營 養(yǎng) 液 循 環(huán) 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(yè) 部 規(guī) 劃 設 計 研 究 院, 北 京 100125) 摘 要: 溫 室 作 物 水 培 采 用 營 養(yǎng) 液 進 行 循 環(huán) 灌 溉, 營 養(yǎng) 液 在 周 期 使 用 過 程 中 會 滋 生 很 多 有 害 細 菌, 影 響 作 物 的 品 質。 荷 蘭 等 農 業(yè) 發(fā) 達 國 家 已 普 遍 采 用 紫 外 線 對 營 養(yǎng) 液 進 行 消 毒, 消 毒 設 備 與 灌 溉 系 統(tǒng) 統(tǒng) 一 管 理, 達 到 了 自 動 化 的 程 度。 為 此, 對 紫 外 線 消 毒 機 理 進 行 了 深 入 研 究, 試 制 加 工 的 紫 外 線 消 毒 機 具 備 接 近 國 外 同 類 產 品 的 消 毒 能 力, 能 實 現(xiàn) 自 動 管 理、 維 護, 降 低 了 作 物 的 灌 溉 成 本, 提 高 了 作 物 的 品 質, 具 有 較 好 的 應 用 前 景 和 推 廣 價 值。 關 鍵 詞: 紫 外 線 消 毒 機; 營 養(yǎng) 液; 循 環(huán) 灌 溉; 溫 室 中 圖 分 類 號: S625.3       文 獻 標 識 碼: A 文 章 編 號:1003-188X(2018)09-0069-05 0 引 言 在 我 國 設 施 農 業(yè) 領 域, 土 壤 一 般 連 續(xù) 耕 種3 年 后, 病 毒 和 次 生 鹽 漬 化 便 會 導 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 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 對 生 態(tài) 系 統(tǒng) 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(yè) 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(yǎng) 液 栽 培 2 。 由 于 種 植 業(yè) 工 況 環(huán) 境 復 雜, 考 慮 到 種 植 業(yè) 成 本 的 構 成, 營 養(yǎng) 液 多 采 用 循 環(huán) 使 用, 這 就 導 致 了 細 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, 同 時 也 浪 費 了 營 養(yǎng) 液 的 有 效 成 分。 當 前 世 界 上 農 業(yè) 發(fā) 達 國 家, 在 灌 溉 消 毒 領 域 已 開 發(fā) 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(fā) 展 還 沒 有 達 到 先 進 農 業(yè) 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: 單 一 藥 劑 只 對 某 一 病 原 菌 起 到 殺 滅 作 用; 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。 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(yǎng) 液 的 收 稿 日 期: 2017-05-17 基 金 項 目: 國 家 重 點 研 發(fā) 計 劃 項 目(2017YFD0701500) 作 者 簡 介: 王 偉 琳(1980-), 男, 哈 爾 濱 人, 博 士 后,(E-mail) wwl3939 163.com。 通 訊 作 者: 齊 飛(1967-), 男, 銀 川 人, 研 究 員, 博 士 生 導 師,(E- mail)Qf2008188.com。 有 效 性 3 。 由 于 種 植 業(yè) 本 身 對 成 本 十 分 敏 感, 那 么 如 何 經 濟、 合 理、 綠 色 地 使 用 營 養(yǎng) 液, 在 確 保 作 物 質 量 的 基 礎 上 保 證 企 業(yè) 的 競 爭 力, 是 相 關 領 域 學 者 關 心 的 問 題。 荷 蘭 等 農 業(yè) 強 國 普 遍 認 可 了 營 養(yǎng) 液 循 環(huán) 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(yǎng) 液 循 環(huán) 利 用 整 個 工 藝 鏈 條 中, 消 毒 是 最 為 關 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 業(yè) 的 作 業(yè) 設 備, 筆 者 開 發(fā) 了 循 環(huán) 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(tǒng) 的 營 養(yǎng) 液 回 收 利 用。 學 者AmsingJ.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(yǎng) 液 回 收 利 用 的 工 藝 中, 消 毒 環(huán) 節(jié) 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(yǎng) 液 內 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, 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 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。 9 6 2018 年9 月             農 機 化 研 究                第9 期 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(yè) 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: 該 法 可 以 有 效 殺 滅 相 關 細 菌; 對 營 養(yǎng) 液 中 有 效 成 分 影 響 小; 設 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 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(jù) 實 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 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 提 供 的 數(shù) 據(jù), 在 營 養(yǎng) 液 滅 菌 時, 當 紫 外 線 輻 射 強 度 達 到100mJ/cm 2 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/cm 2 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/cm 2 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(fā) 的 消 毒 機 可 以 有 效 地 消 除 營 養(yǎng) 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(yè) 企 業(yè), 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(jù) 用 戶 需 求 不 同, 其 初 始 設 計 考 慮 的 關 鍵 參 數(shù) 是: 輻 射 量; 光 線 穿 透 率。 根 據(jù) 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(xiàn)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(shù) 化 定 制, 以 滿 足 不 同 種 植 業(yè) 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(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 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 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1cm 3 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(yè) 工 況 環(huán) 境 復 雜, 國 內 種 植 用 戶 分 布 多 樣 性, 設 備 本 身 的 參 數(shù) 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(tài) 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(yōu) 化 問 題。 表1 針 對 不 同 對 象 紫 外 線 消 毒 輻 射 強 度 值 Table1 Theultravioletradiationintensityfordifferentbacteria 性 能 參 數(shù) 取 值 /100mJcm - 2 水 中 的 大 腸 桿 菌 16.2 炭 疽 桿 菌 13.7 乳 酸 鏈 球 菌 18 扁 闊 棒 狀 桿 菌 24 菊 歐 文 菌 20 野 油 菜/ 天 竺 葵 黃 單 胞 菌 26 流 蘇 角 化 病 100 大 刀 鐮 刀 菌 100 尖 孢 鐮 刀 菌 40 青 霉 菌 120 肉 桂 疫 霉 30 疫 霉 菌 70 終 極 腐 霉 菌 100 立 枯 絲 核 菌 120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(tǒng) 計, 提 供 其 企 業(yè) 整 體 灌 溉 方 案、 水 質 數(shù) 據(jù)、 營 養(yǎng) 配 比、 施 放 方 案 及 產 品 類 型 等 信 息, 由 專 業(yè) 工 程 師 輔 助 選 型; 當 工 廠 生 產 目 標 發(fā) 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(yǎng) 液 穿 透 率 參 考 值。 表2 不 同 作 物 營 養(yǎng) 液 紫 外 線 穿 透 率 Table2 Theultravioletradiationpenetrationrateof differentnutrientsolutions 作 物 回 水 紫 外 穿 透 率 /% 玫 瑰 18 非 洲 菊 17 紅 掌 45 0 7 2018 年9 月             農 機 化 研 究                第9 期 續(xù) 表2 作 物 回 水 紫 外 穿 透 率 /% 黃 瓜 28 西 紅 柿 25 甜 椒 27根 據(jù) 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(xiàn) 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(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 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(yǎng) 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(jù) 具 體 使 用 需 求 進 行 參 數(shù) 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 Fig.1 Thestructuraldesignofradiantchamberwith differentpenetrationrates 定 制 消 毒 設 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 參 數(shù)、 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(yōu) 化, 豐 富 其 參 數(shù) 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(xiàn) 以 下 功 能: 1) 對 營 養(yǎng) 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(xù)、 實 時 地 測 量 紫 外 線 輻 射 強 度, 進 而 根 據(jù) 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(jié) 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(yǎng) 液 的 污 濁 程 度, 決 定 了 紫 外 線 輻 射 傳 感 器 的 讀 數(shù)。 回 收 的 營 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 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(yǎng) 液 被 消 毒 完 全。 2) 紫 外 線 消 毒 燈 監(jiān) 測/ 報 警。 紫 外 線 消 毒 機 系 統(tǒng) 持 續(xù) 地 監(jiān) 控 燈 組 的 正 確 運 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。 同 時, 當 燈 達 到 預 設 工 作 上 限 時 數(shù), 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(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 度, 系 統(tǒng) 采 用 硝 酸 進 行 輻 射 室 清 潔 的 系 統(tǒng), 定 期 降 低 系 統(tǒng) 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(jù) 測 量 的 輻 射 強 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 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(yǎng) 液 攜 帶 的 大 顆 粒 污 濁 物。 營 養(yǎng) 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(yǎng) 液 中 去 除30m 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(tǒng) 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(tǒng) 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。 1 7 2018 年9 月             農 機 化 研 究                第9 期 圖2 消 毒 機 工 作 機 理 Fig.2 Theworkingmechanismofdisinfectionmachine 圖3 消 毒 機 樣 機 裝 配 模 型 Fig.3 Theprototypeassemblymodelofdisinfectionmachine 根 據(jù) 消 毒 機 使 用 環(huán) 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(tǒng) 泵, 當 系 統(tǒng) 充 滿 水 后 開 啟 紫 外 線 消 毒 燈。 監(jiān) 測 輻 射 強 度 傳 感 器 的 數(shù) 值, 在 達 到 預 設 目 標 之 前, 回 收 后 營 養(yǎng) 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(tài), 系 統(tǒng) 泵 將 排 水 罐 內 的 回 收 營 養(yǎng) 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(yǎng) 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(shù) 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(jù) 測 量 的 輻 射 強 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 備 控 制 上 來 說, 整 個 系 統(tǒng) 分 為 參 數(shù) 設 置、 自 動 操 作、 手 動 操 作、I/O 監(jiān) 控 及 數(shù) 據(jù) 報 告5 部 分。 1) 參 數(shù) 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(jiān) 測 閥 開 關 狀 態(tài), 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(tǒng) 手 動 操 作 界 面 Fig.4 Thecontrolsystemmanualinterfaceofdisinfectionmachine 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(tài) 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”, 2 7 2018 年9 月             農 機 化 研 究                第9 期 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(tǒng) 自 動 操 作 界 面 Fig.5 Thecontrolsystemautomationinterfaceofdisinfectionmachine 3 樣 機 初 步 試 驗 結 果 基 于 農 業(yè) 部 規(guī) 劃 設 計 研 究 院 設 施 農 業(yè) 所 提 供 研 發(fā) 方 案, 北 京 華 農 農 業(yè) 工 程 技 術 有 限 公 司 根 據(jù) 用 戶 需 求 定 制 生 產 了 樣 機, 該 樣 機 主 要 指 標 如 下: 系 統(tǒng) 泵 流 量/m 3 h -1 :12 穿 射 率T10:30%45% 紫 外 輻 射 定 量 水 平/ mJcm -2 :100 輻 射 室 參 數(shù) 如 下: 管 徑/ mm:15 安 裝 長 度/mm:1554 功 率/W:155 使 用 壽 命/h:13000 輻 射 室 的 數(shù) 量:6 砂 石 過 濾 器:6m 3 /h, 雙 罐 疊 片 過 濾 器:6m 3 /h,200 目 機 器 尺 寸/m:W3.0,L3.0 電 源:3 相,380V,50Hz 采 用 上 述 數(shù) 據(jù) 進 行 試 驗 時, 在180 天 番 茄 栽 培 試 驗 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 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(xiàn) 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(yǎng) 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(tǒng) 泵、 酸 泵、PVC 管 路 及 自 動 控 制 設 備 等。 2) 在 現(xiàn) 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(wěn) 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(yōu) 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(yǎng) 液 循 環(huán) 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(yè) 所 能 承 受。 4) 課 題 研 發(fā) 設 備 致 力 于 提 高 營 養(yǎng) 液 利 用 效 率, 優(yōu) 化 作 物 品 質, 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 險。 參 考 文 獻: 1 周 鑫 鑫. 設 施 農 業(yè) 肥 料 高 投 入 對 土 壤 環(huán) 境 次 生 鹽 漬 化 的 影 響 研 究D. 上 海: 東 華 大 學,2016. 2 楊 其 長, 張 成 波. 植 物 工 廠 概 論M. 北 京: 中 國 農 業(yè) 科 技 出 版 社,2005:18-20. 3 李 東 星, 田 真, 王 浚 峰, 等. 植 物 工 廠 營 養(yǎng) 液 循 環(huán) 再 利 用 裝 備 的 研 究 應 用J. 農 業(yè) 工 程,2011(1):46-51. 4 AmsingJJ.Spreadanddevelopmentof P r a t y l e n c h u s v u l n u s p o p u l a t i o n s:ebbandflowidealforattacksbyrootnematodes J.VakbladvoordeBloemisterij,1990,45:34-37. 5 宋 衛(wèi) 堂, 王 成, 侯 文 龍. 紫 外 線- 臭 氧 組 合 式 營 養(yǎng) 液 消 毒 機 的 設 計 及 滅 菌 性 能 試 驗J. 農 業(yè) 工 程 學 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( 下 轉 第80 頁) 3 7 2018 年9 月             農 機 化 研 究                第9 期 京 航 空 航 天 大 學 出 版 社,2007. 7 翁 靜 蘭. 基 于ZigBee 技 術 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 的 研 究D. 鎮(zhèn) 江: 江 蘇 大 學,2009. 8 劉 輝, 趙 麗 芬, 孫 番 典, 等. 基 于CC2530 的ZigBee 射 頻 收 發(fā) 模 塊 設 計J. 云 南 民 族 大 學 學 報: 自 然 科 學 版,2012, 21(6):452-456. 9 章 鮮 艷. 基 于DS18B20 的 無 線 測 溫 系 統(tǒng) 的 研 究 與 設 計 D. 武 漢: 武 漢 理 工 大 學,2012. 10 王 淑 華.MEMS 傳 感 器 現(xiàn) 狀 及 應 用J. 微 納 電 子 技 術, 2011(8):516-517. 11 李 艷 華. 基 于ZigBee 的 溫 度 濕 度 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 的 研 究D. 濟 南: 山 東 師 范 大 學,2013. 12 孫 雷 霸. 基 于 無 線 傳 感 器 網 絡 的 水 環(huán) 境 多 參 數(shù) 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 的 研 究 與 實 現(xiàn)D. 鎮(zhèn) 江: 江 蘇 大 學,2009. 13 潘 方.RS232 串 口 通 信 在PC 機 與 單 片 機 通 信 中 的 應 用 J. 現(xiàn) 代 電 子 技 術,2012,35(13):69-71. 14 王 營 冠, 王 智. 無 線 傳 感 器 網 絡M. 北 京: 電 子 工 業(yè) 出 版,2012. D e s i g n o f Wi r e l e s s S e n s o r S y s t e m f o r C o w B e h a v i o r M o n i t o r i n g B a s e d o n Z i g B e e YangYutianyi,HeDongjian,LiuChang,LiuCong (CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestAbodydetect;ZigBee;microcontroller ( 上 接 第73 頁) A b s t r a c t I D:1 0 0 3 - 1 8 8 X( 2 0 1 8) 0 9 - 0 0 6 9 - E A D e s i g n o f U l t r a v i o l e t D i s i n f e c t i o n M a c h i n e f o r C i r c u l a t i n g I r r i g a t i o n o f N u t r i e n t S o l u t i o n WangWeilin,HeFen,DingXiaoming,WeiXiaoming,QiFei (ChineseAcademyofAgriculturalEngineering,Beijing100125,China) A b s t r a c t:Ingreenhousecropshydroponicproductionthenutrientsolutionisalwaysusedforcirculatingirrigation.Inthis course,alotofharmfulbacteriawillbreed,whichaffectthequalityofcrops.InthedevelopedcountriessuchasHol- land,ultravioletradiationhasbeenwidelyusedinthedisinfectionofnutrientsolution.Thedisinfectionequipmentandir- rigationsystemaremanageduniformlyandreachautomationdegree.Basedonstudyofultravioletdisinfectionmechanism, theultravioletdisinfection machine for trial manufacture has the disinfection ability close to foreign similar products. Meanwhile,italsocanachieveautomaticmanagementandmaintenance,reducecropirrigationcost,improvethequality ofthecrop,andhasgoodapplicationprospectandpopularizationvalue. K e y w o r d s:ultravioletdisinfectionmachine;nutrientsolution;circulatingirrigation;greenhouse 0 8 2018 年9 月             農 機 化 研 究                第9 期