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膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)及其组合工艺出水水质优良，占地面积小、污泥产量低、操作简单灵活，广泛应用于污水处理与再生利用。但膜污染及运行能耗高仍然是MBR应用面临的两大难题。MBR的出水水质、膜污染与运行能耗受水力条件和生化反应状况的共同影响，但MBR水力学特征与生化反应动力学过程的耦合研究仍然匮乏。本文通过耦合计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）与活性污泥模型(activated sludge model，ASM)，开展不同规模MBR及其组合工艺流场、传质和膜污染的模拟与优化研究，探讨污水脱氮除磷、污泥减量和膜污染的影响因素和作用机理。 以小试规模气升式外循环-膜生物反应器(airlift external circulation-membrane bioreactor,AEC-MBR)分散污水处理装置为对象，开发了包含氧传质子模型、简化生物动力学子模型和污泥流变学子模型的耦合ASM-CFD模型，并结合气液分散高度和曝气强度，模拟和优化了AEC-MBR的氧传递和消耗、脱氮效率和膜冲刷。结果表明，当优化的气液分散高度为300mm、表观气流速率为25m3h-1m-2，可实现膜冲刷和脱氮协同优化，曝气量最高可降低约50％，总氮去除率达90％以上。 小试MBR装置(100L d-1)膜组件结构和操作条件的模拟与优化研究结果表明:曝气混合高度hm、曝气管布置密度显著影响膜面剪切力和分布均匀性，而膜组件整体高度对膜面剪切力影响较小，三者的优化值分别为300mm、40mm和100mm，膜面平均剪切力较优化前提高85％以上。污泥浓度、气泡直径和曝气对MBR膜可逆污染的模拟和优化结果表明:影响膜面剪切力、膜面颗粒物反向迁移速度的因素分别依次是污泥浓度＞气泡直径＞曝气强度、污泥浓度＞曝气强度＞气泡直径。当膜面颗粒反向迁移速率权重大于膜面剪切力时，曝气量2.0m3h-1、MLSS8820mg L-1、气泡直径4.88mm，膜面剪切力和膜面颗粒反向迁移速率较中心点均明显改善，分别提高了12.4％和51.1％。 为考察小试规模MBR优化结果在工程规模MBR的适用性，开展了工程规模（500m3d-1）MBR的结构和操作参数优化。模拟结果表明，不同规模MBR结构参数敏感性存在差异，工程规模MBR对水平结构参数（膜间距、曝气管间距）更敏感;小试MBR对竖直结构参数（曝气混合高度、膜组件安装高度、安全液位高度）更敏感。优化的工程规模MBR的膜间距、气水比、气水混合高度分别为25mm～30mm、20∶1、100mm。 采用流态、生化动力学模型以及微生物群落结构分析等多种方法考察小试A2/O-MBR脱氮除磷、污泥减量和能量消耗的内在联系。流态分析结果表明，两相模拟和三相模拟的RTD曲线几乎完全重合，说明简化为两相流合理;Peclet数(Per)随回流比增大而减小，内回流比分别为250％和350％时Per为0.98和0.75，显著低于不存在回流时的3.13。qPCR分析表明各单元微生物群落组成相同，但相对丰度有所不同。SRT显著影响污泥微生物群落结构的丰度和多样性，SRT=25d时，厚壁菌门是优势菌门，SRT=50d时，变形菌门成为优势菌。 以工程规模(15万m3/d)A2/O-MBR污水处理厂为研究对象，历史数据分析和现场调研的结果表明，采用曝气和推流搅拌的好氧池混合效果最好;曝气的膜池混合效果次之，仅有搅拌的厌氧池和缺氧池混合效果最差。同一单元水质分布较均匀，相对标准差不超过50％（总磷除外），各单元上、下层COD、氨氮、硝酸盐、总氮和总磷的线性相关系数分别达95.29％、98.79％、95.14％、97.14％和81.03％;好氧池沿程氨氮和总氮浓度变化较小，说明曝气或池容富余，且单独设立膜曝气池也不尽合理;尽管改用脉冲曝气后能量减低42.39％，但沿程曝气量和回流比仍具优化空间。RDA分析结果表明，可通过降低膜池和生化池的曝气量、减少回流量、减少污泥停留时间和水力停留时间等多种方法降低运行能耗。