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随着全球气候变暖和能源危机问题的加剧,探寻高效捕获温室气体CO2并产生新能源的方法成为环境与能源领域的一个重要发展方向。市政污水培养微藻被认为是生物固定CO2并耦合生物柴油生产最具潜力的可持续发展方法之一。但是市政污水中氮浓度明显低于微藻培养基中氮浓度从而影响微藻的生长,进一步影响C02的固定效率和油脂的产率。此外,不同藻株的生理特征和遗传特性存在明显差异。针对这两个问题,本文首先考察了不同的小球藻株对市政污水的耐受能力、C02的固定效率和油脂的积累能力,确定性能最好的小球藻株。然后结合微生物碳捕获电池(MCC)会连续不断传递阳离子(如：N a+、K+、NH4+、Ca2+和Mg2+)到阴极室和气升式光生物反应器(ALP)的高混合效率和气液传质效率等优点,首次构建了气升式微生物碳捕获燃料电池(ALMCC),将确定的性能最好的小球藻株培养于ALMCC的阴极室中提高了小球藻的生物质产率,进而提高了C02的固定效率和生物能源的产率,同时去除市政污水中的污染物。本研究避免了培养基的使用,对微藻固定C02和生物能源产生过程中减少能量的使用和温室气体的排放具有重要的现实意义。具体研究内容和结果如下：(1)将10株小球藻分别培养在市政污水进水(MWI)中考察它们的市政污水耐受能力、CO2的固定效率以及油脂的积累能力。结果显示4株小球藻的生物质浓度明显高于其它藻株,分别是Chlorella vulgaris (ESP-6). Chlorella 64.01 (FACHB-752). Chlorella regularis var. minima (FACHB-729)和Chlorella sp. (FACHB-484).将这4株小球藻分别培养在MWI中并通入10%的CO2,培养15天后发现FACHB-484和FACHB-729的C02固定率分别为123.15和124.73 mg·L-1·d-,明显高于FACHB-752和ESP-6的C02固定率⑦≤ 0.05)。但是FACHB-484和FACHB-729的C02固定率没有显著性差异⑦三0.05)。利用红外光谱的方法计算4株小球藻的油脂含量,结果发现ESP-6的油脂含量最高,达到58.48%。扫描电镜图显示FACHB-484和ESP-6的细胞形貌保持相对完整,而另外两株小球藻的形貌不同程度上受到破坏,表明FACHB-484和ESP-6对市政污水的耐受能力较好。因此在10株小球藻中,FACHB-484和ESP-6更适合培养于市政污水中用于C02的固定和生物柴油的生产。(2)针对市政污水培养微藻氮源不足的问题,将MCC和ALP相结合首次构建了ALMC C。将FACHB-484和ESP-6分别培养在ALMCC的阴极室并考察它们对ALMCC性能的影响,结果发现,培养ESP-6的ALMCC获得最大的功率密度为558.22mW·m-3、CO2固定率为223.68 mg·L-1·d-1以及油脂产率为21.75 mg·L-1·d-1,比培养F ACHB-484的ALMCC性能更高。进一步将ESP-6作为培养对象,考察不同的光照强度(2.4、5.0、8.9和11.4W·m-2)对ALMCC性能的影响,结果显示在8.9 W·m-2光照条件下,ALMCC狱得最大的功率密度和CO2固定率(分别为972.5 mW·m-3和8878mg·L-1·d-1)。油脂含量随着光照强度逐渐增加,但是油脂产率在8.9 W·m-2和11.4 W·m-2光照条件下没有显著差异(p≥0.05),说明对ALMC C性能最佳的光照强度为8.9 W.m-2。在最佳的光照强度下,ESP-6的CO2固定率是普通培养条件下的7.12倍。表明通过构建ALMCC培养微藻有效解决了市政污水培养微藻氮源不足的问题。(3)以ESP-6为培养对象,在最佳光照强度8.9 W·m-2条件下,将ALMCC与传统MCC和单独ALP的性能(产电、市政污水中污染物质的去除效率、CO2固定率以及油脂积累能力)进行比较。ALMCC产生的最大功率密度为9725 mW·m-3, COD、NH4+-N和P043--P的去除率分别为86.69%、70.52%和69.24%,意味着ALMCC在产电和市政污水处理方面的性能比传统MCC的高。此外,ALMCC的CO2固定率分别是传统MCC和单独ALP的1.88和9.98倍,油脂产率分别是传统MCC和单独ALP的1.85和2.87倍。更重要的是通过能量平衡分析发现ALMCC系统的净能量也分别是传统MCC和单独ALP净能量的2.06和4.48倍,理论上产生的能量可以抵消消耗的能量。证实了ALMCC比传统MCC和单独ALP具有更好的性能。因此,首次构建的ALMCC可以同时实现高浓度CO2的高效固定,生物能源(电能和生物柴油)的高效产生以及市政污水的有效处理。(4)采用两阶段培养策略培养小球藻ESP-6进一步提高油脂产率,第一阶段：将ESP-6培养在ALMCC的阴极室以提高生物质产率(氮充足),第二阶段：将在第一阶段积累了大量生物质的藻液转移到单独ALP中继续培养以提高油脂含量(氮缺乏)。在两阶段培养模式中,ESP-6的CO2固定率在第7天达到最高(887.49 mg·L-1·d1),油脂含量在第12天达到最大(54.23%),但是油脂产率在第11天达到最大,为19045mg·L-1·d-1是氮充足状态下培养的ESP-6油脂产率的1.7倍,说明ESP-6转移到氮缺乏阶段后仅需培养5天就可以实现最大的油脂产率。通过两阶段培养模式(ALMCC-ALP)有效提高了小球藻的油脂产率,而且本研究特有的两阶段培养模式不需要离心处理,从而减少了能量的消耗和温室气体的排放。