生物膜反应器中底物营养从液相到生物膜的质量传递，对生物反应器的设计有着重要的意义。计算流体力学的发展和计算机硬件的进步，为这一课题不断地赋予新的研究内容。本文对前人所建的基于底物扩散—反应平衡方程的一维数值模型进行拓展和修正，使其具有更好的通用性和准确性。通过对反应器内生物膜表面的观察，利用样条插值函数得到几种复杂的生物膜表面结构。重新定义Sherwood数，建立Sh-Re和Sh-Ae关系曲线，发现Sh随Re的增大而增大，而随着Ae的增大而减小。本文建立一套容量为14L的内环流生物膜反应器的实验装置。改变水力停留时间(HRT)和入口COD浓度观察对COD降解效果的影响。发现COD的去除率随HRT的增大而增大；在大的HRT时(HRT＞10h)，COD的去除率随入口COD浓度的增加而增大，但在小的HRT时(HRT＜10h)，COD的去除率随入口COD浓度的增加先增加后减小。首次将基于底物扩散—反应平衡方程的三维模型应用在内环流生物膜反应器上，研究液固两相之间的传质。通过实验数据，利用非线性回归法求解出反应器内营养底物的生物反应动力学系数，即氧的最大消耗速率为0.012g／L·min，半饱和浓度为1.84mg／L；葡萄糖的最大降解速率为0.56g／L·min半饱和浓度为594.56mg／L。内环流生物膜反应器内液固两相之间传质的模拟值与实验值的误差在5％～15％之间。通过对底物消耗速率的分析，发现在小的HRT时，COD的去除率随入口COD浓度的增加先增加后减小是因为生物膜中的底物浓度远大于底物的半饱和浓度，底物消耗速率已经接近生物膜中底物的最大消耗速率。