2002年12月，中国国家环保总局颁布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，对我国城镇污水处理厂的出水水质，尤其是对出水的氮、磷指标要求更加严格。这不仅对污水处理厂的工艺设计提出了挑战，而且对其运行工艺提出了更高要求，因此污水处理厂面临着进行工艺优化及达标改造以满足新的污水排放标准的问题。　　 本论文以沈阳北部污水处理厂为研究对象，详细介绍了国内外城市污水处理工艺技术发展的历程、现状和趋势，并结合国际水质协会(IWA)开发推荐的活性污泥模型(ASM2D)，分4个阶段对该污水处理厂进行了工艺优化分析及模拟优化改造。采取措施如下：　　 (1)设备评估和分析。通过对污水处理设备的现有运行操作、在线仪器设备进行检查和评价，收集所有可以获得的处理过程参数，如流量、污染物浓度、设备操作参数等。　　 (2)地球化学数据收集和分析。通过现场取样分析，获得了该污水处理厂的基本运行参数。现场分析的水质指标主要有COD、BODs、TN、TKN、SS、NH3-N、NO3-N、NO2-N、TP、PO4-P、碱度等，另外还包括对污泥活性的分析，耗氧速率、硝化速率、反硝化速率、磷的释放及吸收情况等。　　 (3)活性污泥模型的设计和校正。以IWA推荐的活性污泥模型(ASM2D)为通用平台，利用获得的地球化学数据设计北部污水处理厂的工艺模型。然后，利用收集的地球化学数据(包括在线仪器、集中取样、实验室分析、历史数据)对设计的工艺模型进行校正。　　 (4)方案评估及改造建议。利用校正好的活性污泥工艺模型来评估设计条件下各种工艺的处理效果，筛选出了北部污水处理厂最佳的运行条件和处理工艺。　　 本论文的主要研究成果如下：　　 (1)对北部污水处理厂污水处理设施进行了全面的评估和分析。提出了在寒冷地区的城市污水处理厂，一定要重视各种与水接触的间歇运行设备如砂桥、格栅和各种管线、闸阀的防冻保温的建议。同时，要保证各类污水处理设备的完好率、备用率。　　 (2)运用收集到的原始地球化学数据对活性污泥模型(ASM2D)进行了校正，并在模型校正成功基础上，对北部污水处理厂三种可能的污水设计处理工艺(A2/O工艺、5段式Bardenpho工艺、组合工艺)进行了预测及筛选，选定了组合工艺作为北部污水处理厂的最佳脱氮除磷改造方案。为北部污水处理厂的脱氮、除磷改造工作提供了指导，也为沈阳其它城市污水处理厂的工艺优化改造提供了借鉴。　　 本论文通过对提高污水处理厂的出水水质和运行效率的研究，达到了保护水环境和节约能源的最终目的。本论文具备的三个特色为：(1)大规模的地球化学数据收集和分析；(2)设计和校准了以活性污泥模型ASM2D为核心的沈阳北部污水处理厂活性污泥工艺模型；(3)利用校正的ASM2D工艺模型，对沈阳北部污水处理厂进行了工艺优化和预测改造，选定了组合工艺为北部污水处理厂的最佳脱氮除磷改造方案，并为沈阳市及其它城市污水处理厂的工艺优化改造提供了借鉴。