膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)是一种将生物处理和膜分离技术相结合的新型水处理工艺。因其在污水处理领域具有广阔的应用前景而被广泛研究。但是膜污染依然是制约其在实际工程应用的关键因素。本文基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,以浸没式中空纤维膜生物反应器为研究对象,建立了单根膜丝与全组件的流动和传质模型,系统展开了膜生物反应器的水动力学条件的模拟与优化研究。本文研究了膜过滤过程中污染物颗粒的微观堆积结构对膜组件的流动分布均匀性和膜污染程度的影响。模型实现了污染物在膜表面的累积过程的模拟,结果显示膜表面的截留作用对膜通量分布具有重要影响,高孔隙率的滤饼层沉积会导致沿膜丝长度方向上的通量分布和滤饼层分布不均匀的现象,这会减少过滤过程中的能量利用率。然而颗粒以高孔隙率的结构累积却可以保持相对较高的过滤流量,短期来看其产水性能较优。在中空纤维膜微滤过程动态模拟的基础上,采用CFD模拟进一步研究膜丝几何因素的内径和长度两个方面对过滤过程中流场均匀性的影响。模拟结果表明通量不均匀分布是中空纤维膜过滤的固有特性,是由于其膜内外通道内的流动压降所引起的。提出了膜丝尺寸的合理范围,即膜丝内径在0.4 mm至0.7 mm范围内,在此范围内过滤期间的通量分布不均匀性最小。同时增加膜长会加重膜丝通量的不均匀分布。然而中空纤维膜组件的通量分布也是随着过滤的进行不断演变,短期的过滤在膜污染的自我调节作用下通量的不均匀分布会有所改善,但是长期过滤后仍会受到严重的通量分布不均影响,需要进行必要的反冲洗。从整个膜组件的宏观角度出发,建立基于气液两相流的三维CFD模型。模拟发现曝气产生的气液两相流对膜组件的有效清洗具有一定的局限性,在膜组件中部区域冲刷效果较好,而膜组件靠近反应器壁的膜丝得不到有效的洗刷。通过对气含率、流场流速和剪切力的分析表明,当膜间距为减少时整个膜组件处于较高流速和较高膜表面冲刷的环境,这有利于减缓膜污染。但是随着膜丝间距减少,膜组件区域的气液两相流流动分布的均匀性变差,使得膜组件不能对能量充分利用。同时膜组件内的气液两相流的水动力学状况的不均匀性是造成MBR运行能耗较高的内在原因之一。