脱二氧化碳装置对循环水养殖系统pH的影响

巩建华， 曹 潇， 徐善良

(宁波大学海洋学院，应用海洋生物技术教育部重点实验室，浙江 宁波 315211)

脱二氧化碳装置对循环水养殖系统pH的影响

巩建华， 曹 潇， 徐善良

(宁波大学海洋学院，应用海洋生物技术教育部重点实验室，浙江 宁波 315211)

为了调节循环水系统中养殖水体的pH，根据气体交换原理，设计一种脱二氧化碳(CO2)装置。采用该装置去除养殖水体中的CO2，并对由于CO2含量累积造成的pH下降进行调节，使养殖鱼类处在一个适宜的pH环境中。试验时水温控制在(25±0.5)℃，每1 h取水样测1次pH，每4 h测1次碱度。水样取自养鱼桶内的水，检测前先对水样用40 μm孔径针头过滤器进行过滤处理，实验周期24 h。结果显示，循环水系统加装脱二氧化碳装置能有效去除CO2，使水体稳定在一个适宜的pH范围(7.39～7.42)；CO2质量浓度呈降低趋势，24 h后由开始的13.16 mg/L降低到7～8 mg/L，降低近50%，而不加装脱二氧化碳装置的循环水系统CO2质量浓度持续上升，24 h后增加到37 mg/L左右，pH持续降低，最终降低到6.72～6.81。研究表明，脱二氧化碳装置能够有效去除水体中的CO2，使水体pH维持在一个适宜鱼类生长的范围。

脱二氧化碳装置；CO2；pH；循环水养殖系统

鱼类最适宜生长的pH环境一般为7.0～8.5。鱼的种类不同，其最适宜生长环境的pH也不同；同种鱼类不同生长发育阶段，其最佳生长环境的pH也不同[1]。不适宜的pH会影响鱼类的生长发育、孵化率和消化酶活性等[2-5]。pH过低会严重损伤鱼的鳃部组织，使其分泌大量粘液、渗血、鳃上皮肿胀和脱落[6]。在换水量较少的循环水养殖中，一般在养殖中后期pH较低。pH降低主要是由于水体中二氧化碳(CO2)质量浓度的积累造成的。循环水养殖系统的水经过生物过滤器硝化菌群的硝化作用产生大量的CO2，其质量浓度通常会达到空气中饱和浓度的20～100倍[7]。CO2质量浓度高对于鱼类的生长是非常有害的，如会使二龄鲑呼吸频率、死亡率显著增大，会增加大西洋鳕幼鱼患白内障的机率[8-10]。

鱼类对CO2的耐受水平因鱼的种类、生长发育阶段而异[11]。如罗非鱼的CO2安全浓度最高为60 mg/L，而敏感鱼类的安全浓度为20 mg/L[12]。因此，在循环水系统中选择提供一种方便、安全、高效的CO2去除装置来调节水体pH显得至关重要。传统方法是通过向水体中添加石灰挂袋或加入碱液的方式调节pH，费时费力，且效果不明显，特别是在pH的突跃点出现以后，再加入碱液，作用微乎其微[13]。而且，杂质碳酸钙流经轴流泵会降低其使用寿命。通过借鉴学习相关活鱼运输的二氧化碳去除装置技术[14]，设计了一种脱CO2装置。通过去除水体中的CO2，对由于CO2浓度累积造成的pH下降进行调节，找出循环水养殖系统pH调节的有效方法，为规模化循环水养殖水质调控提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 脱CO2装置设计

脱CO2装置(简称脱气装置)如图1所示。筒体上方的气液分布器设有4个出气管和4个进水管，筒体中间的生物填料桶内填充聚丙烯球填料，筒体下方设有进气管和出水管。其工作原理是：养殖水由筒体上方的进水管进入筒体，经过生物填料桶内聚丙烯球填料的作用，使水体均匀下流，而空气源源不断从进气管进入，水流向下、气流向上经过聚丙烯球表面并接触。由于CO2在水中的溶解度符合亨利定律，即一定温度下，气体在水体中的溶解度与液面上该气体的分压成正比，所以液面上气体中CO2的分压很小，水体中的CO2就会从水体中逸出，随空气气流从出气管流出，从而达到去除水体中的CO2、提高pH的目的。空气中的CO2浓度较低，仅为0.03%，其分压约为大气压的0.03%[15-16]。为了保证液体分布器有足够的释放气体空间，液体分布器安置在距离生物填料上表面180～300 mm处。为了使液体顺利向下流，布液孔直径应大于5 mm；同时，为了顺利释放上升的气体、降低阻力，要求出气管总面积占截面的20%～45%，使用圆形出气管。

图1 脱二氧化碳装置结构示意图

1.2 实验装置

循环水养鱼系统如图2所示。

图2 循环水系统示意图

养鱼桶的水通过水泵进入生物过滤器，经处理后进入脱气装置，经脱气处理后，水自流入养鱼桶。养殖用水为天然海水，经自然沉淀及300目网袋过滤。水处理过滤器为创星牌鱼缸过滤器，功率32 W，尺寸260×260×400 mm。所用生物填料为聚丙烯鲍尔环填料。养鱼桶下部外径440 mm，上部外径585 mm，桶高600 mm，体积100 L。鼓风机功率30 W，流量0.45 m3/h。

1.3 实验材料

挑选体质健康、规格均匀的珍珠龙胆石斑鱼幼鱼用于实验，体质量(189.43±12.43)g，养殖密度30 kg/m3，随机挑选规格均等的鱼放入两个实验桶(A桶/组、B桶/组)。

1.4 实验设计

实验共分为3个阶段，通过加热棒把水温控制在(25±0.5)℃，A、B两桶加水量均为70 L，两桶为独立分开的系统，通过加实验海水来调节pH。第一阶段：A、B两桶都不加脱气装置，在测试前通过生物过滤器把A、B两组的养殖水混合均匀，调节pH至7.5，海水盐度22～25；之后，每1 h测1次pH，共24次，连续测量；每4 h测1次碱度，共6次，连续测量。第二阶段：A组加脱气装置而B组不加，调节pH至7.5，每1 h测1次pH，共24次，连续测量；每4 h测1次碱度，共6次，连续测量。观察分析两组pH和CO2质量浓度变化情况。第三阶段：B组添加脱气装置而A组不添加，调节pH至7.5，每1 h测1次pH，共24次，连续测量；每4 h测1次碱度，共6次，连续测量，观察分析两组pH、CO2质量浓度变化情况。

1.4 指标测定

用电子天平测量体质量(精度0.01g)；pH用梅特勒托利多S20KpH计测定(精度0.1)；碱度用奥克丹便携式水质分析仪检测。已知水体碱度和pH，可计算CO2质量浓度，误差在5%～10%[12,17]。

CCO2=MALK·10(6.3-NpH)

式中：CCO2—水中溶解的CO2质量浓度，mg/L；MALK是碱度CaCO3，mg/L；NpH表示pH。

1.5 数据处理与统计分析

实验所得数据均采用SPSS Statistics17.0 软件进行单因素方差(ONEANOVA)分析处理，以P<0.05作为差异显著水平。

2 结果与分析

2.1 不加装脱气装置pH和CO2变化情况

工厂化循环水养殖过程中，由于养殖密度大大提高，致使水体中CO2质量浓度随养殖时间延长而不断升高[7]。当传统低密度养殖模式向现代高密度养殖发展时，采用传统的曝气技术把大量的CO2排除已经行不通[18-19]。图3为A、B两个实验桶都不加装脱气装置pH和CO2质量浓度的变化情况。随着时间的推移，pH呈逐渐降低趋势，CO2质量浓度呈升高趋势，24 h后pH由7.5分别降低至6.72和6.58，CO2质量浓度分别升高到37.19 mg/L和36.03 mg/L，升高近2.8倍。由于养殖鱼类代谢和水体中有机物的氧化分解，产生的大量CO2会使水体pH降低。

图3 A、B两桶不加装脱气装置pH、CO2变化情况

2.2 加装脱气装置pH和CO2变化情况

(1)A桶加装、B桶不加装。图4为A、B两组pH和CO2质量浓度变化情况。A组前4 h的pH逐渐升高而后逐渐降低，16 h后趋于稳定，最后维持在7.39左右；CO2质量浓度呈降低趋势，24 h后由开始的13.11 mg/L降低到8.4 mg/L左右，这是由于前4 h CO2质量浓度处在一个较高值上，脱气装置对CO2去除效果比较明显，质量浓度急剧下降，pH缓慢上升。随着CO2质量浓度的不断降低，质量浓度处在一个较低值上，脱气装置对CO2去除效果不明显，随着时间的继续推移，最终脱气装置对CO2去除量和水体中生成的量达到了一个动态平衡，pH随之缓慢降低，最后趋于稳定。陈庆余等[19]认为养殖水体中加装CO2去除装置，CO2去除效果明显，pH显著升高，适当增加填料层厚度和气水体积比，都能够提高CO2去除效果。加装CO2去除装置，还能够提高养殖密度、增加单位产量，进而达到降低成本、提高综合经济效益的目标[20-22]。

图4 A桶加装、B桶不加装脱气装置pH和CO2变化情况

(2)A桶不加装、B桶加装。结果如图5所示。

A组：pH呈持续降低趋势，24 h后降低到6.81；CO2质量浓度呈升高趋势，24 h后由13.04 mg/L升高到37.19 mg/L。B组：pH前4 h逐渐升高而后逐渐降低，16 h后趋于稳定，最后pH维持在7.39；CO2质量浓度呈降低趋势，24 h后由开始的13.11 mg/L降低到8.41 mg/L。结果与(1)相同，这就排除了由于A、B两桶不同加装情况对结果造成的影响，更说明了在循环水养殖系统中加装脱气装置能够有效去除水体中CO2、调节pH，使pH维持在一个适宜鱼类生长的范围[23-24]。

图5 A桶不加装、B桶加装脱气装置pH和CO2变化情况

4 结论

本研究设计的脱气装置能够有效去除水体中CO2，使水体pH维持在一个适宜鱼类生长的范围(7.39～7.42)，24 h后二氧化碳浓度由开始的13.16 mg/L降低到7～8 mg/L，降幅近50%。由于影响脱气装置去除效果的因素有很多，如气水体积比、循环水流量、填料的摆放形式以及筒体高度等，需要综合考虑上述各种因素，通过增加脱气装置中水体与空气的接触面积和接触时间，使其达到一个均衡状态，以提高CO2去除效果。

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The effect of carbon dioxide removal device on pH level of recirculating aquaculture system

GONG Jianhua，CAO Xiao，XU Shanliang

(KeyLaboratoryofAppliedMarineBiotechnology,MinistryofEducation,SchoolofMarineSciences,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

In order to regulate the water pH level in recirculating aquaculture system (RAS),a CO2removal device was designed based on gas exchange principle and tested,in the wish to remove CO2from aquaculture water and adjust the pH drop caused by CO2accumulation,so that the cultured fish would live in a suitable pH environment.During the test,water temperature was controlled at (25 ± 0.5) ℃,pH was measured every hour,and alkalinity was measured every 4 hours;water samples were taken from barrels culturing fish and were filtered with 40 μm syringe filter before detection;the experimental cycle was 24 h.The results showed that the installation of the CO2removal device in RAS could effectively remove CO2in the water body and stabilize the water pH level within a suitable range between 7.39-7.42;the CO2concentration exhibited a decreasing trend,and after 24 h it reached 7-8 mg/L from the initial 13.16mg/L,decreased by nearly 50%;while in the recirculating water system without the CO2removal device,CO2content continued to increase and reached 37 mg/L after 24 h,meanwhile the pH level continued to decrease and finally to 6.72～6.81.The research shows that the CO2removal device can effectively remove CO2in the water of RAS and maintain the pH level at a suitable range for fish growth.

CO2removal device;CO2;pH;RAS

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.003

2016-10-25

2017-01-23

国家海洋局海洋经济创新区域示范项目(F01521145300)

巩建华(1988—)，男，硕士研究生，研究方向：鱼类繁殖生物学。E-mail:17855847980@163.com

徐善良(1962—)，男，教授，硕士生导师，研究方向：海洋生物。E-mail:xushanliang@nbu.edu.cn

S963.7

A

1007-9580(2017)01-010-05