植物工厂内营养液消毒技术的研究进展

植物工厂内营养液消毒技术的研究进展

0化学农药在作物生产中的应用植物工厂是指使用精确的环境控制和自动化技术在封闭或半封闭空间内生产植物的系统。植物工厂是一项集现代生物技术、现代种植技术、计算机信息技术和机械自动化技术于一体的技术高度密集的产业。由于其具有受自然条件影响小、作物生产计划性强、生长速度快、周期短、自动化程度高和无污染等特点,已经成为近年来研究的重点。在植物工厂里,植物的栽培方式主要是营养液栽培。在营养液的使用过程中,会滋生很多细菌,发生根部病害,病原菌在营养液中迅速扩散,不仅影响作物的品质及产量,也造成了营养液的浪费。目前,荷兰等国已普遍采用紫外线消毒方式对营养液进行消毒,且具有自动化设备,而我国的营养液消毒多采用化学农药,将一些化学药剂放入营养液中以抑制病害的发生。一种药剂一般只对一种病原菌起作用,而且溶解于营养液中的药剂很容易被植物吸收而残留在体内,从而威胁人类的健康。针对上述情况,本文开发了营养液循环再利用装备,不仅消灭了营养液中的大部分病原菌,提高了营养液的利用率,而且保障了营养液的安全,在植物工厂蔬菜的生产中发挥了重要的作用。1营养液供液系统和管路营养液循环再利用装备分别置于植物工厂内闭锁育苗室、人工光栽培车间、炼苗车间、叶菜车间和果菜车间使用。该设备主要由供液系统、紫外线消毒系统、营养液自动检测系统及控制系统4大部分组成。供液系统内的营养液通过紫外线消毒系统进行消毒后,供给植物工厂内各车间的作物生长使用,当营养液缺失或植物生产所需的EC值、pH值、溶解氧等值不够时,营养液自动检测系统便会及时检测出来,从而使其得到及时补充,由控制系统控制营养液的灌溉、缺失加液。供液系统(如图1所示)由营养液池、母液罐A、母液罐B、母液罐C、母液罐D、水处理装置、水泵、供液管路、回流管路及过滤器组成,其作用是供给作物生长所需营养液。营养液池设在地面以下,以便让栽培床中流出的营养液回流到营养液池中。母液罐A、B、C、D中的溶液在电磁阀的控制下流入营养液池中。母液罐A盛放钙盐母液,母液罐B盛放磷酸盐母液,母液罐C盛放微肥,母液罐D盛放酸碱缓冲液。水处理装置将自来水转化成纯净水注入营养液中。水泵将营养液池的营养液经过滤器和紫外线消毒器输送至栽培床以供作物生长需求。供液管路(如图2所示)主要由供液管道、调节流量的阀门等部分组成,其作用是将地下营养液池内的营养液经由水泵后通向各个栽培床,采用UPVC管,防止营养液流过会腐蚀金属管道。而回流管路主要由回流管道和栽培床中的回流装置这两部分组成,其作用是将栽培床内的营养液回流至营养液池中。2蔬菜安全高效生产设备营养液消毒设备(如图3所示)是保障整个植物工厂内蔬菜安全高效生产的核心部件,主要由不锈钢筒体、紫外灯、石英套管、滑动清洗部件、进口水龙头及出口水龙头等部件组成。2.1uv-c段紫外线uv杀菌营养液消毒装备采用的是紫外线消毒技术。紫外线是电磁辐射,其杀菌原理是通过紫外线对微生物的照射,破坏病菌机体内核蛋白或脱氧核糖核酸DNA的结构,使之立即死亡或丧失繁殖能力。从太阳光分类来看(如图4所示),紫外线按波长分为长、中、短、真空4个波段。其中,长波段紫外线(UV-A)的波长为320～380nm,中波段紫外线(UV-B)的波长为280～320nm,短波段紫外线(UV-C)的波长为200～280nm,真空波段紫外线(UV)的波长为100～200nm。具有消毒杀菌作用的是短波段紫外线,即UV-C段紫外线,且在254nm时紫外线杀菌效果最好,这是因为细胞对光波的吸收谱线有一个规律,即对250～270nm波长的紫外线有最大的吸收(如图5所示)。被吸收的紫外线实际上作用于细胞遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA),它起到一种光化学作用,紫外光子的能量被DNA中的碱基对吸收,引起遗传物质发生变异,使细菌当即死亡或不能繁殖后代,达到杀菌的目的。该设备采用多段式消毒处理,前段采用慢砂过滤法去除营养液中的组织老化残留物和浮游物,提高营养液的透明度,其装置的基本结构如图6。装置中的介质由多层不同粒径的材料组成。右边的细砂层是过滤层,砂层的厚度在80cm以上。左边3层由细到粗的砾石层既可以防止右边的细砂随营养液由排液管流失,又有利于营养液的排出。砂层上表面与营养液接触的地方会形成一层特殊的结构,被称为滤皮。整个过滤器的高度为1～4m。中段是利用波长为200～290nm的UV-C段紫外线对营养液中的微生物体内蛋白或DNA结构进行破坏,从而达到杀灭营养液中微生物的作用。末段采用UV-OH技术进行终端处理,利用真空紫外线(Vacuum-UV)和短波紫外线(UV-C)两类波长高能级UV的相互协同作用,产生高级氧化物羟基自由基OH,结合臭氧消毒技术,实现快速、高效和广谱灭菌,净化营养液中的有机、无机污染物。2.2营养液循环再利用试验对象的确定营养液消毒设备在植物工厂5个车间内使用,由于果菜车间和叶菜车间是生产成品菜的车间,营养液内产生的杂菌相对较多,因此,选取果菜车间和叶菜车间作为营养液循环再利用装备灭菌率测试的对象。(1)水样的采集和保存营养液消毒设备开启运行稳定后,分别对其进口与出口液体进行取样,取样方法参照GB/5750.2《生活饮用水标准检验方法水样的采集和保存》进行。营养液消毒设备开启运行及出口消毒示意图如图7和图8所示,取样如图9所示。(2)微生物指标的测定分别测定营养液循环再利用装备进口与出口液体样品中的菌落总数,测定方法参照GB/T5750.12《生活饮用水标准检验方法微生物指标》进行。(3)叶菜生产车间营养液消毒设备的杀菌效果测试结果以百分数形式保留3位有效数字报告该营养液循环再利用装备的灭菌率。如表1所示,通过测试,叶菜生产车间营养液消毒设备的进口菌落总数为6700CFU/ml,出口菌落总数为200CFU/ml,其灭菌率为97.0%;果菜生产车间营养液消毒设备的进口菌落总数为12万CFU/ml,出口菌落总数为330CFU/ml,其灭菌率为99.7%,消毒效果明显。3自动检测系统的控制原理自动检测和控制装置由高低液位传感器、溶解氧传感器、pH传感器、EC(营养液的浓度)传感器、温度传感器、加热棒和计算机组成,不同的传感器用隔板隔开以防止相互干扰。控制盒控制所有的阀门以及加热棒,系统在检测软件和控制软件的支持下通过各种传感器检测到各种信号,经过阻抗变换和放大得到相应的电压信号,由数据采集卡送到计算机进行处理。根据控制算法产生控制信号并由I/O端口输出,经驱动电路驱动执行机构,完成营养液的加温以及各种离子浓度的在线检测和控制。自动检测系统应用画面如图10所示。计算机软件从可编程控制器中实时采集数据,发布控制命令并监控系统运行,可实现以下功能:①显示功能:测量值、设备运行状态、画面调用等功能;②参数设置功能:灌溉时间、灌溉量、营养液量、施肥时间以及施肥频率等的设置;③数据存储:在每次系统运行时,Access历史数据库自动按分钟记录数据,实现现场数据的存储,并能删除没用的历史数据;④历史数据查询:按照日期段查询历史数据,并实现报表打印功能,实时曲线将EC/pH值用曲线实时表示出来。4营养液调控系统的控制部分营养液的控制系统采用上下位机结构,上位机选用VB软件作为监控软件,下位机采用可编程逻辑控制器。系统控制图如图11所示。该系统输入有EC值、pH值、流量和压力4个值。EC值与pH值是系统控制的主要参量,和流量、压力一样都通过可编程逻辑控制器的模拟输入模块采集进入下位机,这些参数在下位机进行处理,EC值、pH值的变化控制施肥阀的动作频率,压力如果超出管道承受范围,则启动调压设备并报警。控制部分输出有电磁开关(营养液的进水开关)、调压阀(调节管道压力)、3路灌溉阀、3路施肥开关和营养液泵。营养液调控系统运行操作的核心是可编程控制器,其各个部件的运行是在可编程控制器的控制下进行的。上位机软件主要是显示并设置参数、存储数据和观察设备运行状况等功能。4.1营养液控制器营养液的供给依靠控制系统来完成,控制系统主要控制营养液的罐液量、营养液的成分、EC值和pH值。罐液量可通过调节灌液时间来实现;EC值反映营养液的成分,故控制营养液EC值即可控制营养液浓度;不同的作物在不同的生长阶段,对营养液的pH值有不同的要求,因此,还需向供给营养液的原液、酸性调节液与碱性调节液3个施肥罐中加入pH调节液,使pH值在适合作物生长的范围内。营养液控制器根据设定的施肥频率供给营养液,同时系统根据实时的EC/pH值与设定范围比较,确定应增加或减少进入管道的营养液量,即调整施肥频率(营养液进入灌溉管道的阀门开闭的频率)。施肥频率调整主要是调整施肥阀的动作频率,即给施肥阀的方波信号的频率,调整的是高电平信号的持续时间,低电平信号时间不变。施肥罐共有3个施肥阀,施肥阀1为碱性调节液施肥阀,施肥阀2为原液控制阀,施肥阀3为酸性调节液施肥阀。具体控制操作如图12所示。EC值的控制:当准备给正在生长的作物施肥时,控制系统通过给施肥阀方波信号检测营养液的浓度(EC值)是否在允许范围内。如果检测到的营养液浓度高于植物生长所需营养液浓度的上限,增加施肥阀2的施肥频率(施肥阀2控制营养液原液进入灌溉系统),即减少施肥阀2的开启时间;如果检测到的营养液浓度低于植物生长所需营养液浓度的下限,减少施肥阀2的施肥频率(施肥阀控制营养液原液进入灌溉系统),即增加施肥阀2的开启时间。pH值的控制:施肥阀1、3分别控制营养液的碱性和酸性。当检测到pH值高于设定的最大值时,按一定的开关频率打开施肥阀3,加入酸性调节液;当pH值低于设定最小值时,按一定的开关频率打开施肥阀1,加入碱性调节液;当pH值符合要求时,阀1、3闭合。4.2营养液成分检测的设备特点(1)需要灌溉时,控制灌溉阀的打开和关闭,以便按照用户要求的灌溉方式和灌溉量实现作物的灌水。(2)需要营养液供给时,营养液控制阀按照系统设定的灌溉频率将营养液混入灌溉管道,同时系统实时检测混合管道中营养液的EC、pH值,并与用户设定的适合植物生长的EC、pH值比较,根据比较状况调整灌溉频率,以达到调整营养液的EC、pH值的目的,使之适合作物生长要求。(3)通过压力计实时检测管道压力,如果压力高于管道承受压力,启动调压装置,调节压力,长期高压报警。(4)检测营养液管道的流量,并将EC、pH、流量、压力值发给上位机显示。(5)根据系统运行需要,控制灌溉总阀、供给总阀、营养液泵的打开和关闭。在植物工厂里,营养液成分的缺失及补充不仅可以通过自动检测系统进行检测,而且人工对营养液成分的各项参数也进行了测量,以便验证营养液能否按照设定的参数在正常范围内循环供液,及时调整装备的可靠性。以果菜车间为例,自动检测系统检测的营养液成分的各项参数见表2,人工检测的营养液成分的各项参数见表3。由表2和表3可以看出,人工检测的营养液成分EC值与营养液循环再利用装备自动检测系统检测的EC值最大相差53,在正常误差范围内;pH值最大相差0.08,在正常误差范围内。由此可见,营养液可以按照设定的参数进行正常循环供液,但由于果菜的最适宜pH值在5.8～6.0范围内,而所设定的参数均高于6.0,故应该向营养液循环再利用装备中加入磷酸,进行pH值的调整。4.3实现控制程序执行的功能4.3.1灌溉时间安排定时灌溉:指定1个月的某段时间内的星期几进行灌溉,在这几天中,设定4段开始灌溉时间,设定每段时间灌溉量,可以选择灌溉的阀门号。周期灌溉:指定1个月的某段时间内的星期几进行灌溉,设定周期灌溉时间段、周期灌溉的灌溉量和间隔时间,可以选择灌溉的阀门号。手动灌溉:需设定灌溉量,使用手动灌溉按钮开始或结束灌溉。4.3.2增加密度调整计量施肥之前先要确定是否需要灌溉,如果需要则执行灌溉程序。开始施肥的时候,肥液以设定的施肥频率注入灌溉管道,同时实时地将采集的EC值与设定值相比较,判断是否增加或减少营养液。增加或减少营养液是通过改变施肥频