营养液循环灌溉紫外线消毒机设计研究

王伟琳，何 芬，丁小明，魏晓明，齐 飞

(农业部规划设计研究院，北京 100125)

0 引言

在我国设施农业领域，土壤一般连续耕种3年后，病毒和次生盐渍化便会导致耕种土壤环境急剧破坏，生态系统紊乱[1]，药、肥剂量过施危害严重。传统栽培的周期性催生了无土栽培的兴起，无土栽培能有效应对生态系统恶化和蔬菜品质降低。

随着人口增加，耕地面积减少，人力成本增长，无论从技术上还是经济上，我国农业种植模式都在逐渐向无土栽培模式转变，温室植物的栽培方式逐渐转变为营养液栽培[2]。由于种植业工况环境复杂，考虑到种植业成本的构成，营养液多采用循环使用，这就导致了细菌的大量出现，容易对植物造成病害，大大影响了种植效果和作物品质，同时也浪费了营养液的有效成分。

当前世界上农业发达国家，在灌溉消毒领域已开发了新的方案，即紫外线消毒技术，且已经催生了成熟的消毒设备。而在我国，无土栽培的发展还没有达到先进农业国家水平，还在沿用着农药消毒。化学药剂杀毒存在的主要问题：①单一药剂只对某一病原菌起到杀灭作用；②溶解于营养液中的药剂很容易被植物吸收而残留在植物体内。药剂消毒既不安全，效率也不够高，相较而言紫外线消毒更加合理。

在温室无土栽培工艺体系中，为了保证作物成长健康、成分安全，最关键的问题就是保证营养液的有效性[3]。由于种植业本身对成本十分敏感，那么如何经济、合理、绿色地使用营养液，在确保作物质量的基础上保证企业的竞争力，是相关领域学者关心的问题。荷兰等农业强国普遍认可了营养液循环利用的方式，一方面是基于经济性的考虑，同时也是其废液处理技术达到了实际使用要求。在营养液循环利用整个工艺链条中，消毒是最为关键的一环，具有重要的研究前景和意义。

为了解决营养液再利用问题，发展适合我国农业的作业设备，笔者开发了循环灌溉紫外线消毒机，努力填补该领域国内空白。

1 紫外线消毒机工作机理

1.1 紫外线消毒机理介绍

农用消毒机主要用于潮汐灌溉、滴灌及水培等种植系统的营养液回收利用。学者Amsing J. J[4]实验证明，如放任病原体感染扩散，会对整个栽培群体内的作物造成灭顶之灾。因此，在营养液回收利用的工艺中，消毒环节至关重要。

在相关领域研究中，各国研究人员对多种消毒方法进行了实际考察，下文列出了有代表性的一些方法。

1)臭氧消毒。该方案将臭氧施加到营养液内消毒，其消毒效果显著；但该方案的副作用是会与营养液中的有效成分反应，降低营养液养分比例。

2)电热消毒。该方案需将营养液温度升高以达到杀菌目的；但其成本非常高，且杀毒周期较长。

3)高级氧化消毒。该方案工艺要求不高，但使用该法会导致产品根部积累化学物，导致安全问题。

4)超细过滤消毒。在污水处理方面有着广泛的应用，而其设备高昂的投资额度不适合农业领域使用。

紫外线辐射消毒方法目前来看，无论从投资还是工作原理，都是较为理想的应用方法：①该法可以有效杀灭相关细菌；②对营养液中有效成分影响小；③设备投资额度能为大多数企业接受。

紫外线消毒的原理十分简单。所有微生物都会被特定波长的波动所影响，这是生物的本质属性，那么所有微生物都有自己的“克星”，只要暴露在特定波长的辐射下，足够的时间内就会导致其死亡。研究设备利用了紫外线的一个特定的波长(254nm)，根据实际企业需求和工况情况，定制系统以保持消毒效率和时间，在保持营养液特性不变的基础上杀灭有害微生物，并确保企业对营养液使用的流量。

根据荷兰瓦赫宁根大学提供的数据，在营养液灭菌时，当紫外线辐射强度达到100mJ/cm2时，可有效杀死细菌、线虫和酵母菌；当紫外线辐射强度达到150mJ/cm2时，可有效杀死真菌、镰孢菌和疫病菌；当紫外线辐射强度达到250mJ/cm2时，可有效杀死病毒和黄瓜花叶病菌。

1.2 总体设计思路

课题开发的消毒机可以有效地消除营养液中微生物对作物的潜在危险。该紫外线消毒设备设计过程中侧重于面向对象、可靠、耐久的设计理念，适合大、中、小型种植业企业，尤以潮汐灌溉方式最为适合。

该紫外线消毒设备设计初始，根据用户需求不同，其初始设计考虑的关键参数是：①辐射量；②光线穿透率。

根据这种思路，消毒机在设计(定制)阶段就有3种备选辐射装置，以实现10%或更高的穿透率。辐射室的独立模块化设计，使紫外线消毒设备可以参数化定制，以满足不同种植业务的需求，其兼容性更完备。

通过对辐射量的精确调控，设备尽可能的避免影响营养液本身的营养配比，避免盲目破坏工况生态平衡，使整个灌溉系统具有良好的稳定性；同时，也降低了补充药剂的概率，某种程度上也节约了企业的工艺成本。不同对象紫外线消毒辐射强度值如表1所示。

穿透率是衡量肥水污浊程度的一个重要指标。它是指紫外(线)光穿过1cm3的水样的前后测得的光照度的比值。该比值越大，表明水体越清澈，反之表明水体污浊度越高。

由于农业工况环境复杂，国内种植用户分布多样性，设备本身的参数定制取决于种植当地水体中的铁螯合物、有机物颗粒(来自于泥炭或可可种植基质中分解中的有机物质)、生态族群分布、杂质种类、水质特征及施肥方案等多方面因素，是一个复杂的优化问题。

在用户考虑选择紫外线消毒设备前，应对其本身的建设基础进行统计，提供其企业整体灌溉方案、水质数据、营养配比、施放方案及产品类型等信息，由专业工程师辅助选型；当工厂生产目标发生变化时，则对应的消毒设备在定制阶段亦需要作出相应调整。

表2是部分作物营养液穿透率参考值。

表2 不同作物营养液紫外线穿透率

续表2

根据穿透率的不同，低压紫外线消毒设备设计构造上提供了3种辐射灯室来实现恰当的消毒效果：紫外光穿透率>45%时，回水流经辐射室内，紫外光可以穿透相当大厚度的水体；穿透率范围25%～45%时，回水流经辐射室内，紫外光可以穿透中等厚度的水体；穿透率<25%时，液体已经足够浑浊，透光性非常差，故该情况下需调整辐射室结构使其环形截面积减小，同时考虑降低流速。

相同(相近)穿透率时，杀菌率和辐射室截面积具有类似反比的关系。紫外线灯管处于辐射室中央，其光线密度自内向外依次降低，如图1所示。如给定流量或营养液经过辐射室的有效时间，经过计算可以获得辐射室管径可选范围，并获取相应的使用成本，用户可根据具体使用需求进行参数选择，以达到杀菌有效同时兼顾成本的效果。

图1 不同穿透率时辐射室结构设计

定制消毒设备本身可以看作一个专家决策系统，原理上来讲，企业工况下水质参数、作物品种、灌溉方案等都是一个设计黑箱的输入量，消毒率和成本作为设计的约束值。研究拟逐步对消毒机的智能化进行优化，丰富其参数化设计功能，增强其兼容能力，努力提高市场适应性。

1.3 消毒机运行逻辑

从原理上，除消毒功能外，消毒机主要实现以下功能：

1)对营养液流量进行控制。抛开单纯的消毒性质，设备整个运行周期均需持续、实时地测量紫外线辐射强度，进而根据目标辐射值控制流体通过紫外线消毒机的时间。紫外线辐射室内采用可调节电动阀门，通过程序计算，控制水流量与当前辐射值相匹配。

营养液的污浊程度，决定了紫外线辐射传感器的读数。回收的营养液越污浊，紫外线辐射值读数越低，营养液在紫外线辐射室内停留的时间就越长，从而达到消毒目的。严格的水流量控制可以恰到好处地保证回收营养液被消毒完全。

2)紫外线消毒灯监测/报警。紫外线消毒机系统持续地监控灯组的正确运行。如果部分紫外线灯不能正常工作，系统会立即发出警报。同时，当灯达到预设工作上限时数，机器也会提醒用户更换耗材。

3)清洁紫外线辐射室。由于回收的营养液pH值较高，水里肥料中诸如铁离子和钙离子会不同程度的沉积在紫外线辐射室的管壁上。沉积物影响了紫外线灯的辐射强度，系统采用硝酸进行辐射室清洁的系统，定期降低系统内的pH值，使辐射室保持清洁。

整个清洁过程无需人为干预，通过算法控制和运行。计算机会根据测量的辐射强度、紫外线灯管工作的小时数，来启动清洗指令。清洁工序运行时，消毒过程将被中断，辐射室被注入高浓度的硝酸(pH=3.5)，在辐射室停留约10min后，再由酸泵驱动回到排水罐中。

4)预过滤器组。主要用于过滤回收营养液携带的大颗粒污浊物。营养液中尘土颗粒将导致辐射室内阴影，同时会导致隐藏在固体颗粒微孔中的病菌，通过紫外线辐射室而不被杀死。因此，必须配备预过滤装置，从回收营养液中去除30μm以上的颗粒。全自动紫外线消毒机配置预过滤设备，包括一套砂石过滤器和一套叠片过滤器。

按照以上思路，其主要工作流程如图2所示。

2 消毒机具体设计

2.1 采用关键设备

整个系统采用的关键设备为：紫外线消毒灯(含石英管、安装支架)、砂石过滤器、叠片过滤器、系统泵、酸计量泵、控制柜和膨胀罐，如图3所示。采用的主要测量设备/传感器有：EC传感器、pH传感器、液位传感器(酸/液)、辐射强度传感器、叶轮式流量计、可视流量计和压力表等。

图2 消毒机工作机理

图3 消毒机样机装配模型

根据消毒机使用环境的多样性、复杂性，考虑到整个生产成本情况，主要设备之间采用PVC管路连接，电控部分设专门柜体和保护壳体。

2.2 工艺流程

1)预热：打开系统泵，当系统充满水后开启紫外线消毒灯。监测辐射强度传感器的数值，在达到预设目标之前，回收后营养液不得进入消毒水罐，重新排入排水罐，直到紫外线灯预热至设定辐射强度。该过程大约需要10min。

2)消毒：预热结束后，消毒机进入正常工作状态，系统泵将排水罐内的回收营养液送入预过滤组进行初步过滤后再送入紫外线辐射室进行消毒。消毒后的营养液输送至消毒水罐留待下次灌溉用，如果排水罐内的液位过低或者消毒水罐内液位过高消毒机将自动停止。

3)反冲洗：砂石过滤器可以进行自动反冲洗。当砂石过滤器上压差传感器的数值增大时，由程序控制砂石过滤器进行反冲洗。

4)酸洗：计算机会根据测量的辐射强度或及紫外线灯管工作的小时数，来启动该工序。

2.3 操作及控制系统

从设备控制上来说，整个系统分为参数设置、自动操作、手动操作、I/O监控及数据报告5部分。

1)参数设置。该部分包含了预热时间、酸洗UV值、酸停留消毒室时间、UV灯更换时长、酸泵自动流速百分比、阀开关超时、砂石罐清洗时间、砂石罐清洗间隔时间、流量传感器控制器、水流流速等设定。

2)手动操作。本界面可对所有的阀进行手动操作，将其打开或闭合，同时可监测阀开关状态，如图4所示。以下以排水阀VR为例解释。

图4 消毒机控制系统手动操作界面

按键“OFF/ON”：按动此按键，VR阀在关闭/打开进行切换，当显示为OFF时，指示灯“OFF”亮，按动此键，VR阀打开，同时按键显示为“ON”；3s后，待阀完全打开后，指示灯“ON”亮。

酸泵分3部分操作，打开酸泵的电源，输入流速百分比(100L/h的百分比)，最后打开远程控制开关。该面板还可对排水阀、消毒阀、砂石选择阀、过滤阀、酸洗选择阀、酸洗阀UV紫外灯(开关)、水泵、消毒，以及预热进行手动操控，并显示相关状态信息。

3)自动操作。在自动操作界面，按动“消毒OFF”，进入自动消毒模式，此键显示为“消毒OFF”，界面顶部显示消毒，再按动停止消毒；按动“酸洗OFF”，进入自动酸洗模式，此键显示为“酸洗OFF”，界面顶部显示酸洗，再按动停止酸洗。其界面如图5所示。

图5 消毒机控制系统自动操作界面

3 样机初步试验结果

基于农业部规划设计研究院设施农业所提供研发方案，北京华农农业工程技术有限公司根据用户需求定制生产了样机，该样机主要指标如下：

系统泵流量/m3·h-1：12

穿射率T10： 30%～45%

紫外辐射定量水平/ mJ·cm-2：100

辐射室参数如下：

管径/ mm：15

安装长度/mm：1 554

功率/W：155

使用寿命/h：13 000

辐射室的数量：6

砂石过滤器：6m3/h，双罐

叠片过滤器：6m3/h，200目

机器尺寸/m：W3.0，L3.0

电源：3相，380V，50Hz

采用上述数据进行试验时，在180天番茄栽培试验的营养液前提下，灭菌率保持在92%～95%之间(受液流量、流速变化、穿透率影响)，达到了较好的灭菌效果。

在整个试验过程中，由于工况所在地条件所限，试验结果还有进一步提高的空间，同时在现有样机基础上加强流速、流量的精细调控，会有助于进一步提高其杀菌能力。

4 结论

1)研究设计并试制了一种紫外线营养液消毒机，主要包括紫外线消毒灯、砂石过滤器、叠片过滤器、系统泵、酸泵、PVC 管路及自动控制设备等。

2)在现有试验条件下，紫外线消毒机的灭菌率保持在92%～95%之间。为提高灭菌率、稳定偏差范围，下一步拟对紫外线消毒室结构、设备整体流量/流速控制算法进行进一步优化设计，以达到更高的实际灭菌效力。

3)该样机是国内面向营养液循环灌溉领域消毒的一次尝试，旨在填补该领域国内市场空白，力争在达到国外同类产品消毒水平的基础上，使设备成本为国内种植企业所能承受。

4)课题研发设备致力于提高营养液利用效率，优化作物品质，改善种植企业工况卫生安全，降低企业投资成本和市场风险。

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