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8.3 蒸馏/海水淡化循环

2 years ago

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在分离的水生系统中,从 RAS 到水耕单元的单向流动。 在实践中,植物采用 RAS 提供的水,然后再装上淡水(即自来水或雨水)。 RAS 装置的必要流出等于通过设备(并通过蒸馏装置)离开 HP 系统的水与从矿化反应堆进入水培装置的水之间的差值(如果系统包括一个反应器)(图 8.4)。 一个简化的总结是,从 RAS 到 HP 的长期水通量要求等于植物生物量中蒸发蒸散和植物储水所产生的作物用水量。

图片-3

** 图 8.4** 解耦水生系统中水通量和不同营养物浓度的方案,其中 Q,流量为 L;__,营养浓度(毫克/升);RAS,再循环水产养殖系统;MIN,矿化反应器;DIS,蒸馏单位;X,未知/柔性流动参数

然而,就质量平衡而言,需要更换通过植物离开水培系统的营养物质,以确保持续的平衡。 这就造成了一个困境,因为 RAS 中的最大可容忍营养素浓度远低于 HP 所需的水平。 因此, 低 RAS 营养浓度无法实现惠普的高营养流动 (分/次 $\ 次 $ QSubras/Sub). 相反,如果没有蒸馏/海水淡化循环,RAS 中的营养浓度会增加,而水培系统中的营养浓度则会降低。 一种可能的补救办法是排出 RAS 水(从而也包括营养物质),以降低那里的营养浓度,并将肥料添加到水培养液中。 在环境和经济影响方面,这种解决方案不太令人满意,不符合闭环联合生产的目标。

如图 8.3 所示,蒸馏装置的实施代表了解决这一困境的潜在解决方案。 这种蒸馏技术(例如热膜蒸馏)具有从水中分离溶解盐和营养物质的潜力(Shahzad 等人,2017 年;Subramani 和雅卡杰罗,2015 年)。 在多循环水生养系统的背景下,作为额外施肥和水流失的替代品,这种技术不仅可以为该系统提供淡水,而且可以达到相应子系统所需的营养浓度(Goddek 和 Keesman)2018 年)。

对于这样一个蒸馏装置的实现(即大小),可以使用简单的质量平衡方程。 然而,其余系统必须事先确定大小(通过经验法则或通过质量平衡方程;见 [Sect.8.5](/社区/文章/8-5-5-5--监测和控制)),因为进入系统的营养物质应与作物所占用的生物利用营养物质保持平衡(** 注意:_**分离系统的最佳点在于它的灵活性。 因此,人们也可以超大系统的水培部分,尽管这将需要使用更多的肥料)。 估计营养摄取量的最简单方法是假设营养物质被吸收/吸收与灌溉水中溶解离子大致相同(即没有特定元素的化学、生物或物理抗性)。 因此,为了保持平衡,作物吸收的所有营养物质都需要重新添加到水培系统(Eq. 8.4)。

$\ phi_ {RAS} +\ phi_ {分钟}-\ phi_ {惠普} =0$ (8.4)

其中 Subras/Sub 是从 RAS 系统到水培系统的营养物流,Submin/Sub 是从矿化单元到水培系统的养分流,_Subhp/Sub 是养分植物的吸收。 对于这个方程式,假定蒸馏系统的效率接近 100%。 因此,Q_subdis/Sub 可以回到水培子系统。

因此:

$ (\ ho_ {HP}\ 次 Q_ {HP}) = (\ ho_ {RAS}\ 次 Q_ {RAS}) + (\ ho_ {最小}\ 乘 Q_ {分钟}) $ (8.5)

其中 Q 是以 L 为单位的流量,是以毫克/升为单位的营养浓度。

如上所述,从 RAS 到水培单元的流量是离开水培系统(即 QSubHP/Sub + QSubx/Sub)和生物反应器(QSubmin /Sub)的流入量之和之差,即 QSubHP/Sub = QSubx/Sub-QSubmin/Sub,这导致我们。方程:

$ (\ rho _ {HP}\ 次 Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ 次 Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ 次 Q_ {X})-(\ ho_ {RAS}\ 次 Q_ {分钟}) + (\ 霍 _ 最小}\ 次 Q_ {分钟}) $ (8.6)

目标变量是维持水培系统中营养浓度平衡所需的蒸馏流程 (QSubx/Sub)。 为此,通过以下步骤解决 QSubx/sub 的问题 8.6:

$ (\ ho_ {RAS}\ 次 Q_ {X}) = (\ ho_ {HP}\ 次 Q_ {最小})-(\ ho_ {RAS}\ 次 Q_ {HP}) + (\ ho_ {RAS}\ 次 Q_ {最小}) $ (8.7)

$Q_ {X} =\ FRAC {\ ho _ {HP}\ 次 Q_ {HP}}} {\ ho _ {RAS}}-\ fx {最小}\ 次 Q_ {\ ho}} {\ ho _ {RAS}}-Q_ {惠普} +Q_ {最小} $ (8.8)

请注意,蒸馏流 QSubX/Sub 是高度动态的,取决于植物的蒸散速率,这与气候相关。 然而,动态结果可用于精馏装置的尺寸。 要计算蒸馏装置所需的流入量,可以使用以下公式:

$Q_ {DIS} = Q_ {X}\ 次\ f2 {100} {\ ETA_ {DIS}} $ (8.9)

其中 Q 是以 L 为单位的流量,其中所用设备的脱矿效率(以% 为单位)。

因此,蒸馏技术可以大大减少多循环水生系统的水和环境(即肥料使用)足迹。 然而,在考虑其实施时,水生系统变得更加复杂。 尽管这种额外的循环对于小型系统来说可能没有任何意义,但它有可能将较大的商业系统提升到一个新的水平。 然而,人们必须考虑到,热蒸馏技术需要大量的热能,在任何地方都可能不合理。 全球太阳辐射水平高或地热能源较高的区域可能最适合采用这种技术。 因此,这种系统的经济可持续性也取决于地点。

另一点需要注意的是蒸馏装置中的蒸馏水和盐水的高温。 根据环境条件和所使用的鱼类种类,热蒸馏水可用于加热 RAS 水;但是,盐水需要冷却后再重新进入 HP 子系统。


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