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在全球气候变化和可持续发展的背景下，微藻固碳及水处理耦合技术作为目前极具潜力的复合前瞻技术，其通过微藻和CO2光合作用实现生物碳捕获和固碳，在固碳的同时可以吸收污水中的N、P等元素作为生长所需的营养盐。微藻作为固碳和水处理技术的载体的同时，也作为重要的碳资源，通过微藻下游技术可转化为高附加值的化学品等，具有很好的产业化应用价值。实现微藻固碳及水处理技术大规模应用的前提是需要解决微藻高密度、低成本、规模化、定向化培养的瓶颈问题。因此，高效微藻光生物反应器(PBR-Photobioreactor)的开发是推进微藻技术应用的核心关键，本文通过系统分析目前传统光生反应器的技术约束特点，围绕光生物反应器研发的核心问题——有效提高光传递和气液藻多相传递效率，基于微气泡技术、分形理论以及闪光效应对光生物反应器开展过程强化和微藻高效培养的多相流机理的研究，开展了相关的研究如下: (1)结合微藻培养实验及计算流体力学(CFD-Computational Fluid Dynamics)模拟的方法，研究了不同尺度气泡（微米级500μm、毫米级5mm）在柱式光生物反应器内单独及组合式进气条件下多相流动参数的影响，包括了气泡时空分布、气含率、传质系数及其对气液藻流动混合过程、光照衰减以及微藻生长动力学的影响等，并考察了不同尺寸的藻类在培养过程中与气泡之间的尺度效应。研究结果表明微气泡通过增大气液接触面积改善了传质过程，有助于提高微藻培养效应，但当生物量上升或微藻尺寸较大时反应器内沉积现象加重，主要原因可能是微气泡混合效率下降导致，针对不同尺度的气泡的特性，通过大气泡湍动提高混合能力比改善气液接触面积更重要，多尺度气泡组合进气方法可以起到了混合和传质过程的双重强化效应，有利于促进微藻光合生长过程。 (2)基于仿生分形最优构建理论，采用分叉树算法产生多级分形树状几何结构，通过数学建模设计出具有很高表面积和体积比(SVR-Surface area and volume ratio)的分形树状光生物反应器，利用CFD数值模拟实现分形树状光生物反应器流场分析和设计优化，研究了分形结构对流动混合的强化作用。基于SLA-3D打印技术实现了光生反应器的快速精确制造，微藻培养评价实验的结果表明分形树状光生物反应器通过提高SVR值，大大提高了光能利用率，促进了微藻生长活性。与同等条件下分叉多管式和传统亚克力柱式反应器的性能做对比，分形树状光生物反应器具有更高的叶绿素荧光参数—PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm值），有效强化了光合效率。在模拟与实验的基础上提出了多层分形结构设计，计算分析表明其SVR呈现指数级增长，表明分形复杂结构创新设计及3D打印技术的耦合可以为光生物反应器的过程强化提供了新的思路。 (3)针对传统平板式光生反应器的高密度微藻培养难题，构建了不同内结构的平行导流挡板，并利用数值模拟研究了PBR内三相流动和混合过程的机理，与部分实验数据对比十分吻合，研究发现阶梯型平行挡板结构可以产生均匀的混合流态，从而改善了反应器内的流动死区比、湍动能及耗散率，整体气含率、传质系数等PBR关键性能参数。在流量10L/min和10％CO2供气条件下，开展了高密度微藻培养的实验研究，由于优化PBR结构有助于提高流动混合和传质的综合性能，小球藻培养6天内生长速度平均达到1.2g·L-1·d-1，总生物量可达到7.21g·L-1，并且实现了长周期半连续高密度培养。 (4)基于上海宝钢的焦化废水处理现场建立了微藻废水处理现场中试装置，利用宝钢焦化废水处理工艺流程中的废水进行微藻培养、固碳及废水处理的现场运行试验。中试运行表明经CFD模拟后的柱管耦合式反应器提供了较好的气液藻混合和光照条件，取得了较好的运行效果。通过控制操作工艺和条件有利于总氮(TN-total nitrogen)的去除和微藻的生长，TN去除率为20-46％左右，最优条件下TN去除率最高可达到78％，且小于15mg/L，满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准的排放规定。