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污泥是废水处理过程中必然产生的一类副产物,在人民生活水平不断提高与环境质量标准日益严格的双重作用下,废水排放量与污泥产量持续增加。因污泥具有成分复杂且其性质不稳定的特征,所以污泥的高效安全处置已然成为环境领域的难题。传统的污泥处置方法的不足日益显现,故需寻求新的污泥处理处置途径。另外,废水本身处理是一个能耗高、能效低的生物化学与物理处理协同的复杂系统反应过程,需要多个反应工艺单元的组合与多种工艺设备的投入,同时会产生剩余污泥与温室气体等二次污染源。如何创造新型反应单元组合系统,提高处理效率,降低过程能耗与减少二次污染,仍然是废水处理研究领域的瓶颈问题。论文首次对焦化污泥的热解特性进行探讨,并选择了焦化废水处理过程作为案例进行废水处理能量当量建模与节能优化研究。研究了焦化污泥的物化属性与热值,分析了污泥热解的固液气三相产物的质量分配,并考察了气相产物的组成分布。在此基础上,综合研究了污泥热解过程中原材料成本、净能耗、碳排放与污泥炭吸附能力等四个评价指标,建立了污泥热解综合评分模型。运用该模型优化了污泥热解制备污泥炭的控制条件参数,获得综合性能优异的污泥炭应用于后续焦化废水吸附处理研究。比较了两种吸附模式（集中循环式（CCM）与传统分布式（TDM））的综合效益的优劣。进一步设计了一级好氧生物处理单元耦合双重吸附（AB-DA）的焦化废水处理工艺,揭示过程能量转化的内在规律。最后,研发了复杂多级生物处理单元耦合二级吸附（A2BA1）的焦化废水深度处理系统,并辅以数学方法与软件模拟加以建模与求证,获知该组合系统的节能优化与运行控制的规律。主要获得研究结果如下:（1）焦化污泥中因元素分布的不同,与城市污水污泥相比,更有利于污泥炭的制备。在工业分析中,挥发性物质与固定碳含量比城市污水污泥分别高出约42%与50%,灰分却低45%,说明有利于污泥炭的造孔与液气两相产物的能量回收。在元素分析中,C与S比城市污水污泥分别高出30%左右。从侧面说明有利于污泥炭制备,但对气相产物需要冷凝以减少含硫气体二次污染。因焦化污泥氧元素含量高,易与其他元素形成氧化物,故其燃烧热值比城市污水污泥低。（2）焦化污泥热解过程中,三相产物质量分配与气体组成体积分布与热解温度、保温时间及升温速率密切相关,与热解温度最为显著。随着热解温度升高,挥发性有机物的二次反应加剧,使得液体产率缓慢减小,而气体产率升高。气体成分CO上升趋势明显,H2与CH4缓慢增加但幅度较小。在热解温度达到550 oC后,固液两相产物产率降低而气相产物产率增加;非冷凝性气体组分变化趋势一致,但因保温时间与升温速率导致的变化比热解温度所导致的变化小。（3）综合评分模型被建立且能较为准确的评价污泥热解过程。通过专家打分法获知污泥热解过程中原材料成本、净能耗、碳排放与污泥炭吸附性能四个评价指标的重要性占比,再将不同实验条件下获取的四个评价指标的数据进行归一化处理,控制数值区间位于[0,1]范围内,并与四个评价指标对应的重要性占比进行乘积加权,可得综合评分模型。评分越高,说明该污泥热解过程综合效益越好。（4）运用污泥热解综合评分模型可以获得污泥炭制备过程的优化参数条件,亦可得知循环集中的吸附模式比传统分布式更具有优势。焦化污泥优化热解参数是:热解温度为550 oC、保温时间为60 min与升温速率为20 oC/min。比利用烟煤为原材料制取普通活性炭过程综合评分高。在两种不同吸附模式（CCD与TDM）研究中,考察了吸附过程中活性炭制备与污泥处置两个因素,得知CCM的吸附处理形式更为优异。（5）成功设计并运行了一级好氧生物处理单元耦合双重吸附的组合系统（AB-DA）,建立了能量当量初级模型并获得了最佳节能效益的运行模式。在研究系统的边界确定与能量转化的评估方法优化的基础上,考察了研究系统进出物质流带来的能量流变化,建立了能量当量初级模型。利用净能量效益（NEB）与成本效益比（BCR）两个评价指标对不同的运行模式进行了节能评估,可知M2（SAC）模式的节能效益最好。（6）成功研发了复杂多级生物处理单元耦合二级吸附的组合系统工艺（A2BA1）,建立了能量当量深度模型与数学软件模拟的节能评估新方法;并获得了优化运行条件与零能耗运行的可能途径。以进出研究边界的物质流为基础,构建了能量当量深度模型与LINGO软件模拟相结合的节能评估新方法,并用ABC分类法与节能率计算验证了新方法求解结果的可靠性。可得优化的运行条件为:焦化废水原水进水COD浓度2500-3000mg/L,生物出水COD浓度100 mg/L左右,活性炭投加量1.0-2.0 g/L,平均节能率可达48.3%。获知了吸附剂性价比与废水处理零能耗运行的相关关系。污泥热解制备污泥炭是一种可实现“减量化、稳定化与资源化”的污泥处置技术。制成的污泥炭,应用到废水处理吸附过程中,实现了其短程回用的以废治废目的。工艺单元的创新组合实现了废水处理的过程控制参数的优化与节能减排目标。