城市污水处理是一种能量密集型行业，污水处理过程中的节能降耗技术日益受到人们的关注。因结构简单、运行管理简便等特点氧化沟工艺已经在国内外广泛采用。然而氧化沟延时曝气的运行方式及较低的设备效率导致其能耗高于传统活性污泥法。本文以国内氧化沟污水处理厂最常采用的Orbal氧化沟做为研究对象，通过对Orbal氧化沟能耗特征识别和工艺优化，以期为氧化沟污水处理厂的节能降耗探索有效途径。　　 国内14家典型实际规模氧化沟法城市污水处理厂能耗调查结果表明:污水厂能耗受处理规模、实际污水处理率、进水水质、工艺运行条件及处理水质要求等因素影响;用于氧化沟充氧和混合的能量是最高能耗环节，占整个污水处理厂总能耗的56～77％。实现氧化沟节能降耗的技术途径包括调整工艺结构、提高设备的动力效率、工艺优化，以此改善混合液流体力学性能并优化微生物微环境特性并提高微生物活性。　　 由于不合理的设计和运行，Orbal氧化沟存在着能耗较高、脱氮除磷效率较低的问题，为此提出并研究了一种强化脱氮除磷与节能的改良型Orbal氧化沟系统。273天的中试运行结果表明:通过溶解氧(DO)在线控制，TN的去除在Orbal氧化沟外沟成功实现;当DO约为0.2mg/L，系统总氮去除率最高可达80％以上。通过增加混合液内回流设备，将内回流比控制在900～1000％，可以进一步提高脱氮效率并降低能耗。通过排放来自厌氧浓缩池富磷浓缩上清液的方式可以在不影响脱氮效率的同时，增强Orbal氧化沟生物除磷效率，与传统Orbal氧化沟相比，生物除磷效率可提高50％。　　 在能耗特征调查及中试模拟研究的基础上，对一座实际Orbal氧化沟污水厂开展了工艺优化与节能降耗的生产试验以此提升出水水质并降低电耗。574天的生产试验结果表明:系统总充氧量和单一沟道用于输氧和推流的能量分配决定着Orbal氧化沟DO分布，进而导致氮和磷沿程转化及去除效率。Orbal系统外沟对于同时硝化、反硝化以及生物释磷具有重要作用。通过运行模式的优化调控及能量的合理分配，可以同时提高工艺效率并降低能耗。PCR-DGGE及基因测序结果表明:Orbal氧化沟外沟同时存在着厌氧菌和好氧菌及兼具硝化和反硝化的功能菌，尽管曝气模式会导致微生物数量和活性不同。　　 为深入了解Orbal氧化沟宏观和微观微环境工艺特性以优化和降低运行能耗，Orbal氧化沟外沟内的流态及传氧特征通过现场监测与计算流体力学(CFD)数值模拟方式进行识别，发现在圆形弯道存在着明显的二次螺旋流从Orbal氧化沟着流场分布不均匀，螺旋流影响了混合和传氧效率，甚至整体处理性能。利用这种特殊的流态特征并适当控制充氧量，由于沟内传氧速率和耗氧速率可以创造出交替的缺氧/好氧区域，通过硝化和反硝化作用实现高效的脱氮效果并大大降低运行能耗。