生物膜法废水处理因其经济高效和节能环保的优势在实践中得到了广泛的运用。生物膜作为污染物处理的核心,探究其中的传质过程对于提升废水处理的工艺性能尤为重要。本文借助三维重构技术真实再现了活细胞、胞外聚合物（EPS）和孔隙在生物膜内部的空间分布,并首次实现了对基于真实结构的生物膜内局部流动、污染物传递和反应通量的模拟研究,在微观尺度下揭示了生物膜复杂多孔结构特性对其中传质过程的影响,为相关研究提供了一种可行的技术参考。本文以荧光染色的生物膜显微图像为基础,构建了具有活细胞、EPS和孔隙分布的三维生物膜模型,并分析了重构模型的孔隙结构特征。而后结合流体计算力学在错流式和全流式两种流动模式下分析了孔隙中的流动和传质过程,发现在错流式流动中,生物膜深层大量孔隙中的流动并未被激活,仅依赖微弱的扩散传质作用和浅层开阔孔隙中的对流传质进行底物传递,使得细胞团常处于底物缺乏的状态;在全流式流动中,贯通孔隙内的高速流动将充足的底物带入到生物膜深处,提高了部分细胞团对污染物的降解速度。在不同环境和反应条件下进行模拟,发现主流区的高流速动配合较高的反应速率常数可有效提高污染物的消耗速率,但无法提高污染物的降解率。另外,发现细胞团的特殊形态可能是其为应对生物膜深层的恶劣传质条件而做出的积极响应。同时,本文分析了 3种主要的EPS成分在生物膜中的分布,并建立了多个包含不同EPS成分的生物膜模型,通过对比探究了它们对生物膜传质过程的影响。结果表明,在错流式流动中,速度边界层的存在严重阻碍了生物膜与主流区流体的质量交换,EPS并不是传质过程的主要影响因素;在全流式流动中,β-D吡喃葡萄糖多糖构成了一个致密的底层,大大降低了生物膜的渗透率,严重抑制了孔隙流体对细胞团的底物传递。并且在高流速和高反应速度条件下,这种抑制作用更为突出。