由于传统化石燃料的大量燃烧,能源短缺和环境破坏已成为限制人类生存和发展的重要问题。从根本上改善我国能源消费结构、积极开发绿色可再生能源与大力开展环境治理并举,突破当前经济发展与能源短缺、环境恶化之间的矛盾迫在眉睫。微藻作为一种单细胞生物,可利用电厂烟气中的CO2作为生长底物、利用污水中的氮磷无机盐作为营养物并以光能作为能量来源,通过自身光合作用合成油脂类能源物质,同时实现温室气体减排、污水治理和生物质能源产出的功效,达到一举多得的目的。近年来对微藻生物质能源的开发已成为学者研究的重点问题之一。然而,由于目前微藻生物质能源转化技术尚不成熟,尤其是培养系统内物质传递效率较差,导致微藻生物能源产率较低,经济性较差。因此,对微藻培养系统内的物质传递过程进行研究,并根据培养系统内物质传递特性进行合理的培养条件优化和传递过程强化,可有效提高微藻生长和油脂代谢效率。本文围绕悬浮式培养的微藻生物质能源技术,系统的研究了小球藻生长和油脂积累过程中的的主要影响因素(碳、光和营养物)在培养系统内的物质传递过程,并通过培养条件优化和培养系统结构改进等手段对系统内物质传递过程进行了调控,强化了小球藻生长和油脂积累。首先对小球藻生长代谢过程中的光传输和碳传输特性进行了分析,通过正交实验设计的方法对光照和总溶解碳耦合影响下的小球藻生长和固碳特性进行了研究,建立了综合考虑光照强度和总溶解碳浓度耦合影响的小球藻生长和固碳动力学模型,并利用该模型对小球藻在不同条件下达到稳定期时间进行了预测,从而为微藻最佳采收时间提供理论指导。随后,利用离子交换膜的选择透过性设计了自适应式离子交换膜微藻光生物反应器,对微藻培养系统内的营养物质传递特性进行了优化,研究了自适应营养物供给模式下小球藻生长和油脂积累特性。与此同时,根据小球藻不同生长期对营养物需求量的不同提出了小球藻不同生长阶段的营养物供给策略。之后,对小球藻生长代谢过程中的三个主要影响因素(光、碳和营养物)在反应器内的物质传递过程进行同步调控,以实现小球藻油脂产率的进一步提高。此外,本文还设计了可实现污水与小球藻非直接接触式培养的圆筒型离子交换膜微藻光生物反应器,对污水中氮磷营养物和毒害污染物颗粒的传递过程进行分别调控,从而有效避免了污水中重金属等污染物对小球藻生长和油脂代谢的抑制作用,实现了高效的微藻培养和污水净化处理。主要研究结果如下:(1)本文所建立的小球藻生长和固碳动力学模型综合描述了光照强度和总溶解碳浓度耦合影响下小球藻从适应期到稳定期的生长和固碳特性。通过随机实验验证发现本文所建立的动力学模型与实验结果吻合良好。随后,利用所建立的模型对不同光照强度和总溶解碳浓度影响下小球藻的生长动力学特性进行了分析,发现小球藻生长速率随时间变化呈现先增加后减小的趋势,而小球藻比生长速率呈现单调递减的趋势。小球藻生物质量浓度和固碳量在光强和总溶解碳浓度分别为120μmol/m~2/s和17 mM时达到最大值,其值分别为2.303 g/L和4.385 g CO2/L,且在此培养条件下小球藻进入稳定期时间最短为98 h。当光照强度和总溶解碳浓度高于或低于最佳值时,小球藻最大生物质量浓度和固碳量都会下降,且小球藻进入稳定期时间延长。(2)离子交换膜对氮磷等无机盐离子具有较好的选择透过性,通过控制离子交换膜两侧氮磷营养物浓度差,可有效的将小球藻培养腔室内的氮磷营养物保持在相对适宜的水平,从而避免过量营养物对小球藻生长的抑制作用和营养物不足对小球藻生长的限制作用。结果表明,小球藻最大生物质量浓度从传统反应器的1.30g/L提高到离子交换膜反应器的2.98 g/L,提高了129.2%。随后,本文对离子交换膜反应器内的最佳氮磷供给速率进行了研究,结果表明当氮磷供给速率分别为19.0mgN/L/d和4.2 mgP/L/d时,小球藻最大生物质量浓度为4.38 g/L。(3)小球藻在不同生长阶段对营养物的需求量不同,根据小球藻不同生长阶段对营养物的需求量进行合理调控可显著提高小球藻生物质产率和油脂产率。在小球藻培养适应期,相对较低的氮磷营养物供给速率(即氮磷供给速率分别为5.11mgN/L/d和0.54 mgP/L/d)可使其适应期持续时间降低至34 h;在小球藻培养生长期,相对充足的氮磷营养物供给(即氮磷供给速率分别为20.04 mgN/L/d和4.21mgP/L/d)使其最大生物质量浓度显著提高,可达到约4.1 g/L;而在小球藻培养稳定期,停止供给营养物质可强化小球藻油脂含量,最终使小球藻油脂产率提高至132.30 mg/L/d。(4)在小球藻最佳的营养物供给方案下,对小球藻不同生长阶段的光照强度和CO2浓度进行了进一步的同步调控,强化了小球藻生物质量浓度和油脂产率。在小球藻培养适应期,给其提供较低光强(60μmol/m~2/s)和CO2浓度(2%)可使得小球藻适应期持续时间进一步缩减至24 h;在小球藻培养生长期,相对较高的光照(120μmol/m~2/s)和CO2(浓度为5%)使其最大生物质量浓度提高至4.52 g/L;而在小球藻培养稳定期,较高光照强度(180μmol/m~2/s)可强化小球藻油脂的合成,最终使小球藻油脂产率提高至163.4 mg/L/d。(5)构建了圆筒型离子交换膜微藻光生物反应器,可实现污水与小球藻的非直接接触式培养,有效避免了污水中污染物对小球藻生长的毒害作用。该反应器可广泛适用于不同类型的未经预处理的污水和未驯化的微藻藻种。当以模拟农业污水、模拟市政污水、模拟工业污水和实际市政污水为营养源时,小球藻生物质量浓度分别从传统反应器的2.34、2.15、0和0.52 g/L提高至离子交换膜反应器的4.24、3.13、2.04和1.71 g/L。相应的,污水中氮磷移除率、油脂产率和油脂质量也得到了较大的提高。