植物工廠內營養(yǎng)液消毒技術的研究進展

植物工廠內營養(yǎng)液消毒技術的研究進展

0化學農藥在作物生產中的應用植物工廠是指使用精確的環(huán)境控制和自動化技術在封閉或半封閉空間內生產植物的系統(tǒng)。植物工廠是一項集現代生物技術、現代種植技術、計算機信息技術和機械自動化技術于一體的技術高度密集的產業(yè)。由于其具有受自然條件影響小、作物生產計劃性強、生長速度快、周期短、自動化程度高和無污染等特點,已經成為近年來研究的重點。在植物工廠里,植物的栽培方式主要是營養(yǎng)液栽培。在營養(yǎng)液的使用過程中,會滋生很多細菌,發(fā)生根部病害,病原菌在營養(yǎng)液中迅速擴散,不僅影響作物的品質及產量,也造成了營養(yǎng)液的浪費。目前,荷蘭等國已普遍采用紫外線消毒方式對營養(yǎng)液進行消毒,且具有自動化設備,而我國的營養(yǎng)液消毒多采用化學農藥,將一些化學藥劑放入營養(yǎng)液中以抑制病害的發(fā)生。一種藥劑一般只對一種病原菌起作用,而且溶解于營養(yǎng)液中的藥劑很容易被植物吸收而殘留在體內,從而威脅人類的健康。針對上述情況,本文開發(fā)了營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備,不僅消滅了營養(yǎng)液中的大部分病原菌,提高了營養(yǎng)液的利用率,而且保障了營養(yǎng)液的安全,在植物工廠蔬菜的生產中發(fā)揮了重要的作用。1營養(yǎng)液供液系統(tǒng)和管路營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備分別置于植物工廠內閉鎖育苗室、人工光栽培車間、煉苗車間、葉菜車間和果菜車間使用。該設備主要由供液系統(tǒng)、紫外線消毒系統(tǒng)、營養(yǎng)液自動檢測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)4大部分組成。供液系統(tǒng)內的營養(yǎng)液通過紫外線消毒系統(tǒng)進行消毒后,供給植物工廠內各車間的作物生長使用,當營養(yǎng)液缺失或植物生產所需的EC值、pH值、溶解氧等值不夠時,營養(yǎng)液自動檢測系統(tǒng)便會及時檢測出來,從而使其得到及時補充,由控制系統(tǒng)控制營養(yǎng)液的灌溉、缺失加液。供液系統(tǒng)(如圖1所示)由營養(yǎng)液池、母液罐A、母液罐B、母液罐C、母液罐D、水處理裝置、水泵、供液管路、回流管路及過濾器組成,其作用是供給作物生長所需營養(yǎng)液。營養(yǎng)液池設在地面以下,以便讓栽培床中流出的營養(yǎng)液回流到營養(yǎng)液池中。母液罐A、B、C、D中的溶液在電磁閥的控制下流入營養(yǎng)液池中。母液罐A盛放鈣鹽母液,母液罐B盛放磷酸鹽母液,母液罐C盛放微肥,母液罐D盛放酸堿緩沖液。水處理裝置將自來水轉化成純凈水注入營養(yǎng)液中。水泵將營養(yǎng)液池的營養(yǎng)液經過濾器和紫外線消毒器輸送至栽培床以供作物生長需求。供液管路(如圖2所示)主要由供液管道、調節(jié)流量的閥門等部分組成,其作用是將地下營養(yǎng)液池內的營養(yǎng)液經由水泵后通向各個栽培床,采用UPVC管,防止營養(yǎng)液流過會腐蝕金屬管道。而回流管路主要由回流管道和栽培床中的回流裝置這兩部分組成,其作用是將栽培床內的營養(yǎng)液回流至營養(yǎng)液池中。2蔬菜安全高效生產設備營養(yǎng)液消毒設備(如圖3所示)是保障整個植物工廠內蔬菜安全高效生產的核心部件,主要由不銹鋼筒體、紫外燈、石英套管、滑動清洗部件、進口水龍頭及出口水龍頭等部件組成。2.1uv-c段紫外線uv殺菌營養(yǎng)液消毒裝備采用的是紫外線消毒技術。紫外線是電磁輻射,其殺菌原理是通過紫外線對微生物的照射,破壞病菌機體內核蛋白或脫氧核糖核酸DNA的結構,使之立即死亡或喪失繁殖能力。從太陽光分類來看(如圖4所示),紫外線按波長分為長、中、短、真空4個波段。其中,長波段紫外線(UV-A)的波長為320～380nm,中波段紫外線(UV-B)的波長為280～320nm,短波段紫外線(UV-C)的波長為200～280nm,真空波段紫外線(UV)的波長為100～200nm。具有消毒殺菌作用的是短波段紫外線,即UV-C段紫外線,且在254nm時紫外線殺菌效果最好,這是因為細胞對光波的吸收譜線有一個規(guī)律,即對250～270nm波長的紫外線有最大的吸收(如圖5所示)。被吸收的紫外線實際上作用于細胞遺傳物質脫氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA),它起到一種光化學作用,紫外光子的能量被DNA中的堿基對吸收,引起遺傳物質發(fā)生變異,使細菌當即死亡或不能繁殖后代,達到殺菌的目的。該設備采用多段式消毒處理,前段采用慢砂過濾法去除營養(yǎng)液中的組織老化殘留物和浮游物,提高營養(yǎng)液的透明度,其裝置的基本結構如圖6。裝置中的介質由多層不同粒徑的材料組成。右邊的細砂層是過濾層,砂層的厚度在80cm以上。左邊3層由細到粗的礫石層既可以防止右邊的細砂隨營養(yǎng)液由排液管流失,又有利于營養(yǎng)液的排出。砂層上表面與營養(yǎng)液接觸的地方會形成一層特殊的結構,被稱為濾皮。整個過濾器的高度為1～4m。中段是利用波長為200～290nm的UV-C段紫外線對營養(yǎng)液中的微生物體內蛋白或DNA結構進行破壞,從而達到殺滅營養(yǎng)液中微生物的作用。末段采用UV-OH技術進行終端處理,利用真空紫外線(Vacuum-UV)和短波紫外線(UV-C)兩類波長高能級UV的相互協同作用,產生高級氧化物羥基自由基OH,結合臭氧消毒技術,實現快速、高效和廣譜滅菌,凈化營養(yǎng)液中的有機、無機污染物。2.2營養(yǎng)液循環(huán)再利用試驗對象的確定營養(yǎng)液消毒設備在植物工廠5個車間內使用,由于果菜車間和葉菜車間是生產成品菜的車間,營養(yǎng)液內產生的雜菌相對較多,因此,選取果菜車間和葉菜車間作為營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備滅菌率測試的對象。(1)水樣的采集和保存營養(yǎng)液消毒設備開啟運行穩(wěn)定后,分別對其進口與出口液體進行取樣,取樣方法參照GB/5750.2《生活飲用水標準檢驗方法水樣的采集和保存》進行。營養(yǎng)液消毒設備開啟運行及出口消毒示意圖如圖7和圖8所示,取樣如圖9所示。(2)微生物指標的測定分別測定營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備進口與出口液體樣品中的菌落總數,測定方法參照GB/T5750.12《生活飲用水標準檢驗方法微生物指標》進行。(3)葉菜生產車間營養(yǎng)液消毒設備的殺菌效果測試結果以百分數形式保留3位有效數字報告該營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備的滅菌率。如表1所示,通過測試,葉菜生產車間營養(yǎng)液消毒設備的進口菌落總數為6700CFU/ml,出口菌落總數為200CFU/ml,其滅菌率為97.0%;果菜生產車間營養(yǎng)液消毒設備的進口菌落總數為12萬CFU/ml,出口菌落總數為330CFU/ml,其滅菌率為99.7%,消毒效果明顯。3自動檢測系統(tǒng)的控制原理自動檢測和控制裝置由高低液位傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器、EC(營養(yǎng)液的濃度)傳感器、溫度傳感器、加熱棒和計算機組成,不同的傳感器用隔板隔開以防止相互干擾?？刂坪锌刂扑械拈y門以及加熱棒,系統(tǒng)在檢測軟件和控制軟件的支持下通過各種傳感器檢測到各種信號,經過阻抗變換和放大得到相應的電壓信號,由數據采集卡送到計算機進行處理。根據控制算法產生控制信號并由I/O端口輸出,經驅動電路驅動執(zhí)行機構,完成營養(yǎng)液的加溫以及各種離子濃度的在線檢測和控制。自動檢測系統(tǒng)應用畫面如圖10所示。計算機軟件從可編程控制器中實時采集數據,發(fā)布控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運行,可實現以下功能:①顯示功能:測量值、設備運行狀態(tài)、畫面調用等功能;②參數設置功能:灌溉時間、灌溉量、營養(yǎng)液量、施肥時間以及施肥頻率等的設置;③數據存儲:在每次系統(tǒng)運行時,Access歷史數據庫自動按分鐘記錄數據,實現現場數據的存儲,并能刪除沒用的歷史數據;④歷史數據查詢:按照日期段查詢歷史數據,并實現報表打印功能,實時曲線將EC/pH值用曲線實時表示出來。4營養(yǎng)液調控系統(tǒng)的控制部分營養(yǎng)液的控制系統(tǒng)采用上下位機結構,上位機選用VB軟件作為監(jiān)控軟件,下位機采用可編程邏輯控制器。系統(tǒng)控制圖如圖11所示。該系統(tǒng)輸入有EC值、pH值、流量和壓力4個值。EC值與pH值是系統(tǒng)控制的主要參量,和流量、壓力一樣都通過可編程邏輯控制器的模擬輸入模塊采集進入下位機,這些參數在下位機進行處理,EC值、pH值的變化控制施肥閥的動作頻率,壓力如果超出管道承受范圍,則啟動調壓設備并報警?？刂撇糠州敵鲇须姶砰_關(營養(yǎng)液的進水開關)、調壓閥(調節(jié)管道壓力)、3路灌溉閥、3路施肥開關和營養(yǎng)液泵。營養(yǎng)液調控系統(tǒng)運行操作的核心是可編程控制器,其各個部件的運行是在可編程控制器的控制下進行的。上位機軟件主要是顯示并設置參數、存儲數據和觀察設備運行狀況等功能。4.1營養(yǎng)液控制器營養(yǎng)液的供給依靠控制系統(tǒng)來完成,控制系統(tǒng)主要控制營養(yǎng)液的罐液量、營養(yǎng)液的成分、EC值和pH值。罐液量可通過調節(jié)灌液時間來實現;EC值反映營養(yǎng)液的成分,故控制營養(yǎng)液EC值即可控制營養(yǎng)液濃度;不同的作物在不同的生長階段,對營養(yǎng)液的pH值有不同的要求,因此,還需向供給營養(yǎng)液的原液、酸性調節(jié)液與堿性調節(jié)液3個施肥罐中加入pH調節(jié)液,使pH值在適合作物生長的范圍內。營養(yǎng)液控制器根據設定的施肥頻率供給營養(yǎng)液,同時系統(tǒng)根據實時的EC/pH值與設定范圍比較,確定應增加或減少進入管道的營養(yǎng)液量,即調整施肥頻率(營養(yǎng)液進入灌溉管道的閥門開閉的頻率)。施肥頻率調整主要是調整施肥閥的動作頻率,即給施肥閥的方波信號的頻率,調整的是高電平信號的持續(xù)時間,低電平信號時間不變。施肥罐共有3個施肥閥,施肥閥1為堿性調節(jié)液施肥閥,施肥閥2為原液控制閥,施肥閥3為酸性調節(jié)液施肥閥。具體控制操作如圖12所示。EC值的控制:當準備給正在生長的作物施肥時,控制系統(tǒng)通過給施肥閥方波信號檢測營養(yǎng)液的濃度(EC值)是否在允許范圍內。如果檢測到的營養(yǎng)液濃度高于植物生長所需營養(yǎng)液濃度的上限,增加施肥閥2的施肥頻率(施肥閥2控制營養(yǎng)液原液進入灌溉系統(tǒng)),即減少施肥閥2的開啟時間;如果檢測到的營養(yǎng)液濃度低于植物生長所需營養(yǎng)液濃度的下限,減少施肥閥2的施肥頻率(施肥閥控制營養(yǎng)液原液進入灌溉系統(tǒng)),即增加施肥閥2的開啟時間。pH值的控制:施肥閥1、3分別控制營養(yǎng)液的堿性和酸性。當檢測到pH值高于設定的最大值時,按一定的開關頻率打開施肥閥3,加入酸性調節(jié)液;當pH值低于設定最小值時,按一定的開關頻率打開施肥閥1,加入堿性調節(jié)液;當pH值符合要求時,閥1、3閉合。4.2營養(yǎng)液成分檢測的設備特點(1)需要灌溉時,控制灌溉閥的打開和關閉,以便按照用戶要求的灌溉方式和灌溉量實現作物的灌水。(2)需要營養(yǎng)液供給時,營養(yǎng)液控制閥按照系統(tǒng)設定的灌溉頻率將營養(yǎng)液混入灌溉管道,同時系統(tǒng)實時檢測混合管道中營養(yǎng)液的EC、pH值,并與用戶設定的適合植物生長的EC、pH值比較,根據比較狀況調整灌溉頻率,以達到調整營養(yǎng)液的EC、pH值的目的,使之適合作物生長要求。(3)通過壓力計實時檢測管道壓力,如果壓力高于管道承受壓力,啟動調壓裝置,調節(jié)壓力,長期高壓報警。(4)檢測營養(yǎng)液管道的流量,并將EC、pH、流量、壓力值發(fā)給上位機顯示。(5)根據系統(tǒng)運行需要,控制灌溉總閥、供給總閥、營養(yǎng)液泵的打開和關閉。在植物工廠里,營養(yǎng)液成分的缺失及補充不僅可以通過自動檢測系統(tǒng)進行檢測,而且人工對營養(yǎng)液成分的各項參數也進行了測量,以便驗證營養(yǎng)液能否按照設定的參數在正常范圍內循環(huán)供液,及時調整裝備的可靠性。以果菜車間為例,自動檢測系統(tǒng)檢測的營養(yǎng)液成分的各項參數見表2,人工檢測的營養(yǎng)液成分的各項參數見表3。由表2和表3可以看出,人工檢測的營養(yǎng)液成分EC值與營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備自動檢測系統(tǒng)檢測的EC值最大相差53,在正常誤差范圍內;pH值最大相差0.08,在正常誤差范圍內。由此可見,營養(yǎng)液可以按照設定的參數進行正常循環(huán)供液,但由于果菜的最適宜pH值在5.8～6.0范圍內,而所設定的參數均高于6.0,故應該向營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備中加入磷酸,進行pH值的調整。4.3實現控制程序執(zhí)行的功能4.3.1灌溉時間安排定時灌溉:指定1個月的某段時間內的星期幾進行灌溉,在這幾天中,設定4段開始灌溉時間,設定每段時間灌溉量,可以選擇灌溉的閥門號。周期灌溉:指定1個月的某段時間內的星期幾進行灌溉,設定周期灌溉時間段、周期灌溉的灌溉量和間隔時間,可以選擇灌溉的閥門號。手動灌溉:需設定灌溉量,使用手動灌溉按鈕開始或結束灌溉。4.3.2增加密度調整計量施肥之前先要確定是否需要灌溉,如果需要則執(zhí)行灌溉程序。開始施肥的時候,肥液以設定的施肥頻率注入灌溉管道,同時實時地將采集的EC值與設定值相比較,判斷是否增加或減少營養(yǎng)液。增加或減少營養(yǎng)液是通過改變施肥頻