本发明公开了一种污水处理厂曝气池CO2捕集利用系统，包括生物曝气池、支撑材料层、聚酰基复合膜层、微藻悬浮液层、透明硬质树脂层。所述支撑材料层为拱形且位于生物曝气池上方，所述聚酰基复合膜层铺设于所述支撑材料层上，用于CO2气体的选择性通过；所述微藻悬浮液层铺设于所述聚酰基复合膜层上；所述透明硬质树脂层铺设于所述微藻悬浮液层上。本发明创造性地针对曝气池这一特殊场合下的CO2排放捕集利用提出了捕集罩、微藻吸收联合工艺，克服了传统电厂烟气的CO2气体捕集利用工艺直接转用存在的“大材小用”的问题，系统针对性强、实用性好。