可持续发展的要求增强了人类有效利用资源和环境保护的意识，而城市污水处理过程是水环境保护的一项重要内容。本文针对我国城市污水处理系统能耗高、出水水质不稳定以及工业毒水经常入侵的现状，以A/O工艺城市污水生化处理过程为研究对象，研究通过建模、控制和优化手段提高污水处理系统运行性能和降低运行降耗的理论和方法。论文工作是在国际水协会发布的典型工艺与污水处理厂实际运行环境相结合的基础上完成，内容主要涉及活性污泥模型简化、基于简化模型的工艺改进与过程模拟、仿真平台的建立、关键控制回路设计、工业毒水诊断与应对系统开发以及优化控制方法与应用研究。具体内容包括：　　 (1)基于国际评价基准benchmark实现了污水生化处理过程的稳态模拟和动态模拟，对A2/O工艺的改进进行了仿真研究和分析，结果表明在保证出水水质稳定达标的前提下，改进工艺由于取消了内回流，大大节约了回流泵的能耗。　　 (2)在国际水协会活性污泥模型ASM1模型的基础上，结合我国污水处理过程特点，并充分考虑我国污水处理厂现场测量信息严重不足的现状，对ASM1模型的组分和反应过程进行简化，建立了简化的活性污泥模型，研究了难以测量的模型组分浓度与易测的常规水质指标的转换方法，针对温度对反应速率的影响，研究了模型参数的校正方法。在此基础上，开发了A/O工艺污水生化处理过程模拟与仿真平台，并对辽宁某污水处理厂的实际运行过程进行了模拟，取得了较好的模拟结果。　　 (3)建立了完整的城市污水处理过程控制系统设计框架，引入入水有机负荷和比耗氧速率分别表征微生物(活性污泥)的“食物”(有机物)数量和微生物活性，进行了系统动态特性分析，在此基础上完成了入水流量串级控制、污泥浓度前馈-反馈控制、溶解氧前馈-串级控制三个控制回路的设计。针对溶解氧控制过程采用了仿人智能控制方法，在实际应用中取得了较好的控制效果。　　 (4)针对城市污水处理厂经常遇到的工业毒水侵入的问题，开发了基于专家经验的工业毒水诊断与应对系统，编写了较为完备的专家规则，系统能够在毒水侵入时及时发出警报，并采取相应的应对措施，最大程度的降低污水处理厂的损失，该系统在辽宁某污水处理厂取得了较好的应用效果。　　 (5)在优化控制方面，针对污水处理过程能耗过高的问题，设计了A/O工艺城市污水处理过程的优化控制策略。建立了只考虑底物与微生物两种组分的简化活性污泥模型，以溶解氧浓度和污泥排放量为决策变量，以污水处理厂日运行费用为性能指标，以物料平衡、水质排放标准等限制为约束条件，建立了完整的优化控制模型，实现了污水处理过程的最优控制，采用基于最优步长参数动态搜索的改进型梯度法进行最佳运行工况寻优。通过对辽宁某城市污水处理厂的优化，获得了当前溶解氧浓度设定值和污泥排放量的最优值，在保证出水水质稳定达标的前提下，污水处理厂日运行费用显著降低，为污水处理厂的实际操作提供了指导。