在基于生物絮团的碳减排技术的智能养虾业中，集成式三相温室气体监测系统的开发与现场应用

《Aquacultural Engineering》：Development and Field Application of an Integrated Three-Phase Greenhouse Gas Monitoring System in Smart Shrimp Aquaculture with Biofloc-Based Carbon Mitigation

生物絮团养殖中三相温室气体排放监测系统开发及验证，固液气排放比例分析，碳核算，减排策略，实时监测

　　

陈元国|陈宗月|陈品涵

国立成功大学，大学路，台南市701，台湾

摘要

本研究介绍了一种专为商业性生物絮凝养殖系统设计的集成式三相温室气体（GHG）监测系统的发展和现场验证。该平台能够实时、原位地量化固态、液态和气态相中的二氧化碳（CO?）排放量。系统组件包括旋转污泥过滤装置、膜封闭气体收集室以及由PLC控制的液态CO?传感器。在120天的养殖周期内，总直接温室气体排放量为101.27公斤二氧化碳当量（kg CO?e），其中固态相排放占92.4公斤二氧化碳当量（91.2%），液态相排放占7.62公斤二氧化碳当量（7.5%），气态相排放占1.25公斤二氧化碳当量（1.2%）。最大的间接排放来源是乳酸菌的产生（1.467吨二氧化碳当量），其次是养殖过程中的电力消耗（0.879吨二氧化碳当量）和饲料投入（0.297吨二氧化碳当量）。该系统的运行时间超过98%，测量结果与基于饲料的估算值及现有文献一致。研究表明，污泥相关的碳在养殖业排放中起主导作用，并展示了可扩展的三相监测系统在制定减排策略和支持低碳养殖实践方面的潜力。

引言

养殖业已成为全球食物系统的重要组成部分，但其扩张引发了人们对资源密集性和环境外部性的担忧。主要运营负担包括高电力和水资源消耗、对配方饲料的依赖以及有机废物的积累。这些因素显著增加了温室气体（GHG）的排放，二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）通过挥发、养分循环和微生物降解释放。底栖环境的退化进一步加剧了排放率和生态系统影响。

在主要排放源中，电力使用和饲料生产一直被认为是养殖业碳足迹的主要贡献者。例如，对台湾地区Litopenaeus vannamei养殖的生命周期评估显示，每公斤虾的碳足迹为6.94公斤二氧化碳当量，其中电力排放（2.00公斤二氧化碳当量，占29.49%）和饲料排放（1.64公斤二氧化碳当量，占23.98%）占总影响的半以上（Chang等人，2017年）。在不同物种和地区也观察到了类似的趋势，某些淡水系统中的饲料相关排放占比高达47%（Flickinger等人，2020年）。

近年来，生物絮凝养殖作为一种集约化生产方式被越来越多地采用，旨在提高养分利用率并减少水资源交换（Avnimelech，1999年；Avnimelech，2007年；Crab等人，2012年）。在这种系统中，通过控制碳氮比和持续充氧来维持悬浮的微生物聚集体（称为生物絮凝），使异养微生物吸收溶解养分，同时有助于水质稳定和有机物循环。尽管具有这些运营优势，但在实际养殖条件下，生物絮凝系统对整个循环碳排放的影响仍不够明确（Chang等人，2017年；Flickinger等人，2020年）。

目前的养殖业温室气体核算方法受到静态排放因子的限制，这些因子忽略了地点特异性和时间动态性，而且监测策略通常仅限于单一排放相，主要是在实验室或半控制条件下对气体通量进行监测（Chang等人，2017年；Flickinger等人，2020年）。这种碎片化的方法限制了全周期碳审计的准确性，并削弱了基于数据的减排策略的基础。

尽管先前的研究报道了用于气体通量测量的膜基装置、红外（IR）气体传感器和用于污泥收集的机械过滤装置等单个组件，但这些技术通常单独使用，并且是在高度控制或短期实验条件下应用的（Pfeiffer等人，2011年）。现有的基于腔室的方法往往仅限于间歇性测量，缺乏与运营控制系统的集成，也很少与液态和固态相的监测相结合（Moran等人，2010年；Pfeiffer等人，2011年）。同样，污泥收集装置通常用于废物清除而非定量碳核算，而液态CO?监测在连续的现场规模养殖环境中很少实施（Chang等人，2017年）。因此，现有方法无法提供一个统一的、同步的框架来捕捉实际养殖条件下的相分离排放动态。

因此，一个全面的核算框架必须考虑碳排放的三个物理相：气态（挥发性温室气体）、液态（溶解有机碳，DOC）和固态（颗粒有机碳，POC）。每个相都源自不同的生物和运营过程，需要独立的测量协议。尽管有这种认识上的需求，但目前还没有任何平台能够在现场条件下同时实现所有排放相的实时原位监测。

基于这些限制，本研究提出了以下研究问题：

(1)

模块化监测系统是否能够在养殖条件下同时量化气态、液态和固态碳排放？

(2)

与相隔离的测量方法相比，集成式原位监测是否能够提高碳核算的相分离能力？

(3)

这样的系统是否适合在商业养虾环境中实际应用？

为解决这一空白，本研究开发并验证了一种专为养殖系统设计的集成式温室气体监测平台。该平台包括用于气体捕获、液态化学传感和固态过滤的模块化组件，能够持续收集电力使用、饲料消耗和有机废物途径的相关数据。现场部署在台湾屏东的一个示范养虾场进行，对其操作性、测量准确性和稳定性以及可扩展性进行了系统评估。

本研究为养殖业碳监测提供了一个统一的框架，为集约化养虾系统的实时碳管理和基于性能的减排策略奠定了基础。

部分内容摘要

系统概述与设计

针对室内封闭条件下的养虾系统，开发了一种集成式三相温室气体监测框架（图1）。该系统结合了自动水质和空气质量控制功能，以及与传感器反馈机制相连的固体废物处理模块。

固态排放通过旋转过滤装置进行管理，该装置用于分离和浓缩悬浮固体，包括粪便和未食用的饲料（图2）。系统由电机驱动

集成式温室气体监测系统的现场验证

该三相温室气体监测系统在台湾屏东的一个养虾示范场进行了应用。部署的基础设施被空间划分为用于收集和量化固态、液态和气态排放的功能模块。在整个生产周期（约120天）内，系统在实地条件下保持连续运行和数据采集（图8）。

性能指标和运营功能

系统性能基于集成稳定性、传感器

系统集成与工程性能

本研究开发的三相温室气体监测系统证明了其在商业养虾环境中同时量化固态、液态和气态介质中二氧化碳排放的可行性。该系统的模块化配置，包括气体收集罩、水下部分压力（pCO?）传感器和污泥过滤装置，使其能够在多变的环境和水动力条件下稳定运行。

结论

一种集成式三相温室气体监测系统已在商业性生物絮凝养虾环境中成功实施并得到验证。该平台能够在动态生产条件下同时实现固态、液态和气态碳排放的原位量化，证明了超越传统单相或基于排放因子方法的可行性。主要发现包括：（1）污泥产生的有机碳占现场排放量的大部分

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者仅使用了AI辅助工具进行语法检查。

作者审阅并编辑了所有内容，并对最终版本的手稿负全责。

CRediT作者贡献声明

陈元国：撰写——初稿、方法论、调查、数据整理、概念构建。陈宗月：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。陈品涵：撰写——审阅与编辑、数据整理。

利益冲突

本研究由台湾国家科学技术委员会（NSTC）资助，项目编号为NSTC 113-2321-B-006-021、NSTC 114-2321-B-006-009。作者声明与本出版物内容无关的任何利益冲突。

致谢

作者感谢国家科学技术委员会（NSTC）（MOST 107-2321-B-006-018、MOST 108-2321-B-006-009、MOST 109-2321-B-006-018、MOST 110-2321-B-006-008、NSTC 113-2321-B-006-021、NSTC 114-2321-B-006-009）提供的财政支持。该系统与Hung Hui Technology Co., Ltd.合作进行了现场测试。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本研究的工作