基于膜空氣吹掃技術的農業溫室增施CO2研究

梁飛虹 孫 豆 涂 特 紀 龍 賀清堯 晏水平

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

溫室內增施CO2能顯著提高設施作物的光合作用，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]，提高產量和改善品質[3]。農業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，溫室內的CO2會很快被消耗，若不及時進行通風或增施CO2，溫室內CO2濃度會低于植物的光補償點，長此以往將降低植物的光合作用，進而影響產量[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、有機堆肥法、有機物燃燒法、化學反應法等[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溫度降低，同時鋼瓶搬運不便且價格高昂[6-7]。有機堆肥法成本低廉，但對增施過程中的CO2濃度及CO2施放時間等不可控，應用局限性較大[8]。有機物燃燒法易產生有毒有害氣體，存在安全隱患。化學反應法一般采用硫酸與碳酸氫銨反應制取CO2，但硫酸屬危化品，推廣困難。適宜的CO2氣肥增施方式應滿足設施農業標準化生產、大規模化生產和國家節能減排戰略。

沼氣含有約40%的CO2[9-10]，同時沼氣燃燒后的產物僅有水和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業溫室的距離較遠，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作為農業溫室氣肥使用。

在眾多沼氣CO2分離技術中，CO2化學吸收法因操作便捷、技術成熟、沼氣中CH4損失可忽略和產品氣中CH4純度高等優勢而備受關注[13]。化學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再生過程延伸到農業溫室，與溫室的CO2氣肥增施系統結合，就可以將吸收劑富液的再生能耗轉嫁到農業溫室運營中，進而降低沼氣提純成本。采用上述方式還能為農戶節省CO2成本，同時增施系統還能部分替代溫室的增溫設備以及內通風設備，可進一步降低溫室運營成本。

由于富液在農業溫室內再生，因而不能選擇具有揮發性的有機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需根據蔬菜的生物特性選擇適當的施肥時間，如番茄的最佳增施CO2時間為08:00—10:00之間[18]，果菜應在開花后施用，如施時不當，將使果菜徒長[19]。同時，施肥CO2一經開始，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，還需進一步探究農業溫室內增施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將富液CO2再生為農業溫室增施CO2氣肥的可行性，并以設施蔬菜番茄為模式作物，探索其增施CO2方案，同時分析本技術替代傳統技術的經濟效益與環境敏感性，以期為農業溫室增施CO2氣肥提供一種新的可行方案。

1 試驗材料與方法

1.1 PG富液制備

PG由甘氨酸與KOH等物質的量反應而成，其中分析純級KOH購置于上海凌峰化學試劑有限公司，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氣體反應而成，在CO2吸收過程中，每隔5 min取樣分析溶液CO2負荷，當達到指定負荷時，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廠東新分部，純度大于99.9%。吸收劑的CO2負荷采用經典的酸堿滴定法進行測試[14]。

1.2 試驗系統

利用膜空氣吹掃技術進行PG富液再生的試驗裝置如圖1所示。試驗中，向富液罐內添加2 kg PG富液，富液經蠕動泵(BT100-2J型， 蘭格恒流泵有限公司)控制流量后進入電加熱器(CS601型，上海博迅實業有限公司醫療設備廠)進行加熱，然后進入膜組件，并在管層內流動(膜及組件參數如表1所示)。與此同時，空氣經氣泵(ACO-006型，饒平縣興成機電水族用品有限公司)增壓后經過氣體流量計(LZB-6WB型，泰州俊海儀表有限公司)控制流量后進入膜殼程，與液相形成逆向流動。吹掃再生中產生的再生氣體經干燥后進行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Tab.1 Specifics of PP hollow fiber

試驗中，重點關注試驗裝置CO2實時產氣量及試驗時的CO2產氣總量。其中，單位時間的CO2實時產氣量可根據出口CO2實時濃度及氣相流速計算獲得，而CO2產氣總量可通過對CO2實時濃度-時間曲線進行積分獲得。

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初始負荷，mol/mol

αt——t時刻PG富液CO2負荷，mol/mol

再生過程中，PG富液CO2負荷由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——系統總功率，kW

M——PG摩爾質量分數，g/mol

m——再生過程中PG溶液總質量，kg

w——PG溶液質量分數，%

Δt——系統運行時間，s

1.4 溫室內增施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）社會組織因缺乏獨立性誘發主體性喪失風險。獨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過程中，政府部門在招投標過程依據經濟效益原則，利用成本—收益分析方法計算項目損益，缺乏對社會組織的供給能力和專業水準的綜合考評。社會組織在激烈的競爭中為組織存續承接企業服務項目，違背其公益性與非營利性，喪失組織目標的獨立性。

Pn——儀器測定的光合速率，L/(m2·min)

ε——光轉換因子，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2為標準溫室的高度，m。

2 結果與討論

2.1 以富液為載體的溫室增施CO2可行性

2.1.1操作參數對PG富液膜空氣吹掃再生性能的影響

為了實現膜空氣吹掃技術進行PG富液再生的產能和效率最大化，需對該技術的運行參數進行篩選，如圖2所示。

當PG質量分數w=15%、液相流速QL=150 mL/min、再生溫度T=100℃、再生時間t=20 min時，氣相流速Qg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的增大而呈現先增后減的趨勢，并在Qg=6 L/min時達到最大值(4.37 L)。隨著氣相流速的增加，氣相傳質阻力降低，總傳質系數增加，因而CO2再生量增加[22]。但在膜吹掃再生中，CO2總傳質系數主要由液相分傳質系數決定[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能耗增加。因此，將氣相流速固定為6 L/min。

當Qg=6 L/min時，PG富液初始CO2負荷對再生性能的影響如圖2b所示。富液初始CO2負荷越高，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，吸收劑的再生性能基本趨于穩定，進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傳質推動力越大，再生效果越好。但對于膜空氣吹掃技術而言，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。

在實際運行中，除了需關注PG富液的再生性能外，還需關注作為氣肥的CO2產氣量變化。由圖2可知，在實際運行中，可固定PG富液的CO2初始負荷(0.75 mol/mol)、氣相流速(6 L/min)和再生時間(60 min)，通過調控富液流量和再生溫度來靈活調節CO2產量，從而適應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產量的調控方案

在Qg=6 L/min、α0=0.75 mol/mol、t=60 min時，膜空氣吹掃技術的CO2產氣量調控方案如圖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，產氣量先上升后下降，并在150～200 mL/min之間產氣量最大。因此，為了實現合理產氣量，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氣量，而在溫度確定時，可通過調節液相流速獲取合適產氣量。當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℃。其他產氣速率可通過組合調節液相流速和再生溫度獲得。

因此，通過膜空氣吹掃技術將富液CO2再生時，在氣相流速Qg=6 L/min、初始CO2負荷α0=0.75 mol/mol、每批次富液再生時間t=60 min時，僅通過調節液相流速和再生溫度即可控制系統的CO2產氣量，并且PG富液濃度越高，產氣量越大。

2.2 農業溫室增施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。

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

假設在一個標準單棟溫室(面積為300 m2，高2 m)中進行增施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為例，由表2可知整棟溫室內的番茄光合速率為19.78 L/min。采用質量分數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3 087.30 L的CO2。根據圖3b計算可知，在60～80℃再生PG富液每小時可產生701.55～891.97 L CO2。因此，該溫室需要2臺40 kg規模的基于膜空氣吹掃技術的再生設備(中途更換一次富液)，即可滿足溫室番茄生產的CO2增施需求。

具體增施方案如下：

(1)方案1：先將溫室內CO2濃度迅速增施至番茄生長所需的最大濃度，隨后根據番茄光合情況進行隨時補充。具體措施如下：已知番茄盛花期溫室每天需供應CO2為3 087.30 L。在該方案中，再生設備首先需為溫室供應CO2到番茄生長所需的最大濃度(900 mL/m3)。由圖3b可知，40 kg PG富液再生最快產氣量為15.77 L/(min·臺)，因此調節QL=250 mL/min和T=80℃即可滿足當前需求，此時運行時間為10 min(由式(3)計算可得)。隨后溫室的供氣根據番茄光合情況進行補充，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為9.89 L/(min·臺)，此時只需調節QL=150 mL/min和T=60℃即可滿足當前供氣要求。

(2)方案2：計算番茄在某一時段內所需的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CO23 087.3 L，此時再生設備的供氣速率需為10.29 L/(min·臺)。由圖3b可知，調節QL為150 mL/min、T=70℃即可滿足當前供氣要求。

2.3 系統經濟性能及環境敏感性分析

采用質量分數為15%的PG富液時，CO2再生能耗與再生溫度和液相流速的關系如圖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，采用本系統為標準單棟溫室供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。

以設施番茄栽培為例，本文提供的溫室增施CO2方法與現有溫室增施CO2方法的經濟性對比結果如表3所示。由表3可知，采用膜空氣吹掃技術再生PG富液為農業溫室增施CO2，運行成本約為4.2元/d，相比于傳統方式，成本最高可降低約58.00%，但相比于鋼瓶氣法和酸堿中和法，本系統的一次性設備投資較大。

表3 農業溫室不同增施CO2方法的經濟性分析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再生PG富液的溫室增施CO2方法替代傳統溫室增施CO2方法用于農業生產時的生態環境敏感性與成本的關系。生態環境敏感性是指生態環境對區域內自然和人類活動干擾的敏感程度，具體評價標準參照文獻[32]。如圖5所示，圖中填充部分是低生態環境敏感區域，顏色過渡表示技術的成本變化，其中越接近綠色區域，成本越低，越接近紅色區域，成本越高。相比于傳統方式，膜空氣吹掃技術的生態環境敏感性最低，對環境無害。這是由于采用膜空氣吹掃技術為農業溫室增施CO2時，CO2來源環保清潔，且該技術能夠實現CO2負排放或近零排放。而鋼瓶氣法雖然也擁有較低的生態環境敏感性，但技術成本高，且由于CO2來源并不完全環保，施用不當易產生溫室氣體排放；碳氫化合物燃燒法極易產生有害物質，危害環境，因而生態環境敏感性最高；酸堿中和法未完全反應時剩下的殘酸殘堿危害環境，導致生態環境敏感性較高。

2.4 農業溫室增施CO2與沼氣提純工程的匹配機制

以本文的設施番茄增施CO2為例進行規模匹配計算，按照每300 m3的空間安裝一臺基于膜空氣吹掃技術的CO2增施設備，每臺設備每天需要供應120 kg PG富液。對于600 m3的獨棟溫室，在運行期間，每天需供應240 kg PG富液。而對于標準連棟溫室(1 300 m3)，則每天需供應500 kg PG富液。

對于沼氣產量為1 000 m3/d的沼氣工程，假設沼氣中CO2體積分數為40%。提純這些沼氣每天會產生約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，在實際應用中，只需取出部分吸收劑用于溫室CO2氣肥增施環節，假設有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 結論

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

(2)針對標準農業溫室(600 m3)內的設施番茄栽培，可以采取兩種CO2氣肥增施方式，先將溫室內CO2濃度迅速增施至最大濃度，隨后根據番茄光合情況隨時補充；或者計算番茄在某一時段內所需的CO2總氣量，然后以一定速率均勻地將CO2增施到溫室中。與傳統技術相比，本文技術擁有低的環境敏感性和經濟成本，成本最高可降低58.00%。

(3)對于1 000 m3/d沼氣產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。