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摘要微藻作为一种最具有潜力的新型生物质，具有光合效率高、零净碳值、易培养、生长周期短、油脂含量高、环境适应性强等优点。微藻吸附式生物膜培养可有效提高光生物反应器内单位体积生物量，且具有操作稳定、采收方便、节能等优点，相比于悬浮态微藻培养技术具有更大优势。因此本文采用普通小球藻作为实验藻种，以琼脂凝胶作为微藻营养物质的供给源层，微孔滤膜作为微藻生物膜吸附基质构建了源层/基质层双层结构微藻生物膜反应器，在相同环境条件下，分别利用柱式光生物反应器和双层结构微藻生物膜反应器进行了微藻悬浮式培养和吸附式生物膜培养，研究了光传递及 CO2供应对微藻悬浮细胞和生物膜生长的影响，从而从光传递角度和 CO2供给角度解释微藻生物膜培养的优势所在。然后，基于双层结构微藻生物膜反应器研究了营养液供给对生物膜形态、微藻生长以及微藻油脂积累的影响，为微藻生物膜培养方法的发展和应用提供实验指导。最后，为了高密度培养微藻并节约水资源投入、减少采收脱水能耗，参考膜生物反应器的构造，采用强度高、生物相容性好的永久性亲水PVDF/PTFE复合滤膜材料作为微藻吸附基质，设计了密闭腔式微藻生物膜光生物反应器及其实验系统，并进行了该培养系统的性能优化实验，以获得其运行最佳条件，并评估了该培养系统的水资源投入情况。全文主要结论如下：<br>　　①吸附式生物膜培养达到稳定时，生物质面积密度为99.44g/m2，比悬浮式培养最终生物质面积密度高35.07％；入射光为120μmol/(m2·s)时，在相同生物质面积密度条件下，光在生物膜内穿透优于悬浮液，有效照射比例明显高于悬浮液生物膜培养中。光能有效穿透微41.35±3.73μm厚度的藻生物膜（对应40 g/m2），当生物膜面积密度低于40g/m2时，光能穿透整个生物膜，当面积密度为100g/m2时，生物膜上层40%的部分被有效照射，而悬浮液有效照光照比例仅为2.5%。当初始接种密度为12.5g/m2时，微藻生物膜的生长速度最大为27.85g/(m2·day)，光能穿透整个生物膜，继续提高接种密度，微藻生物膜生长速度降低。<br>　　②以相同浓度的CO2作为碳源时，生物膜培养生物量高于悬浮态培养；空气作为碳源时，生物膜有较好的生长，而悬浮细胞几乎不生长；生物膜培养 CO2的饱和点为1.5%，悬浮培养 CO2饱和点为4.5%，生物膜对 CO2具有更好的亲和能力。<br>　　③营养液供给对生物膜结构影响明显，当琼脂浓度从0.125%升高到8%时，生物膜含水量降低，微藻细胞缩水变小，微藻生物膜变得更加致密，微藻生物膜厚度从91.23降到62.33μm；营养液供给对微藻光合生长影响明显，琼脂浓度从0.125%升高到8%时，单位厚度生物膜内含水量（第2天）从18.12降低至9.19mg/μm，光和 CO2向生物膜内部传递阻力减小，加速了微藻光合生长，使得最终生物膜密度从40.56提高45.9%至59.16g/m2；营养液供给对微藻油脂积累影响明显，相对较低的生物膜含水量有利于油脂积累，当琼脂浓度从0.125%升高到8%时，油脂含量从25.21%提高到28.24%，油脂产量提高了63.39%。<br>　　④基于光和CO2的传递及含水量的影响，设计了密闭腔式微藻生物膜膜式反应器，最佳运行条件为反应器设计高度5cm，最佳光照强度为200μmol/(m2·s)，最佳培养基方案为0.1N-BG11×20，最佳率为0.018VVM，最低培养基体积为5L/m2；微藻生物膜膜式反应器性能优良，生物质产量高达178.25g/m2，油脂含量为20.25%，油脂产量高达36.10g/m2；微藻生物膜膜式反应器生产1kg干藻和1kg油脂的水足迹分别为28.05L、138.50L，相比于悬浮培养方式最高减少了2828.95L/kg。