油砂是一种储量巨大的非常规化石能源,开采过程成本高,耗能较高,排放温室气体,同时污染环境。论文针对中国油砂矿含油率低和埋藏深的特点,提出了油砂开发与太阳能的耦合模式,主要包括在油砂开发中使用太阳能光伏发电供能,将油砂原位热采和地下石蜡储存不稳定电能结合,对露天开发则使用太阳能聚光生产蒸汽用于溶剂萃取沥青。同时,使用矿渣生产陶粒,用于移动床生物膜反应器处理含油污水,并通过生物-电动协同修复矿区含油土壤,形成油砂和太阳能耦合的低碳环保开发模式。论文调研了中国油砂和太阳能资源分布情况,对油砂样品、提取的油砂沥青和矿区污水、土壤进行了分析表征,获得了基础数据,形成了油砂性质数据库和光伏可行性分析软件。设计了光伏发电-石蜡储能-井下电加热钻采油砂工艺,主要利用石蜡相变储热,将不稳定的直流电力转换为热能,在井下实现均匀热交换产生蒸汽。论文阐述了电加热井的结构原型和蒸汽发生方法,并进行了石蜡牌号选择、复配与改性实验,得到了适宜的工作条件。通过数值模拟,计算了该工艺在油砂垂直井中的SAGD效果。对于浅层油砂露天开发,论文发展了溶剂提取油砂沥青的工艺,开发了太阳能聚光光热-溶剂萃取油砂组合工艺,复配了系列萃取剂并进行了小型实验。该工艺在低温下萃取油砂生产油砂沥青,提取率达65%,原料/溶剂损失率小于3‰,尾矿和残渣可烧制水处理陶粒。论文还计算得到年产油砂沥青5万吨的工业装置能耗,得到配备槽式聚光太阳能光热装置集热功率为17MW。为了解决油砂开发中的环境污染问题,论文研究采用移动床生物膜反应器(MBBR)法处理油砂矿种的含油污水,填料来自油砂矿渣烧制的陶粒,实现资源综合利用。实验表明,MBBR法能有效去除COD、石油烃和氨氮化合物,经海泡石改性后的陶粒效果良好,可有效降解有机组分,特别是PAHs。计算了MBBR法曝气的耗电量,及配套光伏发电设施的规模,合理曝气耗电量约0.1kw?h/kg(COD),可结合油田光伏发电设施进行。对于油砂矿区开发后的石油和重金属复合污染土壤,研究了厌氧生物降解和电动修复(BIOEK)协同作用,设计了一种新型的生物-电动修复反应器,通过向被石油和重金属铅复合污染的土壤中添加螯合剂EDTA和表面活性剂Tween 80,同时定期更新电解液,反应效率得到提高,降解效果良好。最后,论文探讨了利用矿坑土地部署太阳能设施的可行性。