目前,利用生物工程和反应器技术处理苯酚废水,以局部、瞬态、微观的观点,从实验、理论和模型的角度出发,对生物反应器内苯酚降解动态行为的研究已成为广大学者研究的一个热点。但是有关反应器内多相流体系局部、瞬态流动-生化反应相互耦合的CFD模型及其动态行为研究的报道甚少。本文首先以气-液-纳米粒子三相鼓泡塔生物反应器(纳米粒子为模拟生物相)和气-液两相气升式环流生物反应器为研究对象,利用激光多普勒测速仪、新型高分辨率电导探头等先进测试技术,对鼓泡塔和环流反应器内局部时均、瞬态气相含率和液相速度进行了实验研究,然后将欧拉连续介质模型应用于鼓泡塔反应器气-液-纳米粒子三相流体系和气升式环流反应器气-液两相流体系,构建了基于Eulerian-Eulerian双流体体系的连续-分散相三维瞬态模型,模型模拟结果与实验值均吻合一致,并在此基础上对上述两种反应器内气、液相流场进行了瞬态预测。其次,针对鼓泡塔生物反应器内热带假丝酵母降解苯酚的动态行为,本文以发酵液物性参数为桥梁,将苯酚生物降解行为的本征动力学与反应器内多相流动特性相耦合,构建了鼓泡塔生物反应器内流动-反应耦合的三维瞬态CFD模型。为定量验证该模型,分别对鼓泡塔生物反应器内空气-苯酚无机盐水溶液两相流体系流体力学特性和热带假丝酵母降解苯酚动态行为进行了实验研究。结果表明,初始苯酚浓度增加,底物对菌体生长的抑制作用明显增强;而菌体接种浓度增加,菌体克服底物抑制作用的能力则随之增强,苯酚降解速率相应增大。同时,流动与生化反应的模型计算值均与相应的实验结果吻合一致。在此基础上,本文分别对实验室规模和工业规模的鼓泡塔生物反应器内苯酚生物降解动态过程中不同时刻的全塔气含率分布、气相速度场、液相速度场、苯酚和菌体细胞浓度场的瞬态变化情况进行了定量预测。作为鼓泡塔反应器的改进形式,气升式环流反应器具有流型规整、相间混合均匀等优点。为此,本文在鼓泡塔生物反应器降酚行为研究基础上,对气升式环流生物反应器内热带假丝酵母降解苯酚动态行为进行了实验研究。结果表明,气升式环流反应器更有利于菌体生长和苯酚的生物降解。在实验基础上,本文构建了气升式环流生物反应器内流动-生化反应耦合的三维瞬态CFD模型,模型模拟值与实验结果吻合一致。通过对气升式环流生物反应器内瞬态流动和生化反应的定量预测表明,气泡羽流的随机摆动是引起反应器内流动瞬态变化的主要因素,流动与生化反应是双向耦合、交互影响的,且生化反应是整个过程的限速步骤。