水生生物固碳能力强化系统

1.本发明涉及碳中和领域，具体涉及一种水生生物固碳能力强化系统。


背景技术：

2.鉴于中国能源以化石能源为主，2019年占比高达85％左右，当年co2排放量占国际总量的28.8％，因此国际减排压力巨大。且随着国家的持续快速发展和人民生活水平的提升，人均能源消耗在今后几年仍将继续上升。而目前产业结构迅速改变、清洁能源全产业链替代等减排方案也存在一定难度，因此增加碳汇就成为解决碳中和难题的重要手段。
3.各国增加碳汇的技术路线主要包括发展生物碳汇和碳捕获-利用与封存技术(ccus)两大类。但co2工业碳捕获和地质封存成本较高且存在风险，实践证明，其效果也需要斟酌。国际流行的生物碳封存存在明显不足：关键问题：高固碳环境不等于高有效埋藏环境国际上也将碳汇作为减排的主要内容，包括森林，生态区域，以及土壤和湿地等。我国在生物碳汇方面的研究和实践也取得了明显的成就，除了不同地带的陆地森林。红树林及其湿地经常作为固碳的重要主体，被认为具有最大的固碳潜力，然而红树林、沼泽湿地及土壤虽具有很高的固碳潜力，但高温下湿地的有机碳储量并未增加，而是与温度成反比。因此认为有机质在高温下被分解成co2，重新返回大气，热带亚热带气候的高碳捕获，并没有真正成为有效碳汇，碳埋藏效率并不高。
4.碳汇的有效存储需要探索埋藏环境的稳定性。地质过程中的煤、油，特别是黑色页岩(烃源岩)是天然的连续沉积的稳定固碳产物，在自然环境中难以分解氧化成co2。尽管华南湿地、土壤每年的固碳能力均不低，但其碳汇饱和后不能增殖，即土壤碳含量不会连续积累，达到固碳-分解的平衡后就无法新增固碳能力，这可能是《京都协议》不认同土壤固碳的主要原因。沉积过程是积累过程，黑色页岩或烃源岩在盆地沉积中是常见的沉积岩类型，也是化石能源的主要形式。只有把碳汇变成稳定的有机物进入地质埋藏(不同于co2地质埋藏)，才可以说完成了有效碳汇和大气碳移除。否则，即使拥有最大的固碳潜力，但产生的碳在数年后重返大气，那么这种碳汇就没有足够的意义。因此有机物的连续沉积过程，符合有效的碳中和要求。同时固碳研究需要关注碳捕获和碳埋藏的协同问题。
5.我国要力争在2060年前实现碳中和，作为化石能源占85％的大国，碳中和压力巨大。国际上流行的碳封存(生物固碳和co2封存)存在缺陷：co2封存成本高且规模受限，而现代生物固碳技术存在明显的矛盾。该矛盾主要体现在：高碳捕获的温暖条件(如红树林环境等)是有机物高速降解的环境，降解产物co2会重返大气，成为无效碳汇。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种水生生物固碳能力强化系统，以解决上述现有技术中存在的问题。
7.为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种水生生物固碳能力强化系统，所述水生生物固碳能力强化系统包括：
8.位于上部的高温水体，所述高温水体设有顶部温跃层稳定机构并形成上强化温跃层，所述顶部温跃层稳定机构将所述高温水体分隔成多个强化固碳区，
9.位于下部的低温水体，所述低温水体设有底部温跃层稳定机构并形成下强化温跃层，所述底部温跃层稳定机构将所述低温水体分隔成多个强化碳埋藏区，以及
10.过渡水体，在所述高温水体和所述低温水体之间形成所述过渡水体。
11.在一个实施例中，所述上强化温跃层生长有水生生物，所述水生生物通过光合作用将大气中的二氧化碳以及溶解在水中的无机碳转换成有机物。
12.在一个实施例中，所述水生生物包括藻类、水生植物和/或光合作用微生物。
13.在一个实施例中，所述低温水体的温度t低满足以下关系：t
低
≦15℃。
14.在一个实施例中，所述低温水体的温度t低满足以下关系：4℃≦t
低
≦15 ℃。
15.在一个实施例中，所述顶部温跃层稳定机构包括多块交错布置的用于削减对流和波浪的第一阻挡板。
16.在一个实施例中，所述多块第一阻挡板分别沿横向和纵向交错布置并形成网格状结构。
17.在一个实施例中，所述第一阻挡板的顶端高出所述高温水体一定距离l
顶
， l
顶
与所述高温水体的水面浪高高度h
浪
满足以下关系：l
顶
≦h
浪
。
18.在一个实施例中，相邻两块所述第一阻挡板之间的距离l1与所述高温水体的水面流速v
高
和所述高温水体的波浪的浪高h
浪
满足以下关系：l1反比于 v
高
，l1反比于h
浪
。
19.在一个实施例中，所述第一阻挡板的高度h1与所述高温水体的水面流速 v
高
和所述高温水体的波浪浪高h
浪
满足以下关系：l1正比于v
高
，l1反比于h 浪。
20.在一个实施例中，所述顶部温跃层稳定机构包括多层交错布置的第一阻挡板。
21.在一个实施例中，所述底部温跃层稳定机构包括多块交错布置的用于削减对流和波浪的第二阻挡板。
22.在一个实施例中，所述多块第二阻挡板分别沿横向和纵向交错布置并形成网格状结构。
23.在一个实施例中，所述底部温跃层稳定机构包括多层交错布置的第二阻挡板。
24.在一个实施例中，所述顶部温跃层对流机构和/或所述底部温跃层对流机构由低导热材料制成。
25.在一个实施例中，所述水生生物固碳能力强化系统建立在陆地水体内。
26.在一个实施例中，所述陆地水体为湖泊、沼泽或水库。
27.本发明利用水体对流机理以及光合作用对有机物固碳的环境需求，同时限制微生物分解有机物的环境条件，通过控制水体定向对流和限制对流，建立并控制水体温跃层特征，进而降低有机物埋藏环境温度，提高光合作用区的水体温度以提高固碳效率。
附图说明
28.图1是静水环境和存在对流环境的温跃层曲线图。
29.图2是本发明一个实施例的水生生物固碳能力强化系统的结构示意图。
30.图3是本发明一个实施例的顶部温跃层稳定机构和底部温跃层稳定机构的立体结构示意图。
具体实施方式
31.以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
32.在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本技术相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
33.在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
34.在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
35.发明人通过深入研究发现，大规模高效率的碳埋藏条件，如主要分布在高寒地带的泥炭埋藏，恰恰是低碳捕获环境。事实上，3.5亿年前的石炭纪已经给了我们重要的启示：石炭纪是地球历史上最大的成煤期(全球性大量有机碳稳定埋藏)和显生宙最大的冰期，气候分带明显。此时大气二氧化碳急速下降，大气氧浓度上升。
36.同时，发明人已经完成的有机物降解-矿化实验模拟发现，当沉积物埋藏区的温度低于某一数值时，沉积环境会主动吸附、吸收水体中的有机物，且沉积物中的有机物的降解速度明显下降甚至停止，从而使得有机物可长期稳定埋藏保存，从而沉稳真正可以长期保存的有效碳汇。
37.藻类的固碳能力高于陆地植物，如微藻固定二氧化碳的能力是陆地植物的 10倍。以实验方法进行固碳模拟方法，目前主要集中在碳捕获，如我国在利用光生物反应器等方面的实验模拟成果丰硕，如小球藻高密度养殖的产率可到 10-40克/天/平方米(干重)，微藻固定二氧化碳的能力是陆地植物的10倍。钙化藻类可能同时捕获并沉积有机碳和无机碳，尽管碳捕获速率一般不高，但其特点是有机和无机碳均可埋藏。
38.石炭纪是全球大气二氧化碳浓度最低、气温最低的全球大冰期，期间明显的气候分带与大量的煤炭埋藏同步出现。现代泥炭在中国的分布而言，云贵高原和青藏高原东部极为丰富，东北和华东平原较丰富。而气候温暖、固碳能力最大的华南却相当贫乏，说明尽管温暖环境下有机物产量高，但其降解速度更快，因此现代泥炭在寒冷冻土地带更易富集。另一方面，大型或浅水湖泊有机物富集能力，没有小而深的湖泊强的原因，因为小而深的湖泊所形成的温跃层可以长期稳定存在，而大型湖泊的温跃层容易被对流破坏。
39.发明人通过深入研究后发现，生物体的降解-矿化过程中，沉积区的温度越高，有机物降解速度越快，沉积物中有机物的残留越少，兼性厌氧微生物起了关键作用。同时，在基于国内外唯一的，用于探索生物体降解和矿化的地球早期环境模拟器“paleopond”所进行有机物降解富集实验中发现，小型水体的有机物富集具有以下特点：
40.第一、同一水体中，沉积区温度是控制有机物沉降后保存的关键因素，温度过高，
沉积量明显降低，微生物分解有机物，产生的二氧化碳重返大气。而低温环境则明显富集并稳定保存有机物，微生物对有机物分解能力弱。
41.第二、沉积区的温度梯度越大，有机物富集强度越大。
42.第三、温跃层的位置和顶底温差大小与有机物富集关系密切。
43.发明人的实验模拟同时发现，通常推测的有机物的富集和水中的溶解氧浓度的关系，只有在温度较高时较为明显。
44.发明人根据以上理论和自然环境调查及实验模拟发现，低温有助于有效碳埋藏，防止有机物腐烂分解为无机碳(主要为可以返回到大气的二氧化碳)，但高温或温暖环境有助于碳捕获。因此，发明人可以通过对环境进行创新性的改造，建设一种既是高碳捕获又是有效碳埋藏的环境，为碳中和提供大规模、低成本的方案。
45.总体上说，通过实验室的实验模拟发现并验证，发明人有以下创造性发现：
46.第一、低温环境下富含有机物的沉积物可以长期稳定保存；
47.第二、包括黑色页岩、富有机质的长期地质埋藏与低温有关；
48.第三、有效碳汇的有效稳定碳埋藏需要低温环境支持；
49.第四、碳中和所涉及的碳汇必须在保证埋藏的有机碳不会在可预见的时间内分解。
50.第五、稳定的温跃层，特别是水底稳定温跃层是有机物稳定埋藏，或黑色页岩形成的关键。
51.本发明参考石炭纪的地球环境，以及在生物降解矿化机理的实验模拟和研究基础上，主要涉及以下技术：
52.第一、利用大气温度和日照，驱动陆地湖泊、沼泽和水库等进行温差较大的温度分层；
53.第二、水底温跃层构建和稳定化的驱动技术，使得沉积区低温区可以长期稳定存在，可以阻止沉积物中有机物的分解，防止固碳产物重返大气；
54.第三、驱动光合作用区的温暖化环境技术，提高生物的固碳能力。
55.第四、大规模低成本生态碳中和技术：利用水体对流机理和光合作用的有机物固碳环境需求，通过控制水体定向对流和限制对流，建立并控制水体温跃层特征，进而降低有机物埋藏环境温度，提高光合作用区的水体温度以提高固碳效率。
56.图1是静水环境和存在对流环境的温跃层曲线图。如图1所示，发明人经过深入研究和模拟实验后发现，存在对流抑制的低温环境的有机物沉积区，会与正常水体构成高度稳定温跃层体系，这个体系的关键温跃层结构在静水环境和存在对流的环境具有相似的温跃层结构，从而可以在正常天然水体底部可以构成稳定低温环境和温跃层系统。
57.因此，本发明的系统可以基于天然形成的陆地水体进行构建，例如在湖泊、沼泽等地方构建，也可以在人工建成的陆地水体，例如水库等地方进行构建，也可以对天然形成的陆地水体进行人工开挖和扩建后构建本发明的系统。下面结构图2对本发明一个实施例的水生生物固碳能力强化系统进行说明。
58.图2是本发明一个实施例的水生生物固碳能力强化系统100的结构示意图。如图2所示，水生生物固碳能力强化系统包括位于上部的高温水体 10、位于下部的低温水体20以及在高温水体10和低温水体20之间形成的过渡水体30。高温水体10设有顶部温跃层稳定机
构11并形成上强化温跃层12，顶部温跃层稳定机构11将高温水体分隔成多个强化固碳区13。低温水体20设有底部温跃层稳定机构21并形成下强化温跃层22，底部温跃层稳定机构21将低温水体20分隔成多个强化碳埋藏区23，在高温水体10 和低温水体20之间形成过渡水体30。
59.本发明的系统通过水生生物，例如藻类、水生植物和光合作用微生物等进行光合作用将大气中的二氧化碳及溶解在水中的溶解无机碳(含二氧化碳)转换成有机物，其中上强化温跃层12增强了光合作用的效率，而富含有机物的生物死亡后或生活期间会沉降到水底进入下强化温跃层22。一般水体(湖泊、水库、沼泽)中，日照形成的上部高温水体和底部低温水体通常会受到水体流动的影响，已沉积的有机物也会被底流搬运到其他地方，然而，本发明通过设立底部温跃层稳定机构21和顶部温跃层稳定机构 11阻止水体流动，避免已经建立的有助于提高碳中和效率的水温环境条件的破坏，提高光合作用效率和固碳能力。
60.具体地，在日照作用下上层水温上升，顶部温跃层稳定机构11防止了上层水流和波浪作用对上层加热水体的扰动，构成上强化温跃层12，使得上层水体与整个水体几乎不发生对流，从而形成上部光合作用区的稳定高温水体，有利于提高光合作用效率，即提高强化固碳区13的固碳效率。
61.而当光合作用形成的有机物，即初级生产力产物形成后，会下沉或死亡后下沉，进入下强化温跃层22。下强化温跃层22中的有机物会有三种基本途径：第一、完全腐烂分解；第二、大部分腐烂分解；第三、基本保留。当有机物沉积区，即下强化温跃层的温度较低时，对有机物降解起到主要作用的微生物繁殖缓慢，对有机物的分解速度也相对缓慢。因此，在低温环境中的有机物会得到长期保留，并在后期地质过程中成为以碳质页岩或干酪根、沥青质等一般地质作用或浅变质作用的稳定有机物，从而可以形成稳定且长期的有效碳汇。例如，富含有机物的沉积物下沉到低温的下强化温跃层的低温环境中，会以泥炭的形式稳定存在，而不会被腐烂、降解而消失。而低温水体中的低温环境有底部温跃层稳定机构21起作用，并与低温水体构成下强化温跃层22，下强化温跃层22保证了水底低温环境的长期存在，提高强化碳埋藏区23的碳埋藏能力。
62.可选地，当低温的下强化温跃层的泥炭充满时，可以将泥炭采集作为能源再利用，也可以将其长期封存。
63.在一个实施例中，为防止有机物在下强化温跃层的低温水体中腐烂分解，下强化温跃层的低温水体的温度t
低
需要满足以下关系：t
低
≦15℃。较佳地，下强化温跃层的低温水体的温度t
低
满足以下关系：4℃≦t
低
≦15℃。
64.图3是本发明一个实施例的顶部温跃层稳定机构和底部温跃层稳定机构的立体结构示意图。如图3所示，在一个实施例中，顶部温跃层稳定机构11包括多块交错布置的用于削减对流和波浪的第一阻挡板111。可选地，多块第一阻挡板111分别沿横向和纵向交错布置并形成网格状结构。在一个实施例中，第一阻挡板111的顶端高出高温水体10一定距离l
顶
，l
顶
高与高温水体10的水面浪高高度h
浪
满足以下关系：l
顶
≧h
浪
。
65.通过以上各实施例中的关系来设定顶部温跃层稳定机构的尺寸和结构，可以使得顶部温跃层稳定机构11能够更有效防止上层水流和波浪作用对上层加热水体的扰动，构成上强化温跃层，使得上层水体与整个水体几乎不发生对流，从而形成上部光合作用区的稳定高温水体，有利于提高光合作用效率，即提高固碳效率。
66.此外，需要注意的是，虽然图3中示出的顶部温跃层稳定机构11由一层交错布置的第一阻挡板111构成，然而，在其他实施例中，顶部温跃层稳定机构11也可以由多层交错布置的第一阻挡板111构成，也就是说，对于一些特殊的地理位置和地理环境，高温水体10内可以设置多层交错布置的第一阻挡板111，使得顶部温跃层稳定机构11能够更有效防止上层水流和波浪作用对上层加热水体的扰动。
67.继续参照图3，在一个实施例中，底部温跃层稳定机构21包括多块交错布置的用于削减对流和波浪的第二阻挡板211，可选地，多块第二阻挡板 211分别沿横向和纵向交错布置并形成网格状结构。根据这些实施例中的关系设定底部温跃层稳定机构21，有效防止下强化温跃层22的水体对流，保证了水底低温环境的长期存在，从而可以形成稳定且长期的有效碳汇。
68.需要注意的是，虽然图3所示的实施例中，底部温跃层稳定机构由单层交错布置的多块第二阻挡版211构成，然而，在其他实施例中，根据系统所处的环境、气候和水流等条件，底部温跃层稳定机构21也可以包括多层交错布置的第二阻挡板211，也就是说，通过多块第二阻挡版211构成多层交错网格结构，减小下强化温跃层的低温水体对流，保证水底低温环境的长期存在，形成稳定且长期的有效碳汇。
69.在一个实施例中，顶部温跃层对流机构和/或所述底部温跃层对流机构由低导热材料制成，例如隔热砖、隔热棉、石棉板等较高密度的隔热材料等。
70.综上，本发明通过对环境进行创新性的改造，建设一种兼具高碳捕获和有效碳埋藏功能的环境，为碳中和提供大规模、低成本的解决方案。
71.以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。