工厂化循环水养殖系统CO2脱除工艺的研究进展

郭春阳,王伟平,张现红,曹淑全,张延青,赵奎峰,刘宝良

(1 青岛理工大学环境与市政工程学院,山东 青岛 266520;2 中国水产科学研究院黄海水产研究所,青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点实验室,山东 青岛 266071;3 山东省潍坊生态环境监测中心,山东 潍坊 261000;4 日照禹海红旗水产有限公司,山东 日照 276800)

工厂化循环水养殖是陆基工厂化水产养殖模式的一种[1],具有设备先进、管理高效等特点[2-3],同时也被视为现代海水养殖产业的发展方向[4]。在传统养殖模式中,养殖密度比较低,通过曝气或纯氧添加以增加水中的氧气,同时去除一定的CO2,避免水中CO2的过度积累。但在循环水养殖系统中,由于养殖密度较大,加之投饲量的增大,充氧装置提供的气体交换不足以去除系统产生的高浓度CO2,使得系统中的CO2不断积累,使水体呈弱酸性,威胁养殖生物的安全[5]。随着水产养殖行业的不断发展, CO2积累的问题日益突出,已然成为循环水养殖系统中需要解决的关键问题之一[6]。

目前中国循环水养殖系统CO2脱除技术尚不成熟,国内循环水养殖系统一般不设置专用CO2脱除的环节。美国和欧洲在高密度集约化循环水养殖系统中普遍使用了CO2脱除的设备,并且取得了有效的脱除效果[7-8]。

本研究主要论述了循环水养殖系统中CO2来源与危害,比较分析了目前国内外研究中主流CO2脱除的方法,以期为循环水养殖系统水处理工艺的进一步优化提供参考。

1 循环水养殖系统中CO2的来源和危害

1.1 CO2的来源

循环水养殖系统运行过程中需要大量的纯氧曝气补充养殖水体中的溶氧,实现高密度养殖,高纯氧条件下使养殖对象摄食量增加,进而促进鱼类的呼吸代谢,导致系统内的CO2增加[9]。Summerfelt等[10]研究发现,在150 m3的大西洋鲑养殖池内,每投加1 kg饲料,平均产生的CO2约为22.6 mg/L。在Gowen等[11]围绕鲑鱼开展的研究中,饲料中16%的碳用于鱼类生长,形成新的有机物,40%通过鱼类呼吸以CO2形式排放到水体,剩余44%的碳以有机碳形式存在于残饲、粪便中。此外,系统内CO2也来源于微生物,当养殖水体中有机物浓度较高时,异养菌将成为水体中微生物的主体菌群,这会进一步增大养殖系统CO2总量,有研究显示,异养菌每消耗10 mg/L的氧气,有13～14 mg/L的CO2产生。

水中CO2的浓度不仅取决于气液平衡关系,还取决于一系列酸碱反应,气液平衡影响CO2在空气和水之间的转移,酸碱反应决定了水中溶解无机碳的化学形式[12]。

1.2 CO2的危害

大量研究表明,高浓度的CO2显著影响鱼类的饲料摄入量,Fivelstad等[13]建立了一个模型,描述了溶解CO2浓度与比生长率(SGR)变化之间的关系,研究认为临界CO2水平接近15 mg/L,超过该值后,鱼类增长性能很快就会受到影响。Esteban[14]的研究中显示,当CO2的浓度超过安全水平时,鱼类血红蛋白与氧的结合能力减弱,持续暴露在高浓度的CO2中,可能产生肾癌,即在肾脏中形成钙质沉积,严重时出现中毒死亡现象,同时,高浓度的CO2还会使得鱼类运动能力减弱、神经系统受损、发育迟缓、免疫力降低甚至发生病害和死亡[15]。

此外,CO2是维持循环水系统生物滤池内硝化作用的重要基础[14],但是高浓度CO2会对生物滤池造成危害。有研究发现,在大西洋鲑的循环水养殖系统中,17～22 mg/L的CO2会对生物滤池的处理起促进作用,但是随着CO2浓度的上升,会对生物滤池的处理起明显抑制作用[16]。

2 CO2的脱除方法

2.1 气体交换法

2.1.1 曝气池(机)

曝气池工作原理是将空气通入待处理的水中,利用气泡与水中CO2的浓度差使溶解态的CO2脱离水体进入空气中,从而完成水中CO2的脱除[18],其中主要曝气形式有池底曝气和表面曝气。

池底曝气的形式主要是以鼓风机将空气通入池底的曝气管路或曝气器向池内曝气进行CO2的脱除。张文林[19]在曝气脱除CO2的研究中发现,溶解态CO2的脱除主要发生在池底,且池内不同深度的CO2脱除率存在显著差异,在高于池底5 cm处可以脱除约70%～80%溶解态的CO2,而高于池底1 m处的CO2脱除效率仅为40%～50%(图1)。这是由于气泡中CO2浓度随气泡在上升过程中不断吸收水内CO2而逐渐变大,浓度差的缩小使CO2的脱除效率随深度的变化而逐渐缩减。

图1 间歇曝气池Fig.1 Intermittent aeration tank

桨轮式曝气机是一种具有代表性的表面曝气设备。Fediuk等[20]在其相关研究中分别使用水下曝气设备和桨轮式曝气机进行CO2脱除,对比结果表明,水下曝气设备在CO2传输效率570 g/h的条件下,CO2脱除效率能达到0.9 kg/(kW·h),而桨轮式曝气机在CO2传输效率1 200 g/h的条件下,CO2脱除效率可以达到1.2 kg/(kW·h);随后通过计算得到,密集型鲷鱼养殖中水下曝气设备可支持每天投喂饲料21 kg,每生产1 kg鲷鱼,设备脱气需要耗费电量1.32 kW·h,而桨轮曝气机可支持每天投喂饲料43.6 kg,每生产1 kg鲷鱼,脱气需要耗费电量1 kW·h。因此,相比于水下曝气设备,桨轮式曝气机在实际应用中可以获得更高的脱除效率,然而桨轮式曝气机的安装位置有更高的设计要求,设备的不良布局容易导致池壁或池底被侵蚀,并显著增加污泥堆中的沉积物数量,这可能会减少池塘的养殖使用寿命并增加维护成本。

在其他相关的研究中显示,CO2脱除效率与曝气设备的气体流量、气体种类和系统内CO2浓度有关。Saidou等[21]研究结果表明,在废水初始pH不变的条件下,系统内CO2的脱除效率随气体流量的增大而明显增加。同时Cohen等[22]研究发现,当使用不同气体如空气、氮气、氧气及脱除CO2后的空气进行CO2脱除时,含有正常CO2的空气对水体内CO2的脱除能力显著低于其他气体,这种现象是由于其他气体在曝气过程中使气泡和水体内的CO2浓度差更大,这有利于CO2由水体迅速转移到曝气气泡内,随后脱离水体。另一方面,耿震等[23]的研究中也证明了CO2浓度差对CO2脱除的影响方式同样决定了间歇曝气方式优于连续曝气,这是因为连续曝气过程中,水体内持续保持了相对较低的CO2浓度水平,导致连续曝气过程中CO2的脱除效率低下,因此间歇曝气体现出了更加节能高效的特点。

2.1.2 脱气塔

脱气塔是基于气体转移法的一种常用设备,以巩建华等[24]设计的CO2脱气塔(图2)为例,待处理水进入塔的上部通过气液分布器淋下,经过填料层后,从下部流出,风机鼓风逆向吹脱,即由进气管从下向上进行吹脱,通过填料层后,由顶部出气管排出,经过以上过程进行气液的交互完成脱碳。

脱气塔虽在养殖水系统中有较多的应用,但是仅限于较小水量的应用场景,如傅润泽等[25]在实际的活鱼运输系统中设置了小型脱气塔装置,以解决高密度活鱼运输过程中高浓度的CO2导致鱼存活率和品质下降的问题,并且该CO2脱除装置应用在活鱼运输系统中可以在短时间内降低水中CO2浓度,提升pH,从而提高了运输过程中鱼的存活率和品质。Watten等[26]改造了脱气塔(图3),同时满足CO2的解吸,装置利用NaOH试剂喷淋填料实现CO2的脱离,二次循环吸收氧气。

脱气塔相比于曝气法有更大的气流量,从而CO2的脱除效率更高,同时脱气塔配套使用离心风机,对比曝气池所使用的罗茨风机和螺杆风机更为节能,促进了该工艺设备方法的推广使用。然而脱气塔的CO2脱除效率受气水比和填料特性的影响。Hu等[5]在其脱气塔去除循环水养殖系统中的CO2的研究中发现,脱除CO2装置的气水比应设置在5～8之间。同样,陈庆余等[6]的相关研究结果表明其他条件不变的情况下,CO2的脱除率随气水比的增大而呈现基本升高的趋势,因此其建议最高的CO2去除率所对应的气水比区间在6～9。虽然大部分条件下气水比越高,CO2脱除率越高,但气水比到达一定程度,CO2脱除率提高的趋势不再明显,继续设置较大的气水比可能会造成能源的浪费。张文林[19]将填料(多面空心球)与曝气吹脱装置结合并进行填料优化,证实如果填料厚度过大,气体会被过于阻挡,影响脱除效果。有研究[6]通过对比得出选用空心球组和鲍尔环组得到的CO2脱除率高于阶梯环组,适当增加填料的厚度或选用一些比表面积较大且形态结构优越的填料可以提高CO2脱除率。

2.1.3 级联塔

级联塔是一种循环养殖系统中常用的脱碳设备,在国内外被广泛地研究和应用,与常规脱气塔不同的是,其主要形式通常是一套级联的塔式设备(如图4为CO2脱除组合装置)[27],运行原理是通过提升水泵将待处理养殖水提升到具有CO2脱除与沉淀功能的第一级塔式设备的顶部,完成向下均匀布水,与鼓风机由下向上的鼓风在塔内填料层内接触,完成CO2的脱除,随后进入第二级塔式设备,其中主要设备为低水头增氧机(LHO),完成CO2脱除的养殖水在此补充溶氧最终返回到养殖系统中。

图4 CO2脱除组合装置Fig.4 The CO2 removal combined device

盐度、气水比和碱度被认为会影响级联塔CO2脱除率。由于CO2输送后碳酸盐平衡常数和电离分数的影响,盐度会显著影响CO2的脱除效果。Damian[28]设计了一组新的级联塔(图5),试验发现淡水的CO2的脱除效率最高,但是需要足够的空气流才能够提升级联塔的CO2脱除效率。因此该装置在淡水条件下的CO2去除效果更好。Summerfelt等[29]研究发现级联柱的CO2脱除率取决于通过级联柱中的气水比。此外,有相关研究[30]利用大西洋鲑鱼的循环水养殖系统作为试验系统,设置了高碱度和低碱度两种不同环境进行CO2去除比较,结果证实,在低碱度(10 mg/L)条件下,CO2去除的量要大于高碱度(70 mg/L和200 mg/L)条件,但当碱度过低时,容易导致系统内鱼类的健康问题。因此此条件下适宜的碱度为70 mg/L。

图5 新设计的级联塔Fig.5 Newly designed cascade columns

2.1.4 气举机

与曝气池类似,气举机的CO2脱除方式也是将空气带入水中进行接触传质,但是其特征形式在于,气举机是一种浸入水内的管道,气体由管底通入,转移CO2的同时,通过负压提升的作用也实现了水的转移。但是研究表明,当进入的CO2质量浓度在10～40 mg/L,即使在相当大的流速下,获得的最大去除效率也不超过40%,因此从水中有效去除CO2需要脱气器在高达10∶1的气体与液体(G∶L)比下操作,以便高效运行,此外,当气水比增加,CO2的质量转移更大,当进水流量为60～70 L/min时,气举机的效率最高,与此同时,研究了不同盐度下对气举机的脱除效率的影响(图6),发现盐度对气举机中CO2的质量转移没有明显的影响[31]。但是Ngam等[32]研究发现如果空气流速较低的情况下,盐水中CO2的质量转移更大,而在空气流速较高的情况下,不同盐度的水中CO2质量转移存在差异,并且淡水中CO2质量转移更大。

图6 气举机Fig.6 Air lifters

2.2 化学法脱除CO2

化学法的原理是通过添加碱性药物,与水体中的CO2发生反应生成弱碱性物质,以减少CO2的含量同时达到控制pH的效果。胡咏梅[33]利用碱性试剂调整循环水养殖系统的pH,研究显示,投喂1 kg饲料,需要添加大约0.25 kg的NaOH来调整pH。王振华等[34]通过具体试验研究对比了Na2CO3、NaOH和NaHCO3三类碱性试剂脱除循环水系统中CO2的效果,结果显示,向养殖水中添加NaOH容易造成pH的剧烈变化,而选择Na2CO3和NaHCO3这两种弱碱性试剂的情况下,水体pH的变化则相对平缓,考虑NaOH可能对鱼类生活环境造成的威胁,选择弱碱性试剂进行pH调节相对更加合适。

2.3 生态法脱除CO2

生态法的原理是通过某些生物的吸收作用和滤食性作用[35-37]进而实现固碳,如藻类和滤食性贝类能有效去除水体中积累的CO2[38],是一种生态环保处理手段。而贝类—海藻综合处理这一过程也被称为多营养级水产养殖(IMTA)[39]。藻类通过光合作用吸收水体中的CO2转化为自身的生物质,提供生物饲料的同时也能创造一定的经济价值[40],简化了水体中CO2的处理过程[41]。尽管藻类在夜间会通过呼吸作用产生一定量的CO2,但是养殖对象的生长并没有受到影响[42]。Faiz等[43]使用小球藻和镰刀藻等去除水体中的CO2等物质,得到了较好的效果,同时产生生物质的微藻也能作为生物饲料和生物燃料进行二次利用[44]。

双壳滤食性贝类在吸收处理CO2方面发挥重大作用[45]。有研究[46]评估了贻贝和蛤蜊的汇碳能力,验证了贝类的外壳主要由碳酸钙组成,在生物钙化(CO2参与)的过程中形成。尽管双壳贝类会通过呼吸等活动产生部分CO2,但并不会影响整体的固碳汇碳效益。此外,Nobre等[47]研究发现,贝类—海藻综合养殖不仅能有效减少系统中的CO2,同时由于在处理的过程中海藻吸收CO2,提高了水体的pH,也有利于贝类的生长和经济效益的提高。

生物种类的选择会影响生态法的运行效果,不同藻类和贝类的效果有明显不同。Juhani等[48]利用单针藻和雨生红球藻两种不同的品种进行CO2脱除,发现单针藻在生长速度和吸收速度方面要好于雨生红球藻。因此建议在具体使用时根据具体情况选择不同的种类。

2.4 工厂化循环水养殖系统CO2脱除技术对比和问题分析

表1所示,气体交换法主要通过曝气池(机)、脱气塔、级联塔和气举机等设施设备实现,技术理论体系成熟,且脱除效果明显,但存在效率低、维护成本高且设施占据空间过大等问题。

表1 工厂化循环水养殖系统CO2脱除技术对比分析Tab.1 Comparative analysis of CO2 removal technology in industrial recirculating aquaculture system

化学法主要通过向系统内投加碱性药品(如NaHCO3)等进行CO2脱除,效率高且效果明显,但应用场景局限且化学药品成本过高,不宜大规模投入使用。

生态法是依靠特定生物进行CO2脱除(如大型海藻和某些微生物),较其余两种脱除方法生态环保、适用性广,尤其国内外近些年来对该类生物去除CO2机理、影响因素等有一定的研究进展,从最初的单一物种去除发展到多物种协同去除,提升了整体效率,同时一体化的配套装置大大节约了设施空间。另外国内外的部分沿海区域借助地理优势进行近海养殖,整体养殖效率和经济价值都有可观的提升[49-50]。

3 结论与建议

随着水产养殖规模的增大和可持续发展要求的深化,工厂化循环水养殖的推广成为水产养殖方式转型升级的重要方向,CO2在控制循环水养殖系统pH等方面有重要作用,然而由于其高溶解性,容易导致过度积累进而引发一系列问题,因此CO2脱除研究的重要性将得到进一步体现。近年来,微藻、贝类的集约化养殖技术进一步发展,在未来工厂化循环水养殖园区的规划和建设当中,应选用特定的设施装备将贝藻固碳工艺进一步优化,并作为一种优先二氧化碳减排策略进行配套应用。同时应注重多种去除方法的共同使用,构建CO2整体去除技术体系,以进一步提升养殖水体水质,并通过先进技术工艺和装置设备来指导工厂化循环水养殖中的CO2去除过程,比如智能化运行与管理,促进技术和设备的融合以及推进产业体系的升级,从而推动工厂化循环水养殖产业高质量发展。