近年来,化石能源的过度利用已经导致了严重的能源短缺和环境污染问题。通过微生物厌氧发酵将农作物秸秆、畜禽粪污等废弃物转化制取沼气,具有显著的能源和环境效益。而沼气可进一步通过净化、脱碳提纯获得高品质的生物天然气,以作为常规天然气的重要补充。其中沼气的脱碳提纯是获得生物天然气的关键步骤,而高压水洗等传统的沼气提纯技术存在运行条件要求高、设备结构复杂、能耗高等问题,且分离的CO2缺乏有效地利用。通过微藻光合沼气提纯方法可解决传统方法中CO2分离后缺乏有效利用,及吸收剂循环再生能耗高等问题,同时可获得微藻生物质等高附加值产品,具有广阔的发展前景。本文基于微藻光合沼气提纯的工作原理,筛选耐受高盐高碱性环境的嗜盐碱微藻Spirulina platensis FACHB-439为实验藻种,从提高沼气提纯和微藻培养两部分的运行效率出发,研究了嗜盐碱微藻在不同光照强度和NaHCO3浓度下的生长固碳特性,揭示了S.platensis的光衰减和HCO3-转化特性。获得了旋流反应器结构形式和水力运行条件对微藻生长固碳的作用机理及优化方法,提出了藻液的混合扰动强化反应器内传质的方法。在此基础上,建立了两步嗜盐碱微藻光合固碳-沼气提纯耦合系统,获得了沼气固碳提纯系统的性能提升方法。根据已有研究结果对微藻光合沼气提纯系统进行分析设计,为系统的实践应用提供指导。主要结论如下:（1）通过调控和优化微藻的培养条件,包括光照强度和NaHCO3碳源浓度,提高了微藻生物质产量和碳利用率。S.platensis光衰减严重,210μmol/（m2·s）的高光强有利于其生长固碳,提高了藻细胞浓度和光合色素含量。NaHCO3浓度可显著影响微藻生物质浓度和色素含量。S.platensis可耐受0.6 M NaHCO3,具良好的嗜盐耐碱特性。0.1 M NaHCO3为S.platensis的最适碳源浓度生长条件,最大生物质浓度为1.46 g/L,比0.05 M NaHCO3条件提高了65.9%。且碳利用率达42.0%,可实现碳酸盐吸收剂的高效还原再生,但传统磁力搅拌培养系统下的碳溢出严重,占比达20.0%。（2）旋流反应器的切向中心旋流可加强藻液混合扰动,防止细胞沉降,改变光暗循环频率和加强传质,提高生物质产量。较高循环速率和较小射流角度的双切圆形式的反应器内藻液混合扰动充分,促进微藻生物质浓度、色素含量和碳利用率。240L/h循环速率下的最大微藻生物质浓度为1.22 g/L,比静置条件下提高了62.2%,碳利用效率为40.2%。此外,旋流反应器的微藻生物质产量可达磁力搅拌装置（300r/min）作用下的同等水平,且碳溢出占比少（6.9%～8.0%）,有利于吸收剂循环利用,更具规模化应用的潜力。（3）建立了两步嗜盐碱微藻光合固碳-沼气提纯耦合系统,研究了系统运行参数对系统固碳提纯性能的影响规律。沼气提纯中CO2去除主要取决于吸收剂中Na2CO3化学吸收作用,而CO2溶解作用影响小。相同通气率下,0.05 M Na2CO3吸收剂中CO2溶解效率和体积传质系数最高。而相同Na2CO3浓度下,通气率越大,CO2溶解效率和体积传质系数也越大。当溶液中溶解CO2浓度快速上升时CO2去除率急剧下降。开展了微藻光合沼气提纯系统循环实验研究,通过四个周期中沼气提纯曝气时间5 min时CO2去除率≥95%,及20 min时CO2去除率约90%,验证了光合沼气提纯的可行性。且以某生物天然气工程为例,设计沼气提纯处理量为800m3/h的微藻光合沼气提纯系统,微藻生物质产量为344 kg/h,相当于5614 MJ/h的能量和281 m3/h的沼气产量,具有潜在的经济效益和工业应用能力。