随着能源短缺与环境污染的日益恶化，传统化石能源已不能满足环境友好和可持续发展的要求，急需可替代再生能源。氢能凭借其高燃烧值、易完全燃烧、无污染和可直接在燃料电池中使用等优点，被认为是最有潜力的替代能源之一。氢能应用的关键在于氢气的制备。以光合细菌制氢技术为代表的光生物制氢技术能利用有机废水中的碳源在光能的驱动下产生氢气，从而同时实现环境保护和制备可再生能源；并且其反应条件温和、能耗低，因此具有良好的发展前景。其中，细胞固定化技术之一的生物膜法，拥有较大传质速率、优良的光传输特性和简便的操作方式等优点的同时，也能有效提高生物反应器单位体积内的生物量从而提高反应器的产氢速率。因此，生物膜法光合细菌制氢技术能有效的解决能源和环境问题。　　在生物膜制氢光生物反应器中，底物的传入与产物（氢气）的传出以及生化产氢反应都主要发生在生物膜内。因此，底物-产物传输和反应器整体性能很大程度上取决于生物膜结构，而这些都直接受到反应器内光合细菌的成膜特性的影响。然而，过去在这方面的研究还比较少，针对此，本文以光合细菌沼泽红假单胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK01作为产氢菌种，利用元胞自动机模型对光合细菌生物膜在平板和沟槽基质表面生长进行了数值模拟，预测了光照强度、初始接种量、温度、pH和底物浓度对光合细菌生长和成膜过程中表面形态以及特征参数的影响。为了验证模型的准确性，本文还设计了三种不同沟槽尺寸的光生物制氢反应器，研究在相同条件下形成的生物膜形态结构及其产氢性能的变化并与平板反应器做了对比。主要研究结果如下：　　1.在不同的外部操作条件下，生物膜形态呈现稀疏的树枝状和致密的平板结构，对于不同形态的生物膜结构，通过特征参数的比较发现，树枝状具有更大的孔隙率、粗糙度和活性生物量，具有更好的传质效果。　　2.底物限制是细胞失活现象发生的关键因素。由于底物浓度过低，细胞失活多发生在生物膜内部区域。　　3. pH、温度和光照条件对光合细菌生物膜内酶的活性有着重要影响。过低或过高会对酶的活性产生限制或抑制作用，进而影响光合细菌生物膜的生长。研究发现，最优pH、温度和光照条件分别为7.0、30℃和6000lux。　　4.底物浓度和初始接种量对光合细菌的生长具有重要的作用。模型结果发现过高和过低的底物浓度和接种量都不利于生物膜的生长，最佳底物浓度和初始接种量分别为10g/L和60。　　5.模拟研究沟槽基质表面上生物膜生长情况，与相同条件下的平板基质对比发现，沟槽条件下形成的生物膜厚度和活性生物量都要高于平板，而所形成的生物膜粗糙度也要优于平板基质。经过研究不同操作条件下对光合细菌在沟槽基质表面的成膜特性，得到对于沟槽基质表面下光合细菌生物膜生长的最适条件为：温度为30℃、pH为7.0、光强为6000lux和接种量为120个。　　6.不同沟槽尺寸对光合细菌生物膜成膜的实验研究发现：四种反应器所形成的生物膜在单个细胞形态上差别不大，而生物膜厚度和干重在沟槽尺寸为1.0mm时获得最大分别为98μm和0.94mg/cm2。同时，1.0mm的沟槽的产氢性能也最好,最大产氢速率、底物降解效率以及光能利用率分别为1.4mmol/m2/h,62％和0.9%。因此，对于光合细菌制氢反应器的最佳沟槽尺寸为1.0mm。