膜生物反应器（MBR）是一种高效的污水处理与再生技术,目前已应用于实际城市污水处理工程中。实际工程中膜污染和工艺运行能耗偏高是影响MBR广泛应用的两大关键问题。本论文依托国内大型MBR城市污水处理工程,系统表征膜污染与混合液理化性质的季节性变化规律,建立A²/O-MBR污水处理的工艺概化模型,提出生化池曝气控制策略,在膜池实施脉冲曝气以降低能耗和控制膜污染,同时优化膜清洗策略,实现大型MBR工程的节能降耗与优化运行。实际MBR工程中膜污染与温度显著相关,低温导致过滤液粘度上升进而增加过滤阻力,还会刺激微生物产生更多的溶解性代谢产物,增加上清液有机物浓度,从而加剧膜污染。上清液有机物对于实际膜污染的贡献显著,腐殖质是优势膜污染物,多糖和蛋白质中仅有亲水性组分和大分子组分与膜污染潜势显著相关。建立了A²/O-MBR污水生化处理工艺的概化模型,并基于现场测试的结果对模型的关键参数进行了校正。校正后的模型能准确模拟氨氮和总氮去除的动态变化,并且可以预测COD的变化趋势。基于模型建立了生化池曝气控制策略,包括“氨氮-DO-曝气量”两阶串级反馈PI控制和“进水水量-曝气量”补偿控制,模型模拟表明该策略可降低生化池曝气量13%¹8%。该策略成功应用于实际工程中,降低好氧池鼓风机实际功率15%,年平均吨水能耗降低0.02 k Wh/m³。通过对膜池曝气系统的工程改造实现了脉冲曝气模式。脉冲曝气在不加剧膜污染的前提下可降低膜池曝气量31%,平均吨水能耗降低0.11kWh/m³。随总曝气量的增大,混合液粒径变小,胞外多聚物浓度降低,上清液有机物浓度上升,混合液理化性质的变化趋势不利于膜污染控制。结合实际工程的膜污染情况,确定该MBR工程的最适曝气条件（平均SAD值）为33m³/（m²·h）。膜清洗策略的优化包括将酸洗提至碱洗之前、采用草酸代替柠檬酸、在碱洗药剂中加入EDTA-Na₂。酸洗药剂的酸性、络合性均影响清洗效果,酸性为主导因素。在碱洗中添加EDTA-Na₂可以实现清洗药剂对有机和无机污染物的同步去除,进而提升清洗效果,EDTA-Na₂的最佳投加量为150mg/L。采用草酸代替柠檬酸可降低单位膜面积的清洗成本0.12元/m²,加入EDTA-Na₂会增加清洗成本0.13元/m²,综合考虑优化后的清洗策略成本无显著变化。