營養液循環灌溉紫外線消毒機設計研究

王偉琳，何 芬，丁小明，魏曉明，齊 飛

(農業部規劃設計研究院，北京 100125)

0 引言

在我國設施農業領域，土壤一般連續耕種3年后，病毒和次生鹽漬化便會導致耕種土壤環境急劇破壞，生態系統紊亂[1]，藥、肥劑量過施危害嚴重。傳統栽培的周期性催生了無土栽培的興起，無土栽培能有效應對生態系統惡化和蔬菜品質降低。

隨著人口增加，耕地面積減少，人力成本增長，無論從技術上還是經濟上，我國農業種植模式都在逐漸向無土栽培模式轉變，溫室植物的栽培方式逐漸轉變為營養液栽培[2]。由于種植業工況環境復雜，考慮到種植業成本的構成，營養液多采用循環使用，這就導致了細菌的大量出現，容易對植物造成病害，大大影響了種植效果和作物品質，同時也浪費了營養液的有效成分。

當前世界上農業發達國家，在灌溉消毒領域已開發了新的方案，即紫外線消毒技術，且已經催生了成熟的消毒設備。而在我國，無土栽培的發展還沒有達到先進農業國家水平，還在沿用著農藥消毒。化學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溶解于營養液中的藥劑很容易被植物吸收而殘留在植物體內。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，最關鍵的問題就是保證營養液的有效性[3]。由于種植業本身對成本十分敏感，那么如何經濟、合理、綠色地使用營養液，在確保作物質量的基礎上保證企業的競爭力，是相關領域學者關心的問題。荷蘭等農業強國普遍認可了營養液循環利用的方式，一方面是基于經濟性的考慮，同時也是其廢液處理技術達到了實際使用要求。在營養液循環利用整個工藝鏈條中，消毒是最為關鍵的一環，具有重要的研究前景和意義。

為了解決營養液再利用問題，發展適合我國農業的作業設備，筆者開發了循環灌溉紫外線消毒機，努力填補該領域國內空白。

1 紫外線消毒機工作機理

1.1 紫外線消毒機理介紹

農用消毒機主要用于潮汐灌溉、滴灌及水培等種植系統的營養液回收利用。學者Amsing J. J[4]實驗證明，如放任病原體感染擴散，會對整個栽培群體內的作物造成滅頂之災。因此，在營養液回收利用的工藝中，消毒環節至關重要。

在相關領域研究中，各國研究人員對多種消毒方法進行了實際考察，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液內消毒，其消毒效果顯著；但該方案的副作用是會與營養液中的有效成分反應，降低營養液養分比例。

2)電熱消毒。該方案需將營養液溫度升高以達到殺菌目的；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，但使用該法會導致產品根部積累化學物，導致安全問題。

4)超細過濾消毒。在污水處理方面有著廣泛的應用，而其設備高昂的投資額度不適合農業領域使用。

紫外線輻射消毒方法目前來看，無論從投資還是工作原理，都是較為理想的應用方法：①該法可以有效殺滅相關細菌；②對營養液中有效成分影響小；③設備投資額度能為大多數企業接受。

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，足夠的時間內就會導致其死亡。研究設備利用了紫外線的一個特定的波長(254nm)，根據實際企業需求和工況情況，定制系統以保持消毒效率和時間，在保持營養液特性不變的基礎上殺滅有害微生物，并確保企業對營養液使用的流量。

根據荷蘭瓦赫寧根大學提供的數據，在營養液滅菌時，當紫外線輻射強度達到100mJ/cm2時，可有效殺死細菌、線蟲和酵母菌；當紫外線輻射強度達到150mJ/cm2時，可有效殺死真菌、鐮孢菌和疫病菌；當紫外線輻射強度達到250mJ/cm2時，可有效殺死病毒和黃瓜花葉病菌。

1.2 總體設計思路

課題開發的消毒機可以有效地消除營養液中微生物對作物的潛在危險。該紫外線消毒設備設計過程中側重于面向對象、可靠、耐久的設計理念，適合大、中、小型種植業企業，尤以潮汐灌溉方式最為適合。

該紫外線消毒設備設計初始，根據用戶需求不同，其初始設計考慮的關鍵參數是：①輻射量；②光線穿透率。

根據這種思路，消毒機在設計(定制)階段就有3種備選輻射裝置，以實現10%或更高的穿透率。輻射室的獨立模塊化設計，使紫外線消毒設備可以參數化定制，以滿足不同種植業務的需求，其兼容性更完備。

通過對輻射量的精確調控，設備盡可能的避免影響營養液本身的營養配比，避免盲目破壞工況生態平衡，使整個灌溉系統具有良好的穩定性；同時，也降低了補充藥劑的概率，某種程度上也節約了企業的工藝成本。不同對象紫外線消毒輻射強度值如表1所示。

穿透率是衡量肥水污濁程度的一個重要指標。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。

由于農業工況環境復雜，國內種植用戶分布多樣性，設備本身的參數定制取決于種植當地水體中的鐵螯合物、有機物顆粒(來自于泥炭或可可種植基質中分解中的有機物質)、生態族群分布、雜質種類、水質特征及施肥方案等多方面因素，是一個復雜的優化問題。

在用戶考慮選擇紫外線消毒設備前，應對其本身的建設基礎進行統計，提供其企業整體灌溉方案、水質數據、營養配比、施放方案及產品類型等信息，由專業工程師輔助選型；當工廠生產目標發生變化時，則對應的消毒設備在定制階段亦需要作出相應調整。

表2是部分作物營養液穿透率參考值。

表2 不同作物營養液紫外線穿透率

續表2

根據穿透率的不同，低壓紫外線消毒設備設計構造上提供了3種輻射燈室來實現恰當的消毒效果：紫外光穿透率>45%時，回水流經輻射室內，紫外光可以穿透相當大厚度的水體；穿透率范圍25%～45%時，回水流經輻射室內，紫外光可以穿透中等厚度的水體；穿透率<25%時，液體已經足夠渾濁，透光性非常差，故該情況下需調整輻射室結構使其環形截面積減小，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系。紫外線燈管處于輻射室中央，其光線密度自內向外依次降低，如圖1所示。如給定流量或營養液經過輻射室的有效時間，經過計算可以獲得輻射室管徑可選范圍，并獲取相應的使用成本，用戶可根據具體使用需求進行參數選擇，以達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構設計

定制消毒設備本身可以看作一個專家決策系統，原理上來講，企業工況下水質參數、作物品種、灌溉方案等都是一個設計黑箱的輸入量，消毒率和成本作為設計的約束值。研究擬逐步對消毒機的智能化進行優化，豐富其參數化設計功能，增強其兼容能力，努力提高市場適應性。

1.3 消毒機運行邏輯

從原理上，除消毒功能外，消毒機主要實現以下功能：

1)對營養液流量進行控制。拋開單純的消毒性質，設備整個運行周期均需持續、實時地測量紫外線輻射強度，進而根據目標輻射值控制流體通過紫外線消毒機的時間。紫外線輻射室內采用可調節電動閥門，通過程序計算，控制水流量與當前輻射值相匹配。

營養液的污濁程度，決定了紫外線輻射傳感器的讀數。回收的營養液越污濁，紫外線輻射值讀數越低，營養液在紫外線輻射室內停留的時間就越長，從而達到消毒目的。嚴格的水流量控制可以恰到好處地保證回收營養液被消毒完全。

2)紫外線消毒燈監測/報警。紫外線消毒機系統持續地監控燈組的正確運行。如果部分紫外線燈不能正常工作，系統會立即發出警報。同時，當燈達到預設工作上限時數，機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度，系統采用硝酸進行輻射室清潔的系統，定期降低系統內的pH值，使輻射室保持清潔。

整個清潔過程無需人為干預，通過算法控制和運行。計算機會根據測量的輻射強度、紫外線燈管工作的小時數，來啟動清洗指令。清潔工序運行時，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，再由酸泵驅動回到排水罐中。

4)預過濾器組。主要用于過濾回收營養液攜帶的大顆粒污濁物。營養液中塵土顆粒將導致輻射室內陰影，同時會導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，必須配備預過濾裝置，從回收營養液中去除30μm以上的顆粒。全自動紫外線消毒機配置預過濾設備，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 消毒機具體設計

2.1 采用關鍵設備

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

圖2 消毒機工作機理

圖3 消毒機樣機裝配模型

根據消毒機使用環境的多樣性、復雜性，考慮到整個生產成本情況，主要設備之間采用PVC管路連接，電控部分設專門柜體和保護殼體。

2.2 工藝流程

1)預熱：打開系統泵，當系統充滿水后開啟紫外線消毒燈。監測輻射強度傳感器的數值，在達到預設目標之前，回收后營養液不得進入消毒水罐，重新排入排水罐，直到紫外線燈預熱至設定輻射強度。該過程大約需要10min。

2)消毒：預熱結束后，消毒機進入正常工作狀態，系統泵將排水罐內的回收營養液送入預過濾組進行初步過濾后再送入紫外線輻射室進行消毒。消毒后的營養液輸送至消毒水罐留待下次灌溉用，如果排水罐內的液位過低或者消毒水罐內液位過高消毒機將自動停止。

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

4)酸洗：計算機會根據測量的輻射強度或及紫外線燈管工作的小時數，來啟動該工序。

2.3 操作及控制系統

從設備控制上來說，整個系統分為參數設置、自動操作、手動操作、I/O監控及數據報告5部分。

1)參數設置。該部分包含了預熱時間、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、水流流速等設定。

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

圖4 消毒機控制系統手動操作界面

按鍵“OFF/ON”：按動此按鍵，VR閥在關閉/打開進行切換，當顯示為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)，最后打開遠程控制開關。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)、水泵、消毒，以及預熱進行手動操控，并顯示相關狀態信息。

3)自動操作。在自動操作界面，按動“消毒OFF”，進入自動消毒模式，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 消毒機控制系統自動操作界面

3 樣機初步試驗結果

基于農業部規劃設計研究院設施農業所提供研發方案，北京華農農業工程技術有限公司根據用戶需求定制生產了樣機，該樣機主要指標如下：

系統泵流量/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

輻射室的數量：6

砂石過濾器：6m3/h，雙罐

疊片過濾器：6m3/h，200目

機器尺寸/m：W3.0，L3.0

電源：3相，380V，50Hz

采用上述數據進行試驗時，在180天番茄栽培試驗的營養液前提下，滅菌率保持在92%～95%之間(受液流量、流速變化、穿透率影響)，達到了較好的滅菌效果。

在整個試驗過程中，由于工況所在地條件所限，試驗結果還有進一步提高的空間，同時在現有樣機基礎上加強流速、流量的精細調控，會有助于進一步提高其殺菌能力。

4 結論

1)研究設計并試制了一種紫外線營養液消毒機，主要包括紫外線消毒燈、砂石過濾器、疊片過濾器、系統泵、酸泵、PVC 管路及自動控制設備等。

2)在現有試驗條件下，紫外線消毒機的滅菌率保持在92%～95%之間。為提高滅菌率、穩定偏差范圍，下一步擬對紫外線消毒室結構、設備整體流量/流速控制算法進行進一步優化設計，以達到更高的實際滅菌效力。

3)該樣機是國內面向營養液循環灌溉領域消毒的一次嘗試，旨在填補該領域國內市場空白，力爭在達到國外同類產品消毒水平的基礎上，使設備成本為國內種植企業所能承受。

4)課題研發設備致力于提高營養液利用效率，優化作物品質，改善種植企業工況衛生安全，降低企業投資成本和市場風險。

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