电催化氧化水处理技术以其优越的特点，在难降解有机物处理方面得到广泛关注。该技术经过多年发展，处理效率不断提高，能够满足多种需求，但降低能耗一直都是研究的重点。因此，低能耗高效电催化氧化工艺开发，对于该技术的发展具有重大意义。本文以电催化氧化反应机理及废水的水质水力条件为基础，高效低耗为原则，通过建立数学模型和实验评价体系，对阳极氧化性能、阴极还原性能和反应器传质效能三个核心内容，进行详细的分析与研究。结合阳极材料相关性能参数、·OH的生成机理、废水水质相关指标以及污染物的降解规律，从定量角度，构建了表征体系效能的DSA电极电催化氧化性能预测数学模型。利用实验数据获得了模型中相关参数，并对反应中的不确定因素进行了合理校正。采用泰尔不等式系数（TIC），分别对不同结构相同材料和不同材料DSA电极性能的预测值和实验值进行符合度检验，结果显示，模型预测的可信度符合要求。在此基础上，利用该模型对未知材料和结构的电极进行性能预测，并讨论了不同废水pH值和COD浓度对体系电催化氧化性能的影响。根据预测结果，提出了提高体系性能的方法。根据水质水力条件及三种基本传质方式的综合作用，以废水COD浓度为指标，构建出电催化氧化体系传质效能预测模型。通过实验对模型中的相关参数进行校正；采用传质准数关联方程，以CFD软件模拟的方式对模型进行检验；结果表明，传质模型的灵敏度与准确度均符合要求。应用该模型和CFD模拟的方式，对反应器的外部构型及内部结构排布等细节问题进行了讨论。分析得出，当电极组件在反应器内部垂直放置并与进出水口的相对位置成180°角时，流体在电极组件附近尤其是其内部的传质效果最好；合理设置进出水口的相对位置，可有效增强废水的扰流和回流，同时采用圆形或弧形对反应器构型进行锐化，可有效消除其内部的死区效应，提高传质效率及水处理效果。以不锈钢、钛板、碳布和泡沫镍四种不同材料作为阴极，采用对氯苯酚去除率、TOC去除率、COD去除率、氯离子脱出率以及电流效率为考察指标，对阴极还原性能进行评价研究。将还原性能较强的钛板阴极与模型预测出的纳米结构Ti/RuO₂/SnO₂阳极组合，构建高效的电催化氧化体系。以色度、COD去除率、氯离子去除率以及能耗为考察指标，对比系统改进前后对海宁制药工业废水的处理效果，结果表明：改造后的体系废水处理50min即可达标，比未改造的体系减少了10min；相同处理时间情况下，改造后的体系比未改造的体系COD去除率高4%，色度去除程度高10度，氯离子去除能力高4.23%；与此同时，去除每kgCOD的能耗却降低了3.57kWh。针对体系节能降耗问题，构建了能耗分析评价模型，通过对参数分析以及模型分解，以废水COD浓度变化为桥梁，转换能耗模型与传质模型及阳极性能预测模型的关系，为能耗模型求解以及应用提供了有效方法。将模型应用到某制药厂的废水处理工程改造过程中，根据废水处理要求，应用阳极性能预测模型，确定了反应器的体积，并通过CFD模拟的方式，对其构型进行了合理的改进，同时提出了有效的节能降耗方案，改进后废水处理的总能耗可降低30.80%。此研究结果可为电催化氧化水处理工艺改造及开发，提供有效参考。