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污水处理过程中的曝气能耗占总运行能耗的比重超过一半。随着近年来我国对污水处理厂提标改造的要求和污水处理能耗的增高,曝气设备的选择和工况调节对节约能耗有至关重要的作用。对曝气系统展开相关研究,并将其应用于工艺运行的优化中,以达到污水处理节能降耗的目的。本文分为三部分,首先进行了不同工况下氧转移效能实验,从多种衡量指标的角度分析不同工况对曝气氧转移效能的影响;然后进行曝气过程气液两相流数值模拟,在实验基础上利用FLUENT流体力学软件建立与实验工况相同的数学模型,对曝气过程进行气液两相水力学特性的模拟,分析水力学参数对氧转移过程的影响;最后,基于ASM2d耦合曝气控制模型对多段多级AO工艺展开模拟和优化研究,利用WEST软件建立起工艺模型,通过优化曝气控制调节曝气过程实现节能降耗。主要结论如下:(1)曝气系统氧转移效能实验研究结果表明:1)在一定曝气量范围内,Kla(20)和SOTR随着曝气量的增大呈现线性增长趋势,SOTE随着曝气量的增大而减小并趋于平缓;EP随着曝气量的增大而减小;2)在一定曝气水深范围内,曝气强度一定时,Kla(20)随着曝气水深的增大略有增大,SOTR和SOTE随着曝气水深的增大呈现线性增长趋势;3)在相同曝气量下,曝气水深的增加使EP增加,SOTE的增长在EP变化中起到主导作用,表明在实际工程中,浅水曝气的能耗损失更为明显;4)利用高速摄影仪研究曝气过程中气泡运动规律发现:曝气量为0.75～1.00m3·h-1时,气泡分布较均匀,当曝气量达到1.25m3·h-1时氧的利用率降低。(2)曝气过程气液两相流数值模拟研究结果表明:1)当曝气量为0.50～1.25m3·h-1时,两相速度场分布范围随着曝气量的增大而增大,水力死区范围随之减小,当曝气量为1.00m3·h-1时,速度场分布范围和流态最佳。平均气体体积分数随着曝气量增大而增大,曝气量为1.00m3·h-1时气体分布最均匀,曝气量为1.00～1.25m3·h-1时气液两相混合较好。曝气量1.00m3·h-1时可保证曝气的高效低耗;2)当有效高径比为1.0～2.0时,高径比增加,速度场分布逐渐稳定,水力缓滞区的范围增加。随着高径比增加,气泡与液相混合的速度加快。当高径比为1.5时,速度场稳定,紊动动能适中,有利于氧转移的进行。(3)ASM2d耦合曝气模型对多段多级AO工艺的模拟与优化研究结果表明:1)DO浓度在1～4mg/L时,DO浓度对出水COD浓度和出水TP浓度影响较小,DO浓度的增大引起出水NH3-N浓度减小,减小速度在DO浓度为1～2mg/L时较快,出水TN浓度随着DO浓度的增大而增大。2)通过建立曝气控制优化模型调节曝气强度,优化后在保证出水水质的前提下比优化前平均每天降低电耗8.08%。