牛山溪溢流雨污水处理工程是同沙水库水污染综合整治工程的重要工程之一,但该项目运行中出水水质不达标。本研究通过现场踏勘,对运行情况及相关资料整理,结合对现状处理工艺的进、出水及关键工艺节点的水质检测,明确工程现状存在沉淀塘淤积、调蓄塘常水位过高、潜流湿地堵塞以及植物生长不佳等问题。采用SWMM软件对牛山溪汇水区域进行建模,对区域内不同降雨事件产生的径流水量、水质进行模拟,分析处理工程截留污染物的能力;确定清淤后沉淀调蓄塘容积能够满足去除98.9%降雨天数的主要污染物,为尽可能利用现有设施的处理能力,将优化处理规模提高至10000 m~3/d;根据雨污水径流水质模拟结果,确定设计进水COD、SS、氨氮、TN及TP分别为80、80、12、21和2 mg/L。对STCC碳系载体生物滤池、生物膜反应器+树脂系统、兼氧FMBR等三种备选工艺,采用模糊层次分析法进行综合评价。根据综合评价得分,确定STCC碳系载体生物滤池作为此次优化设计的生物强化技术。针对现状存在的问题,设置钢坝闸、对沉淀塘内源清淤、增设STCC处理设施、更换潜流湿地填料及补种植物等措施进行优化设计,确保出水达到准地表水Ⅳ类标准(不考虑TN)。该优化研究为东莞市饮用水源的综合整治提供了推荐方案,并为类似工程提供了技术示范。