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污水处理厂的工作原理按其处理程度来可分为一级、二级和三级处理。
一级处理主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除百分之三十左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。
二级处理主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质，去除率可达百分之九十以上，使有机污染物达到排放标准。
三级处理是进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法、混凝沉淀法、砂滤法、活性炭吸附法、离子交换法和电渗析法等。
整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者筛率器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，初沉池的出水进入生物处理设备，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理。
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