根据国家“十三五”建设规划,既有污水处理厂大多需要进行升级改造。此外,污水处理厂作为市政末端能耗大户,需要在满足严格排放标准的同时实现节能降耗。传统污水处理工艺优化与改造多基于工程与运行经验,时效差、成本高。国际经验表明,数学模拟技术作为一种强大应用工具,在污水处理厂运行优化与升级改造中具有事半功倍的效果。因此,本研究旨在基于数学模拟技术,对两个既有污水处理工艺进行运行优化和节能降耗研究,不仅有效解决现实问题,也为国内其它污水处理工艺演示一种甚为实用的应用技术。采用TUD联合代谢模型,分别对河北某CAST工艺和山西某A~2/O工艺建立工艺模型,对相关模型参数校正和验证后进行运行优化和工艺改造分析。模拟显示,因CAST工艺存在先天缺陷,现状流程调整、优化对建立生物除磷功能并没有实际效果,仍需要以化学除磷方式进行除磷。采用A~2/O和UCT两种建议改造工艺进行模拟比较后发现,二种工艺生物除磷能力均较现状工艺可大幅提升。其中,UCT工艺表现出更优除磷性能,可以耐受现状工艺1.5倍水量负荷,增加既有CAST工艺的处理能力。若选择UCT工艺对CAST进行改造,在很大程度上能够满足“一级A”出水磷排放标准,同时节省大量化学除磷药剂使用。对山西A~2/O工艺不同温度、SRT、内外回流比、碳源投加等工况进行情景模拟显示,在无大量碳源投加的前提下,出水无明显改善。现状工艺运行措施改变仍无法满足降低碳源投加的痛点。但是,对现状A~2/O工艺进行UCT工艺改造可节省50%以上除磷药剂投加量,亦可节省大量外加碳源。采用ASDM模型,建立山西A~2/O工艺全流程模型,并构建污泥侧流水解模型,以预测效果。模拟显示,侧流比为5%时,挥发性有机酸(VFAs)补充主流量最大。但由于侧流水解量相对于系统水量占比过小,生物系统中VFAs浓度与聚磷菌(PAOs)变化十分微小,出水并不会得到明显改善。扩大工程规模与使用其它可能措施加速水解也难以出现显著效果,甚至还不如改善厌氧环境有效。这表明,污泥侧流水解改造在该厂实施效果十分有限,没有必要实施。