近些年乡镇工业发展迅速、城乡人口不断聚集,使得水环境和水生生态系统遭到了一定程度的破坏,污水产生量也随之不断增加。水污染严重是我国目前实现可持续发展利用水资源的难题之一。因此,为保护水资源,促进经济可持续发展,如何有效治理废水污染是亟待解决的问题关键所在。目前,我国用于解决水体污染的各种治理方法层出不穷。例如被广泛采用的人工湿地系统处理工艺,具有十分广阔的应用前景,虽然该技术目前已经获得了大量的试验数据及经验参数,但是在实际工程项目中,该技术还存在很多问题,如占地面积大、易受水力负荷及布水方式影响、易产生堵塞饱和等。因而,本研究针对目前人工湿地存在的主要问题,结合实际情况,将曝气工程与人工湿地进行组合,适当改进,构建了人工曝气生态净化系统,在国内外研究基础上,针对嘉兴石臼漾水厂水源生态湿地示范工程中的义庄河河道人工生态微孔曝气工程的特性,首次尝试利用基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟方法进行模拟与分析。通过对液固两相混合物湍流模型与活性污泥2号模型的分析与耦合,建立了河道液-固两相湍流反应动力学模型,对各污染物进行建模,实现了对河道内水质浓度场分布的模拟与研究,并结合实际测量数据验证了模型的准确性;同时还针对该人工生态曝气工程探讨了曝气器外围速度场的演变过程及其基于多相流的曝气过程,结合速度矢量图,气相体积分数分布云图等综合考虑溶解氧浓度对系统的影响,为进一步确定该系统优化方向及最佳工艺参数提供理论依据和技术支持,取得了如下主要成果:(1)针对目前人工湿地存在的主要问题,结合实际情况,以嘉兴市石臼漾水源生态湿地工艺项目为依托,将义庄河道曝气工程与人工湿地进行组合,适当改进,构建了人工曝气生态净化系统,并对其构造、净化机理及水力学特性进行了分析。(2)对嘉兴石臼漾水厂水源生态湿地示范工程中义庄人工曝气生态净化系统的安装背景资料作了简要概述,将该工程曝气模型进行一定程度的简化。(3)通过对液固两相混合物湍流模型与ASM2模型的分析与耦合,建立河道液-固两相湍流反应动力学模型,找出Fluent中各源项的共同点,即为各组分的实际反应速率与Fluent中的各源项可以相互转换,对各污染物进行建模,实现了对河道内水质浓度场分布的模拟与研究,同时结合实际测量数据验证模型。虽然模拟与实测结果在相比之下存在一定的偏差,但该模型的模拟结果基本能反映出水质浓度随时空变化的总体特征,也可将模型进行进一步优化研究。(4)通过对稳态进水条件下水质的模拟,可知河道内有良好的好氧和缺氧交替环境,硝化和反硝化进行顺利,其中氨氮、总磷水质提高了一个类别,总氮的去除效果明显,但由于其进水绝对数值太高,未能达到提高一个类别的目标,同时也说明了工程河道现有运行状态良好,具有一定的抗冲击负荷能力,本模型模拟出的各指标模拟值均高于实测值,相对误差除氨氮以外,其余指标的相对均控制在10%以内;通过对动态进水条件下水质的模拟,得出了同一横断面上各点浓度平均值随时间变化的分布结果和不同位置处水质浓度的模拟值与实测值的对照图,可以看出模拟结果与实际测量值基本吻合,各污染物水质浓度在时间上和空间上的分布及变化趋势基本一致,但仍存在一定的偏差,在靠近曝气管道的区域,COD、总磷及氨氮的浓度都有较为明显的下降,然而总氮浓度的下降趋势并不明显,从污染物的垂直分布特征来看,在该曝气区域内河道污染物在深度0-50cm之间浓度普遍较高,表层以下浓度逐渐下降,50-100cm间污染物浓度下降幅度较大,随后浓度波动较小。(5)采用与耦合模型相同的模型结构简化方案,探索液气两相流模型应用于该系统的模拟结果,在GAMBIT和FLUENT的软件平台上建立了液气两相流模型,通过分析系统内部不同截面的压力场,速度场,气相体积分布的变化,反映了在该人工生态曝气工程的运行情况下对水体流场引起的变化,与第三章水质浓度净化结果对比可知,在靠近曝气管道的区域,水体的流动更为剧烈,压力变化更为明显,气相体积分数更高,污染物浓度有较为明显的下降,得出若需提高曝气充氧效果,提升系统净化效率,应当布置合理的曝气管道结构,尽可能多的增加水体的流动,这为进一步探索结构因素对该系统的内在影响与联系提供了可行的研究方法,为进一步提升该系统处理效率提供依据。