基于膜空气吹扫技术的农业温室增施CO2研究

梁飞虹 孙 豆 涂 特 纪 龙 贺清尧 晏水平

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

0 引言

温室内增施CO2能显著提高设施作物的光合作用，有利于增加作物的株高、叶面积及干重比[1]，并能增加作物坐果率[2]，提高产量和改善品质[3]。农业温室是一个相对密闭的空间，日出后几个小时里，由于光照适宜，植物的光合作用最大，温室内的CO2会很快被消耗，若不及时进行通风或增施CO2，温室内CO2浓度会低于植物的光补偿点，长此以往将降低植物的光合作用，进而影响产量[4]。因此，给温室增施一定浓度的CO2非常有必要。

目前，温室增施CO2的方法有使用CO2钢瓶气、有机堆肥法、有机物燃烧法、化学反应法等[5]。CO2钢瓶气安全、洁净且浓度可控，但在冬季使用，CO2气化容易造成温室内温度降低，同时钢瓶搬运不便且价格高昂[6-7]。有机堆肥法成本低廉，但对增施过程中的CO2浓度及CO2施放时间等不可控，应用局限性较大[8]。有机物燃烧法易产生有毒有害气体，存在安全隐患。化学反应法一般采用硫酸与碳酸氢铵反应制取CO2，但硫酸属危化品，推广困难。适宜的CO2气肥增施方式应满足设施农业标准化生产、大规模化生产和国家节能减排战略。

沼气含有约40%的CO2[9-10]，同时沼气燃烧后的产物仅有水和CO2。因此，沼气是一种可行的温室CO2气肥资源。但沼气工程一般与农业温室的距离较远，不宜就地采用沼气燃烧等方式增施CO2。同时，沼气在高值利用时往往需要去除沼气中的CO2[11-12]。理论上，可将沼气高值利用中分离的CO2作为农业温室气肥使用。

在众多沼气CO2分离技术中，CO2化学吸收法因操作便捷、技术成熟、沼气中CH4损失可忽略和产品气中CH4纯度高等优势而备受关注[13]。化学吸收法面临的瓶颈问题之一在于富CO2吸收剂溶液(富液)的再生能耗高，其可占总系统能耗的60%以上[14]，从而造成CO2分离成本高[15]。对于更易受成本影响的沼气CO2分离而言[16]，降低富液再生能耗成为关键。因此，如将富液作为CO2载体，将富液的CO2再生过程延伸到农业温室，与温室的CO2气肥增施系统结合，就可以将吸收剂富液的再生能耗转嫁到农业温室运营中，进而降低沼气提纯成本。采用上述方式还能为农户节省CO2成本，同时增施系统还能部分替代温室的增温设备以及内通风设备，可进一步降低温室运营成本。

由于富液在农业温室内再生，因而不能选择具有挥发性的有机CO2吸收剂，可选择具有零蒸气分压、良好生物降解性、抗氧化降解的氨基酸盐吸收剂[17]。此外，施肥CO2需根据蔬菜的生物特性选择适当的施肥时间，如番茄的最佳增施CO2时间为08:00—10:00之间[18]，果菜应在开花后施用，如施时不当，将使果菜徒长[19]。同时，施肥CO2一经开始，不宜中途停顿，多云或阴雨天可减半施放，以免引起光合作用能力下降和植物染病[20]。因此，还需进一步探究农业温室内增施CO2气肥方案。

基于此，本文以甘氨酸钾(Potassium glycinate，PG)富CO2溶液(富液)为CO2载体，探究以膜空气吹扫技术将富液CO2再生为农业温室增施CO2气肥的可行性，并以设施蔬菜番茄为模式作物，探索其增施CO2方案，同时分析本技术替代传统技术的经济效益与环境敏感性，以期为农业温室增施CO2气肥提供一种新的可行方案。

1 试验材料与方法

1.1 PG富液制备

PG由甘氨酸与KOH等物质的量反应而成，其中分析纯级KOH购置于上海凌峰化学试剂有限公司，甘氨酸购置于BioFroxx GmbH公司，纯度为99%。PG富液通过PG水溶液与纯CO2气体反应而成，在CO2吸收过程中，每隔5 min取样分析溶液CO2负荷，当达到指定负荷时，即可停止吸收，完成富液配制。其中CO2钢瓶气购置于武钢氧气气瓶检验厂东新分部，纯度大于99.9%。吸收剂的CO2负荷采用经典的酸碱滴定法进行测试[14]。

1.2 试验系统

利用膜空气吹扫技术进行PG富液再生的试验装置如图1所示。试验中，向富液罐内添加2 kg PG富液，富液经蠕动泵(BT100-2J型， 兰格恒流泵有限公司)控制流量后进入电加热器(CS601型，上海博迅实业有限公司医疗设备厂)进行加热，然后进入膜组件，并在管层内流动(膜及组件参数如表1所示)。与此同时，空气经气泵(ACO-006型，饶平县兴成机电水族用品有限公司)增压后经过气体流量计(LZB-6WB型，泰州俊海仪表有限公司)控制流量后进入膜壳程，与液相形成逆向流动。吹扫再生中产生的再生气体经干燥后进行CO2浓度检测(XLA-BX-CO2型，深圳市普利通电子科技有限公司)。气、液相温度采用温度测量仪(HT-9815型，HTI Technology & Industries公司)测试。

表1 PP中空纤维膜参数Tab.1 Specifics of PP hollow fiber

试验中，重点关注试验装置CO2实时产气量及试验时的CO2产气总量。其中，单位时间的CO2实时产气量可根据出口CO2实时浓度及气相流速计算获得，而CO2产气总量可通过对CO2实时浓度-时间曲线进行积分获得。

1.3 PG富液的再生性能

PG富液的再生程度ξ计算式为

(1)

式中α0——PG富液CO2初始负荷，mol/mol

αt——t时刻PG富液CO2负荷，mol/mol

再生过程中，PG富液CO2负荷由α0下降到αt时，单位CO2再生所需要的能量E(kJ/mol)为

(2)

式中P——系统总功率，kW

M——PG摩尔质量分数，g/mol

m——再生过程中PG溶液总质量，kg

w——PG溶液质量分数，%

Δt——系统运行时间，s

1.4 温室内增施CO2时的CO2需求量

温室增施时，植物生长所需CO2总量估算式为[21]

(3)

(4)

式中VCO2——温室所需的CO2气量，L

PL——冠层光合速率，mL/(株·min)

ρ——番茄种植密度，取6株/m2

ct——t时刻温室的CO2浓度，取900 mL/m3

c0——温室初始CO2浓度，08:00时，温室内的CO2浓度可降至约700 mL/m3，因此c0取700 mL/m3

VG——温室体积，m3

Pg——单叶片光合速率，L/(m2·min)

LA——叶面积，m2

（2）社会组织因缺乏独立性诱发主体性丧失风险。独立性是社会组织的基本特征。政府向社会组织购买公共服务过程中，政府部门在招投标过程依据经济效益原则，利用成本—收益分析方法计算项目损益，缺乏对社会组织的供给能力和专业水准的综合考评。社会组织在激烈的竞争中为组织存续承接企业服务项目，违背其公益性与非营利性，丧失组织目标的独立性。

Pn——仪器测定的光合速率，L/(m2·min)

ε——光转换因子，即吸收光的初始光能利用效率，取0.4

PAR——冠层吸收光合有效辐射，J/(m2·min)

式中常数2为标准温室的高度，m。

2 结果与讨论

2.1 以富液为载体的温室增施CO2可行性

2.1.1操作参数对PG富液膜空气吹扫再生性能的影响

为了实现膜空气吹扫技术进行PG富液再生的产能和效率最大化，需对该技术的运行参数进行筛选，如图2所示。

当PG质量分数w=15%、液相流速QL=150 mL/min、再生温度T=100℃、再生时间t=20 min时，气相流速Qg对PG富液的再生性能影响如图2a所示。由图2a可知，再生过程中的CO2再生总量随Qg的增大而呈现先增后减的趋势，并在Qg=6 L/min时达到最大值(4.37 L)。随着气相流速的增加，气相传质阻力降低，总传质系数增加，因而CO2再生量增加[22]。但在膜吹扫再生中，CO2总传质系数主要由液相分传质系数决定[22]，因而气相流速变化对CO2再生性能的影响并不显著[23]。气相流速过低时，膜更容易被浸润[24]，而过高的气相流速又使系统能耗增加。因此，将气相流速固定为6 L/min。

当Qg=6 L/min时，PG富液初始CO2负荷对再生性能的影响如图2b所示。富液初始CO2负荷越高，富液的平衡CO2分压越大，再生推动力越大，再生程度因而越高[25]。因此，选择α0=0.75 mol/mol。

不同吸收剂浓度下，随着再生时间的延长，富液的再生程度增加，如图2c所示。由图2c还可知，不论何种PG浓度，在60 min时间内，吸收剂的再生性能基本趋于稳定，进一步增加再生时间对再生程度的影响并不显著，但会大幅提升系统能耗[26]。因此，选择的再生时间为60 min。

不同吸收剂浓度下，再生温度对PG富液再生性能的影响如图2d所示。再生温度越高，富液CO2分压越大，再生过程中CO2传质推动力越大，再生效果越好。但对于膜空气吹扫技术而言，再生温度过高，会影响膜的使用寿命，且会增加液相加热耗能。

在实际运行中，除了需关注PG富液的再生性能外，还需关注作为气肥的CO2产气量变化。由图2可知，在实际运行中，可固定PG富液的CO2初始负荷(0.75 mol/mol)、气相流速(6 L/min)和再生时间(60 min)，通过调控富液流量和再生温度来灵活调节CO2产量，从而适应植物在不同生长阶段、不同时段的CO2需求差异。

2.1.2PG富液膜空气吹扫再生时CO2产量的调控方案

在Qg=6 L/min、α0=0.75 mol/mol、t=60 min时，膜空气吹扫技术的CO2产气量调控方案如图3所示。

由图3可知，无论何种PG浓度，膜空气吹扫再生的CO2产气量均随富液温度的升高不断上升，但随着液相流速的增大，产气量先上升后下降，并在150～200 mL/min之间产气量最大。因此，为了实现合理产气量，在液相流速一定时，可通过提高或降低温度来获得较大或较小产气量，而在温度确定时，可通过调节液相流速获取合适产气量。当w=10%时，VCO2Max=28.62 L，此时QL=250 mL/min，T=80℃；VCO2Min=5.49 L，此时，QL=100 mL/min，T=60℃。当w=15%时，VCO2Max=47.31 L，此时QL=250 mL/min，T=80℃；VCO2Min=14.70 L，此时QL=100 mL/min，T=60℃。当w=20%时，VCO2Max=51.00 L，此时QL=250 mL/min，T=80℃；VCO2Min=17.16 L，此时QL=150 mL/min，T=60℃。其他产气速率可通过组合调节液相流速和再生温度获得。

因此，通过膜空气吹扫技术将富液CO2再生时，在气相流速Qg=6 L/min、初始CO2负荷α0=0.75 mol/mol、每批次富液再生时间t=60 min时，仅通过调节液相流速和再生温度即可控制系统的CO2产气量，并且PG富液浓度越高，产气量越大。

2.2 农业温室增施CO2方案

表2为番茄在不同生长时期的单株叶面积及其在08:00—11:00之间的最大光合速率等参数。

表2 番茄在不同生长时期的光合速率及单株叶面积Tab.2 Photosynthetic rate and leaf area of tomato at different growth periods

假设在一个标准单栋温室(面积为300 m2，高2 m)中进行增施CO2模拟，将PG富液量放大为40 kg，增施时间为08:00—10:30。以盛花期的温室番茄生产为例，由表2可知整栋温室内的番茄光合速率为19.78 L/min。采用质量分数15%的PG富液用于CO2再生，由式(3)可知，在每天150 min(08:00—10:30)的增施过程中，该温室需额外供应3 087.30 L的CO2。根据图3b计算可知，在60～80℃再生PG富液每小时可产生701.55～891.97 L CO2。因此，该温室需要2台40 kg规模的基于膜空气吹扫技术的再生设备(中途更换一次富液)，即可满足温室番茄生产的CO2增施需求。

具体增施方案如下：

(1)方案1：先将温室内CO2浓度迅速增施至番茄生长所需的最大浓度，随后根据番茄光合情况进行随时补充。具体措施如下：已知番茄盛花期温室每天需供应CO2为3 087.30 L。在该方案中，再生设备首先需为温室供应CO2到番茄生长所需的最大浓度(900 mL/m3)。由图3b可知，40 kg PG富液再生最快产气量为15.77 L/(min·台)，因此调节QL=250 mL/min和T=80℃即可满足当前需求，此时运行时间为10 min(由式(3)计算可得)。随后温室的供气根据番茄光合情况进行补充，番茄的光合速率为19.78 L/min(表2)，因此满足番茄生长的合理供气量应为9.89 L/(min·台)，此时只需调节QL=150 mL/min和T=60℃即可满足当前供气要求。

(2)方案2：计算番茄在某一时段内所需的CO2总气量，然后以一定速率均匀地将CO2增施到温室中。具体措施如下：已知番茄盛花期温室每天需供应CO23 087.3 L，此时再生设备的供气速率需为10.29 L/(min·台)。由图3b可知，调节QL为150 mL/min、T=70℃即可满足当前供气要求。

2.3 系统经济性能及环境敏感性分析

采用质量分数为15%的PG富液时，CO2再生能耗与再生温度和液相流速的关系如图4所示。由图可知，在PG富液的主再生阶段， CO2再生能耗随着温度的升高而降低，但随着液相流速的增大而增大。由图4可知,EMax=409.24 kJ/mol，EMin=163.49 kJ/mol。因此，采用本系统为标准单栋温室供CO23 087.30 L时，采用方案1所需的总能耗为8.28 kW·h，采用方案2的总能耗为8.62 kW·h。

以设施番茄栽培为例，本文提供的温室增施CO2方法与现有温室增施CO2方法的经济性对比结果如表3所示。由表3可知，采用膜空气吹扫技术再生PG富液为农业温室增施CO2，运行成本约为4.2元/d，相比于传统方式，成本最高可降低约58.00%，但相比于钢瓶气法和酸碱中和法，本系统的一次性设备投资较大。

表3 农业温室不同增施CO2方法的经济性分析Tab.3 Economic analysis of CO2 content increment in agricultural greenhouse by using different CO2 methods

图5为基于膜空气吹扫技术再生PG富液的温室增施CO2方法替代传统温室增施CO2方法用于农业生产时的生态环境敏感性与成本的关系。生态环境敏感性是指生态环境对区域内自然和人类活动干扰的敏感程度，具体评价标准参照文献[32]。如图5所示，图中填充部分是低生态环境敏感区域，颜色过渡表示技术的成本变化，其中越接近绿色区域，成本越低，越接近红色区域，成本越高。相比于传统方式，膜空气吹扫技术的生态环境敏感性最低，对环境无害。这是由于采用膜空气吹扫技术为农业温室增施CO2时，CO2来源环保清洁，且该技术能够实现CO2负排放或近零排放。而钢瓶气法虽然也拥有较低的生态环境敏感性，但技术成本高，且由于CO2来源并不完全环保，施用不当易产生温室气体排放；碳氢化合物燃烧法极易产生有害物质，危害环境，因而生态环境敏感性最高；酸碱中和法未完全反应时剩下的残酸残碱危害环境，导致生态环境敏感性较高。

2.4 农业温室增施CO2与沼气提纯工程的匹配机制

以本文的设施番茄增施CO2为例进行规模匹配计算，按照每300 m3的空间安装一台基于膜空气吹扫技术的CO2增施设备，每台设备每天需要供应120 kg PG富液。对于600 m3的独栋温室，在运行期间，每天需供应240 kg PG富液。而对于标准连栋温室(1 300 m3)，则每天需供应500 kg PG富液。

对于沼气产量为1 000 m3/d的沼气工程，假设沼气中CO2体积分数为40%。提纯这些沼气每天会产生约2 465 kg的PG富液，由于吸收剂在不同层面的利用价值及能耗不同，在实际应用中，只需取出部分吸收剂用于温室CO2气肥增施环节，假设有60%左右的吸收剂被取出，即大约有1 500 kg PG富液需要消纳。按照温室的消耗能力，需要7个温室即可满足需求。如果采用连栋温室，需要3个连栋温室即可满足需求。

3 结论

(1)采用膜空气吹扫技术再生PG富液为温室增施CO2气肥的方案可行。在可控参数的最佳条件下(气相流速Qg=6 L/min，CO2初始负荷α0=0.75 mol/mol和富液再生时间t=60 min)，仅通过调节液相流速和再生温度即可控制富液膜空气吹扫再生的CO2产气量。同时，随着PG富液的温度和质量浓度升高，再生产气效果越大。

(2)针对标准农业温室(600 m3)内的设施番茄栽培，可以采取两种CO2气肥增施方式，先将温室内CO2浓度迅速增施至最大浓度，随后根据番茄光合情况随时补充；或者计算番茄在某一时段内所需的CO2总气量，然后以一定速率均匀地将CO2增施到温室中。与传统技术相比，本文技术拥有低的环境敏感性和经济成本，成本最高可降低58.00%。

(3)对于1 000 m3/d沼气产量的生物天然气工程，如果以吸收剂富液为CO2脱除载体，需要7个温室或3个连栋温室即可完全消纳沼气提纯中所需脱除的CO2。