随着污水排放标准的提高,生物膜技术和好氧颗粒污泥技术因其致密的物理结构、高浓度的生物量、无需污泥回流设备以及有机负荷承载能力强等优点,受到了广泛的关注。处理系统中的水力条件对污水处理效率有着重要的意义。曝气为系统提供溶解氧,并产生水力剪切,改变流场特性,是整个污水处理过程中的关键。但目前针对曝气的研究工作主要集中于溶解氧扩散及传质方面,而流体力学相关研究较少,对曝气产生的流体动力学作用及调控机理的研究不足。论文针对以上问题,建立了气泡特性与水力特征的联系,通过改进曝气参数,优化反应器水力条件,强化工艺运行稳定性,为污水处理工艺的节能降耗提供技术支持。研究在气-液二相流中模拟了气泡行为对反应器内水力扰动的影响。模拟得到不同高径比(H/D)、曝气强度和气泡直径下,气泡速度变化和湍流耗散功率的分布。结果表明,当高径比为7时反应器内平均湍流耗散功率达到最大值,随后由于气泡平均速度降低导致水力扰动变弱。随着曝气强度的增加,湍流耗散功率强度明显增高,而湍流耗散影响范围未发生明显变。但由于流体阻力的存在,导致增加曝气强度对提高气-液两相速度梯度效果受限。随着气泡直径的减小,气柱波动幅度增大,湍流耗散影响范围变大,增加了水力扰动。基于气泡行为,实验进一步研究了曝气强度和气泡直径对固定床生物膜反应器(FBBR)中水力剪切的影响。结果表明,相较于搅拌方式,曝气产生的水力剪切更加的均匀和高效,且几乎不受反应器深度的影响。增加曝气强度在一定程度上提高生物膜表面的水力剪切,但受流体阻力的影响,会造成能量的浪费。气泡直径减小后,虽然气泡运动速度降低,但气泡运动影响范围增大,反应器内扰动增强,导致生物膜表面总水力剪切增大。实验进一步模拟了复杂气-液-固三相条件下好氧颗粒污泥反应器(SBR)中的水力条件。结合图像扫描技术,实验对不同条件下好氧颗粒污泥固含率分布及所受水力剪切进行了比较分析。结果表明,高径比增加缓解了了底部颗粒堆积,增加了颗粒整体所受水力剪切。由于流体阻力存在,曝气强度的增大对颗粒所受水力剪切强化效果有限。减小气泡直径有助于缓解颗粒堆积现象,同时增加了湍流影响范围,强化了颗粒所受水力剪切。优化曝气头构型可提高水力剪切。当曝气头从单点变为环形时,体系中固含率分布更加均匀,颗粒所受水力剪切增加1.18倍。最后,提出了一种增设隔板,并将单点曝气改为双点曝气的方案。通过构型优化,在不增加能耗、不改变高径比的条件下增加了反应器内的水力剪切,为颗粒污泥反应器的实际应用提供参考。