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本研究以活性污泥1号模型(ASM1)以及相关系列模型、厌氧生物处理模型和水生植物生态模型以及颗粒分层沉淀模型为基础，建立了废水生物/生态联合处理模型，其中包括了生物处理子系统模型、生态处理子系统模型和沉淀与组分转化子系统模型三个部分。通过MATLAB/Simulink软件开发工具箱，以Simulink的模块式程序实现该模型的数学表达，为系统模拟仿真和诊断提供了有力的工具。在此基础上，对系统进行物质流、能量流分析。并以物质流和能量流为基础，根据协同学原理，通过调控系统信息流中的控制因素，满足物质流和能量流的局部最优，从而使整个系统达到全局的最优。其主要结论如下：
1)系统仿真：对于生物处理系统，根据一年中的温度情况，分为冬季、夏季和春/秋季3个不同的运行时段。其中，春/秋季运行时段仿真效果最好，污染物仿真的平均误差在10％以下；冬季运行时段由于低温对硝化和反硝化反应的影响没有在模型中得以体现，导致氮的仿真情况较差，平均误差在13％左右；夏季运行时段，由于暴雨影响，使系统被稀释、微生物含量下降，导致其COD仿真情况较差，平均误差近17％，其他污染物仿真的平均误差也高于前两个运行时段；对于生态处理系统，模型根据植物生长特性，分为植物生长时段和非植物生长时段分别进行仿真。由于生态系统的复杂性以及很低的进水浓度，其仿真的平均误差要高于生物系统(碳素仿真平均误差在16％，氮素为18％左右)，但基本可以描述系统的处理效果和水质波动的趋势。这也说明模型尚存一些功能上的不足，有待进一步的完善。
2)物质流：根据废水生物/生态处理系统的特点，采用单物质区域观察法将系统(在多级缺氧—好氧工艺下运行)分为生物处理观察区(其中包括预缺氧、缺氧、好氧和二沉池子观察区)与生态处理观察区，对进入每个(子)区域的碳素和氮素进行物质流分析，确定其盈亏量，分析形态间的转移转化过程。分别建立碳素和氮素在生物和生态处理区内的收支平衡方程，分析这两种物质在两个区域内的流向和分配。在生物处理观察区内：进入区域内的碳素流向微生物量组成、能量、剩余污泥和出水4个部分的质量百分比分别为41％、30％、4％和11％；氮素流向微生物组成、反硝化去除、剩余污泥和出水4个部分的质量百分比分别为17％、46％、3％和35％。在生态处理观察区域，由于植物的生长死亡影响着物质流的平衡，并涉及到光能和生物能以及二者之间更为复杂的相互转化的生物化学过程，以目前的资料还无法建立碳素的流配图；根据氮素的收支平衡方程，其流向植物生长、微生物组成、反硝化去除以及沉滞和出水4个部分的质量比例分别为7％、18％、18％和63％。
3)能量流：建立系统能量流分析的体系与环境。区分了人为环境和自然环境同系统发生的能量交换(暂不分析自然环境同体系发生的能量交换，即生态系统)；根据废水污染物中含有的能量，将污染物常规指标同热能值建立联系，并以热能作为一次能源；将系统内其他能量形式，如操作设备所需或产生的电能、机械能等视为二次能量，并将其折算为一次能源，从而建立了系统能量流分析的基础。以人为可控环境同体系的能量交换为重点，分别从搅拌单元、水泵单元和鼓风机单元分析了能量输入特点及节省能量的运行方式，建立能量输入与体系运行操作的关系。建立了采用多极缺氧-好氧((A)nO)工艺的生物处理系统在多种运行工况下的能量流，分析能量的流向和分配比例。大部分能量在体系内转化为功和热，这部分含量高达80-95％。这其中包括：因处理过程的不可逆反应造成部分和因传质和其他辅助操作单元过量消耗部分(这两部分比例需进一步研究确认)。定义了目标能量比，即被去除污染物所含能量占整个环境对体系的能量输入总量比例。定义了比能耗：每处理单位体积废水所消耗的能量(kWh m-3)或去除单位重量的污染物(COD)所消耗的能量(kWh kg COD-1)。通过这两个概念来分析系统能量的有效利用情况和进行不同工艺间能耗比较，并据此确定了采用(A)nO工艺的生物处理系统能耗最低的运行工况(比能耗为0.88 kWh m-3，目标能量比29％)。以此为基础进一步分析影响系统比能耗和能量有效利用的因素以及系统在四季运行条件下不同工艺工况的能量流。针对不同的运行目标(以去除有机物为主或脱氮为主)，和根据进水不同特点(流量大或污染物浓度大)，在保证出水质量的基础上，从节省能耗的角度推荐出较优的运行工艺和工况。
4)系统协同学优化：根据协同学原理，分别建立物质流子系统、能量流子系统和信息流子系统的目标函数：其中物质流子系统以出水中主要污染物(C、N)达到排放标准GB18918-2002(生物段)和GB3838-2002(生态段)为目标函数；能量流子系统以物质流达到目标函数为限制条件，以系统比能耗最低为目标函数；信息流子系统以控制因素为调控手段，以协同物质、能量流完成目标函数为目标函数。通过各子系统局部最优化的实现达到整个系统的全局最优。设定信息流中的控制因素，包括混合液回流比RN、污泥回流比R和好氧区溶解氧浓度DO。采用均匀设计的方法来分析信息流子系统中的控制因素对物质流和能量流的影响；利用回归分析、响应曲面分析和相应的统计学方法分析控制因素对物质流子系统和能量流子系统目标函数实现的影响规律。通过联合处理模型和能量流中的系统比能耗计算方法对目标函数的实现进行验证；根据影响规律归纳出调控手段，最终建立生物/生态联合处理系统协同优化调控策略表。