排放到大气中的甲烷气体是一种强效的温室气体,如何有效利用这部分分散的能源物质成为各国研究者的难题。利用生物膜法和微通道反应器相结合的方式对甲烷进行生化转化是一种新型有效的技术,但该微通道反应器是涉及生物膜生长和气液两相流动的复杂生化反应体系,许多问题有待解决。本文通过可视化实验手段,对微通道反应器内生物膜生长和气液两相流动的耦合作用,气液两相流动及传输特性对反应器生化转化性能的影响规律,以及提升反应器内生物膜持有量与强化底物传输,改善反应器性能方面进行了研究。首先对蛇形微通道反应器内气液界面对甲烷氧化菌运动、分布和粘附生长的影响进行了分析,发现由于气液界面对微通道壁面的巨大剪切力,导致生物膜主要分布在角区,主流区壁面上的生物膜持有量较少。生物膜生长过程可分为可逆粘附、快速生长、缓慢生长和成熟稳定阶段,并且由于生物膜减小了微通道的流通面积,气弹和液柱长度随着生物膜生长而减小。生物膜生长过程中,甲烷与氧气的转化率和空时转化量相对应的经历了缓慢增长,快速增长,放缓增长,缓慢下降和稳定波动五个阶段,经过粗糙度改性后的微通道反应器转化率和空时转化量稳定值为6.5%和195mol/(h·m3)左右。在反应器挂膜的基础上,研究了操作工况对气液两相流动及传输特性的影响。气相流量增大,气弹长度增大,反应器的转化率和空时转化量迅速增大,但进一步增大流量会减少反应物的停留时间,转化率和空时转化量开始减小;液相流量增大,气弹长度减小,反应物的停留时间减少,转化率和空时转化量逐渐减小。温度为30°C,p H为7.0时,生物膜的活性最高,生化转化性能最高。物质传输特性和生物膜转化能力是影响微通道反应器性能的两个重要因素。设计了能够强化传质过程的波浪形和折线形微通道反应器,发现波浪形微通道内的生物膜持有量较少,主要以菌落团均匀分布在壁面上,而折线形微通道内折角处的角区形成了大量生物膜,主流区壁面分布着大量菌落,将转化率和空时转化量的稳定值提高到了12.5%和380mol/(h·m3)左右。扰流柱结构进一步强化反应物的传输,并且扰流柱周围的角区有大量生物膜,将折线形微通道的转化率和空时转化量提升到14.5%和465mol/(h·m3)左右。