针对我国南方城市污水季节性负荷变化较大及氧化沟工艺能耗普遍偏高的问题,以三沟式氧化沟工艺为研究对象,通过分析其工艺特征及能耗现状,识别出该工艺稳定运行与节能降耗的关键要素。构建了三沟式氧化沟工艺的数学模型,基于数值模拟方法分析了三沟式氧化沟工艺中溶解氧及污染物时空间分布规律,模拟并分析了主要工艺参数对三沟式氧化沟工艺出水水质的影响情况,提出了三沟式氧化沟工艺节能优化稳定运行控制方案。研究中分析了三沟式氧化沟工艺的进水动态特征及能耗现状,确定了三沟式氧化沟工艺节能降耗的关键环节为曝气系统的节能优化控制。围绕三沟式氧化沟局部推流特性、整体完全混合及序批式特性的工艺特点及交替运行连续出水的复杂运行工况,以ASM2D模型为模拟机理,以GPS-X污水处理仿真模拟软件为平台,成功构建出三沟式氧化沟工艺的物理模型及数学模型。对数学模型中的化学计量学参数及动力学参数的灵敏度进行分析,将异养菌产率系数YH上调至0.65以校正模型。对实际水质进行动态模拟以验证模型,得到出水COD、TP、NH₄⁺-N和TN平均去除率的模拟值与实测值分别仅相差0.3%、1.8%、0.9%和1.5%,模拟结果与实测结果无显著差异。通过数学模拟方法获得三沟式氧化沟工艺中溶解氧及污染物质的时空分布规律:三沟式氧化沟内溶解氧浓度在空间上存在明显的梯度;溶解氧及污染物浓度分布在时间上呈现非线性及周期性特征。厌氧池可去除部分有机物,残余有机物在氧化沟内被稀释及降解;NH₄⁺-N主要在中沟中去除;反硝化反应主要发生在反应边沟的A、D阶段;除磷功能由厌氧池内聚磷菌释磷、反应边沟内周期性释磷吸磷及中沟连续吸磷作用共同完成。中沟污泥浓度基本保持恒定,边沟中污泥浓度呈周期性变化。影响三沟式氧化沟工艺稳定运行的主要因素包括水温、pH值、污染物浓度、水力停留时间、溶解氧浓度、污泥浓度及污泥龄等。当进水负荷波动范围较大时,通过调节溶解氧浓度、污泥浓度及污泥龄等可控因素,即调节供气量、污泥回流量及排泥量等工艺参数,可增强三沟式氧化沟工艺对水力停留时间及污染物浓度等不可控因素变化的适应性,进而控制出水水质及运行能耗。根据进水季节性动态变化特征将全年分为旱季、雨季及过渡季节三个类型。根据进水时变化特征将每日分为8个控制时段,对各个季节均提出基于时变化特征的三沟式氧化沟工艺离散化节能优化控制方案,即:以进水水量变化趋势为优化控制的前馈主控因素,以溶解氧变化趋势为反馈辅助控制因素,根据三沟式氧化沟工艺运行工况主要影响因素的模拟结果,对曝气系统、污泥回流系统及排泥系统的运行工况进行节能优化控制,并通过数学模拟方法验证了该优化方案的可行性。2010年1月至6月在三沟式氧化沟工艺的实际工程中应用节能优化控制技术,当进水COD、NH₄⁺-N、TN、TP及SS等污染物浓度变化范围分别为149.2¹340.6mg/L、12.4³5.4mg/L、23.8⁷7.8mg/L、2.4²3.1mg/L及82.0¹953.7mg/L时,出水中各污染物浓度范围对应为10.5⁴5.6mg/L、0.1⁴.8mg/L、3.5¹4.8mg/L、0.1⁰.9mg/L及3.0¹5.0mg/L,出水水质稳定良好。吨水单耗及负荷单耗分别下降了6.7%及14.9%,节能效果显著。