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微藻由于具有世代周期短、不与农作物竞争耕地且胞内富含油脂、蛋白质、多糖等优点,在生物柴油、废水处理、食品保健、医药等领域受到了广泛的关注和研究。尤其是在城镇化建设不断加快,工业化进程不断深入的当下,将微藻养殖与环境治理相结合,不仅能处理因人类活动产生的废水、废气,同时微藻自身可以进行油脂、蛋白质、多糖的累积,从而实现废物资源化再利用的目的。然而,在微藻废水培养的过程中,还存在培养过程受环境影响大,悬浮培养的微藻生物量浓度低且难以采收等诸多缺陷。为此,本研究以三株常见的胞内富含营养物质的藻种为对象,探究其在废水中培养的可行性,以筛选出耐污能力和环境适应力强的藻种;随后,针对传统生物膜反应器的不足之处,构建了一种新型微藻生物膜反应器并对其关键操作参数进行优化,以及利用该系统同时实现微藻生物量高效累积和废水处理;最后,利用拓展的Derjaguin Landau Verwey Overbeek（XDLVO）理论分析了微藻生物膜成膜过程中微藻细胞之间、藻细胞与载体材料之间的相互作用,以揭示微藻生物膜成膜机制。本研究主要研究内容与结论如下:（1）首先以小球藻（Chlorella vulgaris）,栅藻（Scenedesmus obliquus）和螺旋藻（Spirulina platensis）为研究对象,考察了其在实际废水中培养的可行性。通过分析C.vulgaris,S.obliquus和S.platensis这三株藻种在培养过程中的相对丰度变化,发现针对某一特定地区的四季与昼夜的温度和光照周期条件以及实际废水性质,C.vulgaris比S.obliquus生长能力更强,而S.platensis在培养一段时间后消亡殆尽。另外无论曝气与否,该系统在夏、秋季的培养条件下实现了更高的生物量浓度累积和对污染物质的有效去除。此外,利用动力学模型描述微生物生物量生长过程时发现,最大比生长率为0.07～0.46 d-1。与曝气条件相比,同一季节非曝气条件下的最大比生长率值都要低。这说明曝气有利于该系统的生物量生长。（2）以核桃壳为载体材料开发了一种四通道平板式微藻生物膜反应器,并对其关键操作条件（光照强度、载体核桃壳粒径、CO2体积浓度）进行了单因素实验优化。优化结果表明,在核桃壳粒径为0.8～1.2 mm,光照强度为150μmol m~2 s-1,CO2浓度为2%时,C.vulgaris和S.obliquus生物产量达到最大值,分别为97.45 g m-2和70.49 g m-2。通过元素分析发现额外的CO2供给和核桃壳的加入,可以提高微藻培养过程中有机碳和无机碳的含量,从而增加藻细胞内碳代谢产物（油脂和多糖）的储存量。同时,核桃壳渗滤液中有机碳的存在可能使微藻代谢方式从自养转变为兼养,渗滤液中的多酚类物质则可以减少油脂氧化产物对微藻细胞的损伤,防止自由基进入油脂分子,从而有助于微藻细胞油脂的积累。此外,通过对核桃壳渗滤液培养前后微藻细胞表面藻类有机物（AOM）成分变化的研究,可以看出在核桃壳渗滤液中培养的微藻细胞表面AOM中蛋白质和多糖含量有所提高,这有助于促进微藻细胞在核桃壳表面的附着,有利于微藻生物膜的形成。（3）利用该微藻生物膜反应器对微藻进行废水培养并与悬浮培养系统进行对比,发现在经过8 d的培养后,微藻生物膜系统的微藻生物量产量与产率显著高于微藻悬浮系统。其中,在S.obliquus生物膜系统获得了最高的微藻生物量产量与产率,分别为72.87 g m-2和9.11 g m-2 d-1。最高的油脂和多糖生产率也在S.obliquus生物膜系统中实现,为2.77 g m-2 d-1和2.96 g m-2 d-1;而最高的蛋白质生产率在C.vulgaris＆S.obliquus生物膜系统中实现,为2.66 g m-2 d-1。通过分析微藻生物柴油的重要物理/化学参数,发现微藻生物膜系统对微藻生物柴油性能影响较小,使用该微藻生物膜系统培养的微藻生物柴油很好地满足欧洲标准（EN）和美国测试与材料协会（ASTM）标准。此外,与微藻悬浮系统相比,微藻生物膜系统对COD、TN、TP的去除率差异性不大。其中,微藻生物膜系统对COD、TN、TP去除率达到65.8～74.6%、74.1～83.6%、76.9～87.7%。本研究使用光生物处理（Ph BT）模型描述微藻生物膜系统和微藻悬浮系统中TN和TP的去除过程,得出TN的最大比去除速率（μN）在1.70 d-1和1.97 d-1之间,TP的最大比去除速率（μP）在0.80 d-1和1.58 d-1之间。（4）本研究采用XDLVO理论模型分析了微藻生物膜培养过程中微藻细胞之间,微藻细胞与核桃壳之间的相互作用,发现随着微藻生物膜的发展,微藻细胞之间的总相互作用从排斥转变为吸引,或者能垒逐渐消失,这将导致藻细胞聚集。与此同时,微藻细胞与核桃壳之间的界面能垒逐渐降低或消除,从而有利于微藻细胞在载体表面形成稳定的生物膜。