在生活污水处理中有机物的去除和微生物以及环境中氧气的浓度有直接的关系，因此溶解氧的控制和含氮有机物的去除是污水处理中两个重要部分。为此，本文依据国际水协会公布的活性污泥法1号模型建立了单生化反应池模型，并通过与基准仿真模型(BSM1)的反应池出水水质进行对比验证了单生化反应池模型的合理性。依据单生化反应池模型对溶解氧曝气和硝态氮去除过程作为研究对象。首先经过模型简化，并依据系统辨识得到了氧气传递速率和溶解氧浓度之间的一阶时滞模型。之后根据所得到的溶解氧模型，并基于内模控制理论对于内模控制器参数整定方法进行改进，并将改进参数整定方法应用在溶解氧浓度控制系统中，并基于Matlab验证了改进的PID参数整定策略下有机碳能取得较好的去除情况。然后基于硝态氮简化模型仿真平台，得到进水量、外加碳源和需处理的硝态氮之间的关系，基于改进后的PID参数整定方法，比较了有机碳反馈控制和硝态氮前馈-反馈控制作用下硝态氮的去除和外加碳源的需求情况。通过比较发现硝态氮前馈-反馈能够取得较好的硝态氮去除效果和较少的外加碳源量。