營養(yǎng)液循環(huán)灌溉紫外線消毒機(jī)設(shè)計(jì)研究

王偉琳，何 芬，丁小明，魏曉明，齊 飛

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125)

0 引言

在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，土壤一般連續(xù)耕種3年后，病毒和次生鹽漬化便會導(dǎo)致耕種土壤環(huán)境急劇破壞，生態(tài)系統(tǒng)紊亂[1]，藥、肥劑量過施危害嚴(yán)重。傳統(tǒng)栽培的周期性催生了無土栽培的興起，無土栽培能有效應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)惡化和蔬菜品質(zhì)降低。

隨著人口增加，耕地面積減少，人力成本增長，無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上，我國農(nóng)業(yè)種植模式都在逐漸向無土栽培模式轉(zhuǎn)變，溫室植物的栽培方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋I養(yǎng)液栽培[2]。由于種植業(yè)工況環(huán)境復(fù)雜，考慮到種植業(yè)成本的構(gòu)成，營養(yǎng)液多采用循環(huán)使用，這就導(dǎo)致了細(xì)菌的大量出現(xiàn)，容易對植物造成病害，大大影響了種植效果和作物品質(zhì)，同時也浪費(fèi)了營養(yǎng)液的有效成分。

當(dāng)前世界上農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，在灌溉消毒領(lǐng)域已開發(fā)了新的方案，即紫外線消毒技術(shù)，且已經(jīng)催生了成熟的消毒設(shè)備。而在我國，無土栽培的發(fā)展還沒有達(dá)到先進(jìn)農(nóng)業(yè)國家水平，還在沿用著農(nóng)藥消毒?；瘜W(xué)藥劑殺毒存在的主要問題：①單一藥劑只對某一病原菌起到殺滅作用；②溶解于營養(yǎng)液中的藥劑很容易被植物吸收而殘留在植物體內(nèi)。藥劑消毒既不安全，效率也不夠高，相較而言紫外線消毒更加合理。

在溫室無土栽培工藝體系中，為了保證作物成長健康、成分安全，最關(guān)鍵的問題就是保證營養(yǎng)液的有效性[3]。由于種植業(yè)本身對成本十分敏感，那么如何經(jīng)濟(jì)、合理、綠色地使用營養(yǎng)液，在確保作物質(zhì)量的基礎(chǔ)上保證企業(yè)的競爭力，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)心的問題。荷蘭等農(nóng)業(yè)強(qiáng)國普遍認(rèn)可了營養(yǎng)液循環(huán)利用的方式，一方面是基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，同時也是其廢液處理技術(shù)達(dá)到了實(shí)際使用要求。在營養(yǎng)液循環(huán)利用整個工藝鏈條中，消毒是最為關(guān)鍵的一環(huán)，具有重要的研究前景和意義。

為了解決營養(yǎng)液再利用問題，發(fā)展適合我國農(nóng)業(yè)的作業(yè)設(shè)備，筆者開發(fā)了循環(huán)灌溉紫外線消毒機(jī)，努力填補(bǔ)該領(lǐng)域國內(nèi)空白。

1 紫外線消毒機(jī)工作機(jī)理

1.1 紫外線消毒機(jī)理介紹

農(nóng)用消毒機(jī)主要用于潮汐灌溉、滴灌及水培等種植系統(tǒng)的營養(yǎng)液回收利用。學(xué)者Amsing J. J[4]實(shí)驗(yàn)證明，如放任病原體感染擴(kuò)散，會對整個栽培群體內(nèi)的作物造成滅頂之災(zāi)。因此，在營養(yǎng)液回收利用的工藝中，消毒環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

在相關(guān)領(lǐng)域研究中，各國研究人員對多種消毒方法進(jìn)行了實(shí)際考察，下文列出了有代表性的一些方法。

1)臭氧消毒。該方案將臭氧施加到營養(yǎng)液內(nèi)消毒，其消毒效果顯著；但該方案的副作用是會與營養(yǎng)液中的有效成分反應(yīng)，降低營養(yǎng)液養(yǎng)分比例。

2)電熱消毒。該方案需將營養(yǎng)液溫度升高以達(dá)到殺菌目的；但其成本非常高，且殺毒周期較長。

3)高級氧化消毒。該方案工藝要求不高，但使用該法會導(dǎo)致產(chǎn)品根部積累化學(xué)物，導(dǎo)致安全問題。

4)超細(xì)過濾消毒。在污水處理方面有著廣泛的應(yīng)用，而其設(shè)備高昂的投資額度不適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用。

紫外線輻射消毒方法目前來看，無論從投資還是工作原理，都是較為理想的應(yīng)用方法：①該法可以有效殺滅相關(guān)細(xì)菌；②對營養(yǎng)液中有效成分影響?。虎墼O(shè)備投資額度能為大多數(shù)企業(yè)接受。

紫外線消毒的原理十分簡單。所有微生物都會被特定波長的波動所影響，這是生物的本質(zhì)屬性，那么所有微生物都有自己的“克星”，只要暴露在特定波長的輻射下，足夠的時間內(nèi)就會導(dǎo)致其死亡。研究設(shè)備利用了紫外線的一個特定的波長(254nm)，根據(jù)實(shí)際企業(yè)需求和工況情況，定制系統(tǒng)以保持消毒效率和時間，在保持營養(yǎng)液特性不變的基礎(chǔ)上殺滅有害微生物，并確保企業(yè)對營養(yǎng)液使用的流量。

根據(jù)荷蘭瓦赫寧根大學(xué)提供的數(shù)據(jù)，在營養(yǎng)液滅菌時，當(dāng)紫外線輻射強(qiáng)度達(dá)到100mJ/cm2時，可有效殺死細(xì)菌、線蟲和酵母菌；當(dāng)紫外線輻射強(qiáng)度達(dá)到150mJ/cm2時，可有效殺死真菌、鐮孢菌和疫病菌；當(dāng)紫外線輻射強(qiáng)度達(dá)到250mJ/cm2時，可有效殺死病毒和黃瓜花葉病菌。

1.2 總體設(shè)計(jì)思路

課題開發(fā)的消毒機(jī)可以有效地消除營養(yǎng)液中微生物對作物的潛在危險(xiǎn)。該紫外線消毒設(shè)備設(shè)計(jì)過程中側(cè)重于面向?qū)ο蟆⒖煽?、耐久的設(shè)計(jì)理念，適合大、中、小型種植業(yè)企業(yè)，尤以潮汐灌溉方式最為適合。

該紫外線消毒設(shè)備設(shè)計(jì)初始，根據(jù)用戶需求不同，其初始設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵參數(shù)是：①輻射量；②光線穿透率。

根據(jù)這種思路，消毒機(jī)在設(shè)計(jì)(定制)階段就有3種備選輻射裝置，以實(shí)現(xiàn)10%或更高的穿透率。輻射室的獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，使紫外線消毒設(shè)備可以參數(shù)化定制，以滿足不同種植業(yè)務(wù)的需求，其兼容性更完備。

通過對輻射量的精確調(diào)控，設(shè)備盡可能的避免影響營養(yǎng)液本身的營養(yǎng)配比，避免盲目破壞工況生態(tài)平衡，使整個灌溉系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性；同時，也降低了補(bǔ)充藥劑的概率，某種程度上也節(jié)約了企業(yè)的工藝成本。不同對象紫外線消毒輻射強(qiáng)度值如表1所示。

穿透率是衡量肥水污濁程度的一個重要指標(biāo)。它是指紫外(線)光穿過1cm3的水樣的前后測得的光照度的比值。該比值越大，表明水體越清澈，反之表明水體污濁度越高。

由于農(nóng)業(yè)工況環(huán)境復(fù)雜，國內(nèi)種植用戶分布多樣性，設(shè)備本身的參數(shù)定制取決于種植當(dāng)?shù)厮w中的鐵螯合物、有機(jī)物顆粒(來自于泥炭或可可種植基質(zhì)中分解中的有機(jī)物質(zhì))、生態(tài)族群分布、雜質(zhì)種類、水質(zhì)特征及施肥方案等多方面因素，是一個復(fù)雜的優(yōu)化問題。

在用戶考慮選擇紫外線消毒設(shè)備前，應(yīng)對其本身的建設(shè)基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提供其企業(yè)整體灌溉方案、水質(zhì)數(shù)據(jù)、營養(yǎng)配比、施放方案及產(chǎn)品類型等信息，由專業(yè)工程師輔助選型；當(dāng)工廠生產(chǎn)目標(biāo)發(fā)生變化時，則對應(yīng)的消毒設(shè)備在定制階段亦需要作出相應(yīng)調(diào)整。

表2是部分作物營養(yǎng)液穿透率參考值。

表2 不同作物營養(yǎng)液紫外線穿透率

續(xù)表2

根據(jù)穿透率的不同，低壓紫外線消毒設(shè)備設(shè)計(jì)構(gòu)造上提供了3種輻射燈室來實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)南拘Ч鹤贤夤獯┩嘎?45%時，回水流經(jīng)輻射室內(nèi)，紫外光可以穿透相當(dāng)大厚度的水體；穿透率范圍25%～45%時，回水流經(jīng)輻射室內(nèi)，紫外光可以穿透中等厚度的水體；穿透率<25%時，液體已經(jīng)足夠渾濁，透光性非常差，故該情況下需調(diào)整輻射室結(jié)構(gòu)使其環(huán)形截面積減小，同時考慮降低流速。

相同(相近)穿透率時，殺菌率和輻射室截面積具有類似反比的關(guān)系。紫外線燈管處于輻射室中央，其光線密度自內(nèi)向外依次降低，如圖1所示。如給定流量或營養(yǎng)液經(jīng)過輻射室的有效時間，經(jīng)過計(jì)算可以獲得輻射室管徑可選范圍，并獲取相應(yīng)的使用成本，用戶可根據(jù)具體使用需求進(jìn)行參數(shù)選擇，以達(dá)到殺菌有效同時兼顧成本的效果。

圖1 不同穿透率時輻射室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定制消毒設(shè)備本身可以看作一個專家決策系統(tǒng)，原理上來講，企業(yè)工況下水質(zhì)參數(shù)、作物品種、灌溉方案等都是一個設(shè)計(jì)黑箱的輸入量，消毒率和成本作為設(shè)計(jì)的約束值。研究擬逐步對消毒機(jī)的智能化進(jìn)行優(yōu)化，豐富其參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，增強(qiáng)其兼容能力，努力提高市場適應(yīng)性。

1.3 消毒機(jī)運(yùn)行邏輯

從原理上，除消毒功能外，消毒機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)對營養(yǎng)液流量進(jìn)行控制。拋開單純的消毒性質(zhì)，設(shè)備整個運(yùn)行周期均需持續(xù)、實(shí)時地測量紫外線輻射強(qiáng)度，進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)輻射值控制流體通過紫外線消毒機(jī)的時間。紫外線輻射室內(nèi)采用可調(diào)節(jié)電動閥門，通過程序計(jì)算，控制水流量與當(dāng)前輻射值相匹配。

營養(yǎng)液的污濁程度，決定了紫外線輻射傳感器的讀數(shù)?；厥盏臓I養(yǎng)液越污濁，紫外線輻射值讀數(shù)越低，營養(yǎng)液在紫外線輻射室內(nèi)停留的時間就越長，從而達(dá)到消毒目的。嚴(yán)格的水流量控制可以恰到好處地保證回收營養(yǎng)液被消毒完全。

2)紫外線消毒燈監(jiān)測/報(bào)警。紫外線消毒機(jī)系統(tǒng)持續(xù)地監(jiān)控?zé)艚M的正確運(yùn)行。如果部分紫外線燈不能正常工作，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報(bào)。同時，當(dāng)燈達(dá)到預(yù)設(shè)工作上限時數(shù)，機(jī)器也會提醒用戶更換耗材。

3)清潔紫外線輻射室。由于回收的營養(yǎng)液pH值較高，水里肥料中諸如鐵離子和鈣離子會不同程度的沉積在紫外線輻射室的管壁上。沉積物影響了紫外線燈的輻射強(qiáng)度，系統(tǒng)采用硝酸進(jìn)行輻射室清潔的系統(tǒng)，定期降低系統(tǒng)內(nèi)的pH值，使輻射室保持清潔。

整個清潔過程無需人為干預(yù)，通過算法控制和運(yùn)行。計(jì)算機(jī)會根據(jù)測量的輻射強(qiáng)度、紫外線燈管工作的小時數(shù)，來啟動清洗指令。清潔工序運(yùn)行時，消毒過程將被中斷，輻射室被注入高濃度的硝酸(pH=3.5)，在輻射室停留約10min后，再由酸泵驅(qū)動回到排水罐中。

4)預(yù)過濾器組。主要用于過濾回收營養(yǎng)液攜帶的大顆粒污濁物。營養(yǎng)液中塵土顆粒將導(dǎo)致輻射室內(nèi)陰影，同時會導(dǎo)致隱藏在固體顆粒微孔中的病菌，通過紫外線輻射室而不被殺死。因此，必須配備預(yù)過濾裝置，從回收營養(yǎng)液中去除30μm以上的顆粒。全自動紫外線消毒機(jī)配置預(yù)過濾設(shè)備，包括一套砂石過濾器和一套疊片過濾器。

按照以上思路，其主要工作流程如圖2所示。

2 消毒機(jī)具體設(shè)計(jì)

2.1 采用關(guān)鍵設(shè)備

整個系統(tǒng)采用的關(guān)鍵設(shè)備為：紫外線消毒燈(含石英管、安裝支架)、砂石過濾器、疊片過濾器、系統(tǒng)泵、酸計(jì)量泵、控制柜和膨脹罐，如圖3所示。采用的主要測量設(shè)備/傳感器有：EC傳感器、pH傳感器、液位傳感器(酸/液)、輻射強(qiáng)度傳感器、葉輪式流量計(jì)、可視流量計(jì)和壓力表等。

圖2 消毒機(jī)工作機(jī)理

圖3 消毒機(jī)樣機(jī)裝配模型

根據(jù)消毒機(jī)使用環(huán)境的多樣性、復(fù)雜性，考慮到整個生產(chǎn)成本情況，主要設(shè)備之間采用PVC管路連接，電控部分設(shè)專門柜體和保護(hù)殼體。

2.2 工藝流程

1)預(yù)熱：打開系統(tǒng)泵，當(dāng)系統(tǒng)充滿水后開啟紫外線消毒燈。監(jiān)測輻射強(qiáng)度傳感器的數(shù)值，在達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)之前，回收后營養(yǎng)液不得進(jìn)入消毒水罐，重新排入排水罐，直到紫外線燈預(yù)熱至設(shè)定輻射強(qiáng)度。該過程大約需要10min。

2)消毒：預(yù)熱結(jié)束后，消毒機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)泵將排水罐內(nèi)的回收營養(yǎng)液送入預(yù)過濾組進(jìn)行初步過濾后再送入紫外線輻射室進(jìn)行消毒。消毒后的營養(yǎng)液輸送至消毒水罐留待下次灌溉用，如果排水罐內(nèi)的液位過低或者消毒水罐內(nèi)液位過高消毒機(jī)將自動停止。

3)反沖洗：砂石過濾器可以進(jìn)行自動反沖洗。當(dāng)砂石過濾器上壓差傳感器的數(shù)值增大時，由程序控制砂石過濾器進(jìn)行反沖洗。

4)酸洗：計(jì)算機(jī)會根據(jù)測量的輻射強(qiáng)度或及紫外線燈管工作的小時數(shù)，來啟動該工序。

2.3 操作及控制系統(tǒng)

從設(shè)備控制上來說，整個系統(tǒng)分為參數(shù)設(shè)置、自動操作、手動操作、I/O監(jiān)控及數(shù)據(jù)報(bào)告5部分。

1)參數(shù)設(shè)置。該部分包含了預(yù)熱時間、酸洗UV值、酸停留消毒室時間、UV燈更換時長、酸泵自動流速百分比、閥開關(guān)超時、砂石罐清洗時間、砂石罐清洗間隔時間、流量傳感器控制器、水流流速等設(shè)定。

2)手動操作。本界面可對所有的閥進(jìn)行手動操作，將其打開或閉合，同時可監(jiān)測閥開關(guān)狀態(tài)，如圖4所示。以下以排水閥VR為例解釋。

圖4 消毒機(jī)控制系統(tǒng)手動操作界面

按鍵“OFF/ON”：按動此按鍵，VR閥在關(guān)閉/打開進(jìn)行切換，當(dāng)顯示為OFF時，指示燈“OFF”亮，按動此鍵，VR閥打開，同時按鍵顯示為“ON”；3s后，待閥完全打開后，指示燈“ON”亮。

酸泵分3部分操作，打開酸泵的電源，輸入流速百分比(100L/h的百分比)，最后打開遠(yuǎn)程控制開關(guān)。該面板還可對排水閥、消毒閥、砂石選擇閥、過濾閥、酸洗選擇閥、酸洗閥UV紫外燈(開關(guān))、水泵、消毒，以及預(yù)熱進(jìn)行手動操控，并顯示相關(guān)狀態(tài)信息。

3)自動操作。在自動操作界面，按動“消毒OFF”，進(jìn)入自動消毒模式，此鍵顯示為“消毒OFF”，界面頂部顯示消毒，再按動停止消毒；按動“酸洗OFF”，進(jìn)入自動酸洗模式，此鍵顯示為“酸洗OFF”，界面頂部顯示酸洗，再按動停止酸洗。其界面如圖5所示。

圖5 消毒機(jī)控制系統(tǒng)自動操作界面

3 樣機(jī)初步試驗(yàn)結(jié)果

基于農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)所提供研發(fā)方案，北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司根據(jù)用戶需求定制生產(chǎn)了樣機(jī)，該樣機(jī)主要指標(biāo)如下：

系統(tǒng)泵流量/m3·h-1：12

穿射率T10： 30%～45%

紫外輻射定量水平/ mJ·cm-2：100

輻射室參數(shù)如下：

管徑/ mm：15

安裝長度/mm：1 554

功率/W：155

使用壽命/h：13 000

輻射室的數(shù)量：6

砂石過濾器：6m3/h，雙罐

疊片過濾器：6m3/h，200目

機(jī)器尺寸/m：W3.0，L3.0

電源：3相，380V，50Hz

采用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)時，在180天番茄栽培試驗(yàn)的營養(yǎng)液前提下，滅菌率保持在92%～95%之間(受液流量、流速變化、穿透率影響)，達(dá)到了較好的滅菌效果。

在整個試驗(yàn)過程中，由于工況所在地條件所限，試驗(yàn)結(jié)果還有進(jìn)一步提高的空間，同時在現(xiàn)有樣機(jī)基礎(chǔ)上加強(qiáng)流速、流量的精細(xì)調(diào)控，會有助于進(jìn)一步提高其殺菌能力。

4 結(jié)論

1)研究設(shè)計(jì)并試制了一種紫外線營養(yǎng)液消毒機(jī)，主要包括紫外線消毒燈、砂石過濾器、疊片過濾器、系統(tǒng)泵、酸泵、PVC 管路及自動控制設(shè)備等。

2)在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，紫外線消毒機(jī)的滅菌率保持在92%～95%之間。為提高滅菌率、穩(wěn)定偏差范圍，下一步擬對紫外線消毒室結(jié)構(gòu)、設(shè)備整體流量/流速控制算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到更高的實(shí)際滅菌效力。

3)該樣機(jī)是國內(nèi)面向營養(yǎng)液循環(huán)灌溉領(lǐng)域消毒的一次嘗試，旨在填補(bǔ)該領(lǐng)域國內(nèi)市場空白，力爭在達(dá)到國外同類產(chǎn)品消毒水平的基礎(chǔ)上，使設(shè)備成本為國內(nèi)種植企業(yè)所能承受。

4)課題研發(fā)設(shè)備致力于提高營養(yǎng)液利用效率，優(yōu)化作物品質(zhì)，改善種植企業(yè)工況衛(wèi)生安全，降低企業(yè)投資成本和市場風(fēng)險(xiǎn)。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0069-EA