富营养化问题是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。近年来，虽然我国污水处理率不断提高，但是由氮磷污染引起的水体富营养问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。目前我国污水处理厂脱氮除磷普遍存在着能耗高、效率低以及运行不稳定的缺点。如何提高传统工艺脱氮除磷的效果，解决我国日益严重的水污染问题，在我国现阶段无论从节省资金、提高污水处理效果和优化污水脱氮除磷工艺等方面都具有重大意义。　　A/O（缺氧/好氧）工艺是目前实际工程中应用最广泛的生物脱氮工艺，由于缺乏有效的运行控制策略导致脱氮效率较低、运行不稳定、费用高。为了全面系统的对A/O工艺过程控制进行研究，采用“小试－中试－数学模拟”相结合的研究方式。全面系统地研究了A/O工艺运行优化及其过程控制的问题，考察了不同运行工况下系统的处理效果，确定了过程控制变量及其运行策略。在国内外首次全面系统地研究了A/O工艺硝化反硝化过程中环境变量DO、ORP和pH值的变化规律，考察了它们作为控制参数的可行性。在国内外首次全面系统地研究了A/O工艺实现短程硝化反硝化的主要影响因素以及如何维持稳定的亚硝酸氮积累率。　　工艺特性分析可知A/O工艺多输入多输出控制系统可以解藕为5个单输入单输出控制系统－曝气量控制、过渡区控制、污泥量控制、内循环回流量控制和外碳源投加量控制。针对曝气量控制，试验获得：当硝化反应完成时，pH值沿反应器推流方向上一般出现一个最低点。提出了恒定DO控制、反馈控制、前馈反馈控制和OUR控制等四种策略，而DO前馈-反馈控制策略无论从满足出水氨氮排放标准、克服外界干扰以及节约运行费用等方面都优于其它控制策略。为了避免曝气量控制过程中DO浓度过高或过低的情况，提出了DO浓度和好氧区体积综合控制思想，并设定好氧区DO浓度的上限值和下限值分别为3.5mg/L和0.5mg/L。　　研究发现基于污泥层高度控制污泥回流量优于传统的恒定污泥回流量或污泥回流比控制，可提高出水水质，维持系统的稳定性。恒定SRT控制系统优于恒定MLSS控制系统，可减少污泥排放量、降低污泥膨胀发生率，实际运行过程中，应尽可能维持较低的SRT。基于污泥回流量和剩余污泥排放量控制变量，建立了两个新型综合控制策略以及系统优化控制器，由模拟结果可知无论从出水水质还是从运行费用方面，都优于传统的恒定值控制模式。　　基于A/O工艺对进水有机碳源利用效率的分析，获得内循环回流量的最优控制策略就是以维持缺氧区末端硝态氮浓度处于设定值(1～3mg/L)来控制内循环回流量，从而充分利用缺氧区的反硝化潜力，提高系统脱氮效率和进水碳源利用率。针对A/O工艺进水碳源不足，脱氮率较低的问题，建立了两种外碳源投加控制策略：串级控制策略和前馈－反馈控制策略。为实现A/O工艺反硝化反应的优化控制，提出了6个内循环回流和外碳源投加综合性控制策略，并获得它们的最优控制策略。研究发现不同外碳源对应的污泥反硝化特性不同，乙醇是相对最优的外加碳源，具有反硝化速率高、污泥产率低、响应迅速和运行费用低的优势。　　首次全面系统地研究了应用模拟生活污水和实际生活污水，DO、pH和ORP在线传感器作为A/O工艺过程控制参数的可行性。研究发现控制好氧区第1格室曝气量恒定，可得该格室DO浓度(DOfirst)和进水氨氮负荷具有较好的相关性。好氧区首端和末端的pH差值也和进水氨氮负荷具有较好的相关性，联合DOfirst可实现进水氨氮负荷的预测以及曝气量的控制。控制好氧区最后格室DO浓度恒定，获得好氧区最后格室ORP值和出水氨氮、硝酸氮具有较好的相关性，可作为出水水质的指示性参数。好氧区 pH曲线分为“下降型”和“上升型”两大类，可指示系统硝化反应进程、曝气量是否充足、进水碱度是否充足、硝化性能是否稳定。硝化反应完成时在DO曲线上将出现“DO突跃点”，指示系统硝化完成、曝气过量。缺氧区出水硝酸氮浓度和ORP值也具有很好的相关性，可对内循环回流量和外碳源投加量进行有效控制，小试和中试试验分别获得最优ORP值为-90mV和-120mV。缺氧区pH值变化曲线也可一定程度指示反硝化是否完成、回流硝酸氮是否充足。基于以上信息，无需应用营养物在线传感器，直接应用DO、pH和ORP在线传感器就可实现A/O工艺的过程控制，同时提高系统出水水质、降低系统运行费用。　　初步探讨了如何实现A/O工艺的智能控制。建立了DO、外碳源投加、内循环回流等控制变量的模糊控制器以及硝化反硝化反应模糊控制系统，试验和模拟仿真都获得较好效果。另外建立了6个常用专家系统控制决策树，重点研究了硝化反硝化反应专家控制系统，根据专家系统控制决策树，可以很容易获取硝化反硝化反应变差的主要因素及其解决方案。　　首次研究了如何实现和维持连续流A/O工艺中试系统处理实际生活污水的短程硝化反硝化反应。研究表明，DO浓度是A/O工艺实现短程硝化反硝化的主要因素，控制低DO浓度(0.3～0.7mg/L)不但可以实现较好的硝化效果，而且亚硝酸氮平均积累率可达85％或更高。提高DO浓度，大约10d内将破坏系统稳定的短程硝化反硝化；如果再重新维持低DO浓度，需要30d的时间才能恢复到75%以上的亚硝酸氮积累率。当亚硝酸氮积累率从15%升高到85%，系统总氮去除率可提高12%。维持低DO浓度还可以部分实现亚硝酸型同步硝化反硝化。从氮的物料平衡可知，亚硝酸型同步硝化反硝化反应占总氮去除率的6～12%。为了实现稳定较高的亚硝酸氮积累率，研究发现当硝化在好氧区最后格室完成时，pH值下降速度由快变缓（大约降低5倍），应用此信息可以实现A/O工艺短程硝化反硝化的稳定运行和过程控制。全程/短程硝化反硝化运行方式相比较，获知短程硝化反硝化无论从曝气运行费用还是总氮去除率等方面都优于全程硝化反硝化。还研究了如何实现曝气量、内循环回流量、分段进水、外碳源投加量的控制和优化。最后提出了污泥种群优化思想，应用在线过程控制可以实现系统氨氮氧化菌的富集，亚硝酸氮氧化菌的抑制或淘洗，从而实现和维持A/O工艺稳定的短程硝化反硝化反应。