实现污水处理过程的安全、稳定、高效运行,提高出水水质,降低运营成本已经成为当前众多污水厂设计及运行人员所追求的目标,但由于污水处理过程的复杂多变性,传统的工艺优化改造方法往往依靠工程经验,时间长、花费大,且对将来有不可预测的风险。数字模拟技术作为一种新兴工具,便可以作为一种方法去解决这些问题。本研究基于BioWin软件,建立一个能够反映北京市某污水厂当前运行现状的工艺模型,并利用此模型对该厂开展运行优化及达标改造技术研究。通过对污水厂运行现状分析,确定该厂进水碳源不足、水质波动是导致出水TN、TP不稳定达标的主要原因,此外,设计存在缺陷则进一步影响其脱氮除磷效果;对该厂历史监测数据进行初步审核及物料平衡检查,最终校核后的产泥量为0.87gTSS/gBODremoved,或以系统COD去除量的VSS产量计为0.27gVSS/gCODremoved;经过试验测定及分析计算,确定该厂进水污水组分中:易生物降解COD比例Fbs为0.191,慢速降解COD中颗粒态COD所占比例Fxsp为0.880,颗粒态非降解性COD所占比例Fup为0.150,略大于BioWin软件默认值;其他COD组分比例均小于默认值,氮磷组分比例与默认值也有一定差异。采用常规灵敏度分析方法对BioWin工艺模型进行参数敏感性分析,确定对模型输出影响最为突出的存在11个参数,包含动力学参数7个,化学计量学参数2个,开关参数2个。初始稳态模拟和初始动态模拟显示,模型的误差的主要来源为:模型边界条件、实际检测误差以及模型中微生物受营养元素的影响,结合模型参数的敏感性分析,对模型进行进一步校正,最终排泥量校核为650 m3/d,氨氧化菌的最大单位生长速率由默认的0.9调整为0.8,聚磷菌最大单位生长速率由默认0.95调整为0.97,以及两个物理化学参数:加铁盐时在pH=7的平衡状态时溶解的磷酸盐浓度由默认0.01调整为0.05、铁磷比率由默认1.6调整为2.0;经过校正后的模型,其模拟值与实测值能够较好拟合,模型能够反映污水厂的实际运行情况。采用单因素及复合因素分析方法,利用已校正好的模型对该厂运行优化及升级改造进行情景化分析。在关键控制参数中,按照该厂当前所控制的HRT,各反应单元中生物量分布并不满足要求,可通过调整各工艺单元体积得到池体最优化,最终调整后的厌氧池、缺氧池、好氧池、膜池的体积分别为:2900 m3、5900 m3、4000 m3、2000 m3;回流比的影响应结合其他工艺条件的改变来分析,当前工况下,缺氧池至厌氧池的回流应保持不变,好氧池到缺氧池的回流宜控制在200%~300%较合适,膜池到好氧池的回流在保证膜池污泥浓度不是太高的前提下可适当降低;建议该厂排泥量控制在650~1000m3/d间较为合适,在当前运行中可适当提高排泥量;该厂目前运行中,适当降低好氧池DO浓度对于氮磷的去除有利,建议设置为1.5mg/L~2.5mg/L之间;膜池的DO设置对于氮磷去除影响不大,为降低能耗及保证足够膜擦洗强度,建议膜池DO设置为5.0~6.0mg/L。在分段进水尝试中,厌、缺段进水按1:1分配,出水TN浓度能够满足国家一级A标准及北京市地方B标准要求,TP则可以依靠其他途径进一步去除。在当前运行工况下,建议该厂将碳源投加量控制在1200~1600L/d之间(1L醋酸钠药剂相当于269000mgCOD当量),即可满足出水TN达标,若将碳源药剂投加点更改至缺氧池前端,则投加量只需控制在800~1200L/d,即可满足要求;要保证在满足国家一级A(TP<0.5mg/L)出水水质,该厂除磷药剂投加量应控制在2000L/d(1L铁盐药剂中三价铁含量为140000mg)以上较合适,同时,若将除磷药剂投加点设置在膜池进水端,从而可满足在发挥最大生物除磷作用的同时进一步降低药剂量;对储泥池上清液增设化学除磷能够减少该厂目前运行的除磷药剂量,每年可节省药剂费用约15万元人民币。通过复合因素分析方法,最终提出两套优化改造方案,第一套优化改造方案调整后的结果为:厌氧池、缺氧池、好氧池、膜池分别设置为:2900 m3、5900 m3、4000 m3、2000 m3,将MBR混合液回流至缺氧池,回流比为200%,碳源药剂投加量为360L/d,除磷药剂投加量为800L/d,增设储泥池上清液化学除磷,投加量为210 L/d,排泥量增大为780 m3/d,好氧池DO调整为2.0mg/L,其他条件不变;第二套优化改造方案调整后的结果为:将MBR混合液回流至缺氧池,回流比为200%,缺氧池至厌氧池回流为300%,碳源药剂投加量为900L/d,除磷药剂投加量为2000~2300L/d,增设储泥池上清液化学除磷,投加量为210 L/d,排泥量增大为650~1000 m3/d,好氧池DO调整为2.0mg/L,其他条件不变。两套改造方案模拟的出水水质均能满足国家一级A标准及北京市地方B标准要求,且两套改造方案都能一定程度上降低能耗及运行费用。