我国淡水资源短缺,人均水资源严重不足,同时,人口膨胀和经济发展导致污水排放量的逐年递增。若这些含大量氮、磷以及化学需氧量(COD)的污水进入水体,将会使淡水污染现象更加严重。建设城镇污水处理厂是解决水污染问题的重要途径,然而污水处理是能耗密集型行业,污水厂建设费用和运行费用昂贵,直接影响水污染治理的成效。曝气环节是污水处理中最耗能的阶段,占整个污水厂耗电量的50%以上。本课题采用实验研究与工程应用相结合的方式,研究了污水处理厂氧化沟的按需曝气控氮新工艺,通过按需控制曝气量,改善污水厂出水氨氮难达标的现状,提高污水处理效率并节约污水处理耗电量,降低污水处理厂成本。曝气器的充氧性能关系到整个曝气系统性能的发挥。实验考察和验证了鼓风曝气和机械曝气两种曝气方式的充氧性能,结果表明：机械曝气的充氧能力与氧的利用效率都大大低于鼓风曝气,消耗同等的能量,鼓风曝气方式能够向曝气池提供更多的氧量。在此基础上,对传统曝气控制技术方法、原理等进行分析,提出了基于NH4+-N浓度的曝气控制系统,解决了传统DO控制曝气策略生化池DO浓度波动过大,微生物处理环境差、出水达标率低及能耗过高等缺点。以福建省某市污水处理厂为例,对两种曝气系统进行装机容量及能耗分析：(1)将二期氧化沟机械曝气系统更换为鼓风曝气系统,基于出水水质和耗电量估算每年可为污水厂节约308万元；(2)对一期鼓风曝气系统采用NH4+-N控制曝气策略,对出水水质、鼓风机节能效果进行分析,计算表明,NH4+-N控制曝气策略大大缩小了曝气池中DO浓度的波动范围,改善了生物处理工艺的性能,并在保证出水水质达标的前提下,月均单耗降低了13.32%。曝气控制策略具有改善生物处理系统性能和防止过曝气、减少曝气量以节约运行成本的双重作用。