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微藻可利用电厂烟气中的CO2作为碳源、利用污水中的氮磷等作为营养物,并以太阳能作为能量来源,通过光合作用合成油脂等能源物质和其他高附加值的产物,一举达到减排除废和生物质能源产出的多重目的。相比于微藻悬浮式培养,微藻生物膜式培养可减少系统的需水量,有效提高光生物反应器内的生物质密度,且具有操作稳定、采收方便、高效节能等优势,具有更大的发展及推广潜力。微藻生物膜是微藻细胞在范德华力、静电力及胞外分泌物的粘附力的作用附着在载体表面,经过增殖生长形成的微生态群落。其过程包含微藻细胞向载体表面的运动、细胞的初始附着及生长成膜、成熟等几个阶段,是一系列含生化转化的流动传递问题。然而,目前微藻生物膜成膜生长的作用机制尚不明确,导致调控生物膜成膜及生长过程的方法较少且缺乏针对性。因此,研究微藻生物膜在载体上的成膜机理及特性,进一步提出有效的过程强化方法,提高微藻生物膜的产量,对微藻生物质能源的发展具有重要意义。本文研究了微藻生物膜在载体上成膜生长作用机理及特性,并在理论指导下提出了有效强化和调控成膜生长过程的方法。首先,在微藻细胞从悬浮液运动到载体表面的过程中,针对微藻细胞沉降速度慢、成膜时间长的问题,以Stock定律为依据,提出了利用藻-藻共聚体增大细胞尺寸辅以Zeta电位调节打破分散系平衡的方法,加快细胞沉降速度,缩短成膜时间,同时共聚体的三维孔隙结构也为建立传质阻力小的多孔生物膜打下了基础;随后,针对微藻细胞与载体间的作用力弱、附着不牢固导致的初始附着期长等问题,应用DLVO理论对微藻细胞在载体表面附着机理和特性进行了对比分析,并设计构造了表面具有不同尺寸及形状微沟槽的载体,探讨了载体上流场作用及气液界面现象对成膜过程的影响;接着,以微藻生物膜光合生长过程中,代谢释放的气体会形成气泡附着在载体上这一新现象为切入点,研究了气泡行为对微藻生物膜成膜及生长的影响,特别通过对气泡行为的调控,诱导生物膜内疏松多孔微结构的形成,达到优化生物膜生长的目的;最后,在二维载体研究的理论基础上,更好的提高空间利用率,优化生物膜的传质过程,借助3D打印技术制作了三维多层网格载体,研究了载体内的气液两相行为、载体几何参数与表面特性对生物膜发展过程的影响,并将其应用于新型高效微藻生物膜生长与污水处理的集成反应器中,研究了污水中氮磷种类、浓度等对反应器去污性能和微藻生物膜生长的影响,并建立了生物膜对氮磷的吸收动力学模型。主要研究成果如下:（1）提出了一种加速细胞从悬浮液中到载体表面运动速度的方法,将纤维丝状的镰形纤维藻与纺锤形斜生栅藻以1:4的比例混合,形成具有孔隙结构的藻-藻共聚体,并通过改变pH调节zeta电位,在静电中和理论的指导下使分别具有正、负电性的共聚体混合,将微藻在光生物反应器中的沉降运动时间由4小时缩短到1.5分钟。由于藻-藻共聚体的多层多孔结构减小了营养物质在生物膜内的传质阻力,使生物膜的密度和油脂含量比纯藻单独培养时分别高20.23%和36.94%。（2）应用DLVO理论对藻液流动时微藻细胞在载体表面的附着过程和机理进行了分析,探讨了粘附过程中的受力情况。为了优化微藻细胞在载体表面的附着,运用微光刻技术设计制作了不同尺寸形状的微沟槽载体,结果发现U型沟槽上出现的“钉扎”现象引起气液相界面的卷扫行为,破坏生物膜。而V型沟槽内会产生涡流,不但增强了微藻细胞的附着牢固程度,也有利于营养物质的传输。微藻细胞在45°V型沟槽上的初始附着成膜时间可以从135分钟缩短至50分钟。（3）创新提出了微藻细胞生长过程中光合作用生成气泡对生物膜微结构的影响,通过在喷涂不同浓度的PTFE乳液修饰载体表面从而调控气泡行为,发现气泡的生长、破碎、脱离、上升等变化行为,不但会使微藻生物膜微结构疏松多孔,减小传质阻力,也会对培养液进行扰动有利于溶氧的扩散,降低产物抑制,有利于微藻生物膜生长。当培养液流速为3.5 mL min-1,进液口高度为2.5 cm时,在经1%PTFE乳液处理的载体表面（接触角64o）,微藻生物膜的最大生物质浓度可达到177.89 g m-2,相应的生产率达到9.88 g m-22 d-1。（4）充分利用反应器内的竖直空间,借助3D打印技术,设计构建了多层网格载体,通过研究微藻生物膜光合生长过程中生产的气泡行为对生物膜生长的影响,优选了最适于生物膜生长的载体材料,并得出了多层网格最佳结构参数。半透明光敏树脂制作的多层网格载体最适于生物膜生长,当载体的网孔为六面体,孔尺寸为8 mm3,层数为3时,微藻生物膜的干重可达到240.75 g m-2,比单层网格上生物膜干重高169.87%,比平板表面生物膜干重高84.71%。（5）将多层网格应用到污水处理,设计了内置多层网格载体的微藻生物膜培养与污水处理的集成反应器,在该反应器内污水中总氮的7天处理效率比平板载体高103.92%;微藻生物膜生物质量比平板上生物质浓度高34.57%。当微藻生物膜以氨氮为氮源时,其对氮的吸收净化效率最高。通过微藻对氮、磷的吸收动力学得到,微藻对氮、磷吸收的反应速率常数k和半饱和常数Km分别为:对于氮的吸收:k=0.75(mg L-1 NH4+-N)/(g m-2 DW)/d,Km=289.11 mg L-1;对于磷的吸收k=0.63(mg L-1 PO43--P)/(g m-2 DW)/d,Km=253.22 mg L-1。