目前微藻生物质规模化商业应用面临的主要难题是连续、充足和低廉生物量的供给,所以研究微藻培养技术和反应器开发技术,对实现微藻高效低成本的规模化培养至关重要。烟道气中CO2和污水中氮磷等营养元素能有效促进微藻生长。跑道池反应器是一类用于微藻规模化培养的开放式反应器,目前对其优化设计及放大缺乏理论依据,且对反应器内部流体和传质的研究较少。本文以微藻培养为主线,结合生物固碳和对污水的去氮除磷,开展了微藻培养条件优化和反应器改进设计的研究,以期为微藻规模化应用提供技术支持。论文首先对实验室现有11株能源微藻进行耐受CO2能力的藻种筛选。采用单因素实验方法,在5%和10%CO2浓度下选择出两株具有固碳和产油潜能的能源微藻。结果表明,小球藻和二形栅藻(FACHB-496)具有较好的耐受CO2能力。在5%和10%浓度CO2条件下二形栅藻生物质产量分别为280和214 mg·L-1·d-1;小球藻为244和246 mg·L-1·d-1.论文对小球藻进行了单因素固碳培养条件优化研究,考察了光强、初始氮浓度(ITNC)、通气比、通气间隔时间和连续培养时间对小球藻固碳率的影响。结果表明,小球藻在光强240 μmol·m-2·S-1、初始氮浓度128 mg·L-1、通气比0.3 wm、通气通断间隔15s/60s条件下培养10天,微藻有最佳耦合生长、固碳和净化污水的能力。该条件下有最大固碳率564.67 mg·L-1·d-1,和较大的氮、磷去除率,分别可达66.72%和55.95%；生物质浓度可达3.50 g·L-1。论文采用PB、CCD实验设计和响应曲面分析法,首先对影响微藻固碳率的7个影响因素,即光强、ITNC、接种浓度、pH、通气比、通气间隔时间和镁离子浓度,进行关键因素筛选；再对得到的3个显著因素即光强、ITNC、接种浓度进行RSM优化。结果表明,响应面建立的微藻固碳率的二次回归方程拟合度良好,模型相关系数为96.09%,实验精密度达14.734,最佳固碳培养条件组合为：光强238 μmol·m-2·s-1,初始氮浓度152 mg·L-1,接种浓度0.3 g·L-1。在该条件下二形栅藻固碳率达638.13 mg·L-1·d-1,与理论预测值619.64 mg·L-1·d-1较好吻合,表明建立模型预测精度较好,可用于优化栅藻固碳培养条件。随后论文研究了氮抑制培养对栅藻含油率的影响,结果表明,在更换80%培养液为自来水后连续培养5天,含油率可由11.9%提高到24.2%。论文利用CFD优势,对跑道池反应器内部流体速度场进行模拟分析,用以指导反应器结构和尺寸的改进,以期达到提高微藻生物质积累的目的。结果表明,在添加全程导流板和将进气U型管长度缩短(至350mm)的综合改进方案下,可得到有利于微藻生长的速度分布。随后利用前期所得最佳固碳培养条件和改进前后的反应器进行中等规模的室外固碳培养实验,结果表明,改进后反应器确实能提高微藻生物质产量,小球藻在改进后反应器上连续培养10天,生物质产量和含油率分别为185.71 mg·L-1·d-1,23.49%c