经济的发展对水环境造成了极大的破坏，因此国家保护水资源、加强污水处理项目建设至关重要。我国的污水处理项目是政府主导投资、运营、控制的公共基础设施，投资主体比较单一。然而国家财政资金投资有限，导致污水处理项目效率不高、资金匮乏。为了解决资金不足的问题，国家大力推行污水处理项目BOT和TOT运行模式，实行投资主体、运营模式多样化。本论文从污水处理项目投资者的角度出发，以污水处理项目投资决策为切入点，研究污水处理项目如何投资才能在保证达到环境效益的前提下，使得该项目的投资收益最大化。论文首先以实际数据为基础，通过回归分析得出了污水处理厂建设费用和运行费用的函数形式；在所得出费用函数的基础上，以污水治理项目净现值最大、主要污染物去除率最大为目标函数，以污水设计处理量、实际处理量、主要污染物进出口浓度、投资利润不小于期望值等为约束条件，构建了多目标规划模型；并设计了相应算法来求解多目标规划模型。最后，将所构建的水污染治理投资决策模型在我国东北地区进行了实际应用，研究了污水处理项目投资净现值与实际污水处理量、设计污水处理量、COD出口浓度与进口浓度比、单位污水处理价格变动之间的关系；进一步给出了获取最大利益时的最优投资额；在此基础上给出了政府治理污水、污水处理厂投资运营管理的相关政策建议。