生物膜内底物的质量传输是决定生物膜法污水处理性能的关键因素,因为传质通常被认为是底物消耗的速率限制过程。水动力条件和生物膜结构对传质规律和机制的影响至关重要。污水处理的水动力环境基本上为紊流,自然界和工程中大多数紊流都具有时均速度和脉动速度,这两者相互影响、相互耦合,难以区分各自的效果。目前为止,几乎所有关于紊流对生物膜传质影响的研究尽管表面上聚焦于某个时均参数或脉动参数,但实际结果均来自二者的耦合效应。关于紊流脉动的单独作用对生物膜传质的报道并不多见,因此,如何生成代表紊流脉动单独作用的流场条件是该研究的一个难点。再者,目前对于生物膜传质模型的建立和求解均基于确定性分析。视生物膜为多孔介质模型,多孔介质的孔隙率实际上具有很强的随机变异性,这种不确定性在数值计算的控制方程中传播亦会引发流动与传质的随机性。蒙特卡罗方法在固体力学、流体流动和换热不确定性问题上的应用已经在国内外发展数年,而该方法还未应用于多孔介质区域内对紊流流动方程和污染物质量传输方程的共同求解。通过该研究不仅可以探究多孔生物膜物理特性参数的变异性对于传质过程的影响,亦可拓展蒙特卡罗方法在生物膜理论模型领域的可行性。为此,本文主要研究内容及成果如下:（1）构建自设计的振动格栅生物膜反应装置,通过实验室规模的粒子图像测速技术和计算流体动力学的数值模拟相结合的方法,探究了时均流速、脉动均方根流速和雷诺切应力在流场的分布,证明自设计的振动格栅反应器所生成的振动格栅紊流为近似各向同性的紊流,可用于单独脉动作用的研究。同时,确定了不同振动频率下相对应的紊流强度,为后续模拟提供有效的边界条件。（2）为探究紊流脉动对生物膜内传质的影响,通过对多孔生物膜内“对流-扩散-反应”传质方程和紊流流动模型的共同数值求解,分析所得各工况下流速场和浓度场的分布规律。研究表明,随着紊流强度的增大,流速场的分层越显著,平均流速梯度增大,脉动作用的增强对膜内对流传质有积极影响的效果。随着紊流强度的增大,浓度场的下降趋势更明显。表层下降趋势更陡峭,去除速率更快,而底层去除率先达到稳定值不再降解。同时,总的污染物去除率也随紊流强度的增大而增至最大值88.52%。紊流脉动对扩散传质虽有增强的效果,但主要贡献于对流传质作用。（3）在确定紊流脉动条件下,分别数值求解不同初始污染物浓度、膜厚度、密度和孔隙率工况内流动与传质模型。研究表明,底物浓度的增加使污染物的去除率降低,0.250 kg·m-3的低浓度工况下污染物去除率高达92.68%;生物膜厚度为800μm时达到最高的污染物去除率90.17%和最高浓度梯度,随着膜厚度的降低,较薄层的生物膜内污染物降解曲线变化趋势变得平缓,整体的去除率也降低;以反应动力学为主导因素所影响底物消耗的低密度范围内随着密度的增加扩散传输效应也相应增强,污染物去除效率在密度为30 kg·m-3的生物膜内达到91.37%;较低的孔隙率对质量传输和反应速率呈现积极作用,0.75孔隙率的生物膜内扩散效应和污染物去除效果较为理想。（4）通过对孔隙率的Karhunen-Loeve展开和基于Latin超立方抽样法实现孔隙率的随机输入场,结合计算流体动力学的数值求解流程,对随机输出场进行统计分析。研究表明,随机多孔生物膜内输出的随机场与孔隙率确定性分析的结果存在一定的偏差。渗流流速的分布偏差主要存在于多孔生物膜表层,污染物的浓度场分布偏差在多孔生物膜的底层较为活跃。不确定性在计算的求解传播中,对流作用的贡献较大,扩散传质效果的变化越显著对于不确定性传播的抵抗作用有所减弱。