导
读
碳中和已成为应对气候变化的全球共识。研究表明增加海洋碱度(Ocean Alkalinity Enhancement, OAE)能够有效增强海洋负排放(从大气中吸收和封存二氧化碳)，是实现碳中和目标的重要途径。然而，OAE在实施中面临诸多挑战。针对这一难题，美国特拉华大学蔡卫君教授和中国厦门大学焦念志教授联合提出了通过提升污水处理厂出水碱度并排放到海洋的OAE新范式。
图1 图文摘要
人类活动排放的二氧化碳加剧了气候变化，已产生一系列严重后果，碳中和已成为应对气候变化的全球共识。实现碳中和的首要措施是减排，但在现阶段能源结构框架下的减排与发展存在矛盾。开发新能源固然是碳中和的关键，但负排放才是应对气候变化的核心。主动增加碳汇(负排放)，既可为减排减轻压力、保障经济发展，又可应对气候变化，可谓两全其美。
然而，面对全球每年高达400多亿吨的二氧化碳排放量，现有的负排放途径难以实现碳中和目标。如何实现快速高效的负排放成为摆在我们面前的巨大挑战和紧迫任务。
植树造林固然有效，但全球粮食供给短缺，农田用地要保障、造林规模有上限。于是，科学家把目光投向占地球表面积71%的海洋，因为它是地球上最大的碳库，在地球历史上对调节气候变化发挥了无可替代的作用。然而，要实现《巴黎协定》本世纪末限制升温在2°C以下的目标，除了尽可能开发新能源、减少排放之外，每年必须从大气中去除至少100亿吨二氧化碳，这甚至高于目前全球海洋年吸收二氧化碳总量(图1)。
如何发掘海洋负排放的巨大潜力，成为全球海洋科学家关注的焦点，若干国际组织也迅速行动起来。2019年中国科学家发起了海洋负排放(ONCE)国际大科学计划，2020年国际海洋探索理事会(ICES)-北太平洋海洋科学组织(PICES)设立了ONCE工作组，2021年美国国家科学院、国家工程院和医学科学院联合发布《基于海洋的碳去除(CDR)战略》报告。在众多的ONCE途径和CDR技术中，OAE被认为是相对快速高效的途径，即通过添加碱性物质降低海洋表层二氧化碳分压(pCO2)，促进大气二氧化碳负排放到海洋，并以碳酸氢盐形式被封存几个世纪。由于海洋碳库是大气中二氧化碳含量的50倍，人们对OAE负排放寄予厚望。然而，OAE实施起来却有很多难题。比如，高碱性材料如何有效地混合到海水中而不形成大量的伴生碳酸盐沉淀？施加的碳酸盐和硅酸盐矿物又如何有效地溶解在海水中？因此，如何在深刻理解科学原理的前提下合理地在海水中添加碱性物质，是保障OAE有效性和实现大规模负排放的关键。
针对这一难题，美国特拉华大学蔡卫君教授和中国厦门大学焦念志教授在The Innovation提出了他们的ONCE新思路——污水碱化的OAE方案(图1)，即在污水处理过程中提升碱度，并将碱化污水排放到海洋，安全、经济、长久地封存大气中的二氧化碳。由于污水具有低pH、高pCO2和高有机酸浓度等特点，它可以用于有效地吸收强碱且避免碳酸盐二次沉淀，还可以在低pH条件下高效地溶解橄榄石和碳酸盐矿物。目前，全世界每年产生近1000亿吨的污水，增加碱度后通过河流和洋流输出到外海，可实现大规模的海洋负排放。当全球表层海洋pCO2平均减少25、50和100ppm，大气二氧化碳浓度相应降到395ppm(2010年代中期水平)、370ppm(21世纪初)和320ppm(20世纪60年代末)，则每年可实现二氧化碳负排放量为135、244和462亿吨。若以大气中的pCO2将稳定在420ppm(2020年代中期)为目标，则OAE增量需求仅为1.5%，即可在保持经济平稳发展的前提下每年至少去除100亿吨大气二氧化碳，这相当于当前全球负排放的期望目标。
另外，沿海水域通常是大气二氧化碳的“源”，存在严重的季节性海洋酸化。碱化处理污水进入河口和海洋不仅增加负排放，而且可以缓解海洋酸化，改善环境，一举多得。因此，碱化污水ONCE方案有望在数值模型模拟评估和配套环境监测的情况下得以有效实施，成为可行而又高效的海洋负排放新范式。
本研究由中国国家自然科学基金委员会基础科学中心“海洋碳汇与生物地球化学过程”项目(42188102)、美国国家科学基金会EPSCoR(1757353)和特拉华州立项目资助，并得到UNESCO-IOC、PICE和ICES以及联合国海洋十年行动计划“海洋负排放(Global ONCE)大科学计划”的支持。
总结与展望
面向联合国可持续发展目标，碱化处理污水并排放到河口和海洋，不仅可以增强海洋负排放，还可以缓解海洋酸化并改善环境，一箭双雕。有望通过改进污水处理工艺流程，以及建立碱化污水数值模型模拟评估和配套环境监测等措施，有力促进全球碳中和目标早日实现。
责任编辑
黎灿兵 上海交通大学
王天帅 香港科技大学
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第四期以Out-of-the-Box发表的“Wastewater alkalinity addition as a novel approach for ocean negative carbon emission”(投稿: 2022-05-27；接收: 2022-06-07；在线刊出: 2022-06-23)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100272
引用格式：Cai W. and Jiao N. (2022). Wastewater alkalinity addition as a novel approach for ocean negative carbon emission. The Innovation. 3(4),100272.
作者简介
蔡卫君，美国特拉华大学地球、海洋与环境科学讲席教授。河口与海洋碳循环与生物地球化学方面的全球知名专家，河口近岸水域海气二氧化碳通量与碳输出通量研究领域的先驱，建立了一系列监测方法与技术，并转化为现场多参数监测探头或仪器；近岸海域海洋酸化研究的国际领军人物，在北冰洋二氧化碳通量与海洋酸化方面颇有建树。对海洋碳酸盐平衡体系与环境的相互作用、海洋酸化、海水碱化等方面的科学认知和理论体系做出了杰出贡献。
焦念志，中国科学院院士、发展中国家科学院(TWAS)院士、美国微生物科学院(AAM)院士。中国海洋与湖沼学会副理事长、中国微生物学会副理事长、全国海洋碳汇联盟理事长；国际海洋探索理事会(ICES)和北太平洋海洋科学组织(PICES)“海洋负排放”国际工作组主席、联合国海洋十年行动计划“全球海洋负排放大科学计划(Global ONCE)”首席科学家。提出了海洋储碳新机制——“微型生物碳泵(MCP)”理论；MCP被Science评论为“巨大碳库的幕后推手”；MCP被纳入联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)海洋特别报告；两次获国家自然科学二等奖(第一位)。