工廠化循環水養殖系統CO2脫除工藝的研究進展

郭春陽,王偉平,張現紅,曹淑全,張延青,趙奎峰,劉寶良

(1 青島理工大學環境與市政工程學院,山東 青島 266520;2 中國水產科學研究院黃海水產研究所,青島市海水魚類種子工程與生物技術重點實驗室,山東 青島 266071;3 山東省濰坊生態環境監測中心,山東 濰坊 261000;4 日照禹海紅旗水產有限公司,山東 日照 276800)

工廠化循環水養殖是陸基工廠化水產養殖模式的一種[1],具有設備先進、管理高效等特點[2-3],同時也被視為現代海水養殖產業的發展方向[4]。在傳統養殖模式中,養殖密度比較低,通過曝氣或純氧添加以增加水中的氧氣,同時去除一定的CO2,避免水中CO2的過度積累。但在循環水養殖系統中,由于養殖密度較大,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產生的高濃度CO2,使得系統中的CO2不斷積累,使水體呈弱酸性,威脅養殖生物的安全[5]。隨著水產養殖行業的不斷發展, CO2積累的問題日益突出,已然成為循環水養殖系統中需要解決的關鍵問題之一[6]。

目前中國循環水養殖系統CO2脫除技術尚不成熟,國內循環水養殖系統一般不設置專用CO2脫除的環節。美國和歐洲在高密度集約化循環水養殖系統中普遍使用了CO2脫除的設備,并且取得了有效的脫除效果[7-8]。

本研究主要論述了循環水養殖系統中CO2來源與危害,比較分析了目前國內外研究中主流CO2脫除的方法,以期為循環水養殖系統水處理工藝的進一步優化提供參考。

1 循環水養殖系統中CO2的來源和危害

1.1 CO2的來源

循環水養殖系統運行過程中需要大量的純氧曝氣補充養殖水體中的溶氧,實現高密度養殖,高純氧條件下使養殖對象攝食量增加,進而促進魚類的呼吸代謝,導致系統內的CO2增加[9]。Summerfelt等[10]研究發現,在150 m3的大西洋鮭養殖池內,每投加1 kg飼料,平均產生的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%的碳以有機碳形式存在于殘飼、糞便中。此外,系統內CO2也來源于微生物,當養殖水體中有機物濃度較高時,異養菌將成為水體中微生物的主體菌群,這會進一步增大養殖系統CO2總量,有研究顯示,異養菌每消耗10 mg/L的氧氣,有13～14 mg/L的CO2產生。

水中CO2的濃度不僅取決于氣液平衡關系,還取決于一系列酸堿反應,氣液平衡影響CO2在空氣和水之間的轉移,酸堿反應決定了水中溶解無機碳的化學形式[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]建立了一個模型,描述了溶解CO2濃度與比生長率(SGR)變化之間的關系,研究認為臨界CO2水平接近15 mg/L,超過該值后,魚類增長性能很快就會受到影響。Esteban[14]的研究中顯示,當CO2的濃度超過安全水平時,魚類血紅蛋白與氧的結合能力減弱,持續暴露在高濃度的CO2中,可能產生腎癌,即在腎臟中形成鈣質沉積,嚴重時出現中毒死亡現象,同時,高濃度的CO2還會使得魚類運動能力減弱、神經系統受損、發育遲緩、免疫力降低甚至發生病害和死亡[15]。

此外,CO2是維持循環水系統生物濾池內硝化作用的重要基礎[14],但是高濃度CO2會對生物濾池造成危害。有研究發現,在大西洋鮭的循環水養殖系統中,17～22 mg/L的CO2會對生物濾池的處理起促進作用,但是隨著CO2濃度的上升,會對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)

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的濃度差使溶解態的CO2脫離水體進入空氣中,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機將空氣通入池底的曝氣管路或曝氣器向池內曝氣進行CO2的脫除。張文林[19]在曝氣脫除CO2的研究中發現,溶解態CO2的脫除主要發生在池底,且池內不同深度的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

槳輪式曝氣機是一種具有代表性的表面曝氣設備。Fediuk等[20]在其相關研究中分別使用水下曝氣設備和槳輪式曝氣機進行CO2脫除,對比結果表明,水下曝氣設備在CO2傳輸效率570 g/h的條件下,CO2脫除效率能達到0.9 kg/(kW·h),而槳輪式曝氣機在CO2傳輸效率1 200 g/h的條件下,CO2脫除效率可以達到1.2 kg/(kW·h);隨后通過計算得到,密集型鯛魚養殖中水下曝氣設備可支持每天投喂飼料21 kg,每生產1 kg鯛魚,設備脫氣需要耗費電量1.32 kW·h,而槳輪曝氣機可支持每天投喂飼料43.6 kg,每生產1 kg鯛魚,脫氣需要耗費電量1 kW·h。因此,相比于水下曝氣設備,槳輪式曝氣機在實際應用中可以獲得更高的脫除效率,然而槳輪式曝氣機的安裝位置有更高的設計要求,設備的不良布局容易導致池壁或池底被侵蝕,并顯著增加污泥堆中的沉積物數量,這可能會減少池塘的養殖使用壽命并增加維護成本。

在其他相關的研究中顯示,CO2脫除效率與曝氣設備的氣體流量、氣體種類和系統內CO2濃度有關。Saidou等[21]研究結果表明,在廢水初始pH不變的條件下,系統內CO2的脫除效率隨氣體流量的增大而明顯增加。同時Cohen等[22]研究發現,當使用不同氣體如空氣、氮氣、氧氣及脫除CO2后的空氣進行CO2脫除時,含有正常CO2的空氣對水體內CO2的脫除能力顯著低于其他氣體,這種現象是由于其他氣體在曝氣過程中使氣泡和水體內的CO2濃度差更大,這有利于CO2由水體迅速轉移到曝氣氣泡內,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CO2脫除的影響方式同樣決定了間歇曝氣方式優于連續曝氣,這是因為連續曝氣過程中,水體內持續保持了相對較低的CO2濃度水平,導致連續曝氣過程中CO2的脫除效率低下,因此間歇曝氣體現出了更加節能高效的特點。

2.1.2 脫氣塔

脫氣塔是基于氣體轉移法的一種常用設備,以鞏建華等[24]設計的CO2脫氣塔(圖2)為例,待處理水進入塔的上部通過氣液分布器淋下,經過填料層后,從下部流出,風機鼓風逆向吹脫,即由進氣管從下向上進行吹脫,通過填料層后,由頂部出氣管排出,經過以上過程進行氣液的交互完成脫碳。

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

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,同時脫氣塔配套使用離心風機,對比曝氣池所使用的羅茨風機和螺桿風機更為節能,促進了該工藝設備方法的推廣使用。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水養殖系統中的CO2的研究中發現,脫除CO2裝置的氣水比應設置在5～8之間。同樣,陳慶余等[6]的相關研究結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基本升高的趨勢,因此其建議最高的CO2去除率所對應的氣水比區間在6～9。雖然大部分條件下氣水比越高,CO2脫除率越高,但氣水比到達一定程度,CO2脫除率提高的趨勢不再明顯,繼續設置較大的氣水比可能會造成能源的浪費。張文林[19]將填料(多面空心球)與曝氣吹脫裝置結合并進行填料優化,證實如果填料厚度過大,氣體會被過于阻擋,影響脫除效果。有研究[6]通過對比得出選用空心球組和鮑爾環組得到的CO2脫除率高于階梯環組,適當增加填料的厚度或選用一些比表面積較大且形態結構優越的填料可以提高CO2脫除率。

2.1.3 級聯塔

級聯塔是一種循環養殖系統中常用的脫碳設備,在國內外被廣泛地研究和應用,與常規脫氣塔不同的是,其主要形式通常是一套級聯的塔式設備(如圖4為CO2脫除組合裝置)[27],運行原理是通過提升水泵將待處理養殖水提升到具有CO2脫除與沉淀功能的第一級塔式設備的頂部,完成向下均勻布水,與鼓風機由下向上的鼓風在塔內填料層內接觸,完成CO2的脫除,隨后進入第二級塔式設備,其中主要設備為低水頭增氧機(LHO),完成CO2脫除的養殖水在此補充溶氧最終返回到養殖系統中。

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

鹽度、氣水比和堿度被認為會影響級聯塔CO2脫除率。由于CO2輸送后碳酸鹽平衡常數和電離分數的影響,鹽度會顯著影響CO2的脫除效果。Damian[28]設計了一組新的級聯塔(圖5),試驗發現淡水的CO2的脫除效率最高,但是需要足夠的空氣流才能夠提升級聯塔的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]研究發現級聯柱的CO2脫除率取決于通過級聯柱中的氣水比。此外,有相關研究[30]利用大西洋鮭魚的循環水養殖系統作為試驗系統,設置了高堿度和低堿度兩種不同環境進行CO2去除比較,結果證實,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,但當堿度過低時,容易導致系統內魚類的健康問題。因此此條件下適宜的堿度為70 mg/L。

圖5 新設計的級聯塔Fig.5 Newly designed cascade columns

2.1.4 氣舉機

與曝氣池類似,氣舉機的CO2脫除方式也是將空氣帶入水中進行接觸傳質,但是其特征形式在于,氣舉機是一種浸入水內的管道,氣體由管底通入,轉移CO2的同時,通過負壓提升的作用也實現了水的轉移。但是研究表明,當進入的CO2質量濃度在10～40 mg/L,即使在相當大的流速下,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10∶1的氣體與液體(G∶L)比下操作,以便高效運行,此外,當氣水比增加,CO2的質量轉移更大,當進水流量為60～70 L/min時,氣舉機的效率最高,與此同時,研究了不同鹽度下對氣舉機的脫除效率的影響(圖6),發現鹽度對氣舉機中CO2的質量轉移沒有明顯的影響[31]。但是Ngam等[32]研究發現如果空氣流速較低的情況下,鹽水中CO2的質量轉移更大,而在空氣流速較高的情況下,不同鹽度的水中CO2質量轉移存在差異,并且淡水中CO2質量轉移更大。

圖6 氣舉機Fig.6 Air lifters

2.2 化學法脫除CO2

化學法的原理是通過添加堿性藥物,與水體中的CO2發生反應生成弱堿性物質,以減少CO2的含量同時達到控制pH的效果。胡詠梅[33]利用堿性試劑調整循環水養殖系統的pH,研究顯示,投喂1 kg飼料,需要添加大約0.25 kg的NaOH來調整pH。王振華等[34]通過具體試驗研究對比了Na2CO3、NaOH和NaHCO3三類堿性試劑脫除循環水系統中CO2的效果,結果顯示,向養殖水中添加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的變化則相對平緩,考慮NaOH可能對魚類生活環境造成的威脅,選擇弱堿性試劑進行pH調節相對更加合適。

2.3 生態法脫除CO2

生態法的原理是通過某些生物的吸收作用和濾食性作用[35-37]進而實現固碳,如藻類和濾食性貝類能有效去除水體中積累的CO2[38],是一種生態環保處理手段。而貝類—海藻綜合處理這一過程也被稱為多營養級水產養殖(IMTA)[39]。藻類通過光合作用吸收水體中的CO2轉化為自身的生物質,提供生物飼料的同時也能創造一定的經濟價值[40],簡化了水體中CO2的處理過程[41]。盡管藻類在夜間會通過呼吸作用產生一定量的CO2,但是養殖對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,得到了較好的效果,同時產生生物質的微藻也能作為生物飼料和生物燃料進行二次利用[44]。

雙殼濾食性貝類在吸收處理CO2方面發揮重大作用[45]。有研究[46]評估了貽貝和蛤蜊的匯碳能力,驗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。盡管雙殼貝類會通過呼吸等活動產生部分CO2,但并不會影響整體的固碳匯碳效益。此外,Nobre等[47]研究發現,貝類—海藻綜合養殖不僅能有效減少系統中的CO2,同時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濟效益的提高。

生物種類的選擇會影響生態法的運行效果,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行CO2脫除,發現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根據具體情況選擇不同的種類。

2.4 工廠化循環水養殖系統CO2脫除技術對比和問題分析

表1所示,氣體交換法主要通過曝氣池(機)、脫氣塔、級聯塔和氣舉機等設施設備實現,技術理論體系成熟,且脫除效果明顯,但存在效率低、維護成本高且設施占據空間過大等問題。

表1 工廠化循環水養殖系統CO2脫除技術對比分析Tab.1 Comparative analysis of CO2 removal technology in industrial recirculating aquaculture system

化學法主要通過向系統內投加堿性藥品(如NaHCO3)等進行CO2脫除,效率高且效果明顯,但應用場景局限且化學藥品成本過高,不宜大規模投入使用。

生態法是依靠特定生物進行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環保、適用性廣,尤其國內外近些年來對該類生物去除CO2機理、影響因素等有一定的研究進展,從最初的單一物種去除發展到多物種協同去除,提升了整體效率,同時一體化的配套裝置大大節約了設施空間。另外國內外的部分沿海區域借助地理優勢進行近海養殖,整體養殖效率和經濟價值都有可觀的提升[49-50]。

3 結論與建議

隨著水產養殖規模的增大和可持續發展要求的深化,工廠化循環水養殖的推廣成為水產養殖方式轉型升級的重要方向,CO2在控制循環水養殖系統pH等方面有重要作用,然而由于其高溶解性,容易導致過度積累進而引發一系列問題,因此CO2脫除研究的重要性將得到進一步體現。近年來,微藻、貝類的集約化養殖技術進一步發展,在未來工廠化循環水養殖園區的規劃和建設當中,應選用特定的設施裝備將貝藻固碳工藝進一步優化,并作為一種優先二氧化碳減排策略進行配套應用。同時應注重多種去除方法的共同使用,構建CO2整體去除技術體系,以進一步提升養殖水體水質,并通過先進技術工藝和裝置設備來指導工廠化循環水養殖中的CO2去除過程,比如智能化運行與管理,促進技術和設備的融合以及推進產業體系的升級,從而推動工廠化循環水養殖產業高質量發展。