工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)CO2脫除工藝的研究進(jìn)展

郭春陽,王偉平,張現(xiàn)紅,曹淑全,張延青,趙奎峰,劉寶良

(1 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 266520;2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所,青島市海水魚類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071;3 山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,山東 濰坊 261000;4 日照禹海紅旗水產(chǎn)有限公司,山東 日照 276800)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是陸基工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的一種[1],具有設(shè)備先進(jìn)、管理高效等特點(diǎn)[2-3],同時(shí)也被視為現(xiàn)代海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[4]。在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式中,養(yǎng)殖密度比較低,通過曝氣或純氧添加以增加水中的氧氣,同時(shí)去除一定的CO2,避免水中CO2的過度積累。但在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,由于養(yǎng)殖密度較大,加之投飼量的增大,充氧裝置提供的氣體交換不足以去除系統(tǒng)產(chǎn)生的高濃度CO2,使得系統(tǒng)中的CO2不斷積累,使水體呈弱酸性,威脅養(yǎng)殖生物的安全[5]。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的不斷發(fā)展, CO2積累的問題日益突出,已然成為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵問題之一[6]。

目前中國循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)CO2脫除技術(shù)尚不成熟,國內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)一般不設(shè)置專用CO2脫除的環(huán)節(jié)。美國和歐洲在高密度集約化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中普遍使用了CO2脫除的設(shè)備,并且取得了有效的脫除效果[7-8]。

本研究主要論述了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中CO2來源與危害,比較分析了目前國內(nèi)外研究中主流CO2脫除的方法,以期為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中CO2的來源和危害

1.1 CO2的來源

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要大量的純氧曝氣補(bǔ)充養(yǎng)殖水體中的溶氧,實(shí)現(xiàn)高密度養(yǎng)殖,高純氧條件下使養(yǎng)殖對(duì)象攝食量增加,進(jìn)而促進(jìn)魚類的呼吸代謝,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的CO2增加[9]。Summerfelt等[10]研究發(fā)現(xiàn),在150 m3的大西洋鮭養(yǎng)殖池內(nèi),每投加1 kg飼料,平均產(chǎn)生的CO2約為22.6 mg/L。在Gowen等[11]圍繞鮭魚開展的研究中,飼料中16%的碳用于魚類生長,形成新的有機(jī)物,40%通過魚類呼吸以CO2形式排放到水體,剩余44%的碳以有機(jī)碳形式存在于殘飼、糞便中。此外,系統(tǒng)內(nèi)CO2也來源于微生物,當(dāng)養(yǎng)殖水體中有機(jī)物濃度較高時(shí),異養(yǎng)菌將成為水體中微生物的主體菌群,這會(huì)進(jìn)一步增大養(yǎng)殖系統(tǒng)CO2總量,有研究顯示,異養(yǎng)菌每消耗10 mg/L的氧氣,有13～14 mg/L的CO2產(chǎn)生。

水中CO2的濃度不僅取決于氣液平衡關(guān)系,還取決于一系列酸堿反應(yīng),氣液平衡影響CO2在空氣和水之間的轉(zhuǎn)移,酸堿反應(yīng)決定了水中溶解無機(jī)碳的化學(xué)形式[12]。

1.2 CO2的危害

大量研究表明,高濃度的CO2顯著影響魚類的飼料攝入量,Fivelstad等[13]建立了一個(gè)模型,描述了溶解CO2濃度與比生長率(SGR)變化之間的關(guān)系,研究認(rèn)為臨界CO2水平接近15 mg/L,超過該值后,魚類增長性能很快就會(huì)受到影響。Esteban[14]的研究中顯示,當(dāng)CO2的濃度超過安全水平時(shí),魚類血紅蛋白與氧的結(jié)合能力減弱,持續(xù)暴露在高濃度的CO2中,可能產(chǎn)生腎癌,即在腎臟中形成鈣質(zhì)沉積,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)中毒死亡現(xiàn)象,同時(shí),高濃度的CO2還會(huì)使得魚類運(yùn)動(dòng)能力減弱、神經(jīng)系統(tǒng)受損、發(fā)育遲緩、免疫力降低甚至發(fā)生病害和死亡[15]。

此外,CO2是維持循環(huán)水系統(tǒng)生物濾池內(nèi)硝化作用的重要基礎(chǔ)[14],但是高濃度CO2會(huì)對(duì)生物濾池造成危害。有研究發(fā)現(xiàn),在大西洋鮭的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,17～22 mg/L的CO2會(huì)對(duì)生物濾池的處理起促進(jìn)作用,但是隨著CO2濃度的上升,會(huì)對(duì)生物濾池的處理起明顯抑制作用[16]。

2 CO2的脫除方法

2.1 氣體交換法

2.1.1 曝氣池(機(jī))

曝氣池工作原理是將空氣通入待處理的水中,利用氣泡與水中CO2的濃度差使溶解態(tài)的CO2脫離水體進(jìn)入空氣中,從而完成水中CO2的脫除[18],其中主要曝氣形式有池底曝氣和表面曝氣。

池底曝氣的形式主要是以鼓風(fēng)機(jī)將空氣通入池底的曝氣管路或曝氣器向池內(nèi)曝氣進(jìn)行CO2的脫除。張文林[19]在曝氣脫除CO2的研究中發(fā)現(xiàn),溶解態(tài)CO2的脫除主要發(fā)生在池底,且池內(nèi)不同深度的CO2脫除率存在顯著差異,在高于池底5 cm處可以脫除約70%～80%溶解態(tài)的CO2,而高于池底1 m處的CO2脫除效率僅為40%～50%(圖1)。這是由于氣泡中CO2濃度隨氣泡在上升過程中不斷吸收水內(nèi)CO2而逐漸變大,濃度差的縮小使CO2的脫除效率隨深度的變化而逐漸縮減。

圖1 間歇曝氣池Fig.1 Intermittent aeration tank

槳輪式曝氣機(jī)是一種具有代表性的表面曝氣設(shè)備。Fediuk等[20]在其相關(guān)研究中分別使用水下曝氣設(shè)備和槳輪式曝氣機(jī)進(jìn)行CO2脫除,對(duì)比結(jié)果表明,水下曝氣設(shè)備在CO2傳輸效率570 g/h的條件下,CO2脫除效率能達(dá)到0.9 kg/(kW·h),而槳輪式曝氣機(jī)在CO2傳輸效率1 200 g/h的條件下,CO2脫除效率可以達(dá)到1.2 kg/(kW·h);隨后通過計(jì)算得到,密集型鯛魚養(yǎng)殖中水下曝氣設(shè)備可支持每天投喂飼料21 kg,每生產(chǎn)1 kg鯛魚,設(shè)備脫氣需要耗費(fèi)電量1.32 kW·h,而槳輪曝氣機(jī)可支持每天投喂飼料43.6 kg,每生產(chǎn)1 kg鯛魚,脫氣需要耗費(fèi)電量1 kW·h。因此,相比于水下曝氣設(shè)備,槳輪式曝氣機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中可以獲得更高的脫除效率,然而槳輪式曝氣機(jī)的安裝位置有更高的設(shè)計(jì)要求,設(shè)備的不良布局容易導(dǎo)致池壁或池底被侵蝕,并顯著增加污泥堆中的沉積物數(shù)量,這可能會(huì)減少池塘的養(yǎng)殖使用壽命并增加維護(hù)成本。

在其他相關(guān)的研究中顯示,CO2脫除效率與曝氣設(shè)備的氣體流量、氣體種類和系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度有關(guān)。Saidou等[21]研究結(jié)果表明,在廢水初始pH不變的條件下,系統(tǒng)內(nèi)CO2的脫除效率隨氣體流量的增大而明顯增加。同時(shí)Cohen等[22]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用不同氣體如空氣、氮?dú)?、氧氣及脫除CO2后的空氣進(jìn)行CO2脫除時(shí),含有正常CO2的空氣對(duì)水體內(nèi)CO2的脫除能力顯著低于其他氣體,這種現(xiàn)象是由于其他氣體在曝氣過程中使氣泡和水體內(nèi)的CO2濃度差更大,這有利于CO2由水體迅速轉(zhuǎn)移到曝氣氣泡內(nèi),隨后脫離水體。另一方面,耿震等[23]的研究中也證明了CO2濃度差對(duì)CO2脫除的影響方式同樣決定了間歇曝氣方式優(yōu)于連續(xù)曝氣,這是因?yàn)檫B續(xù)曝氣過程中,水體內(nèi)持續(xù)保持了相對(duì)較低的CO2濃度水平,導(dǎo)致連續(xù)曝氣過程中CO2的脫除效率低下,因此間歇曝氣體現(xiàn)出了更加節(jié)能高效的特點(diǎn)。

2.1.2 脫氣塔

脫氣塔是基于氣體轉(zhuǎn)移法的一種常用設(shè)備,以鞏建華等[24]設(shè)計(jì)的CO2脫氣塔(圖2)為例,待處理水進(jìn)入塔的上部通過氣液分布器淋下,經(jīng)過填料層后,從下部流出,風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)逆向吹脫,即由進(jìn)氣管從下向上進(jìn)行吹脫,通過填料層后,由頂部出氣管排出,經(jīng)過以上過程進(jìn)行氣液的交互完成脫碳。

脫氣塔雖在養(yǎng)殖水系統(tǒng)中有較多的應(yīng)用,但是僅限于較小水量的應(yīng)用場景,如傅潤澤等[25]在實(shí)際的活魚運(yùn)輸系統(tǒng)中設(shè)置了小型脫氣塔裝置,以解決高密度活魚運(yùn)輸過程中高濃度的CO2導(dǎo)致魚存活率和品質(zhì)下降的問題,并且該CO2脫除裝置應(yīng)用在活魚運(yùn)輸系統(tǒng)中可以在短時(shí)間內(nèi)降低水中CO2濃度,提升pH,從而提高了運(yùn)輸過程中魚的存活率和品質(zhì)。Watten等[26]改造了脫氣塔(圖3),同時(shí)滿足CO2的解吸,裝置利用NaOH試劑噴淋填料實(shí)現(xiàn)CO2的脫離,二次循環(huán)吸收氧氣。

脫氣塔相比于曝氣法有更大的氣流量,從而CO2的脫除效率更高,同時(shí)脫氣塔配套使用離心風(fēng)機(jī),對(duì)比曝氣池所使用的羅茨風(fēng)機(jī)和螺桿風(fēng)機(jī)更為節(jié)能,促進(jìn)了該工藝設(shè)備方法的推廣使用。然而脫氣塔的CO2脫除效率受氣水比和填料特性的影響。Hu等[5]在其脫氣塔去除循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的CO2的研究中發(fā)現(xiàn),脫除CO2裝置的氣水比應(yīng)設(shè)置在5～8之間。同樣,陳慶余等[6]的相關(guān)研究結(jié)果表明其他條件不變的情況下,CO2的脫除率隨氣水比的增大而呈現(xiàn)基本升高的趨勢,因此其建議最高的CO2去除率所對(duì)應(yīng)的氣水比區(qū)間在6～9。雖然大部分條件下氣水比越高,CO2脫除率越高,但氣水比到達(dá)一定程度,CO2脫除率提高的趨勢不再明顯,繼續(xù)設(shè)置較大的氣水比可能會(huì)造成能源的浪費(fèi)。張文林[19]將填料(多面空心球)與曝氣吹脫裝置結(jié)合并進(jìn)行填料優(yōu)化,證實(shí)如果填料厚度過大,氣體會(huì)被過于阻擋,影響脫除效果。有研究[6]通過對(duì)比得出選用空心球組和鮑爾環(huán)組得到的CO2脫除率高于階梯環(huán)組,適當(dāng)增加填料的厚度或選用一些比表面積較大且形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)越的填料可以提高CO2脫除率。

2.1.3 級(jí)聯(lián)塔

級(jí)聯(lián)塔是一種循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用的脫碳設(shè)備,在國內(nèi)外被廣泛地研究和應(yīng)用,與常規(guī)脫氣塔不同的是,其主要形式通常是一套級(jí)聯(lián)的塔式設(shè)備(如圖4為CO2脫除組合裝置)[27],運(yùn)行原理是通過提升水泵將待處理養(yǎng)殖水提升到具有CO2脫除與沉淀功能的第一級(jí)塔式設(shè)備的頂部,完成向下均勻布水,與鼓風(fēng)機(jī)由下向上的鼓風(fēng)在塔內(nèi)填料層內(nèi)接觸,完成CO2的脫除,隨后進(jìn)入第二級(jí)塔式設(shè)備,其中主要設(shè)備為低水頭增氧機(jī)(LHO),完成CO2脫除的養(yǎng)殖水在此補(bǔ)充溶氧最終返回到養(yǎng)殖系統(tǒng)中。

圖4 CO2脫除組合裝置Fig.4 The CO2 removal combined device

鹽度、氣水比和堿度被認(rèn)為會(huì)影響級(jí)聯(lián)塔CO2脫除率。由于CO2輸送后碳酸鹽平衡常數(shù)和電離分?jǐn)?shù)的影響,鹽度會(huì)顯著影響CO2的脫除效果。Damian[28]設(shè)計(jì)了一組新的級(jí)聯(lián)塔(圖5),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淡水的CO2的脫除效率最高,但是需要足夠的空氣流才能夠提升級(jí)聯(lián)塔的CO2脫除效率。因此該裝置在淡水條件下的CO2去除效果更好。Summerfelt等[29]研究發(fā)現(xiàn)級(jí)聯(lián)柱的CO2脫除率取決于通過級(jí)聯(lián)柱中的氣水比。此外,有相關(guān)研究[30]利用大西洋鮭魚的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)作為試驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)置了高堿度和低堿度兩種不同環(huán)境進(jìn)行CO2去除比較,結(jié)果證實(shí),在低堿度(10 mg/L)條件下,CO2去除的量要大于高堿度(70 mg/L和200 mg/L)條件,但當(dāng)堿度過低時(shí),容易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)魚類的健康問題。因此此條件下適宜的堿度為70 mg/L。

圖5 新設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)塔Fig.5 Newly designed cascade columns

2.1.4 氣舉機(jī)

與曝氣池類似,氣舉機(jī)的CO2脫除方式也是將空氣帶入水中進(jìn)行接觸傳質(zhì),但是其特征形式在于,氣舉機(jī)是一種浸入水內(nèi)的管道,氣體由管底通入,轉(zhuǎn)移CO2的同時(shí),通過負(fù)壓提升的作用也實(shí)現(xiàn)了水的轉(zhuǎn)移。但是研究表明,當(dāng)進(jìn)入的CO2質(zhì)量濃度在10～40 mg/L,即使在相當(dāng)大的流速下,獲得的最大去除效率也不超過40%,因此從水中有效去除CO2需要脫氣器在高達(dá)10∶1的氣體與液體(G∶L)比下操作,以便高效運(yùn)行,此外,當(dāng)氣水比增加,CO2的質(zhì)量轉(zhuǎn)移更大,當(dāng)進(jìn)水流量為60～70 L/min時(shí),氣舉機(jī)的效率最高,與此同時(shí),研究了不同鹽度下對(duì)氣舉機(jī)的脫除效率的影響(圖6),發(fā)現(xiàn)鹽度對(duì)氣舉機(jī)中CO2的質(zhì)量轉(zhuǎn)移沒有明顯的影響[31]。但是Ngam等[32]研究發(fā)現(xiàn)如果空氣流速較低的情況下,鹽水中CO2的質(zhì)量轉(zhuǎn)移更大,而在空氣流速較高的情況下,不同鹽度的水中CO2質(zhì)量轉(zhuǎn)移存在差異,并且淡水中CO2質(zhì)量轉(zhuǎn)移更大。

圖6 氣舉機(jī)Fig.6 Air lifters

2.2 化學(xué)法脫除CO2

化學(xué)法的原理是通過添加堿性藥物,與水體中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成弱堿性物質(zhì),以減少CO2的含量同時(shí)達(dá)到控制pH的效果。胡詠梅[33]利用堿性試劑調(diào)整循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的pH,研究顯示,投喂1 kg飼料,需要添加大約0.25 kg的NaOH來調(diào)整pH。王振華等[34]通過具體試驗(yàn)研究對(duì)比了Na2CO3、NaOH和NaHCO3三類堿性試劑脫除循環(huán)水系統(tǒng)中CO2的效果,結(jié)果顯示,向養(yǎng)殖水中添加NaOH容易造成pH的劇烈變化,而選擇Na2CO3和NaHCO3這兩種弱堿性試劑的情況下,水體pH的變化則相對(duì)平緩,考慮NaOH可能對(duì)魚類生活環(huán)境造成的威脅,選擇弱堿性試劑進(jìn)行pH調(diào)節(jié)相對(duì)更加合適。

2.3 生態(tài)法脫除CO2

生態(tài)法的原理是通過某些生物的吸收作用和濾食性作用[35-37]進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固碳,如藻類和濾食性貝類能有效去除水體中積累的CO2[38],是一種生態(tài)環(huán)保處理手段。而貝類—海藻綜合處理這一過程也被稱為多營養(yǎng)級(jí)水產(chǎn)養(yǎng)殖(IMTA)[39]。藻類通過光合作用吸收水體中的CO2轉(zhuǎn)化為自身的生物質(zhì),提供生物飼料的同時(shí)也能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[40],簡化了水體中CO2的處理過程[41]。盡管藻類在夜間會(huì)通過呼吸作用產(chǎn)生一定量的CO2,但是養(yǎng)殖對(duì)象的生長并沒有受到影響[42]。Faiz等[43]使用小球藻和鐮刀藻等去除水體中的CO2等物質(zhì),得到了較好的效果,同時(shí)產(chǎn)生生物質(zhì)的微藻也能作為生物飼料和生物燃料進(jìn)行二次利用[44]。

雙殼濾食性貝類在吸收處理CO2方面發(fā)揮重大作用[45]。有研究[46]評(píng)估了貽貝和蛤蜊的匯碳能力,驗(yàn)證了貝類的外殼主要由碳酸鈣組成,在生物鈣化(CO2參與)的過程中形成。盡管雙殼貝類會(huì)通過呼吸等活動(dòng)產(chǎn)生部分CO2,但并不會(huì)影響整體的固碳匯碳效益。此外,Nobre等[47]研究發(fā)現(xiàn),貝類—海藻綜合養(yǎng)殖不僅能有效減少系統(tǒng)中的CO2,同時(shí)由于在處理的過程中海藻吸收CO2,提高了水體的pH,也有利于貝類的生長和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

生物種類的選擇會(huì)影響生態(tài)法的運(yùn)行效果,不同藻類和貝類的效果有明顯不同。Juhani等[48]利用單針藻和雨生紅球藻兩種不同的品種進(jìn)行CO2脫除,發(fā)現(xiàn)單針藻在生長速度和吸收速度方面要好于雨生紅球藻。因此建議在具體使用時(shí)根據(jù)具體情況選擇不同的種類。

2.4 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)CO2脫除技術(shù)對(duì)比和問題分析

表1所示,氣體交換法主要通過曝氣池(機(jī))、脫氣塔、級(jí)聯(lián)塔和氣舉機(jī)等設(shè)施設(shè)備實(shí)現(xiàn),技術(shù)理論體系成熟,且脫除效果明顯,但存在效率低、維護(hù)成本高且設(shè)施占據(jù)空間過大等問題。

表1 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)CO2脫除技術(shù)對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of CO2 removal technology in industrial recirculating aquaculture system

化學(xué)法主要通過向系統(tǒng)內(nèi)投加堿性藥品(如NaHCO3)等進(jìn)行CO2脫除,效率高且效果明顯,但應(yīng)用場景局限且化學(xué)藥品成本過高,不宜大規(guī)模投入使用。

生態(tài)法是依靠特定生物進(jìn)行CO2脫除(如大型海藻和某些微生物),較其余兩種脫除方法生態(tài)環(huán)保、適用性廣,尤其國內(nèi)外近些年來對(duì)該類生物去除CO2機(jī)理、影響因素等有一定的研究進(jìn)展,從最初的單一物種去除發(fā)展到多物種協(xié)同去除,提升了整體效率,同時(shí)一體化的配套裝置大大節(jié)約了設(shè)施空間。另外國內(nèi)外的部分沿海區(qū)域借助地理優(yōu)勢進(jìn)行近海養(yǎng)殖,整體養(yǎng)殖效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都有可觀的提升[49-50]。

3 結(jié)論與建議

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的增大和可持續(xù)發(fā)展要求的深化,工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的推廣成為水產(chǎn)養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向,CO2在控制循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)pH等方面有重要作用,然而由于其高溶解性,容易導(dǎo)致過度積累進(jìn)而引發(fā)一系列問題,因此CO2脫除研究的重要性將得到進(jìn)一步體現(xiàn)。近年來,微藻、貝類的集約化養(yǎng)殖技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,在未來工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖園區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)當(dāng)中,應(yīng)選用特定的設(shè)施裝備將貝藻固碳工藝進(jìn)一步優(yōu)化,并作為一種優(yōu)先二氧化碳減排策略進(jìn)行配套應(yīng)用。同時(shí)應(yīng)注重多種去除方法的共同使用,構(gòu)建CO2整體去除技術(shù)體系,以進(jìn)一步提升養(yǎng)殖水體水質(zhì),并通過先進(jìn)技術(shù)工藝和裝置設(shè)備來指導(dǎo)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的CO2去除過程,比如智能化運(yùn)行與管理,促進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的融合以及推進(jìn)產(chǎn)業(yè)體系的升級(jí),從而推動(dòng)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。