其处理效果不好的原因，并提出相应改造措施，根据相似原则设计中试反应装置，并对不同运行工况进行了试验研究，找出了处理效果较好且运行高效的工况，为A污水厂改造运行提供借鉴，也为类似小城镇污水厂改造提供参考。论文主要研究结论如下：①对A污水厂进行了问题诊断，指出其在处理规模、曝气方式、回流方式、推流方式四方面存在缺陷。针对A污水厂的实际情况，设置了中试反应装置，在工艺上进行了以下四点优化：缺氧池厌氧池合并为缺氧池；采用底部微孔曝气；增设推流设备；取消内回流阀门，改设内回流泵作为内回流设备。②通过对中试反应装置的试验研究，在水深为0.5m，内回流比为200%，外回流比为50%~80%的情况下，中试反应装置氧化沟水力停留时间（HRT）控制在12h~15h，曝气量控制在2m3/h~3m3/h为最佳工况。在此工况下，出水均能达一级B标，且SS、COD、NH3-N、TN、TP的去除率分别可达到96.5%、93.1%、98.9%、47.7%、92.6%。③通过控制不同的曝气方式，在进水流量10m3/d，曝气量2.5m3/h~2.7m3/h，混合液回流比200%，外回流比50%~80%的情况下，对各个曝气工况下的中试反应装置处理效果进行研究。结果显示，将临近内回流的曝气区域溶解氧适当降低，尽可能使曝气区域均匀布置，并在曝气沿程适当形成一定的曝气梯度，可以有效提高脱氮的效果；通过适当减少曝气区域和推流器流速，可以降低沟内的紊动程度，促进微观SND过程发生，促进氮的去除。在不同工况主要污染物的削减量的分析中，采用能耗一定的情况下比较污染物削减量的方法得出工况三是比较理想的工况，既满足了水质达标的要求，又能减少不必要的能耗。④通过试验可知，在规范要求满足有效水深4.0m~6.0m的情况下，A污水厂采用底部微孔曝气来提高其处理效果是可行有效的。根据中试反应装置的处理情况，对A污水厂提出改造方案和运行建议。