“双碳目标”背景下,减污降碳协同增效成为了污水处理行业的迫切需求,因此污水处理厂在提标改造的过程中如何兼顾当前技术水平下的出水质量、运行成本和环境影响成为了重要的课题。然而目前国内外数学模拟技术主要应用于工艺参数的优化,缺乏对水质、运行成本和环境影响的全方位评估分析。基于此,本研究通过对污水厂运行数据的总结及原位调研等方式,分析了污染物的迁移规律及污水厂耗用情况,识别了影响脱氮效能的关键进水特征参数。同时基于GPS-X软件构建了全流程工艺模型,通过模型分析了影响脱氮效能的限制性工艺参数。并利用响应面分析耦合GPS-X软件对目标工艺的脱氮效能进行了优化。最后,构建了多目标优化系统的架构,通过设置不同的目标函数集,围绕污水处理系统中的水质、经济及环境目标进行权衡分析及决策制定。主要研究内容和结论如下:（1）本研究从水质数据方面对大型污水厂进行脱氮效果诊断,运行数据的分析表明目标大型污水厂全年出水的总氮波动较大,呈夏低冬高的季节性规律变化;随机森林模型分析表明进水中特征参数对脱氮效能的重要性排序为总氮＞流量＞总磷＞年份＞氨氮＞p H＞SS＞COD＞天数＞月份＞BOD,表明进水总氮浓度是导致污水厂脱氮效能不稳定的最重要因素;而污水厂的进水流量波动和总磷浓度也在一定程度上对污水处理系统造成了冲击,从而影响了总氮去除效率;其余进水水质特征对总氮去除率的影响相对较小。（2）本研究从工艺参数方面对大型污水厂进行脱氮效果诊断,通过数学模拟识别脱氮的限制性工艺参数。分析结果表明,好氧前段溶解氧浓度（Do＿1）、好氧中段溶解氧浓度（Do＿2）、好氧末段溶解氧浓度（Do＿3）、葡萄糖投加量以及内回流比（R）对出水总氮浓度影响较大;而通过外回流比（Ri）优化脱氮的效果不明显,说明外回流比不是影响脱氮的限制性工艺参数;此外,出水总氮对曝气量的响应规律分析表明,同时控制Do＿1和Do＿2到较低浓度时更容易提高脱氮效能。（3）本研究通过GPS-X模拟耦合响应面分析对总氮去除率进行优化。结果表明当前进水条件下的最佳运行参数为DO＿1=4.00 mg/L,DO＿2=0.04 mg/L,DO＿3=0.24 mg/L,R=186%,排泥量=2000 m~3/d,此时总氮去除率可达到最高（85.37%）。通过对优化前后工艺全流程总氮质量流变化进行分析,表明工艺参数优化前有57%的氮在生化池中被去除（其中缺氧段、厌氧段与好氧段对脱氮的贡献比为34:16:7）,24%的氮通过出水排入水体,19%的氮停留在脱水的污泥中;而采用响应面模型分析出的优化参数后,生化池中去除的氮提高到63%（其中脱氮贡献比为缺氧段:厌氧段:好氧段=28:9:26）,虽然厌缺氧段脱氮贡献比不如优化前,但好氧段的贡献从7%上升到26%,而排放入水体的氮降低到17%。（4）从出水质量指数（EQI）和运行成本指数（OCI）的角度权衡,双目标优化结果表明,在出水稳定达标的情况下春秋季可节省最多36%的操作成本,或维持现有运行成本情况下最多可提升7%的出水质量;类似地,夏季可削减最多45%的操作成本,或可提升最多14%的出水质量;冬季可节省高达67%的运行成本,或可提升最多30%的出水质量。（5）对EQI、OCI和温室气体排放量（GHG）三个目标函数进行权衡,结果表明,与污水厂现工况相比,所有求解得到的优化方案中有23%的决策方案可以同时做到优化三个目标。交互分析发现,如需提升水质且降低温室气体排放量,则需要投入更多的成本;而要同时达到削减成本及碳减排的目的,此时则可能面临出水污染物超标的风险。（6）进一步具体化EQI,设置了出水污染物指标（TN、NH4+-N和COD）、OCI与GHG的五目标函数集,探讨了出水污染物浓度超标的风险及目标出水污染物之间的权衡关系。结果表明运行成本和温室气体排放量较低的方案中出水总氮更接近排放限值,存在超标的风险;但随着出水TN浓度的降低,运行成本与温室气体排放量的变化呈现先下降后上升的趋势,说明存在运行方案能够在一定范围内对总氮进行优化的同时削减运行成本和温室气体排放量;运行成本相同的运行方案之间的温室气体排放量也存在较大差异;较高的出水总氮浓度往往对应较低的出水氨氮浓度,但出水氨氮和温室气体排放量却几乎没有关联性,此外更好的脱氮效果意味着更差的COD去除能力。以上结果表明,应用数学模拟技术对目标污水厂进行诊断,可以探索出脱氮效能稳定、低能耗的运行方案,为目标污水厂的智能化管理提供帮助。同时多目标优化模型可以量化并权衡污水处理厂的技术、经济与环境影响指标,为目标污水厂运行决策的制定提供了参考。