1、由于傳統(tǒng)化石燃料的大量燃燒，能源短缺和環(huán)境破壞已成為限制人類生存和發(fā)展的重要問題。從根本上改善我國能源消費結構、積極開發(fā)綠色可再生能源與大力開展環(huán)境治理并舉，突破當前經濟發(fā)展與能源短缺、環(huán)境惡化之間的矛盾迫在眉睫。微藻作為一種單細胞生物，可利用電廠煙氣中的 CO2作為生長底物、利用污水中的氮磷無機鹽作為營養(yǎng)物并以光能作為能量來源，通過自身光合作用合成油脂類能源物質，同時實現(xiàn)溫室氣體減排、污水治理和生物質能源產出的功效，達到一舉多得的目的

2、。近年來對微藻生物質能源的開發(fā)已成為學者研究的重點問題之一。然而，由于目前微藻生物質能源轉化技術尚不成熟，尤其是培養(yǎng)系統(tǒng)內物質傳遞效率較差，導致微藻生物能源產率較低，經濟性較差。因此，對微藻培養(yǎng)系統(tǒng)內的物質傳遞過程進行研究，并根據(jù)培養(yǎng)系統(tǒng)內物質傳遞特性進行合理的培養(yǎng)條件優(yōu)化和傳遞過程強化，可有效提高微藻生長和油脂代謝效率。
　　本文圍繞懸浮式培養(yǎng)的微藻生物質能源技術，系統(tǒng)的研究了小球藻生長和油脂積累過程中的的主要影響因素（碳、光和

3、營養(yǎng)物）在培養(yǎng)系統(tǒng)內的物質傳遞過程，并通過培養(yǎng)條件優(yōu)化和培養(yǎng)系統(tǒng)結構改進等手段對系統(tǒng)內物質傳遞過程進行了調控，強化了小球藻生長和油脂積累。首先對小球藻生長代謝過程中的光傳輸和碳傳輸特性進行了分析，通過正交實驗設計的方法對光照和總溶解碳耦合影響下的小球藻生長和固碳特性進行了研究，建立了綜合考慮光照強度和總溶解碳濃度耦合影響的小球藻生長和固碳動力學模型，并利用該模型對小球藻在不同條件下達到穩(wěn)定期時間進行了預測，從而為微藻最佳采收時間提供理論

4、指導。隨后，利用離子交換膜的選擇透過性設計了自適應式離子交換膜微藻光生物反應器，對微藻培養(yǎng)系統(tǒng)內的營養(yǎng)物質傳遞特性進行了優(yōu)化，研究了自適應營養(yǎng)物供給模式下小球藻生長和油脂積累特性。與此同時，根據(jù)小球藻不同生長期對營養(yǎng)物需求量的不同提出了小球藻不同生長階段的營養(yǎng)物供給策略。之后，對小球藻生長代謝過程中的三個主要影響因素（光、碳和營養(yǎng)物）在反應器內的物質傳遞過程進行同步調控，以實現(xiàn)小球藻油脂產率的進一步提高。此外，本文還設計了可實現(xiàn)污水與小

5、球藻非直接接觸式培養(yǎng)的圓筒型離子交換膜微藻光生物反應器，對污水中氮磷營養(yǎng)物和毒害污染物顆粒的傳遞過程進行分別調控，從而有效避免了污水中重金屬等污染物對小球藻生長和油脂代謝的抑制作用，實現(xiàn)了高效的微藻培養(yǎng)和污水凈化處理。主要研究結果如下：
　?、俦疚乃⒌男∏蛟迳L和固碳動力學模型綜合描述了光照強度和總溶解碳濃度耦合影響下小球藻從適應期到穩(wěn)定期的生長和固碳特性。通過隨機實驗驗證發(fā)現(xiàn)本文所建立的動力學模型與實驗結果吻合良好。隨后，利

6、用所建立的模型對不同光照強度和總溶解碳濃度影響下小球藻的生長動力學特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)小球藻生長速率隨時間變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而小球藻比生長速率呈現(xiàn)單調遞減的趨勢。小球藻生物質量濃度和固碳量在光強和總溶解碳濃度分別為120μmol/m2/s和17 mM時達到最大值，其值分別為2.303 g/L和4.385 g CO2/L，且在此培養(yǎng)條件下小球藻進入穩(wěn)定期時間最短為98 h。當光照強度和總溶解碳濃度高于或低于最佳值時，小球藻最大生

7、物質量濃度和固碳量都會下降，且小球藻進入穩(wěn)定期時間延長。
　?、陔x子交換膜對氮磷等無機鹽離子具有較好的選擇透過性，通過控制離子交換膜兩側氮磷營養(yǎng)物濃度差，可有效的將小球藻培養(yǎng)腔室內的氮磷營養(yǎng)物保持在相對適宜的水平，從而避免過量營養(yǎng)物對小球藻生長的抑制作用和營養(yǎng)物不足對小球藻生長的限制作用。結果表明，小球藻最大生物質量濃度從傳統(tǒng)反應器的1.30 g/L提高到離子交換膜反應器的2.98 g/L，提高了129.2％。隨后，本文對離子交換

8、膜反應器內的最佳氮磷供給速率進行了研究，結果表明當?shù)坠┙o速率分別為19.0 mgN/L/d和4.2 mgP/L/d時，小球藻最大生物質量濃度為4.38 g/L。
　?、坌∏蛟逶诓煌L階段對營養(yǎng)物的需求量不同，根據(jù)小球藻不同生長階段對營養(yǎng)物的需求量進行合理調控可顯著提高小球藻生物質產率和油脂產率。在小球藻培養(yǎng)適應期，相對較低的氮磷營養(yǎng)物供給速率（即氮磷供給速率分別為5.11 mgN/L/d和0.54 mgP/L/d）可使其適應期

9、持續(xù)時間降低至34 h；在小球藻培養(yǎng)生長期，相對充足的氮磷營養(yǎng)物供給（即氮磷供給速率分別為20.04 mgN/L/d和4.21 mgP/L/d）使其最大生物質量濃度顯著提高，可達到約4.1 g/L；而在小球藻培養(yǎng)穩(wěn)定期，停止供給營養(yǎng)物質可強化小球藻油脂含量，最終使小球藻油脂產率提高至132.30 mg/L/d。
　?、茉谛∏蛟遄罴训臓I養(yǎng)物供給方案下，對小球藻不同生長階段的光照強度和CO2濃度進行了進一步的同步調控，強化了小球藻生物

10、質量濃度和油脂產率。在小球藻培養(yǎng)適應期，給其提供較低光強（60μmol/m2/s）和CO2濃度（2%）可使得小球藻適應期持續(xù)時間進一步縮減至24 h；在小球藻培養(yǎng)生長期，相對較高的光照（120μmol/m2/s）和CO2（濃度為5%）使其最大生物質量濃度提高至4.52 g/L；而在小球藻培養(yǎng)穩(wěn)定期，較高光照強度（180μmol/m2/s）可強化小球藻油脂的合成，最終使小球藻油脂產率提高至163.4 mg/L/d。
　?、輼嫿藞A筒

11、型離子交換膜微藻光生物反應器，可實現(xiàn)污水與小球藻的非直接接觸式培養(yǎng)，有效避免了污水中污染物對小球藻生長的毒害作用。該反應器可廣泛適用于不同類型的未經預處理的污水和未馴化的微藻藻種。當以模擬農業(yè)污水、模擬市政污水、模擬工業(yè)污水和實際市政污水為營養(yǎng)源時，小球藻生物質量濃度分別從傳統(tǒng)反應器的2.34、2.15、0和0.52 g/L提高至離子交換膜反應器的4.24、3.13、2.04和1.71 g/L。相應的，污水中氮磷移除率、油脂產率和油脂質