CN116969601B - 一种农田尾水循环固碳方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种农田尾水循环固碳方法,包括一个制备吸附态亚铁改性生物炭粉末材料的步骤；一个制备微藻负载棒的步骤；一个制备吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒的步骤；一个制备固碳装置的步骤。本发明还提供了一种农田尾水循环固碳装置。本发明搭建了一套以吸附态亚铁改性生物炭为填料及含有微藻负载棒的“铁碳材料‑微生物‑微藻”农田尾水循环固碳系统，是一种化学‑物理‑生物联合固碳技术，利用铁改性提高普通生物炭的生物和非生物固碳性能；利用微藻负载棒中碳粉的毛细吸水作用，维持微藻活性，实现由尾水中微生物矿化有机碳产生的CO2的固定；通过以上方式，该装置可对农田尾水产生良好的固碳效率和固碳长效性。
Description
技术领域
本发明涉及生物工程领域，涉及土壤施肥技术，具体来说是一种农田尾水循环固碳方法和装置。
背景技术
土壤中的有机和无机碳库被认为是全球碳循环的主要组成部分，其变化会极大地影响导致气候变化的温室气体。然而通过对土壤碳库长期监测研究发现，农业土壤有机碳(SOC)和无机碳(IC)含量呈下降趋势，土壤碳的损失方式主要为碳从土壤到水体和大气的迁移。
为了保证农作物的正常生长，通常需要向土壤中施加有机肥以提高土壤有机质和营养元素含量。同时，在我国南方水稻、茭白等水田种植区，由于农作物的生长习性需定期对水田进行排水晒田，以防止作物幼根因缺氧而变黑、腐烂。可见，水田土壤所含有的大量可溶性有机碳、无机碳及养分元素极易随尾水的排放而从土壤中流失，造成土壤碳储量水平下降，肥力和生态功能退化，最终影响农作物的产量和质量。因此，如何高效和持续回收农田尾水排放过程中损失的土壤可溶性有机碳和无机碳，是维持农田土壤碳稳定，促进农田土壤固碳减排，实现农业绿色低碳循环发展及“双碳”目标的所需要解决的关键性技术问题。
生物炭是一种新型且廉价的吸附材料，同时也是一种良好的固碳材料。有研究表明农田土壤中添加的生物炭，可以通过吸附固定可溶性有机和无机碳、降低酶活性以抑制土壤呼吸和有机碳矿化，从而有效抑制农田温室气体排放，提高土壤碳稳定性。但是普通生物炭存在可溶性碳吸附容量较低、吸附平衡时间较长、整体固碳效率不高等问题，因此需通过对生物炭进行针对性的改性来提高其碳吸附容量。
发明内容
针对现有技术中生物炭固碳的技术问题，本发明提供了一种农田尾水循环固碳方法和装置，所述的这种农田尾水循环固碳方法和装置要解决现有技术难以维持农业土壤有机碳(SOC)和无机碳(IC)含量稳定的技术问题。
本发明提供了一种农田尾水循环固碳方法,包括如下步骤:
1)一个制备吸附态亚铁改性生物炭粉末材料的步骤；利用农业废弃物或者以园林废弃物为原料制备生物炭，然后利用氯化亚铁溶液对其进行负载铁的碱沉淀改性，得到吸附态亚铁改性生物炭粉末材料；
2)一个制备微藻负载棒的步骤；以高分子聚合物为基体，以海藻酸盐为固定剂，在基体表面固定步骤1)中获得的吸附态亚铁改性生物炭粉末，获得微藻负载棒；
3)一个制备吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒的步骤，所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒由一个盒体构成，所述盒体的侧壁上设置有布水孔，所述的填料盒内壁铺设尼龙滤网，所述的尼龙滤网的孔径为150-200目，然后在所述的盒体内加入步骤1)中获得的吸附态亚铁改性生物炭粉末材料；
4)一个制备固碳装置的步骤，所述的固碳装置包括一个箱体，所述的箱体的一个侧壁上设置有农田尾水进水口，所述的箱体的另外一个相对的侧壁上设置有一个出水口，所述的箱体中间隔设置有步骤3)中制备的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒，所述的相邻的两个所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒之间设置有支架，所述的支架中设置有步骤2)中制备的微藻负载棒，通过所述的支架固定所述的微藻负载棒，将农田尾水从所述的农田尾水进水口导入，然后流经箱体中设置的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒中的吸附态亚铁改性生物炭粉末和微藻负载棒，最后通过出水口排出箱体；所述的箱体的上端设置有一个集气罩，所述的集气罩上面设置有一个单向排气阀和温度显示器，所述的集气罩使得固碳装置处于封闭状态。
进一步的，所述的微藻负载棒呈矩阵式设置。
进一步的，所述的微藻负载棒垂直设置。
进一步的，所述的固碳装置的前端设置有一个进水缓冲区，所述的固碳装置的后端设置有一个出水调节区。
具体的，所述的尼龙滤网的孔径150-200目，使得大于150-200目的尾水中固相颗粒物不能进入填料盒，同时，大于150-200目粒径的吸附态亚铁改性生物炭粉末的粒径不能流出填料盒。
本发明还提供了一种农田尾水循环固碳装置，所述的固碳装置包括一个箱体，所述的箱体的一个侧壁上设置有农田尾水进水口，所述的箱体的另外一个相对的侧壁上设置有一个出水口，所述的箱体中间隔设置有吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒，所述的相邻的两个所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒之间设置有支架，所述的支架中设置有微藻负载棒，通过所述的支架固定所述的微藻负载棒，所述的农田尾水从农田尾水进水口导入，然后通过箱体中设置的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒中的吸附态亚铁改性生物炭粉末和微藻负载棒，最后通过出水口排出箱体；所述的箱体的上端设置有一个集气罩，所述的集气罩上面设置有一个单向排气阀和温度显示器，所述的集气罩使得固碳装置处于封闭状态。
进一步的，所述的微藻负载棒呈矩阵式设置。
进一步的，所述的微藻负载棒垂直设置。
进一步的，所述的固碳装置的前端设置有一个进水缓冲区，所述的固碳装置的后端设置有一个出水调节区。
本发明还提供了一种吸附态亚铁改性生物炭粉末材料，利用农业废弃物或者园林废弃物为原料制备生物炭，然后利用氯化亚铁溶液对其进行负载铁的碱沉淀改性改性，得到吸附态亚铁改性生物炭粉末材料。
本发明还提供了一种微藻负载棒，以高分子聚合物为基体，以海藻酸盐为固定剂，在基体表面固定吸附态亚铁改性生物炭粉末，获得微藻负载棒。
本发明利用氯化亚铁溶液对生物炭粉进行负载铁的碱沉淀改性，得到吸附态亚铁改性生物炭粉末材料。吸附态亚铁改性生物炭粉末材料可利用生物炭丰富的孔隙结构物理吸附尾水中有机碳和无机碳，同时，生物炭表面负载的吸附态亚铁氧化物通过提供活性羟基位点而将有机碳进行化学络合固定。此外，吸附态亚铁改性生物炭粉末材料还可促进微生物固碳能力。具体地，由于化能自养微生物是水中主要的固碳微生物，其主要利用氢、硝酸根等还原性物质的氧化获取化学能而固定水中无机碳，因此通过增加还原性物质可提高其固碳能力。低价铁化合物具有较高还原性，能够为化能自养微生物提供丰富电子。生物炭经氯化亚铁改性后可在表面形成大量低价铁化合物，因此，吸附态亚铁改性生物炭粉末材料可提高化能自养微生物的固碳能力，实现尾水中无机碳的高效固定。同时，生物炭表面负载的吸附态亚铁氧化物通过提供活性羟基位点而将有机碳进行化学络合固定。
本发明将吸附态亚铁改性生物炭固定于高分子聚合物表面制得微藻负载棒。负载棒可以通过吸附态亚铁改性生物炭多孔结构产生的毛细吸水作用富集流经固碳装置下方农田尾水中的天然微藻，且尾水中丰富的N、P等养分可长期维持微藻活性。具有活性的微藻则可利用光合作用实现固碳装置内尾水和填料中微生物生长代谢所产生CO2的吸收固定，实现固碳装置气相中的碳固定。此外，生物炭负载的低价铁化合物可为微藻的光合固碳过程提供大量的电子供体，且生物炭表面丰富的氧化还原活性官能团可以显著提高微藻光系统II(PSII)中的相对电子传输速率及细胞活性氧(ROS)水平，从而进一步提高微藻的光合作用效率。微藻负载棒可以实现由尾水中微生物矿化有机碳产生的CO2的固定；该装置可对农田尾水产生良好的固碳效率和固碳长效性。然后通过将填料盒中的吸附态亚铁改性生物炭还田和微藻负载棒中的吸附态亚铁改性生物炭刮除后还田的方式，提高和保持土壤中的碳含量。
本发明和已有技术相比，其技术效果是积极和明显的。本发明搭建了一套以吸附态亚铁改性生物炭为填料及含有微藻负载棒的“铁碳材料-微生物-微藻”农田尾水循环固碳系统，是一种化学-物理-生物联合的固碳技术，利用铁改性提高普通生物炭的生物和非生物固碳性能；利用微藻负载棒中碳粉的毛细吸水作用，可富集尾水中的天然微藻并维持其活性，以通过其光合作用固定水中微生物矿化有机碳产生的CO2；对农田尾水具有良好的固碳效果和长效性。本发明利用近自然的方式固碳，通过铁碳材料附近尾水中自身含有的化能自养微生物和微藻的固碳能力，无需额外添加微藻和微生物。
附图说明
图1：吸附态亚铁改性生物炭材料的实物图，左图为材料照片，右图为放大600倍的材料扫描电镜图，图中亮点为低价铁化合物颗粒。
图2：“铁碳材料-微生物-微藻”固碳系统的固碳示意图。
图3：装置处理前后农田尾水中有机碳浓度与无机碳浓度。
具体实施方式
实施例1吸附态亚铁改性生物炭填料的制备方法
利用农作物残体小麦秸秆为原料制备生物炭，用氯化亚铁溶液对其进行负载铁的碱沉淀改性，制得吸附态亚铁改性生物炭粉末材料(图1)，具体工艺如下：
将60℃烘干的小麦秸秆剪成1-2cm小段，装满100mL坩埚，压实后盖，将坩埚放入通氮气的马弗炉中550℃厌氧煅烧3h。自然冷却至室温，机械粉碎并过100目筛。用0.2mol/LHCl浸泡粉末12h，弃去HCl后再用去离子水洗涤至上清液pH不再变化，固液分离后105℃干燥，得到所需生物炭粉末。
将10g上述生物炭粉末加入200mL无氧去离子水中，水浴超声分散直至完全混合。在氮气氛围下使用蠕动泵滴加150mL FeCl2溶液(含10gFeCl2·4H2O)，滴完后150rpm机械搅拌3h，之后滴加0.1mol/L NaOH直至悬浊液的pH为10～11。在氮气氛围下使用0.22μm硝酸纤维素滤膜抽滤，将含截留物的滤膜密封后-20℃冷冻5h，之后至于冷冻干燥机中冻干12h。将固体物质从滤膜上分离，研磨过100目筛后得到所述吸附态亚铁改性生物炭材料。
实施例2微藻负载棒的制备方法
以高分子聚合物(环氧树脂、聚酰胺、ABS树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或者聚对苯二甲酸乙二醇酯等)为基体，以海藻酸盐为固定剂，在基体表面固定吸附态亚铁改性生物炭粉末，制备利用吸附态亚铁改性生物炭粉末的毛细吸水作用富集尾水微藻的微藻负载棒，具体制备工艺如下：
将200g吸附态亚铁改性生物炭粉末加入10L质量百分比浓度为3％的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀成悬浊液。将长60cm，直径5cm的环氧树脂棒在上述悬浊液中浸泡2h，取出已被吸附态亚铁改性生物炭粉吸附饱和的环氧树脂棒，立即均匀喷涂质量百分比浓度为4％的氯化钙溶液直至碳粉表面形成凝胶层，再将其自然风干，得到表面固定吸附态亚铁改性生物炭粉末的微藻负载棒。
实施例3吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒的制备方法
选择一个长方体结构的填料槽，尺寸为40cm*8cm*20cm(长*宽*高)，表面均匀开设直径为0.8cm的布水孔，每个布水孔间距1cm。填料盒内壁铺设200目的尼龙滤网，所述的尼龙滤网的孔径小于尾水中大尺寸固相颗粒物的粒径，小于吸附态亚铁改性生物炭粉末的粒径，以过滤尾水中大尺寸固相颗粒物，并防止内部吸附态亚铁改性生物炭粉末流失。
系统运行前，将填满吸附态亚铁改性生物炭粉末的填料盒沿长边设置在固碳装置中，每个填料盒间距为15cm，共设置5个填料盒。系统运行结束后将填料盒提出，并将内部填料回收后还田，实现水田系统中有机及无机碳的循环，减少碳流失。
具体的，填料盒采用不锈钢或者PVC材质制备而成。
实施例4搭建“铁碳材料-微生物-微藻”固碳系统
参考图2，固碳装置内部放置装有吸附态亚铁改性生物炭的可拆卸式填料盒1，可拆卸式填料盒1平行设置，相邻的两个可拆卸式填料盒1之间设置有支架，所述的支架中垂直插入数根微藻负载棒2，微藻负载棒2通过支架固定，使其底部没入尾水中；在固碳装置箱体上方设置集气罩3，用于收集反应区中微生物代谢有机碳产生的CO2，以提高微藻负载棒2表面微藻的光合固碳效率，减少体系碳损失；固碳装置箱体前后端分别设置进水缓冲区和出水调节区，以控制尾水流速，提高其在固碳系统中的反应时间。通过以上部件的组合运行，搭建形成以吸附态亚铁改性生物炭和微藻负载棒2为核心固碳单元的“吸附态亚铁改性生物炭-微生物-微藻”农田尾水循环固碳系统。
集气罩3是罩在固碳装置箱体上方的一个罩子，分离式集气罩是和箱体配套的，所述的集气罩3使得固碳装置处于封闭状态，可将插在固碳装置箱体中的微藻负载棒2完全罩住，并控制固碳装置箱体中微生物代谢有机碳所产生的CO2存在于罩子中而不外泄到环境空气中，使负载棒2上的微藻能够充分吸收CO2，提高其光合效率。集气罩3上有装有一个温度显示器4，用于显示罩子内实时温度。集气罩3还设有一个单向阀5，当内部CO2浓度过高，可能导致内部气压过大而损坏固碳系统部件时，可通过单向阀5将过多的CO2释放到外界空气中。
具体的，在相邻的两个填料盒1之间设置一条开有3个圆孔的固定支架，圆孔直径5.5cm，圆孔间距为5cm，每个圆孔中垂直插入1根微藻负载棒2，以在两个填料盒1之间形成一排微藻负载棒，整个固碳装置共设置至少3排微藻负载棒2。固定支架高度与填料盒1高度一致，以保证支架以下部分的微藻负载棒2没入尾水中。
上述的系统运行一段时间后，测定进、出水水样中有机碳和无机碳含量，以及集气罩3排气口处CO2浓度，并以此计算并评估系统对农田尾水的固碳效率。
实施例5一种农田尾水循环固碳装置
如图2所示，本发明还提供了一种农田尾水循环固碳装置，所述的固碳装置包括一个箱体，所述的箱体的一个侧壁上设置有农田尾水进水口，所述的箱体的另外一个相对的侧壁上设置有一个出水口，所述的箱体中间隔设置有吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒1，任意相邻的两个所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒1之间设置有支架，所述的支架中设置有微藻负载棒2，通过所述的支架固定所述的微藻负载棒2，所述的农田尾水从进水口导入，然后通过箱体中设置的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒1中的吸附态亚铁改性生物炭粉末和微藻负载棒2，最后通过出水口排出箱体；所述的箱体的上端设置有一个集气罩3，所述的集气罩3上面设置有一个单向排气阀5和温度显示器4，所述的集气罩3使得固碳装置处于封闭状态。
进一步的，所述的微藻负载棒2矩阵式设置。
进一步的，所述的微藻负载棒2垂直设置。
进一步的，所述的固碳装置的前端设置有一个进水缓冲区，所述的固碳装置的后端设置有一个出水调节区。
实施例6产品实施效果
使用实际稻田尾水开展固碳效果初步评估，经本项目固碳装置处理前及处理后的农田尾水中有机碳浓度与无机碳浓度如图3所示。
将该尾水用蠕动泵以1L/min的流速通过固碳装置，每隔30min采集装置出水处尾水水样，使用全自动TOC测定仪测定其中DOC含量，直至尾水中DOC含量稳定不变，此时结束尾水固碳处理。在处理过程中，在每个水样采集时间点同步采集集气罩3中气体样品，并使用气相色谱测定CO2含量。稻田尾水的初始有机碳浓度为15.84mg/L，无机碳浓度为118.15mg/L，经固碳装置处理后，尾水中可溶解性有机碳(DOC)和可溶性无机碳(IC)浓度分别为3.04mg/L和20.95mg/L。根据固碳效率计算公式：固碳效率＝(进水碳浓度-出水碳浓度)/进水碳浓度×100％(由于实验运行时间较短，反应区集气罩3中并未检测出足量CO2，故此公式中未计算微藻固定的CO2量)，得到尾水有机碳固碳效率为80.8％，无机碳固碳效率为82.3％，显著高于目前秸秆还田等传统农田土壤固碳方式(最高约为60％)。
Claims (9)
1.一种农田尾水循环固碳方法，其特征在于包括如下步骤:
1）一个制备吸附态亚铁改性生物炭粉末材料的步骤；利用农业废弃物或者园林废弃物为原料制备生物炭，然后利用氯化亚铁溶液对其进行负载铁的碱沉淀改性，得到吸附态亚铁改性生物炭粉末材料；
2）一个制备微藻负载棒的步骤；以高分子聚合物为基体，以海藻酸盐为固定剂，在基体表面固定步骤1）中获得的吸附态亚铁改性生物炭粉末，获得微藻负载棒；
3）一个制备吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒的步骤，所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒由一个盒体构成，所述盒体的侧壁上设置有布水孔，所述的填料盒内壁铺设尼龙滤网，所述的尼龙滤网的孔径为150-200目，然后在所述的盒体内加入步骤1）中获得的吸附态亚铁改性生物炭粉末材料；
4）一个制备固碳装置的步骤，所述的固碳装置包括一个箱体，所述的箱体的一个侧壁上设置有农田尾水进水口，所述的箱体的另外一个相对的侧壁上设置有一个出水口，所述的箱体中间隔设置有步骤3）中制备的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒，任意两个相邻的所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒之间设置有支架，所述的支架中设置有步骤2）中制备的微藻负载棒，所述的微藻负载棒的垂直高度大于箱体的垂直高度，通过所述的支架固定所述的微藻负载棒，将农田尾水从所述的农田尾水进水口导入，然后流经箱体中所设置的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒中的吸附态亚铁改性生物炭粉末和微藻负载棒，最后通过出水口排出箱体；所述的箱体的上端设置有一个集气罩，所述的集气罩上面设置有一个单向排气阀和温度显示器，所述的集气罩使得固碳装置处于封闭状态。
2.根据权利要求1所述的一种农田尾水循环固碳方法，其特征在于:所述的微藻负载棒呈矩阵式设置。
3.根据权利要求1所述的一种农田尾水循环固碳方法，其特征在于:所述的集气罩为可拆卸结构。
4.根据权利要求1所述的一种农田尾水循环固碳方法，其特征在于:所述的微藻负载棒垂直设置。
5.根据权利要求1所述的一种农田尾水循环固碳方法，其特征在于:所述的固碳装置的前端设置有一个进水缓冲区，所述的固碳装置的后端设置有一个出水调节区。
6.一种农田尾水循环固碳装置，其特征在于：所述的固碳装置包括一个箱体，所述的箱体的一个侧壁上设置有农田尾水进水口，所述的箱体的另外一个相对的侧壁上设置有一个出水口，所述的箱体中间隔设置有吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒，所述的相邻的两个所述的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒之间设置有支架，所述的支架中设置有微藻负载棒，通过所述的支架固定所述的微藻负载棒，所述的微藻负载棒是以高分子聚合物为基体，以海藻酸盐为固定剂，在基体表面固定吸附态亚铁改性生物炭粉末，所述的农田尾水从农田尾水进水口导入，然后通过箱体中所设置的吸附态亚铁改性生物炭反应填料盒中的吸附态亚铁改性生物炭粉末和微藻负载棒，最后通过出水口排出箱体；所述的箱体的上端设置有一个集气罩，所述的集气罩上面设置有一个单向排气阀和温度显示器，所述的集气罩使得固碳装置处于封闭状态。
7.根据权利要求6所述的一种农田尾水循环固碳装置，其特征在于：所述的微藻负载棒垂直设置。
8.根据权利要求6所述的一种农田尾水循环固碳装置，其特征在于：所述的固碳装置的前端设置有一个进水缓冲区，所述的固碳装置的后端设置有一个出水调节区。
9.一种微藻负载棒，其特征在于：以高分子聚合物为基体，以海藻酸盐为固定剂，在基体表面固定吸附态亚铁改性生物炭粉末，获得微藻负载棒。
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