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提高污水厂处理效果和降低运行能耗一直是水处理行业所关注的核心问题。随着水处理技术的发展，污水处理系统从单一简单的形式逐渐发展为复杂庞大的系统，污水处理系统高效可靠的设计与运行成为水处理行业的新挑战。一方面随着对生物过程认识的逐渐深入、活性污泥模型导入的过程与参数越来越多，另一方面，生产运行却难以运用这些理论成果。一种典型的情况就是，国内污水厂的设计与运行仍然严重依赖污泥负荷、水力停留时间等静态经验参数，这与活性污泥模型技术的发展相差甚远。导致这一问题的原因在于活性污泥模型的参数识别与组分测量过于复杂、耗时、模型应用成本较高。呼吸仪是活性污泥模型参数测量的重要工具，但传统的呼吸测量技术未克服上述瓶颈问题，因此有必要为现有呼吸仪技术进行优化、简化其操作难度与复杂程度，从而为我国污水处理厂的定量设计与运行提供科学依据。针对上述问题，本文选取污水生物处理过程中与处理效果和能耗关联性较大的几个过程作为研究对象，探讨了呼吸仪对这些过程的定量描述方法及其可靠性，从而为这些过程的优化运行提供依据，这些过程包括曝气的氧传递过程、微生物硝化过程以及內源呼吸过程等。在此基础上，以优化呼吸仪测试过程为基本目标，对呼吸仪测试的条件的控制进行了探讨，这些条件包括温度、pH、F/M、SS浓度等。在这些理论成果的基础上，本研究最后设计出一套改进型呼吸装置，从而为污水处理厂运行管理的定量分析提供了基础分析设备。具体而言，本文获得的理论成果如下：1.研究了在活性污泥混合液中直接测量氧传质系数kLa、饱和溶解氧C∞的最优实验条件和计算方法。通过对比氧气传质参数在清水中的测算方法，提出了在活性污泥混合液工况条件下测算kLa、C∞的标准方法：应使污泥处于內源呼吸阶段、实验时间控制在5/kLa6/kLa，数据处理用非线性拟合可获得稳定的测试结果。另外，用于拟合的溶解氧初始浓度不宜过低或过高，应在实测最大浓度的25%左右。这一理论成果解决了污泥混合液中kLa测试的稳定性问题。2.探讨了以硝化细菌耗氧速率（OURA）、有氮源时的最大耗氧速率（OURN,max）、氧半饱和系数（KO,A）、自养菌最大比增殖速率(μA,max)表征pH、碱度以及高浓度氨氮、亚硝态氮、硝态氮对硝化细菌活性的影响。结果表明OURA可用于表征pH对硝化活性的影响。OURN,max适用于表征氨氮和硝态氮对硝化活性的影响；KO,A可以用于定量表征氨氮和亚硝氮对硝化活性的影响。OURA与μA,max都能反应出碱度对硝化活性的影响，但OURA作为运行控制依据时适宜用于在短时期内取得较高氨氮氧化速度的情况；对于长期运行需维持一定硝化细菌生物量的系统应该使用μA,max作为硝化活性的定量表征指标。这一理论成果对不同条件下微生物活性的评价指标进行了细分，提出了不同条件下的活性污泥活性描述的技术指标。3.探讨了基于污泥内源呼吸表征污泥活性的方法，结果表明常用的比内源呼吸速率（SOURen,SS或SOURen,VSS）与异养菌活性生物量有一定的关联，但是用于表征微生物的活性意义不大。同时发现相对外源呼吸而言内源呼吸更为稳定，在此基础上提出以内源呼吸速率占总呼吸速率的比例η作为污泥活性表征指标。通过研究对比相同污泥在不同pH条件下的η值、三种不同污泥的η值、相同污泥不同生长阶段的η值，认为η值在表征污泥活性上具有一定价值。这一理论成果可以用于不能准确测定污泥浓度时判定污泥活性、分析由于污染物去除的所用的氧气与总耗氧的比例。4.探讨了开放式呼吸法技术在自养菌动力学参数测试上的应用。结果表明开放式呼吸法的F/M值相对较低、测试时间短、所得到的OUR数据在时间上比较密集、对kLa准确度与稳定度的要求高。在低F/M、较短时间内开放式呼吸法并不能独立测得μA,max、XA，但是可算出两个参数之积。此外，由于开放式呼吸法中F/M较低，基质在短时间内将消耗殆尽，开放式呼吸法在测取自养菌氨氮半饱和系数KNH、自养菌产率系数YA时较为有用。这一理论成果提出开放式呼吸法有利于观查氧气消耗与基质降解之间的定量关系。5.优化了ASM1中μA,max、XA的测试方法，在保证一定精度的条件下缩短测试耗时。将原本15个小时以上的μA,max、与XA定量测试的耗时缩短到4～5个小时。这一理论成果解决了ASM1中定量最为耗时、困难的参数的快速测定问题。6.在总结呼吸法实验操作过程的基础上改进呼吸仪，完成一个方便使用、功能齐全的呼吸仪。使用半导体制冷片实现温度控制、通过微型蠕动泵实现基质添加及pH控制。借助PLC连接电脑实现操作的自动化。这一成果简化了呼吸法在实际使用中的操作。本研究开发了实用、准确的呼吸仪，借助呼吸仪和呼吸法优化了参数测取时的实验与计算方法，在保证测试精度的情况下将自养菌最大比增殖速率测试时间由15个小时以上缩短到5个小时内。明确了各参数对微生物过程的表征意义，提出了新的表征参数。