脫二氧化碳裝置對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)pH的影響

鞏建華， 曹 瀟， 徐善良

(寧波大學海洋學院，應(yīng)用海洋生物技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 寧波 315211)

脫二氧化碳裝置對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)pH的影響

鞏建華， 曹 瀟， 徐善良

(寧波大學海洋學院，應(yīng)用海洋生物技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 寧波 315211)

為了調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)中養(yǎng)殖水體的pH，根據(jù)氣體交換原理，設(shè)計一種脫二氧化碳(CO2)裝置。采用該裝置去除養(yǎng)殖水體中的CO2，并對由于CO2含量累積造成的pH下降進行調(diào)節(jié)，使養(yǎng)殖魚類處在一個適宜的pH環(huán)境中。試驗時水溫控制在(25±0.5)℃，每1 h取水樣測1次pH，每4 h測1次堿度。水樣取自養(yǎng)魚桶內(nèi)的水，檢測前先對水樣用40 μm孔徑針頭過濾器進行過濾處理，實驗周期24 h。結(jié)果顯示，循環(huán)水系統(tǒng)加裝脫二氧化碳裝置能有效去除CO2，使水體穩(wěn)定在一個適宜的pH范圍(7.39～7.42)；CO2質(zhì)量濃度呈降低趨勢，24 h后由開始的13.16 mg/L降低到7～8 mg/L，降低近50%，而不加裝脫二氧化碳裝置的循環(huán)水系統(tǒng)CO2質(zhì)量濃度持續(xù)上升，24 h后增加到37 mg/L左右，pH持續(xù)降低，最終降低到6.72～6.81。研究表明，脫二氧化碳裝置能夠有效去除水體中的CO2，使水體pH維持在一個適宜魚類生長的范圍。

脫二氧化碳裝置；CO2；pH；循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

魚類最適宜生長的pH環(huán)境一般為7.0～8.5。魚的種類不同，其最適宜生長環(huán)境的pH也不同；同種魚類不同生長發(fā)育階段，其最佳生長環(huán)境的pH也不同[1]。不適宜的pH會影響魚類的生長發(fā)育、孵化率和消化酶活性等[2-5]。pH過低會嚴重損傷魚的鰓部組織，使其分泌大量粘液、滲血、鰓上皮腫脹和脫落[6]。在換水量較少的循環(huán)水養(yǎng)殖中，一般在養(yǎng)殖中后期pH較低。pH降低主要是由于水體中二氧化碳(CO2)質(zhì)量濃度的積累造成的。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水經(jīng)過生物過濾器硝化菌群的硝化作用產(chǎn)生大量的CO2，其質(zhì)量濃度通常會達到空氣中飽和濃度的20～100倍[7]。CO2質(zhì)量濃度高對于魚類的生長是非常有害的，如會使二齡鮭呼吸頻率、死亡率顯著增大，會增加大西洋鱈幼魚患白內(nèi)障的機率[8-10]。

魚類對CO2的耐受水平因魚的種類、生長發(fā)育階段而異[11]。如羅非魚的CO2安全濃度最高為60 mg/L，而敏感魚類的安全濃度為20 mg/L[12]。因此，在循環(huán)水系統(tǒng)中選擇提供一種方便、安全、高效的CO2去除裝置來調(diào)節(jié)水體pH顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法是通過向水體中添加石灰掛袋或加入堿液的方式調(diào)節(jié)pH，費時費力，且效果不明顯，特別是在pH的突躍點出現(xiàn)以后，再加入堿液，作用微乎其微[13]。而且，雜質(zhì)碳酸鈣流經(jīng)軸流泵會降低其使用壽命。通過借鑒學習相關(guān)活魚運輸?shù)亩趸既コb置技術(shù)[14]，設(shè)計了一種脫CO2裝置。通過去除水體中的CO2，對由于CO2濃度累積造成的pH下降進行調(diào)節(jié)，找出循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)pH調(diào)節(jié)的有效方法，為規(guī)?；h(huán)水養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 脫CO2裝置設(shè)計

脫CO2裝置(簡稱脫氣裝置)如圖1所示。筒體上方的氣液分布器設(shè)有4個出氣管和4個進水管，筒體中間的生物填料桶內(nèi)填充聚丙烯球填料，筒體下方設(shè)有進氣管和出水管。其工作原理是：養(yǎng)殖水由筒體上方的進水管進入筒體，經(jīng)過生物填料桶內(nèi)聚丙烯球填料的作用，使水體均勻下流，而空氣源源不斷從進氣管進入，水流向下、氣流向上經(jīng)過聚丙烯球表面并接觸。由于CO2在水中的溶解度符合亨利定律，即一定溫度下，氣體在水體中的溶解度與液面上該氣體的分壓成正比，所以液面上氣體中CO2的分壓很小，水體中的CO2就會從水體中逸出，隨空氣氣流從出氣管流出，從而達到去除水體中的CO2、提高pH的目的。空氣中的CO2濃度較低，僅為0.03%，其分壓約為大氣壓的0.03%[15-16]。為了保證液體分布器有足夠的釋放氣體空間，液體分布器安置在距離生物填料上表面180～300 mm處。為了使液體順利向下流，布液孔直徑應(yīng)大于5 mm；同時，為了順利釋放上升的氣體、降低阻力，要求出氣管總面積占截面的20%～45%，使用圓形出氣管。

圖1 脫二氧化碳裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗裝置

循環(huán)水養(yǎng)魚系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)示意圖

養(yǎng)魚桶的水通過水泵進入生物過濾器，經(jīng)處理后進入脫氣裝置，經(jīng)脫氣處理后，水自流入養(yǎng)魚桶。養(yǎng)殖用水為天然海水，經(jīng)自然沉淀及300目網(wǎng)袋過濾。水處理過濾器為創(chuàng)星牌魚缸過濾器，功率32 W，尺寸260×260×400 mm。所用生物填料為聚丙烯鮑爾環(huán)填料。養(yǎng)魚桶下部外徑440 mm，上部外徑585 mm，桶高600 mm，體積100 L。鼓風機功率30 W，流量0.45 m3/h。

1.3 實驗材料

挑選體質(zhì)健康、規(guī)格均勻的珍珠龍膽石斑魚幼魚用于實驗，體質(zhì)量(189.43±12.43)g，養(yǎng)殖密度30 kg/m3，隨機挑選規(guī)格均等的魚放入兩個實驗桶(A桶/組、B桶/組)。

1.4 實驗設(shè)計

實驗共分為3個階段，通過加熱棒把水溫控制在(25±0.5)℃，A、B兩桶加水量均為70 L，兩桶為獨立分開的系統(tǒng)，通過加實驗海水來調(diào)節(jié)pH。第一階段：A、B兩桶都不加脫氣裝置，在測試前通過生物過濾器把A、B兩組的養(yǎng)殖水混合均勻，調(diào)節(jié)pH至7.5，海水鹽度22～25；之后，每1 h測1次pH，共24次，連續(xù)測量；每4 h測1次堿度，共6次，連續(xù)測量。第二階段：A組加脫氣裝置而B組不加，調(diào)節(jié)pH至7.5，每1 h測1次pH，共24次，連續(xù)測量；每4 h測1次堿度，共6次，連續(xù)測量。觀察分析兩組pH和CO2質(zhì)量濃度變化情況。第三階段：B組添加脫氣裝置而A組不添加，調(diào)節(jié)pH至7.5，每1 h測1次pH，共24次，連續(xù)測量；每4 h測1次堿度，共6次，連續(xù)測量，觀察分析兩組pH、CO2質(zhì)量濃度變化情況。

1.4 指標測定

用電子天平測量體質(zhì)量(精度0.01g)；pH用梅特勒托利多S20KpH計測定(精度0.1)；堿度用奧克丹便攜式水質(zhì)分析儀檢測。已知水體堿度和pH，可計算CO2質(zhì)量濃度，誤差在5%～10%[12,17]。

CCO2=MALK·10(6.3-NpH)

式中：CCO2—水中溶解的CO2質(zhì)量濃度，mg/L；MALK是堿度CaCO3，mg/L；NpH表示pH。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

實驗所得數(shù)據(jù)均采用SPSS Statistics17.0 軟件進行單因素方差(ONEANOVA)分析處理，以P<0.05作為差異顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不加裝脫氣裝置pH和CO2變化情況

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程中，由于養(yǎng)殖密度大大提高，致使水體中CO2質(zhì)量濃度隨養(yǎng)殖時間延長而不斷升高[7]。當傳統(tǒng)低密度養(yǎng)殖模式向現(xiàn)代高密度養(yǎng)殖發(fā)展時，采用傳統(tǒng)的曝氣技術(shù)把大量的CO2排除已經(jīng)行不通[18-19]。圖3為A、B兩個實驗桶都不加裝脫氣裝置pH和CO2質(zhì)量濃度的變化情況。隨著時間的推移，pH呈逐漸降低趨勢，CO2質(zhì)量濃度呈升高趨勢，24 h后pH由7.5分別降低至6.72和6.58，CO2質(zhì)量濃度分別升高到37.19 mg/L和36.03 mg/L，升高近2.8倍。由于養(yǎng)殖魚類代謝和水體中有機物的氧化分解，產(chǎn)生的大量CO2會使水體pH降低。

圖3 A、B兩桶不加裝脫氣裝置pH、CO2變化情況

2.2 加裝脫氣裝置pH和CO2變化情況

(1)A桶加裝、B桶不加裝。圖4為A、B兩組pH和CO2質(zhì)量濃度變化情況。A組前4 h的pH逐漸升高而后逐漸降低，16 h后趨于穩(wěn)定，最后維持在7.39左右；CO2質(zhì)量濃度呈降低趨勢，24 h后由開始的13.11 mg/L降低到8.4 mg/L左右，這是由于前4 h CO2質(zhì)量濃度處在一個較高值上，脫氣裝置對CO2去除效果比較明顯，質(zhì)量濃度急劇下降，pH緩慢上升。隨著CO2質(zhì)量濃度的不斷降低，質(zhì)量濃度處在一個較低值上，脫氣裝置對CO2去除效果不明顯，隨著時間的繼續(xù)推移，最終脫氣裝置對CO2去除量和水體中生成的量達到了一個動態(tài)平衡，pH隨之緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。陳慶余等[19]認為養(yǎng)殖水體中加裝CO2去除裝置，CO2去除效果明顯，pH顯著升高，適當增加填料層厚度和氣水體積比，都能夠提高CO2去除效果。加裝CO2去除裝置，還能夠提高養(yǎng)殖密度、增加單位產(chǎn)量，進而達到降低成本、提高綜合經(jīng)濟效益的目標[20-22]。

圖4 A桶加裝、B桶不加裝脫氣裝置pH和CO2變化情況

(2)A桶不加裝、B桶加裝。結(jié)果如圖5所示。

A組：pH呈持續(xù)降低趨勢，24 h后降低到6.81；CO2質(zhì)量濃度呈升高趨勢，24 h后由13.04 mg/L升高到37.19 mg/L。B組：pH前4 h逐漸升高而后逐漸降低，16 h后趨于穩(wěn)定，最后pH維持在7.39；CO2質(zhì)量濃度呈降低趨勢，24 h后由開始的13.11 mg/L降低到8.41 mg/L。結(jié)果與(1)相同，這就排除了由于A、B兩桶不同加裝情況對結(jié)果造成的影響，更說明了在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中加裝脫氣裝置能夠有效去除水體中CO2、調(diào)節(jié)pH，使pH維持在一個適宜魚類生長的范圍[23-24]。

圖5 A桶不加裝、B桶加裝脫氣裝置pH和CO2變化情況

4 結(jié)論

本研究設(shè)計的脫氣裝置能夠有效去除水體中CO2，使水體pH維持在一個適宜魚類生長的范圍(7.39～7.42)，24 h后二氧化碳濃度由開始的13.16 mg/L降低到7～8 mg/L，降幅近50%。由于影響脫氣裝置去除效果的因素有很多，如氣水體積比、循環(huán)水流量、填料的擺放形式以及筒體高度等，需要綜合考慮上述各種因素，通過增加脫氣裝置中水體與空氣的接觸面積和接觸時間，使其達到一個均衡狀態(tài)，以提高CO2去除效果。

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The effect of carbon dioxide removal device on pH level of recirculating aquaculture system

GONG Jianhua，CAO Xiao，XU Shanliang

(KeyLaboratoryofAppliedMarineBiotechnology,MinistryofEducation,SchoolofMarineSciences,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

In order to regulate the water pH level in recirculating aquaculture system (RAS),a CO2removal device was designed based on gas exchange principle and tested,in the wish to remove CO2from aquaculture water and adjust the pH drop caused by CO2accumulation,so that the cultured fish would live in a suitable pH environment.During the test,water temperature was controlled at (25 ± 0.5) ℃,pH was measured every hour,and alkalinity was measured every 4 hours;water samples were taken from barrels culturing fish and were filtered with 40 μm syringe filter before detection;the experimental cycle was 24 h.The results showed that the installation of the CO2removal device in RAS could effectively remove CO2in the water body and stabilize the water pH level within a suitable range between 7.39-7.42;the CO2concentration exhibited a decreasing trend,and after 24 h it reached 7-8 mg/L from the initial 13.16mg/L,decreased by nearly 50%;while in the recirculating water system without the CO2removal device,CO2content continued to increase and reached 37 mg/L after 24 h,meanwhile the pH level continued to decrease and finally to 6.72～6.81.The research shows that the CO2removal device can effectively remove CO2in the water of RAS and maintain the pH level at a suitable range for fish growth.

CO2removal device;CO2;pH;RAS

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.003

2016-10-25

2017-01-23

國家海洋局海洋經(jīng)濟創(chuàng)新區(qū)域示范項目(F01521145300)

鞏建華(1988—)，男，碩士研究生，研究方向：魚類繁殖生物學。E-mail:17855847980@163.com

徐善良(1962—)，男，教授，碩士生導師，研究方向：海洋生物。E-mail:xushanliang@nbu.edu.cn

S963.7

A

1007-9580(2017)01-010-05