废水处理中橄榄石碱度增强对海洋碳封存的潜力研究

本研究针对海洋碱度增强(OAE)技术在碳封存应用中的关键问题，创新性地提出基于污水处理厂(WWTPs)的废水碱化策略。通过向好氧废水处理中添加橄榄石，使出水总碱度(TA)提升至>10 mmol kg-1，溶解速率较海水提高20倍，同步实现磷酸盐去除。全球估算显示该方法年封存潜力达18.8±6.0 Tg CO2，其中20°N-60°N区域贡献79.3%，为应对气候变化提供了兼具工程可行性和环境效益的新路径。

　　

随着全球气候变化加剧，海洋碳汇技术成为研究热点。其中海洋碱度增强(Ocean Alkalinity Enhancement, OAE)通过提升海水碱度促进CO₂吸收，但传统方法存在岩石风化速率慢、成本高等瓶颈。与此同时，全球污水处理厂排放的酸性废水本身具有促进矿物溶解的特性，却鲜有研究将其与OAE技术耦合。这一技术空白背后，还隐藏着三个关键科学问题：碱性矿物在好氧污水处理系统中的反应动力学如何？高碱度废水入海后碳封存的稳定性怎样？全球尺度下该技术的实施潜力有多大？

针对这些问题，山东大学的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了一项突破性研究。他们创新性地将橄榄石引入好氧废水处理系统，发现其溶解速率比海水环境快20倍，使出水总碱度(TA)突破10 mmol kg^-1，同时显著提升磷酸盐去除效率。通过建立全球9480个沿海污水处理厂的数据模型，首次量化该技术年封存CO₂潜力达18.8±6.0 Tg，其中北纬20°-60°区域贡献率达79.3%，为发展"负排放"技术提供了新思路。

研究采用三大关键技术方法：1) 实验室模拟好氧废水处理系统，设置0.1-2 wt%橄榄石添加梯度；2) 使用自动电位滴定仪(TA)和非分散红外分析仪(DIC)精确测定碳系统参数；3) 整合HydroWASTE全球污水处理厂数据库和OCADS海洋化学数据，构建地理信息系统模型。

【橄榄石添加提升废水碱度，好氧处理进一步加速风化速率】
实验显示，1 wt%橄榄石与活性污泥协同作用7天后，TA达11,718±1052.4 μmol kg^-1，较单独橄榄石处理提升9倍。Michaelis-Menten模型揭示其风化速率常数(k_s)是海水的20.5倍，这归因于好氧过程产生的高P_CO2和有机酸环境。TA与DIC呈现1.098±0.024的化学计量关系，证实HCO₃^-是碱度主要载体。

【废水OAE碳封存的稳定性】
通过CO2SYS计算发现，90%废水混合比(η=90%)时文石饱和度(Ω_arag)出现28.3的峰值。在Mg²⁺抑制下，设定Ω_arag=12.5为CaCO₃沉淀阈值，此时废水需维持pH<8.5。温度敏感性分析表明，低温区域可承受更高碱度输入，这解释了高纬度地区废水TA增量达10,218 μmol kg^-1的现象。

【全球碳封存潜力评估】
基于η=90%混合模型，欧盟、美国和中国的沿海污水处理厂分别具有4.15±1.43、3.98±1.35和2.36±0.75 Tg CO₂ year^-1的封存潜力。敏感性分析显示，冬季排放可提升2%效率，而采用藻类诱导沉淀标准(Ω_arag=8.8)会使全球潜力降低36%。研究特别指出，当前全球47.2%未经处理的废水若被纳入系统，将大幅提升碳封存容量。

这项研究开创性地将废水处理工程与气候解决方案相结合，揭示了市政基础设施在碳中和目标下的新价值。其重要意义体现在三方面：技术上，证实好氧处理系统对矿物风化的催化效应；环境上，同步解决碳封存与磷污染控制；政策上，为《巴黎协定》实施提供了可快速部署的负排放方案。特别是中国作为污水处理能力增长最快的国家之一，该技术有望在实现"双碳"目标中发挥独特作用。未来研究可进一步优化矿物-微生物协同机制，并评估长期生态影响，推动该技术从实验室走向工程应用。