在當前能源緊缺的大背景下，可持續發展、綠色發展成為人們關注的話題。污水處理屬于能耗密集型行業，污水廠能源消耗在全社會各行業消耗總量中占有一定的比例，城市污水處理廠的節能減排越來越受到國家的重視，但城市污水處理廠節能降耗技術在能耗核算管理、節能降耗途徑選擇和工程實施中存在方法不健全、技術可實施性差及工程應用短缺等問題。本文以清潔生產、可持續發展的理念為指導，挖掘城市污水處理廠的節能潛力，探索實現節能降耗的多重途徑，為污水處理系統的節能降耗提供可行性的解決方案。本研究采用現場調研、中試試驗研究、生產性試驗及工程應用相結合的方式，重點研究了城市污水處理系統的曝氣節能降耗技術。在城市污水處理廠能耗分布分析、節能潛力挖掘及能耗核算體系建立等研究的基礎上，進行了曝氣器的曝氣性能影響因素、進水水量配置方法及智能曝氣控制技術研究，并在北京清河城市污水處理廠開展20萬m3/d的水量配置和智能曝氣控制工程應用。通過對城市污水處理廠處理單元及單元設備能耗的分析，提出了污水處理系統的主要耗能單元及設備，進一步挖掘其節能空間。從污水處理能耗核算管理的角度，在全國10個不同處理規模(5萬80萬m3/d)的典型城市污水處理系統調研分析的基礎上，建立了污水處理系統COD、NH4+-N、TP等主要污染物削減的比能耗模型，以及化學除磷藥耗成本模型。進水水量分配的不均不僅影響水廠的處理效果，而且增加曝氣系統能耗，降低曝氣池的空間利用率。文中研究了進水水量配置的方法，并在城市污水處理廠進行了進水水量分配調節閘的工程應用，分析了水量調節方法的可行性及其與生物處理系統的關系。結果表明，水量調節閘能夠均衡各單元的進水水量，充分發揮曝氣池的作用，提高生物處理系統各單元的處理效果，解決城市污水處理廠進水水量不均造成的水量與曝氣氣量不匹配的矛盾，保證了城市污水處理廠的處理水量及處理效果。曝氣系統的優化運行是實現城市污水處理廠節能降耗及優化生物處理系統性能的重要手段。曝氣器充氧性能關系到整個曝氣系統性能的發揮，本文通過中試系統研究了影響曝氣器性能的主要因素，為城市污水處理廠曝氣器的選擇、更換提供技術支持。曝氣智能控制具有改善生物處理系統性能和節能降耗的雙重作用。本文對曝氣智能控制技術方法、原理等進行研究，基于ASM2d建立了曝氣動力學模型并進行優化求解。在20萬m3/d的城市污水處理廠進行工程應用，實施了基于曝氣池曝氣需氧量計算的鼓風機控制及DO控制模式，并通過出水水質、鼓風機節能效果分析了智能曝氣控制的應用效果。研究及應用結果表明，曝氣智能控制系統可穩定控制曝氣池的DO，提高曝氣池亞硝酸鹽的積累率，改善生物處理工藝的性能，不僅從設備的角度實現節能，而且從工藝角度(短程硝化反硝化)實現了節能降耗。在出水NH4+-N小于3.7mg/L及處理水量基本保持20萬m3/d的前提下，實現了月均能耗降低7%，月均單耗降低9.7%的節能效果。