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生物膜法具有有机负荷高、污染物去除率高、污泥产量低和运行管理方便等优点,是污水处理提标提负荷改造的主流工艺技术。生物膜在填料表面的形成及调控是生物膜法污水处理技术应用的关键瓶颈,其科学问题是对生物膜形成关键节点的精准识别。然而,长期以来,受实验条件及分析方法限制,学界对于污水处理生物膜这一功能性聚集体的微观形成过程的研究较少,亟待突破。本研究以污水二级处理移动床生物膜反应器（有机填料）和深度处理反硝化滤池（无机填料）的应用场景为导向,采用库埃特-泰勒反应器,系统研究水力剪切力下有机/无机填料表面生物膜形成的微观过程,并创新性运用光学相干断层成像（Optical coherence tomography,OCT）、电化学工作站、Mi Seq高通量测序等先进检测手段和Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论和生物信息学分析方法,深入探究生物膜形成中微生物的可逆粘附、先锋物种的定殖和关键物种的演替,揭示生物膜与填料以及生物膜间的相互作用规律,识别生物膜形成的关键节点,发展了基于总相互作用能二次最小值的生物膜微观形成阶段分区理论。本论文的主要结论如下:1.在水力剪切力为1.0～2.5 Pa的条件下,以高氨氮废水为处理对象,研究了高密度聚乙烯（HDPE）、聚酰胺（PA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚氯乙烯（PVC）和聚碳酸酯（PC）等5种有机填料表面生物膜形成的微观过程,结果表明:（1）生物膜的厚度、粗糙度以及EPS的分泌均呈现先增加后缓慢降低的现象,反映了生物膜自生长、成熟至老化的历程,出现最大值的时间基本一致。其中,ABS填料表面生物膜可能倾向于在更高的剪切力下形成。（2）率先报道了有机填料表面生物膜形成中细菌可逆粘附的阈值为:5.51±0.24 nm（PA）＞5.27±0.21 nm（HDPE）＞5.19±0.29 nm（ABS）＞5.01±0.16 nm（PC）＞3.74±0.20 nm（PVC）,不同填料表面电子受体分项之间呈现显著性差异（p＜0.05）。（3）肠杆菌属（Enterobacteriaceae）、噬菌弧菌属（Bacteriovorax）和黄杆菌属（Flavobacterium）作为生物膜微生物群落中的先锋物种最先定殖,且随水力剪切力和反应器运行时间的增加逐渐呈现出显著性差异（p＜0.05）。较高的剪切力显著提高了有机填料表面生物膜微生物群落的多样性和稳定性。（4）研究发现胞外聚合物（EPS）对后续微生物的粘附和生物膜的形成具有负反馈作用,特别是对细菌从可逆向不可逆粘附转变过程的影响更大。2.在水力剪切力为1.0～2.5 Pa的条件下,以二级生化尾水为处理对象,研究了无机填料二氧化硅（SiO2）表面生物膜形成的微观过程,结果表明:（1）剪切力的提高在一定范围内（1.5～2.0 Pa）可以加快生物膜的更新,提高生物膜厚度（～1600μm）以及EPS的生成。（2）无机填料表面生物膜形成中细菌可逆粘附距离为3.06±0.48 nm,且受剪切力影响不显著。（3）先锋物种丛毛单胞菌属（Comamonadaceae）、固氮螺菌属（Azospira）、黄杆菌属（Flavobacterium）、固氮弓菌属（Azonexus）的丰度随着剪切力增加而下降。微生物群落丰富度和多样性均随着剪切力和反应器运行时间而显著提高（p＜0.05）。高剪切力（1.5～2.0 Pa）时大多数关键物种与生物膜活性呈负相关性。关键物种氢噬菌属（Hydrogenophaga）、AKYH767、水单胞菌属（Aquimonas）和Ignavibacterium的相对丰度均随着生物膜的培养和剪切力的提高而增大。AKYH767、水单胞菌属（Aquimonas）、Ignavibacterium的相对丰度在2.5 Pa剪切力下显著增大（p＜0.05）。（4）通过溶液电阻和双层电容以及与泄漏电流相关的电荷转移电阻的测定可以大体上可将生物膜的形成分成几个阶段,前10天生物膜处于细菌粘附阶段,第10天到第23天生物膜逐渐成熟,第23～29天,生物膜出现了老化现象,并开始出现生物脱落状态。3.基于上述研究结果,提出水力剪切力下有机/无机填料表面生物膜形成的微观机制,开发了基于二次最小值的新型生物膜指标量化响应方法,结果表明:（1）本研究对有机和无机填料表面生物膜形成的微观过程进行了回顾,发现总相互作用能中的二次最小值可作为新型指标表征生物膜形成的各个阶段。分别在第6天和第11天时,有机和无机填料表面不可逆粘附明显增强,二次最小值分别为-2368.75 k T和-43479.67 k T,此时生物膜初始粘附阶段向形成阶段转换。分别在第10天和第13天左右,二次最小值分别为-6256.75 k T和-53671.33 k T时,生物膜开始从形成阶段逐步进入老化和脱落阶段。（2）有机填料表面生物膜的蛋白质含量对二次最小值的量化响应最为理想,符合倒数函数关系（R~2=0.373,p=0.009）,无机填料表面生物膜的Zeta电位对二次最小值的量化响应最为理想,符合三次函数关系（R~2=0.574,p=0.020）。上述基于水力剪切力的有机/无机填料表面生物膜形成微观过程的研究结果,为发展污水处理生物膜的形成及调控理论、研发基于微界面调控的强化技术提供了重要支撑。