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水是生命之源、生产之要、生态之基，是重要的自然资源和和经济资源。人类的活动正直接威胁着水资源安全和相关公共卫生。随着工业化和城镇化的快速发展，用水量急剧增加，污水的排放量也相应增加，加剧了水资源的短缺和受纳水体的富营养化。污水处理是水环境治理的重要方式，但是污水处理是高能耗行业，节能降耗已成为当前最为关注的课题之一。为了满足日益严格的排放标准和最小化污水处理厂的操作成本，加深对污水处理过程的认识，借助先进的监控技术和数学模型优化调控污水处理系统的运行，就具有理论和实际的双重意义。 缺氧/好氧(A/O)工艺是目前实际工程中应用最广泛的污水处理工艺之一。对工艺本身认知不足和前馈控制策略缺乏导致营养物去除效率较低、操作成本较高。为了解决上述问题，本研究通过“现场调研-中试试验-数学模型”，并结合实时监控系统研究了A/O工艺处理效率提升技术，以我国南京江心洲污水处理厂为研究对象，分析了运行条件和环境条件对营养物削减的影响，建立了适合该污水处理厂的数学模型，基于情景分析提出了优化方案;建立中试规模的反应器(1.4 m3)，研究了集成实时监控与数学模型的工艺优化调控技术。研究取得的主要结论如下: (1)物质守恒分析表明，在A/O处理工艺中，化学需氧量(Chemical oxygendemand，COD)和总氮(Total nitrogen，TN)削减量主要发生在缺氧池（厌氧池）;好氧池内的同步硝化反硝化(Simultaneous nitrification and denitrification，SND)十分明显;总磷(Total phosphorus，TP)主要在好氧阶段去除，在缺氧区也有一定量的磷得到去除;在二沉池内发生明显的氮磷削减量，证实反硝化聚磷菌(Denitrifying phosphorus accumulating organisms, DPAOs)的存在。 (2)污水处理厂出水的COD在不同季节没有明显差异。在春季及秋季，污水处理厂的脱氮能力良好，在夏季，氮的去除容量最低;在冬季，TN的去除与其它季节具有可比性，表明微生物能适应逐渐改变温度的环境，抵抗低温造成的不利影响。在四个季节中，该污水处理厂在冬季表现出最高的磷去除能力。水温突然变化对微生物的活性有一定的冲击，是造成氮磷去除率短期下降的重要原因。 (3)基于ASM3+Bio-P(EAWAG)模型及当地环境条件，选取三个基准温度（10℃、20℃及30℃），建立了适合该污水处理厂的数学模型。模拟值与实测值的均方相对误差(MSRE)在20％以内，表明建立的数学模型能够较好的模拟该污水处理厂水质转化过程，可以作为污水处理工艺运行优化的工具。敏感性分析结果显示，易生物降解基质的缺氧贮存产物产率(YSTO,N)对模型中COD、氨氮（NH+-N）、硝氮(NO-3-N)及磷酸盐(PO3-4-P)输出结果有重要的影响。 (4)对污水处理厂的操作参数优化后，曝气速率在春季、夏季、秋季、冬季分别减少15％、41％、33％和11％。采用出水水质指数(Effluent quality index，EQI)和运行成本指数(Operational cost index，OCI)两个指标对污水处理厂在四个季节的表现进行评价。结果表明，OCI提升的空间在夏季最高，秋季次之，EQI提升幅度在春季和夏季最高;夏季是调控的重点季节。 (5)中试试验显示，集成在线监控与数学模型进行优化调控，反应器对TN和TP的去除能力显著增加，去除率分别超过50％和70％以上。缺氧区在总生化池容积中的比例从25％扩大到37.5％，进一步强化了营养物去除并节省曝气能耗。 通过研究，丰富了污水处理过程中脱氮除磷机理理论，发现反硝化除磷以及SND等营养物去除途径在削减污染物方面发挥了重要的作用。集成实时监控与数学模型优化调控技术可以提升污水处理效率，为污水处理工艺优化调控提供理论依据和决策支持。 研究的主要创新点如下: (1)深化认识了A/O工艺效率提升的机制，合理投加外碳源，不仅强化了除磷效果，而且也改善了好氧区的SND脱氮能力。 (2)识别了对ASM3+bio-P模型中COD、NH+4-N、NO-3-N及PO3-4-P模拟结果有重要影响的因子，建立了进水负荷和季节性温度变化与提高污染物去除能力和节约能耗之间的响应关系。 (3)结合实时监测数据、运行工况、环境条件与数学模型，建立了城市污水处理优化调控系统，提升了污水处理系统效率。