本文基于计算流体力学(CFD)的方法对膜曝气生物膜反应器(MABR)内流场流态进行数值模拟研究，分析反应器构造形式对反应器内流场及传质过程的影响;其次考察工艺参数对反应器同步除碳脱氮性能的影响，优化操作条件进一步提升反应器的脱氮性能;最后研究了反应器内流场特性对MABR生物膜的影响，为MABR的实际应用提供理论支持。　　首先考察反应器进水方式、填充方式、填充密度、长径比和循环流速对MABR反应器壳程流场特性及传质性能的影响。研究结果表明:当反应器采用侧方进水、长径比为3.36、填充密度为30％、均匀填充时，反应器内截面流速的稳定区域较长，整体流速分布均匀稳定，并能促进生物膜的均衡发展。采用三维电磁测速仪对实体模型进行流场测量，得到反应器内流场速度与模拟值接近，误差小于10％;当循环流量为7.62 L·min-1时，反应器截面平均流速可以维持在0.026 m·s-1，并且进口最大流速低于0.20 m·s-1，不会导致生物膜的脱落，该稳定的流场分布符合MABR内部的速度场分布需求。　　随后，根据反应器模拟优化的结果，搭建实体模型对模拟生活污水进行了除碳脱氮研究。研究分析了pH、碳氮比(C/N)、氮负荷等运行参数对系统运行性能的影响。结果表明:C/N比为5左右比较适宜，此时反应器氨氮、总氮、COD最高去除率分别可以达到87％、75％和91％;反应器在中性或微碱性(pH=7.2-7.5)条件下运行时，总氮的最高去除率达到74％左右。氨氮去除速率随进水负荷的增加呈递增趋势，最大氨氮去除负荷为0.117g·(L·d)-1。同时实验考察了不同膜材质的MABR运行性能，通过对比疏水性微孔聚丙烯(PP)与聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，发现PP膜组件对于新环境的适应能力和初期运行效果相对偏低;通过扫描电镜发现，PP膜与PVDF膜均存在膜污染问题。　　最后考察了反应器内流场对局部生物膜特性的影响。研究发现反应器内高速区和中速区曝气膜纤维上附着微生物量远高于死区;通过分子生物学方法测定，高速区主要进行厌氧氨氧化和短程硝化-反硝化反应;中速区以进行厌氧氨氧化和硝化-反硝化反应为主;死区进行硝化-反硝化反应。