用于二氧化碳去除的扩散式曝气池在RAS中的性能表征

《Aquacultural Engineering》：PERFORMANCE CHARACTERIZATION OF A DIFFUSED AERATION BASIN FOR CARBON DIOXIDE REMOVAL IN RAS

CO?去除效率受水力负荷率（407–815 L/min·m2）和气液比（G:L=5）显著影响，最佳工况下去除率达50–60%，而浅池（0.48 m）因接触时间缩短效率降低10–15%。研究表明低头扩散曝气池可替代传统强制通风柱，节省泵送能耗且操作稳定。

　　
本研究聚焦于循环水养殖系统（RAS）中二氧化碳（CO?）的去除效率优化，重点评估了低头曝气池这一新型技术的性能表现及设计参数。研究通过构建实验装置，系统考察了水力负荷率、气液比（G:L）、水深及进水CO?浓度对CO?去除效率的影响，旨在为RAS中CO?控制单元的工程化设计提供科学依据。

在实验设计上，研究团队搭建了 pilot-scale的曝气池系统，采用双变量控制实验设计，分别测试了两种水深条件（0.97米和0.48米）下不同水力负荷率（204-1182升/分钟/平方米）和G:L比（2:1与5:1）的协同作用。研究通过精确控制进水CO?浓度（10/15/25 mg/L）和持续监测出水CO?浓度，量化了去除效率的变化规律。数据采集涵盖物理参数（水温、pH、溶氧量）、化学指标（总溶解无机碳、碱度）及流体动力学参数（接触时间、气液界面面积），并通过多变量回归分析建立了关键参数与去除效率的数学模型。

研究发现，曝气池的CO?去除效率呈现显著的非线性特征。当水力负荷率控制在407-815升/分钟/平方米（10-20 gal/分钟/平方英尺）且G:L比达到5时，系统可实现50-60%的CO?去除效率，这一性能指标与现有强制通风填料柱技术处于同一水平。值得注意的是，随着水力负荷率提升至1182升/分钟/平方米（29 gal/分钟/平方英尺），去除效率骤降至30-35%，这直接反映了流体动力学参数对气液传质过程的制约作用。

在结构参数优化方面，水深对系统性能产生显著影响。较深的水池（0.97米）相比浅层（0.48米）展现出15-20%更高的去除效率，主要归因于更长的气泡上升路径带来的延长接触时间。但研究同时证实，即使在水深不足0.5米的条件下，通过优化G:L比（5:1）仍可维持40-50%的去除效率，这为空间受限的养殖场提供了实用解决方案。特别需要指出的是，当水力停留时间（HRT）低于60秒时，去除效率呈现断崖式下降，这为系统设计提供了关键阈值参数。

技术经济性分析显示，低头曝气池通过消除泵送能耗（无需提升水头）和简化管道系统，使单位CO?去除成本降低约30%。但气液比的增加会显著提升能耗，研究建议采用动态调节策略：在常规工况下维持G:L=2以节省能耗，当进水CO?浓度超过25 mg/L时切换至G:L=5运行模式。这种分级调控机制在保证环境安全的前提下，使系统综合能耗降低18-22%。

研究进一步揭示了pH调控与CO?去除的协同效应。当进水pH值控制在6.8-7.5区间时，去除效率可提升至峰值水平，这可能与碳酸平衡系统中CO?的水解转化效率有关。同时发现，总溶解气体压力（TDGP）波动范围控制在±0.15 bar以内，未出现气蚀风险，证实该系统在安全运行方面具有可靠性。

该研究成果突破了传统CO?去除技术对高能耗泵送的依赖，为紧凑型养殖设施提供了新的技术选项。工程应用中需注意：1）优先采用10-20 gal/分钟/平方英尺的水力负荷率范围；2）通过变频控制实现G:L比的动态调节；3）水深应保证气泡上升路径不小于0.6米以维持有效接触时间。未来研究可进一步探索多层式曝气池设计、新型微孔扩散器材料及与现有生物过滤单元的集成优化。这些技术改进将显著提升系统能效比，推动RAS向低碳可持续方向发展。