基于膜空氣吹掃技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室增施CO2研究

梁飛虹 孫 豆 涂 特 紀(jì) 龍 賀清堯 晏水平

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

溫室內(nèi)增施CO2能顯著提高設(shè)施作物的光合作用，有利于增加作物的株高、葉面積及干重比[1]，并能增加作物坐果率[2]，提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)[3]。農(nóng)業(yè)溫室是一個相對密閉的空間，日出后幾個小時里，由于光照適宜，植物的光合作用最大，溫室內(nèi)的CO2會很快被消耗，若不及時進(jìn)行通風(fēng)或增施CO2，溫室內(nèi)CO2濃度會低于植物的光補(bǔ)償點(diǎn)，長此以往將降低植物的光合作用，進(jìn)而影響產(chǎn)量[4]。因此，給溫室增施一定濃度的CO2非常有必要。

目前，溫室增施CO2的方法有使用CO2鋼瓶氣、有機(jī)堆肥法、有機(jī)物燃燒法、化學(xué)反應(yīng)法等[5]。CO2鋼瓶氣安全、潔凈且濃度可控，但在冬季使用，CO2氣化容易造成溫室內(nèi)溫度降低，同時鋼瓶搬運(yùn)不便且價格高昂[6-7]。有機(jī)堆肥法成本低廉，但對增施過程中的CO2濃度及CO2施放時間等不可控，應(yīng)用局限性較大[8]。有機(jī)物燃燒法易產(chǎn)生有毒有害氣體，存在安全隱患。化學(xué)反應(yīng)法一般采用硫酸與碳酸氫銨反應(yīng)制取CO2，但硫酸屬?；罚茝V困難。適宜的CO2氣肥增施方式應(yīng)滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、大規(guī)?；a(chǎn)和國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。

沼氣含有約40%的CO2[9-10]，同時沼氣燃燒后的產(chǎn)物僅有水和CO2。因此，沼氣是一種可行的溫室CO2氣肥資源。但沼氣工程一般與農(nóng)業(yè)溫室的距離較遠(yuǎn)，不宜就地采用沼氣燃燒等方式增施CO2。同時，沼氣在高值利用時往往需要去除沼氣中的CO2[11-12]。理論上，可將沼氣高值利用中分離的CO2作為農(nóng)業(yè)溫室氣肥使用。

在眾多沼氣CO2分離技術(shù)中，CO2化學(xué)吸收法因操作便捷、技術(shù)成熟、沼氣中CH4損失可忽略和產(chǎn)品氣中CH4純度高等優(yōu)勢而備受關(guān)注[13]?；瘜W(xué)吸收法面臨的瓶頸問題之一在于富CO2吸收劑溶液(富液)的再生能耗高，其可占總系統(tǒng)能耗的60%以上[14]，從而造成CO2分離成本高[15]。對于更易受成本影響的沼氣CO2分離而言[16]，降低富液再生能耗成為關(guān)鍵。因此，如將富液作為CO2載體，將富液的CO2再生過程延伸到農(nóng)業(yè)溫室，與溫室的CO2氣肥增施系統(tǒng)結(jié)合，就可以將吸收劑富液的再生能耗轉(zhuǎn)嫁到農(nóng)業(yè)溫室運(yùn)營中，進(jìn)而降低沼氣提純成本。采用上述方式還能為農(nóng)戶節(jié)省CO2成本，同時增施系統(tǒng)還能部分替代溫室的增溫設(shè)備以及內(nèi)通風(fēng)設(shè)備，可進(jìn)一步降低溫室運(yùn)營成本。

由于富液在農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)再生，因而不能選擇具有揮發(fā)性的有機(jī)CO2吸收劑，可選擇具有零蒸氣分壓、良好生物降解性、抗氧化降解的氨基酸鹽吸收劑[17]。此外，施肥CO2需根據(jù)蔬菜的生物特性選擇適當(dāng)?shù)氖┓蕰r間，如番茄的最佳增施CO2時間為08:00—10:00之間[18]，果菜應(yīng)在開花后施用，如施時不當(dāng)，將使果菜徒長[19]。同時，施肥CO2一經(jīng)開始，不宜中途停頓，多云或陰雨天可減半施放，以免引起光合作用能力下降和植物染病[20]。因此，還需進(jìn)一步探究農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)增施CO2氣肥方案。

基于此，本文以甘氨酸鉀(Potassium glycinate，PG)富CO2溶液(富液)為CO2載體，探究以膜空氣吹掃技術(shù)將富液CO2再生為農(nóng)業(yè)溫室增施CO2氣肥的可行性，并以設(shè)施蔬菜番茄為模式作物，探索其增施CO2方案，同時分析本技術(shù)替代傳統(tǒng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境敏感性，以期為農(nóng)業(yè)溫室增施CO2氣肥提供一種新的可行方案。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 PG富液制備

PG由甘氨酸與KOH等物質(zhì)的量反應(yīng)而成，其中分析純級KOH購置于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，甘氨酸購置于BioFroxx GmbH公司，純度為99%。PG富液通過PG水溶液與純CO2氣體反應(yīng)而成，在CO2吸收過程中，每隔5 min取樣分析溶液CO2負(fù)荷，當(dāng)達(dá)到指定負(fù)荷時，即可停止吸收，完成富液配制。其中CO2鋼瓶氣購置于武鋼氧氣氣瓶檢驗(yàn)廠東新分部，純度大于99.9%。吸收劑的CO2負(fù)荷采用經(jīng)典的酸堿滴定法進(jìn)行測試[14]。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

利用膜空氣吹掃技術(shù)進(jìn)行PG富液再生的試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)中，向富液罐內(nèi)添加2 kg PG富液，富液經(jīng)蠕動泵(BT100-2J型， 蘭格恒流泵有限公司)控制流量后進(jìn)入電加熱器(CS601型，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入膜組件，并在管層內(nèi)流動(膜及組件參數(shù)如表1所示)。與此同時，空氣經(jīng)氣泵(ACO-006型，饒平縣興成機(jī)電水族用品有限公司)增壓后經(jīng)過氣體流量計(LZB-6WB型，泰州俊海儀表有限公司)控制流量后進(jìn)入膜殼程，與液相形成逆向流動。吹掃再生中產(chǎn)生的再生氣體經(jīng)干燥后進(jìn)行CO2濃度檢測(XLA-BX-CO2型，深圳市普利通電子科技有限公司)。氣、液相溫度采用溫度測量儀(HT-9815型，HTI Technology & Industries公司)測試。

表1 PP中空纖維膜參數(shù)Tab.1 Specifics of PP hollow fiber

試驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注試驗(yàn)裝置CO2實(shí)時產(chǎn)氣量及試驗(yàn)時的CO2產(chǎn)氣總量。其中，單位時間的CO2實(shí)時產(chǎn)氣量可根據(jù)出口CO2實(shí)時濃度及氣相流速計算獲得，而CO2產(chǎn)氣總量可通過對CO2實(shí)時濃度-時間曲線進(jìn)行積分獲得。

1.3 PG富液的再生性能

PG富液的再生程度ξ計算式為

(1)

式中α0——PG富液CO2初始負(fù)荷，mol/mol

αt——t時刻PG富液CO2負(fù)荷，mol/mol

再生過程中，PG富液CO2負(fù)荷由α0下降到αt時，單位CO2再生所需要的能量E(kJ/mol)為

(2)

式中P——系統(tǒng)總功率，kW

M——PG摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/mol

m——再生過程中PG溶液總質(zhì)量，kg

w——PG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

Δt——系統(tǒng)運(yùn)行時間，s

1.4 溫室內(nèi)增施CO2時的CO2需求量

溫室增施時，植物生長所需CO2總量估算式為[21]

(3)

(4)

式中VCO2——溫室所需的CO2氣量，L

PL——冠層光合速率，mL/(株·min)

ρ——番茄種植密度，取6株/m2

ct——t時刻溫室的CO2濃度，取900 mL/m3

c0——溫室初始CO2濃度，08:00時，溫室內(nèi)的CO2濃度可降至約700 mL/m3，因此c0取700 mL/m3

VG——溫室體積，m3

Pg——單葉片光合速率，L/(m2·min)

LA——葉面積，m2

（2）社會組織因缺乏獨(dú)立性誘發(fā)主體性喪失風(fēng)險。獨(dú)立性是社會組織的基本特征。政府向社會組織購買公共服務(wù)過程中，政府部門在招投標(biāo)過程依據(jù)經(jīng)濟(jì)效益原則，利用成本—收益分析方法計算項(xiàng)目損益，缺乏對社會組織的供給能力和專業(yè)水準(zhǔn)的綜合考評。社會組織在激烈的競爭中為組織存續(xù)承接企業(yè)服務(wù)項(xiàng)目，違背其公益性與非營利性，喪失組織目標(biāo)的獨(dú)立性。

Pn——儀器測定的光合速率，L/(m2·min)

ε——光轉(zhuǎn)換因子，即吸收光的初始光能利用效率，取0.4

PAR——冠層吸收光合有效輻射，J/(m2·min)

式中常數(shù)2為標(biāo)準(zhǔn)溫室的高度，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 以富液為載體的溫室增施CO2可行性

2.1.1操作參數(shù)對PG富液膜空氣吹掃再生性能的影響

為了實(shí)現(xiàn)膜空氣吹掃技術(shù)進(jìn)行PG富液再生的產(chǎn)能和效率最大化，需對該技術(shù)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行篩選，如圖2所示。

當(dāng)PG質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=15%、液相流速Q(mào)L=150 mL/min、再生溫度T=100℃、再生時間t=20 min時，氣相流速Q(mào)g對PG富液的再生性能影響如圖2a所示。由圖2a可知，再生過程中的CO2再生總量隨Qg的增大而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并在Qg=6 L/min時達(dá)到最大值(4.37 L)。隨著氣相流速的增加，氣相傳質(zhì)阻力降低，總傳質(zhì)系數(shù)增加，因而CO2再生量增加[22]。但在膜吹掃再生中，CO2總傳質(zhì)系數(shù)主要由液相分傳質(zhì)系數(shù)決定[22]，因而氣相流速變化對CO2再生性能的影響并不顯著[23]。氣相流速過低時，膜更容易被浸潤[24]，而過高的氣相流速又使系統(tǒng)能耗增加。因此，將氣相流速固定為6 L/min。

當(dāng)Qg=6 L/min時，PG富液初始CO2負(fù)荷對再生性能的影響如圖2b所示。富液初始CO2負(fù)荷越高，富液的平衡CO2分壓越大，再生推動力越大，再生程度因而越高[25]。因此，選擇α0=0.75 mol/mol。

不同吸收劑濃度下，隨著再生時間的延長，富液的再生程度增加，如圖2c所示。由圖2c還可知，不論何種PG濃度，在60 min時間內(nèi)，吸收劑的再生性能基本趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步增加再生時間對再生程度的影響并不顯著，但會大幅提升系統(tǒng)能耗[26]。因此，選擇的再生時間為60 min。

不同吸收劑濃度下，再生溫度對PG富液再生性能的影響如圖2d所示。再生溫度越高，富液CO2分壓越大，再生過程中CO2傳質(zhì)推動力越大，再生效果越好。但對于膜空氣吹掃技術(shù)而言，再生溫度過高，會影響膜的使用壽命，且會增加液相加熱耗能。

在實(shí)際運(yùn)行中，除了需關(guān)注PG富液的再生性能外，還需關(guān)注作為氣肥的CO2產(chǎn)氣量變化。由圖2可知，在實(shí)際運(yùn)行中，可固定PG富液的CO2初始負(fù)荷(0.75 mol/mol)、氣相流速(6 L/min)和再生時間(60 min)，通過調(diào)控富液流量和再生溫度來靈活調(diào)節(jié)CO2產(chǎn)量，從而適應(yīng)植物在不同生長階段、不同時段的CO2需求差異。

2.1.2PG富液膜空氣吹掃再生時CO2產(chǎn)量的調(diào)控方案

在Qg=6 L/min、α0=0.75 mol/mol、t=60 min時，膜空氣吹掃技術(shù)的CO2產(chǎn)氣量調(diào)控方案如圖3所示。

由圖3可知，無論何種PG濃度，膜空氣吹掃再生的CO2產(chǎn)氣量均隨富液溫度的升高不斷上升，但隨著液相流速的增大，產(chǎn)氣量先上升后下降，并在150～200 mL/min之間產(chǎn)氣量最大。因此，為了實(shí)現(xiàn)合理產(chǎn)氣量，在液相流速一定時，可通過提高或降低溫度來獲得較大或較小產(chǎn)氣量，而在溫度確定時，可通過調(diào)節(jié)液相流速獲取合適產(chǎn)氣量。當(dāng)w=10%時，VCO2Max=28.62 L，此時QL=250 mL/min，T=80℃；VCO2Min=5.49 L，此時，QL=100 mL/min，T=60℃。當(dāng)w=15%時，VCO2Max=47.31 L，此時QL=250 mL/min，T=80℃；VCO2Min=14.70 L，此時QL=100 mL/min，T=60℃。當(dāng)w=20%時，VCO2Max=51.00 L，此時QL=250 mL/min，T=80℃；VCO2Min=17.16 L，此時QL=150 mL/min，T=60℃。其他產(chǎn)氣速率可通過組合調(diào)節(jié)液相流速和再生溫度獲得。

因此，通過膜空氣吹掃技術(shù)將富液CO2再生時，在氣相流速Q(mào)g=6 L/min、初始CO2負(fù)荷α0=0.75 mol/mol、每批次富液再生時間t=60 min時，僅通過調(diào)節(jié)液相流速和再生溫度即可控制系統(tǒng)的CO2產(chǎn)氣量，并且PG富液濃度越高，產(chǎn)氣量越大。

2.2 農(nóng)業(yè)溫室增施CO2方案

表2為番茄在不同生長時期的單株葉面積及其在08:00—11:00之間的最大光合速率等參數(shù)。

表2 番茄在不同生長時期的光合速率及單株葉面積Tab.2 Photosynthetic rate and leaf area of tomato at different growth periods

假設(shè)在一個標(biāo)準(zhǔn)單棟溫室(面積為300 m2，高2 m)中進(jìn)行增施CO2模擬，將PG富液量放大為40 kg，增施時間為08:00—10:30。以盛花期的溫室番茄生產(chǎn)為例，由表2可知整棟溫室內(nèi)的番茄光合速率為19.78 L/min。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的PG富液用于CO2再生，由式(3)可知，在每天150 min(08:00—10:30)的增施過程中，該溫室需額外供應(yīng)3 087.30 L的CO2。根據(jù)圖3b計算可知，在60～80℃再生PG富液每小時可產(chǎn)生701.55～891.97 L CO2。因此，該溫室需要2臺40 kg規(guī)模的基于膜空氣吹掃技術(shù)的再生設(shè)備(中途更換一次富液)，即可滿足溫室番茄生產(chǎn)的CO2增施需求。

具體增施方案如下：

(1)方案1：先將溫室內(nèi)CO2濃度迅速增施至番茄生長所需的最大濃度，隨后根據(jù)番茄光合情況進(jìn)行隨時補(bǔ)充。具體措施如下：已知番茄盛花期溫室每天需供應(yīng)CO2為3 087.30 L。在該方案中，再生設(shè)備首先需為溫室供應(yīng)CO2到番茄生長所需的最大濃度(900 mL/m3)。由圖3b可知，40 kg PG富液再生最快產(chǎn)氣量為15.77 L/(min·臺)，因此調(diào)節(jié)QL=250 mL/min和T=80℃即可滿足當(dāng)前需求，此時運(yùn)行時間為10 min(由式(3)計算可得)。隨后溫室的供氣根據(jù)番茄光合情況進(jìn)行補(bǔ)充，番茄的光合速率為19.78 L/min(表2)，因此滿足番茄生長的合理供氣量應(yīng)為9.89 L/(min·臺)，此時只需調(diào)節(jié)QL=150 mL/min和T=60℃即可滿足當(dāng)前供氣要求。

(2)方案2：計算番茄在某一時段內(nèi)所需的CO2總氣量，然后以一定速率均勻地將CO2增施到溫室中。具體措施如下：已知番茄盛花期溫室每天需供應(yīng)CO23 087.3 L，此時再生設(shè)備的供氣速率需為10.29 L/(min·臺)。由圖3b可知，調(diào)節(jié)QL為150 mL/min、T=70℃即可滿足當(dāng)前供氣要求。

2.3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能及環(huán)境敏感性分析

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的PG富液時，CO2再生能耗與再生溫度和液相流速的關(guān)系如圖4所示。由圖可知，在PG富液的主再生階段， CO2再生能耗隨著溫度的升高而降低，但隨著液相流速的增大而增大。由圖4可知,EMax=409.24 kJ/mol，EMin=163.49 kJ/mol。因此，采用本系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)單棟溫室供CO23 087.30 L時，采用方案1所需的總能耗為8.28 kW·h，采用方案2的總能耗為8.62 kW·h。

以設(shè)施番茄栽培為例，本文提供的溫室增施CO2方法與現(xiàn)有溫室增施CO2方法的經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果如表3所示。由表3可知，采用膜空氣吹掃技術(shù)再生PG富液為農(nóng)業(yè)溫室增施CO2，運(yùn)行成本約為4.2元/d，相比于傳統(tǒng)方式，成本最高可降低約58.00%，但相比于鋼瓶氣法和酸堿中和法，本系統(tǒng)的一次性設(shè)備投資較大。

表3 農(nóng)業(yè)溫室不同增施CO2方法的經(jīng)濟(jì)性分析Tab.3 Economic analysis of CO2 content increment in agricultural greenhouse by using different CO2 methods

圖5為基于膜空氣吹掃技術(shù)再生PG富液的溫室增施CO2方法替代傳統(tǒng)溫室增施CO2方法用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時的生態(tài)環(huán)境敏感性與成本的關(guān)系。生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)環(huán)境對區(qū)域內(nèi)自然和人類活動干擾的敏感程度，具體評價標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[32]。如圖5所示，圖中填充部分是低生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域，顏色過渡表示技術(shù)的成本變化，其中越接近綠色區(qū)域，成本越低，越接近紅色區(qū)域，成本越高。相比于傳統(tǒng)方式，膜空氣吹掃技術(shù)的生態(tài)環(huán)境敏感性最低，對環(huán)境無害。這是由于采用膜空氣吹掃技術(shù)為農(nóng)業(yè)溫室增施CO2時，CO2來源環(huán)保清潔，且該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)CO2負(fù)排放或近零排放。而鋼瓶氣法雖然也擁有較低的生態(tài)環(huán)境敏感性，但技術(shù)成本高，且由于CO2來源并不完全環(huán)保，施用不當(dāng)易產(chǎn)生溫室氣體排放；碳?xì)浠衔锶紵O易產(chǎn)生有害物質(zhì)，危害環(huán)境，因而生態(tài)環(huán)境敏感性最高；酸堿中和法未完全反應(yīng)時剩下的殘酸殘堿危害環(huán)境，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境敏感性較高。

2.4 農(nóng)業(yè)溫室增施CO2與沼氣提純工程的匹配機(jī)制

以本文的設(shè)施番茄增施CO2為例進(jìn)行規(guī)模匹配計算，按照每300 m3的空間安裝一臺基于膜空氣吹掃技術(shù)的CO2增施設(shè)備，每臺設(shè)備每天需要供應(yīng)120 kg PG富液。對于600 m3的獨(dú)棟溫室，在運(yùn)行期間，每天需供應(yīng)240 kg PG富液。而對于標(biāo)準(zhǔn)連棟溫室(1 300 m3)，則每天需供應(yīng)500 kg PG富液。

對于沼氣產(chǎn)量為1 000 m3/d的沼氣工程，假設(shè)沼氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為40%。提純這些沼氣每天會產(chǎn)生約2 465 kg的PG富液，由于吸收劑在不同層面的利用價值及能耗不同，在實(shí)際應(yīng)用中，只需取出部分吸收劑用于溫室CO2氣肥增施環(huán)節(jié)，假設(shè)有60%左右的吸收劑被取出，即大約有1 500 kg PG富液需要消納。按照溫室的消耗能力，需要7個溫室即可滿足需求。如果采用連棟溫室，需要3個連棟溫室即可滿足需求。

3 結(jié)論

(1)采用膜空氣吹掃技術(shù)再生PG富液為溫室增施CO2氣肥的方案可行。在可控參數(shù)的最佳條件下(氣相流速Q(mào)g=6 L/min，CO2初始負(fù)荷α0=0.75 mol/mol和富液再生時間t=60 min)，僅通過調(diào)節(jié)液相流速和再生溫度即可控制富液膜空氣吹掃再生的CO2產(chǎn)氣量。同時，隨著PG富液的溫度和質(zhì)量濃度升高，再生產(chǎn)氣效果越大。

(2)針對標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室(600 m3)內(nèi)的設(shè)施番茄栽培，可以采取兩種CO2氣肥增施方式，先將溫室內(nèi)CO2濃度迅速增施至最大濃度，隨后根據(jù)番茄光合情況隨時補(bǔ)充；或者計算番茄在某一時段內(nèi)所需的CO2總氣量，然后以一定速率均勻地將CO2增施到溫室中。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本文技術(shù)擁有低的環(huán)境敏感性和經(jīng)濟(jì)成本，成本最高可降低58.00%。

(3)對于1 000 m3/d沼氣產(chǎn)量的生物天然氣工程，如果以吸收劑富液為CO2脫除載體，需要7個溫室或3個連棟溫室即可完全消納沼氣提純中所需脫除的CO2。