污水生物处理中，建立反应器数学模型及流态分析对反应器过程机理认知及控制有着十分重要的意义。虽然活性污泥和生物膜工艺均有完善的数学模型，但针对复合生物处理工艺，传质过程的研究大多停留在氧传递效果K La或单纯底物降解分析上，对整个系统研究相对较少。由于复合式生物反应器同时存在活性污泥及生物膜两种不同状态微生物，不能直接使用任何一个现有的活性污泥或生物膜数学模型。因此，建立复合氧化沟传质动力学模型及流态研究对深入了解其机理、协助工艺控制及工艺发展都具有十分重要的意义。通过复合氧化沟系统传质反应过程分析，将原有复杂系统简化为气液固三相具有时间先后顺序的活性污泥与生物膜相结合系统。通过对每一过程的传质反应分析，得到复合工艺通用数学模型，并结合复合氧化沟实际情况，将通用三维模型简化为一维扩散反应模型并验证，得到复合氧化沟传质动力学模型基本数学方程如下：气液相间传质基本方程：气液固三相传质反应基本方程：通过模型分析，得到影响复合氧化沟传质反应的主要因素为系统的溶解氧含量、生物量及水力停留时间。通过清水充氧试验和正交试验，确定传质反应最优工况为：填料投配率30%，HRT为10h，污泥龄为25d，采用联合曝气（倒伞转速58.5r/min，微孔曝气量80L/h），夜间间歇曝气。通过最优工况确定系统气液相间总传质系数及系统满足一级反应动力学。通过对氧化沟投加填料前后流场数值模拟及实测得到投加填料后对原有流场影响较大，增加了系统局部紊动及水力剪切，改变系统原有速度分布，系统大部分点速度变化趋势接近，投加填料后仍存在速度分布，保证氧化沟固有流态形式。将流场分析传质反应结合分析发现，悬浮填料伴随氧化沟混合液流动而不是固定在一定区域更利于系统气液固三相传质反应的发生。并且复合氧化沟可满足在不增加系统外加动力能耗情况下，促进系统气液固三相传质反应，具有对原氧化沟系统升级改造的意义。