不可再生化石能源的过度使用，排放大量CO₂等温室气体，导致温室效应的产生，直接威胁着人类所居住的生态环境。积极开发环境友好和符合经济发展的CO₂捕获和处理技术，成为当前节能减排工作的重要课题。在各种CO₂捕获和封存的方法中，生物固碳被认为是最主要也是最安全有效和经济的固碳方式之一。它能实现自然环境中的碳循环，有效地降低大气中CO₂的含量，是高效的CO₂减排方式。微藻与陆生或水生植物相比，不仅具有极高的生长速率以及固定CO₂的能力，还可以利用废水中的碳、氮、磷化物甚至微量重金属，起到净化废水的作用。用于微藻培养的光生物反应器中，螺旋管式微藻光生物反应器具有受光面积大，条件易控制等优点。目前已有的研究大多集中在反应器性能提高、培养条件优化等方面，而对微藻光生物反应器中能质传递的研究较少。螺旋管式微藻光生物反应器中气液两相流动特性及微藻的生化代谢、固碳特性及其相互影响的研究更是未见报道，而开展这方面的研究对于解决微藻光生物反应器内传输限制性问题以及光能利用率低、固碳效率低等问题，具有重要的理论和实践意义。本文采用蛋白核小球藻（chlorella pyrenoidosa FACHB-9）为实验藻种，从光能和碳源的角度研究了CO₂浓度、CO₂流量、光照强度等参数对平板式微藻光生物反应器内微藻生长代谢、固碳能力以及光能利用情况的影响规律。在此基础上，设计了一种带有CO₂布气装置的螺旋管式微藻光生物反应器，实验研究并数值模拟了螺旋管式微藻光生物反应器中气液两相流动形式与微藻生化特性及固碳性能之间的相互关系。主要研究成果如下：①实验获得了蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）的光谱吸收特性及对碳源的吸收特性。结果显示，CO₂比Na2CO3更容易通过细胞膜进入细胞并通过光合作用被蛋白核小球藻转化为碳水化合物。实验表明同步量热分析是一种简单、快捷的测定藻细胞内焓值及主要成分相对变化趋势的有效手段。②在平板式微藻光生物反应器中，研究了不同CO₂浓度、CO₂流量和光照强度下蛋白核小球藻的生长代谢特性及固碳性能，分析了蛋白核小球藻的生物量、CO₂吸收效率、光合速率和光能利用效率等动力学参数的变化规律。实验表明，CO₂浓度和流量对蛋白核小球藻固碳特性的影响较大，而光照强度主要影响蛋白核小球藻对光量子的捕获和吸收效率，在CO₂体积浓度为10%，流量为50mL/min、光照强度为9W/m2时蛋白核小球藻的生长代谢、固碳效率及光能利用效率最佳。③设计并构建了螺旋管式微藻光反应器系统，该系统具有光照面积大，进气浓度稳定等特点。设计并实验研究了三种不同的CO₂布气装置及其布气特性。结果显示，T形管布气方式的能耗最低，适用范围最广。通过调节气液两相的进口流量，可以方便有效地控制进入反应器内的气泡大小及两相流流动形态。④实验研究了气体流量对螺旋管式微藻光生物反应器两相流动特性及微藻生长固碳特性的影响，同时设计直管式微藻光生物反应器进行了对比实验。实验发现，随着气体流量的变化，螺旋管式微藻光生物反应器中流型从柱塞状流逐渐变为间歇流，最后变化成弹状流，而直管式微藻光生物反应器中流型直接从柱塞流变为弹状流。随着气体流量的增加，两种微藻光生物反应器中微藻各项性能均呈现先增加后减小的趋势。在相同的条件下，螺旋管式微藻光生物反应器中的藻产量比直管式微藻光生物反应器提高3.88倍；对CO₂吸收效率及光合速率也分别提高了28%、23%。⑤实验研究了培养液流量对螺旋管式微藻光生物反应器两相流动特性及微藻生长固碳特性的影响，并与直管式微藻光生物反应器系统进行了对比实验。实验发现，随着培养液流量的变化，螺旋管式微藻光生物反应器内气泡直径逐渐减小，两相流流型从弹状流逐渐变为柱塞状流，最后变为泡状流。流型变化的显著程度高于直管式微藻光生物反应器。实验结果同时表明，随着液体流量增加，尽管气液两相间接触面积增大，但是CO₂气体和微藻培养液在反应器内的停留时间均缩短，造成两种微藻光生物反应器中微藻的各项性能均呈现单调递减的趋势。在相同的条件下，螺旋管式微藻光生物反应器中的生物量明显高于直管式微藻光生物反应器，最高时达2.31倍；CO₂吸收效率和光合速率也分别比直管式光生物反应器中的CO₂吸收效率及光合速率提高了20%和28%。⑥对螺旋管式光生物反应器的数值模拟结果表明，在气体进口流量为800mL/min的条件下，螺旋管式微藻光生物反应器内能达到较好的CO₂溶解和传质，继续提高进口气体的流量不能明显促进CO₂的进一步溶解。因此，对于本文研究的螺旋管光生物反应器，800mL/min为最佳的进口气体流量条件，与实验结果一致。气泡直径大小对于螺旋管式光生物反应器中的CO₂溶解及扩散的没有明显的影响。CO₂进入反应器后，由于浮升力的作用，气体聚集在螺旋管上部，导致螺旋管存在着从螺旋管上部到下部逐渐减小的浓度分布。气泡的运动能明显地加强液体流动的扰动，这对于CO₂的溶解和传质以及微藻的生长代谢都是有利的。