伴随着中国经济发展与工业化进程的加快,环境问题日益明显。发展的不平衡与不充分等问题,人民的需求呈两级分化的态势,一方面催促着社会的经济发展提高物质生活,另一方面要求生态环境改善提高生态生活质量。造成区域管理者既需要考虑经济发展进一步完善工业化现代化发展体系,推进现代化进程,保证人民就业、改善人民生活,又要思考如何保护环境,节能减排、治理环境,面对这一矛盾的激化,此类问题成为当下区域发展的主要矛盾,也成为了中国区域管理者所需面对的主要问题。水污染是环境污染中的关键问题,区域水环境污染将直接影响区域土壤与大气环境问题。中国现阶段存在人口密度大、人均占水量低、水环境风险高等特点,如何提高区域水环境治理能力成为解决此类问题的关键。污水处理设施是治理区域污水的改善水环境的主要手段,其运行效率对区域污水治理有着重要意义。本文以广州市为研究对象,首先将广州市境内全部污水处理设施、设施管理结构、环境投资结构视为系统整体进行研究分析,分析广州市污水处理设施系统主要存在的三个问题及成因。其次对污水处理设施系统的运行机理进行研究,分析影响系统绩效的主要影响因素,依照系统结构将污水处理设施系统划分为三个子系统进行研究,结合工业工程与系统工程基本原理,分别从广州市污水处理设施系统管理结构优化、境内污水处理设施效率优化、环境规制投资决策三个方面对广州市污水处理设施系统整体展开优化设计。提高广州市污水处理设施系统运行绩效,将低污水处理设施超负荷运行比例,降低沉没成本,提高污水处理设施系统运行绩效、将低二次污染排放量。研究结果表明:(1)污水处理设施运行效率是影响污水处理设施系统绩效的主要原因,平衡污染源污水排放量与污水处理设施污水处理量之间的“供需矛盾”关系,是决定污水处理设施系统运行绩效有效手段,依照本文构建广州市污水处理设施系统绩效仿真模型,对污水处理设施的服务面积、占地面积、运营成本等进行全方位优化,能够有效解决污水处理设施系统运行效率低下等问题;(2)环境规制决策,本文通过分析污水排放量与环境规制中命令型环境规制、市场激励型环境规制影响作用机理,构建环境规制投资决策模型,通过相关性检验与OSL模型分析及各决策方案结果对比仿真分析得,广州市现状下,市场激励型环境规制投资对污水排放量影响最低,但由于本文主要研究污水处理设施系统未考虑其他因素,市场激励型环境规制有吸引外商投资,加快区域绿色发展转型,促进区域绿色经济发展等作用。所以在制定环境规制时应依照区域不同的产业结构,经济发展形势调整最合理的环境规制投资决策方案,能够有效的提高污水处理设施系统运行绩效;(3)由于污水处理设施全面兴起较晚,所以相对于其他公共设施,其系统管理结构相对混乱,部门与部门之间没有明确的责任范围,无法做到统一监管容易滋生腐败,基于流程分析与ECRS理论对系统管理结构实施优化策略,能够有效的降低腐败风险,提高污水处理设施系统绩效。