植物工厂集成技术

4、营养液配方与循环利用技术

 
 
 
 
植物工厂采用营养液循环利用技术,通过营养液供水系统、弥雾系统、营养液回流系统等设施建设,使营养液使用后多余的部分又回流到营养液池循环再利用,从而使水的利用率达到100%,由于植物工厂中水、肥、气一体化技术的使用,在节约了水的同时也节约了肥,使肥料的利用率达到95%以上,既节约了资源又降低了成本,真正做到了零污染、零排放,生态环保。
 
营养液是植物生长的主要营养来源,因此营养液的日常管理是无土栽培管理的核心环节。目前国内外关于营养液废液的处理方式包括循环重复利用和不循环排出方式。营养液废液循环重复利用是指已经使用过的营养液废液经消毒过滤和营养复配等一系列措施,重新回流到原栽培系统循环中再被植物吸收利用,该方式已被日本、美国、以色列和欧洲等发达国家广泛应用。不循环利用型是由于受到技术和成本等因素限制只能将利用一次利用后的废液直接排入环境,这种方式造成大量未被植物吸收利用的氮磷钾等元素的浪费,同时也会造成河流等水体的富营养化问题。未经处理的营养液废液二次利用时容易造成病虫害在栽培体系中的广泛传播,会造成不可估量的损失。

一、营养液配方

常见营养液配方(举例)



二、营养液多参数在线检测与同步传输
 
(一)功能
 
要能够迅速可靠、准确无误地完成对植物工厂营养液中各个参数的在线检测,并通过无线通信方式将各参数数据发送给上位机,因此植物工厂营养液多参数在线检测与同步传输终端需要具备以下功能:
 
(1)实时采集功能:植物工厂营养液多参数在线检测的对象包括温度、酸碱度 pH值、溶解氧浓度 DO 和营养液电导率 EC,植物工厂营养液多参数在线检测与同步传输终端需要实时准确地检测营养液中各参数的值,实现在线检测。
 
(2)无线数据传输功能:植物工厂营养液多参数在线检测的监测点在植物工厂中,分布范围较大且测点分散,构成系统的通信传输方式不宜采用有线通信,采用无线通信技术实现营养液各参数值的数据传输是比较好的选择。
 
(3)实时远程监视功能:为了满足对植物工厂营养液的远程监视要求,植物工厂营养液的管理人员需要定时查看营养液各参数信息,利用 PC 机实现营养液各参数信息的随时查看是实现对植物工厂营养液各参数远程监视的有效途径。
 
(4)可扩展功能:实现植物工厂营养液调控的自动化离不开营养液自动调控管理软件,因此良好的营养液多参数在线检测与同步传输终端需具有将采集的数据下载到监控中心 PC 机的功能,以备营养液自动调控管理软件和后期数据库开发使用。
 
(二)系统结构
 
植物工厂营养液多参数在线检测与同步传输终端在结构上分为传感器模块、信号理模块、微处理器模块和通信模块四大部分。
 
(1)传感器模块
 
植物工厂营养液中根际环境因子参数的检测是营养液栽培技术的重要组成部分,营养液的合理调配直接影响植物工厂中作物的产量。营养液的合理配置和调控可提高生产效率和降低生产成本。因此,需要在营养液中配置多种传感器对根际环境因子参数进行准确、实时地检测,营养液参数检测中需要使用的传感器包括温度传感器、酸碱度 pH值传感器、溶解氧浓度 DO 传感器以及电导率 EC 值传感器。
 
(2)信号调理模块
 
传感器的响应信号包括电阻式、电压式、电流式等不同类型,所以不能将传感器输出的信号直接传给微处理器,需要根据响应信号类型选择不同的信号调理电路对其进行处理,将响应信号调整到 A/D 转换需要的范围之内,以进行后续的处理。
 
(3)微处理器模块
 
微处理器模块的主要功能是处理信号调理模块上传的数据。随着 AVR 单片机技术的发展,其功能更加强大,价格更加低廉,应用范围也更加广泛,微处理器选用 AVR单片机,采用多线程控制方法,能较好地满足系统中的各项工作要求,实现多参数的在线实时监测。
 
(4)通信模块
 
通信模块用于完成微处理器与上位机之间的通信,植物工厂营养液多参数在线检测与同步传输终端采用无线通信方式,通过 WIFI 模块实现,只需把要发送的数据通过串口传输到 WIFI 模块中即可通过网络发送到上位机。


 
三、废液的灭菌去毒技术
 
营养液废液循环利用可降低成本和对环境的污染,但在循环过程中一些植物病原菌容易在整个系统中传播,造成巨大的经济损失。因此,营养液在循环利用前需进行灭菌消毒处理。目前国内外消毒方法很多,如臭氧、紫外线、加热、沙滤、过氧化氢、氯气、碘处理、膜滤、活性炭吸附等。其中,主要常用的消毒法有
以下几种:
 
(1)臭氧灭菌法是利用强氧化剂臭氧杀灭微生物病原菌。
 
(2)紫外线灭菌法是紫外线通过光化学反应将病原菌机体内蛋白质和DNA的结构破坏,达到杀菌效果。
 
(3)加热灭菌法是高温加热将病原物烫死。
 
(4)沙滤灭菌法是依靠阻挡和吸附作用对营养液进行灭菌,主要是对沙粒、陶粒等研究。
 
(5)营养液废液除了灭菌之外有时还需要进行营养液废液自毒物质的去除。许多园艺作物如生菜、黄瓜、草莓等根系会分泌自毒物质,累积后对自身生长产生抑制,且自毒胁迫下植物容易受到病菌侵害,最终导致植物产量降低。西瓜、黄瓜、豌豆等根系所分泌的自毒物质可抑制自身生长达到10%以上。有机废弃物栽培基质在栽培过程中会释放出植物毒性物质影响蔬菜的栽培效益。营养液废液有毒物质的去除对营养液循环利用是非常必要的。活性炭和纳米TiO2催化可以去除植物有机酸等毒性物质。活性炭可以有效去除水培番茄营养液中的自毒物质并且对营养液中养分含量几乎没有影响,从而提高植株和果实产量。TiO2光催化处理下催化6h后可将营养液中植物自毒物质水杨酸、苯甲酸降解51.8%、31.2%。
 
四、废液养分浓度测定和再调配
 
无土栽培营养液废液经过前期阶段灭菌去毒后再通过营养液循环再利用装备进行废液养分浓度的测定和再调配,使废液养分含量能满足后续种植需求。目前开发了一些测定装备和软件以解决回收利用时营养液废液养分含量快速测试问题并进行需求调配。已开发设计出营养液循环再利用装备中自动检测和控制装置配有多种探头,可测定温度、液压、溶解氧、pH、EC等指标,通过各种离子浓度在线测定后进行调配。在应用中根据实测电极电压和营养液温度直接按拟合的函数关系计算养分含量,在线监测营养液中温度、pH、EC、NO3-、K+、Ca2+和溶氧值数值变化,pH和各离子浓度可根据测定结果自动调配以及营养液自动加温,测量精度较高,适用范围广。
 
五、废液后续利用技术
 
无土栽培营养液废液经过灭菌去毒和养分测量调配后就可进行植物种植再利用。常见的方式是通过调配重新回到原无土栽培种植体系中循环利用。若受到运行成本等条件限制,无法进行养分调配,则可将营养液废液转移到其他栽培体系中得以运用。
 
根据植物生长营养吸收差异原理的营养液阶梯串级利用方式是一种新的营养液废液利用方式。通过不同植物对矿质养分吸收量不同设计了番茄→西葫芦(黄瓜)→生菜(西芹、红叶甜菜、油菜、菊苣)→西洋菜(空心菜、三叶芹、荆芥)→水草和鱼类5级栽培模式,得到较好的经济效益,这种植物串级利用是一种较新颖、环境友好、运行成本较低的营养液废液利用方法。
 
营养液废液作为一种新的农业废弃物,在国内外其综合利用越来越受到重视,从去杂、消毒灭菌、营养在线测定与重配、植物多级吸收利用等技术和装置的研究日趋深入。随着植物工厂无土栽培规模的扩大所产生的营养液废液日益增多,其处理系统也更趋于集约化、自动化。目前国外如荷兰1999年就已发布法规规定所有温室无土栽培必须采用封闭式,以避免开发式无土栽培中废弃营养液排放引起的周围水体污染和富营养化。虽然国内营养液废液综合利用方面起步较晚,但随着无土栽培规模的扩大和对环境的重视,也将获得迅速发展,并会在园艺、园林绿化等方面后续利用中发挥新的作用。




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