随着我国 城镇化进程快速发展，污水排放量日益增加，污水排放要求越来越高 城镇污水处理厂面临着提质增效的需求 ，例如 早期建设 的常规工艺污水 厂的重点是提质，而 MBR工艺类型 水厂的重点是降耗 。然而，现有污水处理厂的升级改造和提质增效主要依赖经验，导致 无法科学合理地提出改进方案 。面向污水处理的数值模拟与优化日益得到重视，数值模拟应用于污水厂的设计、建设、运行和升级改造中更具科学 性 、前瞻性和 灵活性。因此， 本文以城镇污水处理工艺中应用广泛的两种工艺（ CASS和 MBR工艺）为研究对象，通过活性污泥模型、流体力学 模型 等数值模拟的手段，诊断工艺设计、运行过程中存在的问题，提出优化改进方案，并进行应用。 取得的研究结果主要如下：
    1、 以张家口万全污水处理厂为研究对象， 以出水 TN达到一级 A排放标准为目标， 本研究通过问题识别、模型模拟与优化、方案提出与应用， 识别诊断了寒冷地区 CASS工艺 TN不能达标 一级 A的主要因素 确定了 夏季、冬季 进水COD的组分特征，率定了 ASM1模型参数， 构建了面向 目标污水处理厂 的 ASM1模型， 优化了张家口万全污水处理厂的运行操作参数 ；基于 CFD模拟，优化了主反应区的 水下搅拌器安装方式 据此提出了解决方案，并成功应用于万全污水处理厂的升级改造，改造后的运行结果表明，不仅出水能够稳定达到一级 A排放标准，而且夏、冬季运行能耗分别降低了 25%和 16.67%，并 明确 了改造前后的微生物群落演替特征。
     2、 确定了万全水厂 夏季、冬季 进水 COD的组分特征，率定了 ASM1模型参数，构建了面向 CASS工艺的 ASM1模型。研究结果表明， 夏季进水 COD中，SS SI XI XS平均浓度分别为 9.17%和 48.29%；冬季进水 COD中， SS SI XI XS平均浓度分别为 14.12%和 57.39%。 此外，进水中颗粒性物质较多，溶解性有机物（ SS和 SI）占 TCOD比例较小 。 确定了异养菌产率系数（ YH）和异养菌衰减系数 bH），确定了其余 ASM1模型所需的其余动力学和化学计量系数。 在夏季，影响出水 COD NH4+-N和 TN的最显着参数 绝对值 的前三个参数分别为 kh > μH,max > KS, KO,H >μA,max > kh, kh >μH,max > KS 冬 季为 kh > KX > KNH; kh > KS > bA; KS > KX >μH,max。 参数 kh, μH,max, KS, KO,H和μA,max在 夏季 的 影响最大 参数 kh, KX, KNH, KS, bA, μH,max在冬季 的 影响最大 。 校正后的模型，出水模拟结果与实际运行结果误差在20%以内；
    3、 基于构建的 ASM1模型 和 CFD模型 优化了 张家口万全污水处理厂 的运行操作参数和水下搅拌器安装方式，据此提出了解决方案，并成功应用于万全污水处理厂的升级改造，改造后的运行结果表明，不仅出水能够稳定达到一级 A排放标准，而且夏、冬季运行能耗分别降低了 25%和 16.67%，并明确了改造前后的微生物群落演替特征。优化的运行参数主要如下： 在反应区体积比 RV =
回流比 RS = 200%的条件下，夏季运行模式为进水的同时搅拌 90 min，然后曝气120 min，沉淀 60 min，滗水 60 min，闲置 30 min；冬季运行模式为进水的同时搅拌，进水 90 min，搅拌 105 min，曝气 135 min，沉淀 60 min，滗水 60 min无闲置阶段。优化后的 主反应区搅拌器的安装位置 是 四个搅拌器安装在同一侧，角 度分别为 60°、 45°、 30°和 90°；改造前后污水厂运行能耗 结果表明 二级生物处理单元中， 夏季能耗从 0.40降至 0.30 kW·h·m-3，降低了 25％的能耗。冬季能耗从 0.42 kW·h·m-3降低了 16.67%，降至 0.35 kW·h·m-3。 改造后 冬季具有更高的微生物多样性， 且硝化、反硝化功能菌群明显增多。
     4、 从结构和曝气入手，实现了从中试到规模化 MBR的 CFD模拟与优化。基于 停留时间分布（ RTD）特征研究 结果 结合污泥流变性特征，构建了面向 中置，形成升流区和降流区，提高内部混合特性。优化的挡板，在不同曝气条件下均能明显减少内部短流死区现象，其中清河水厂膜池单元死区比例由 20%降低到 10%，降幅 50%；槐房膜池单元死区比例由 16%降低到 12%，降幅 25%。试规模 MBR的 CFD模型，优化了 穿孔管 布气方式 ，开发了 新型曝气装置及其曝气方式。研究结果表明，确定了 Herschel-Bulkley模型可以更好地 反映 不同浓度条件下的污泥流变特性；且污泥浓度越高，相同曝气量条件下，膜面剪切力越大，膜面湍动能也越大，但同时较高的污泥浓度更容易产生膜污染 。对比分析了body模拟和多孔介质模拟两种简化方式对 MBR的模拟结果，发现两种方式均能较好的反应实际情况，为节省计算资源和计算时间，选取 body模拟方式开展研究。 穿孔管采用“ 交错开口向下 安装方式，可以减少短流死区现象，并且对膜片的冲刷性能较好 。 不同于传统穿孔管曝气方式，本研究提出 了一种 渐缩渐扩式喷嘴形状 的 新型曝气装置，优化了曝气方式 ，且 该装置 与膜组器之间间隔为 60 mm效果最佳 相同曝气量 200 m3·d-1 条件下， 新型 曝气 装置 在整个膜组件的平均剪切力 2.01 Pa）不仅高于穿孔管 平均剪切力 1.78 Pa 而且 分布更加均匀。优化 的 曝气量 105 m3·h-1和 曝气操作模式 为开 10 s停 10 s。
    5、 以清河、槐房两家污水处理厂膜池单元为研究对象，通过对其内部流态特征进行模拟，发现存在短流、死区现象，通过利用 CFD优化两个水厂挡板位置，形成升流区和降流区，提高内部混合特性。优化的挡板，在不同曝气条件下均能明显减少内部短流死区现象，其中清河水厂膜池单元死区比例由 20%降低到 10%，降幅 50%；槐房膜池单元死区比例由 16%降低到 12%，降幅 25%。