近年来,为加强水污染治理,越来越严格的污水排放标准推动了污水厂升级改造,对污水厂的运行管理提出了更高的要求。提高污水厂的排放标准,虽然可以获得优质的出水,但往往需要更多的能耗和物耗,会增加污水厂的运行成本,产生某些潜在的环境影响。因此,污水厂升级改造是一个同时涉及技术、经济、环境等多个目标、需要兼顾政策评价和工艺运行两个层面的复杂过程。本文构建了环境-技术-经济的多目标优化分析框架,通过对污水厂工艺仿真、统计学分析、生命周期评价、不同目标权衡的研究,评估排放标准提高带来的影响,并对污水厂升级改造过程中的方案选择、运行管理、可持续性发展等问题进行分析与决策。首先建立符合中国污水处理现状的基准污水厂模型,分析排放标准提高产生的影响。依据排放标准(一级A和准Ⅳ类),设定三种改造方案(投药法、高效沉淀池及滤池、反硝化深床滤池)。进水数据包含了降雨和晴天的情况,可以模拟合流制和分流制管网的影响。采用数学模型对不同方案进行模拟,使用响应曲面法和统计学方法进行出水水质及运行状况分析,利用生命周期评价计算环境影响和运行成本。可以发现出水中的氮磷是污水厂升级改造达标的难点,但现有的技术均可以满足相应标准的要求。各场景在晴天(分流制)的出水水质均优于合流制情况,说明污水厂的升级改造应当与管网建设同步,其中反硝化深床滤池方案的出水最优(TN<10mg/L,TP<0.2mg/L)。排放标准提高会产生潜在环境影响,只有当选择合适的方案时才可以产生环境收益,这其中以厌氧/缺氧的生化处理和自然净化为宜。多目标优化结果显示出水水质随着能耗物耗的增加而提升,但其边际收益逐渐变小,如场景3到达拐点后,提升相同的水质增加的环境影响和成本是拐点前的13.77和44.17倍。实际污水厂选择北方某待提标污水厂,实际污水厂的进出水随季节波动呈现正弦变化规律,污水厂冬季出水的TN和全年出水的TP的达标是污水厂升级改造的难点,选择反硝化深床滤池和高效沉淀池改造后,春秋夏的TN<10mg,冬季TN<15mg/L。环境影响存在着明显季节差异性,冬季总环境影响是夏季的1.5倍,改造后,冬夏的总环境影响均上升,春秋季则由0.6011下降到0.6005,这与基准污水厂的结论是一致的。成本方面冬季运行成本最高,改造后成本最多增加了20%。对于北方某污水厂进行多目标优化可以提高其运行效率,相比原运行策略,电耗下降12%,运行成本可降低10.5%,总环境影响由0.6005下降到0.582,此时DO保持在0.4-0.5mg/L,循环比设定为9.5,排泥量622m~3/d,除磷药剂投加量在3.8kg Fe/10~4·m~3污水,碳源投加量为0.01m~3/10~4·m~3污水。本文所构建的多目标框架,可以从政策和工程层面,完成对污水厂升级改造的立体化分析,对于政策制定、污水厂的运行调控均有一定的现实意义。