随着国家对环保要求的日益完善化和严格化,污水排放标准近年来也逐步提升,但是污水处理厂尾水仍然具有水量大、污染物浓度较高、可生化性差等特征,尤其尾水中氮磷浓度偏高,直接外排进入环境存在水体富营养化等生态风险。因此,强化污水厂处理效能的同时增设深度处理单元进一步处理尾水,已成为未来污水厂新建及改造的必然趋势。人工湿地作为生态安全缓冲的深度净化工艺,能有效利用生物/生态高度协同的运行模式提升污水厂尾水处理的效率和质量,是一种高效、低耗且排放满足水体生态健康的污水处理模式。本研究依据实际城镇污水厂厌氧-缺氧-好氧（anaerobic-anoxic-oxic,AAO）污水生物处理系统建立了数学模型,实现了实际AAO系统的数值模拟;同时,搭建了AAO工艺关键运行调控参数边界响应模型,确定了污水厂不同排放标准下的AAO工艺关键运行参数的有效调控区域;最后,结合生物处理工艺与生态处理工艺不同的特点,开展了AAO工艺串联人工湿地处理系统的模拟与运行参数调控研究,为AAO工艺+人工湿地组合系统的实际工程应用提供理论依据。本文的主要研究成果如下:建立了城镇污水处理厂AAO工艺的一维水动力学（O-D WQM）模型与改进的ASM2的组合模型,采用改进的梯度下降算法（GDA）对ASM2的模型参数进行判别,实现了对实际AAO工艺处理过程的数学模拟,研究结果表明:AAO工艺中活性污泥胞外聚合物（EPS）的变化在系统生物除磷过程中起到重要作用,基于此建立了改进的ASM2d模型,该模型包含了内层形成的紧密结合型EPS(TB-EPS,TB-EPS)、外层扩散的松散结合的EPS(LB-EPS,LB-EPS)、及EPS水解产生的可溶性EPS(EPS)三个新组分,结果表明,TB-EPS对磷的去除率为9.37～9.64%,LB-EPS对磷的去除率为4.17～4.29%;进一步构建了AAO工艺的O-D WQM+改进的ASM2的组合模型,分析了实际AAO污水处理厂全年与四季的仿真结果与实际运行数据的拟合效果,结果表明全年的仿真结果可以很好的拟合AAO系统年度实际运行数据,且各季节的仿真结果优于全年的仿真结果,证明了所建立的组合模型可以更好的描述实际AAO系统的污水处理过程。建立了AAO工艺系统氧总传递系数(k La)和内回流比（r）的关键控制参数边界响应模型,以系统出水排放一级A和一级B标准作为约束条件,确定了AAO系统实际出水达标排放下的年度及季度的关键运行调控参数的有效调控区域,研究结果表明:采用多目标寻优实现了AAO系统不同进水污染物变化条件下的控制参数边界优化响应,从而可以得到氧总传递系数（k La）与反硝化效率（η）的敏感区间,当系统达到一级A排放标准时,相同的r所对应的k La均有提高,且当r低于1.8时,理论计算的反硝化效率最大为69.70%,在该系统中无论k La如何提高,均无法满足实现一级A的排放标准;相较而言,进水总氮（TN）浓度对两种关键控制参数的影响更为显著,而进水总磷（TP）浓度的波动对k La和r参数的边界影响较小,拟合曲线始终呈现堆叠状态;通过污水处理过程的能耗分析表明,优化运行参数后的年度控制参数相较于优化前,可实现16.48%的节能效果,而当AAO系统按照不同季度进水条件进行关键控制参数优化调控时,系统可实现节能18.32%,且AAO系统的出水水质和节能效果均有明显提高。构建了基于AAO系统尾水处理数据驱动的人工湿地数学模型,开展了AAO工艺串联人工湿地处理系统的模拟与运行参数调控研究,并基于人工湿地模型及Z分综合评价法进行污水处理效果评估,确定了基于本研究中AAO尾水处理的最佳的人工湿地类型及参数组合:布水方式为垂直潜流;基质材料为砾石-改性沸石-粉煤灰;植物类型为芦苇和香蒲;人工湿地的表面积为300000 m~2、高度为0.8 m、水深为0.24 m;表面水力负荷为0.1[m~3/（m~2·d）];水力停留时间为2.4 d;建立了AAO工艺串联人工湿地处理系统的多目标优化调控模型,确定了组合工艺满足出水一级A达标的稳定控制区间、最佳能耗及控制参数,并对组合工艺的出水水质进行多级识别,划分为红、黄、绿三个分区,研究表明,当组合系统调控参数在绿区出水对应的运行参数进行调控时,组合系统最终出水水质可以稳定达到一级A标准;当组合系统调控参数在绿区出水对应的运行参数进行调控时,每日最佳能耗为2224.21 k W·h,相比于优化前的污水厂节约了40.16%的能耗;当组合系统调控参数在绿区和黄区出水对应的运行参数进行调控时,组合系统中AAO工艺的内回流流量为92050 m~3/d,最小k La值为52.1209 d-1,每日最佳能耗为2664.17 kW·h,相比于优化前的能耗节约28.32%。