一种农田尾水循环固碳方法和装置

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明提供了一种农田尾水循环固碳方法,包括如下步骤:

3、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；

4、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；

5、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；

6、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。

7、进一步的，所述的微藻负载棒呈矩阵式设置。

8、进一步的，所述的微藻负载棒垂直设置。

9、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。

10、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。

11、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。

12、进一步的，所述的微藻负载棒呈矩阵式设置。

13、进一步的，所述的微藻负载棒垂直设置。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。