CN104353090B - 一种用于无土栽培营养液的消毒净化系统及其净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无土栽培营养液的消毒净化系统及其净化方法，包括柱形过滤系统、太阳能加热、紫外光催化反应系统等三部分。该系统利用光热耦合的协同作用，将光催化的过程引入热催化，结合形成高效的光催化反应技术，协同处理循环营养液中的毒性物质并对营养液进行消毒杀菌。本发明充分利用光能资源，功能单元设计紧凑巧妙，操作简单，保证了自毒物质的有效降解和病原菌微生物的彻底杀灭，营养液的长期循环使用。

Description

一种用于无土栽培营养液的消毒净化系统及其净化方法

技术领域

本发明涉及设施农业工程无土栽培技术领域，尤其涉及无土栽培营养液净化的光催化处理技术，属于光催化材料与农业废水净化领域，具体为一种用于无土栽培营养液的消毒净化系统及其净化方法。

背景技术

无土栽培使用营养液或营养液与基质栽培作物，无需天然土壤，不受土地质量的限制，可实现人为控制条件下作物对水分、养分、气体的充分要求，是一种集约高效的蔬菜生产方式。无土栽培作为一种清洁高效的栽培技术在设施园艺中占有重要地位，欧盟各国设施园艺生产中约90％采用无土栽培，而我国对于无土栽培技术也极为重视，并得到了迅速发展。然而，植物在生长发育过程中，根系及植物残体分解会释放植物自毒物质。封闭式无土栽培中营养液常年循环使用产生自毒物质的累积，同时增大了病原菌的接触传播，严重危害作物的生长。

近年来，营养液的消毒杀菌及自毒物质的去除问题引起了国内外学者的广泛关注。关于营养液的消毒杀菌方法主要有臭氧消毒、紫外线消毒等，而营养液中自毒物质如水杨酸、乙酸等去除主要采用吸附法如活性炭吸附，但活性炭吸附去除为物理吸附，存在吸附易饱和且并难以重复利用。二氧化钛光催化氧化技术具有反应条件温和、催化分解有机物彻底、广谱杀菌，且无毒、无二次污染、可重复使用等优势，该技术并已延伸至设施园艺领域。但在实际应用中其氧化活性不足仍是普遍问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种利用光热耦合的作用原理，可对营养液进行消毒杀菌，同时还可以有效降解去除营养液中的毒性物质，且吸附不易饱和并可以重复利用用于，氧化活性足的无土栽培营养液的消毒净化系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为，一种用于无土栽培营养液的消毒净化系统，包括依次管道连接的营养液储蓄池、柱形过滤器(该结构水力阻力小，反应均匀)、太阳能加热装置，曝气池和光催化反应器；所述的营养液储蓄池与柱形过滤器之间的管道于柱形过滤器上的进口位于柱形过滤器的底部，所述的柱形过滤器与太阳能加热装置之间的管道于柱形过滤器上的出口位于柱形过滤器的上部；所述的柱形过滤器内设有滤料；所述的太阳能加热装置包括太阳能集热装置和储水装置，所述的柱形过滤器的出口通过管道与储水装置连接；所述的光催化反应器包括不透光箱体，设置于不透光箱体上部的紫外灯；设置于不透光箱体中部的折流式反应槽；所述的不透光箱体两侧壁设有进水管和第一出水管，所述的进水管于不透光箱体内的出口端连接有横向与之垂直的平衡布水管，进水管的另一端与曝气池连通。

作为优选，所述的折流式反应槽包括设置于槽体内的若干平行排列的反应隔板，相邻两反应隔板分别固定于相对的槽体侧壁上、且反应隔板的自由端与相近槽体侧壁之间设有间隙；反应隔板与槽体内壁之间形成的空间内填充有包覆二氧化钛的陶粒。采用上述结构，可以扩大营养液与包覆二氧化钛的陶粒的接触面积，并延长营养液在折流槽内的流程，以充分保证营养液在折流式反应槽中的光催化效果，有效去除自毒性物质和病原菌等杂质。

本发明所述的太阳能集热装置包括太阳能电池板与太阳能电池板连接的太阳能控制器，与太阳能控制器连接的蓄电池，蓄电池输出端连接有置于储水装置内的电热器、以对营养液进行加热；采用该结构可以实现太阳能对营养液的加热处理，为后一步光催化提供更好的光-热耦合效果，也更加安全、洁净、环保。

作为优选，所述的折流式反应槽的底板可转动连接于不透光箱体内，且折流式反应槽与紫外灯箱之间设有连动杆；采用该结构可以根据流速需要，调节倾斜角度，使水流至上而下平缓流过，实现均匀、优选杀菌、消毒；同时连动杆的设置可以实现在调节反应槽时，紫外灯罩也一起调整角度，最大效率的利用紫外光能照射于折流式反应槽上，维持稳定的光照条件。

作为优选，所述的紫外灯箱外罩设有石英灯罩，防止营养液流动过程飞溅到紫外灯箱9上对紫外灯造成破坏等。

作为优选，所述的折流式反应槽出水端的下方设有接水槽，接水槽出水管与第一出水管连接，第一出水管的出水端与冷却池，采用该结构接水槽可以使得从折流式反应槽出水端流出的营养液具有导流作用从第一出水管流出，而冷却池的设置则可将杀菌、消毒后的营养液进行自然冷却后循环利用，保证资源的充分利用。

作为优选，所述的不透光箱体8的底部设有第二出水管13，采用该结构，预防折流式反应槽底部损坏而漏水不能及时回收。

作为优选，本发明所述的柱形过滤器底部设有与进口连接的环形布水管。环形布水管在过滤器底部并结合其中的滤料，具有过滤效率高、能耗低的特点，可以滤除营养液中的部分有机质、不溶性杂质，提高营养液水质透明度。本发明上述的滤料为陶瓷球或石英砂等，均为市售产品。

本发明上述的平衡布水管上布有很多均匀小孔使水流均匀流入反应槽中。

本发明还提供一种利用上述用于无土栽培营养液的消毒净化系统进行净化处理的方法，具体包括：

(1)首先将储存于营养液储蓄池中的待处理营养液通过管道通入到柱形过滤器中；

(2)待处理营养液从下至上流经柱形过滤器中的滤料过滤后进入太阳能加热装置中的储水装置，太阳能加热装置中的太阳能集热装置对待处理营养液进行加热，加热至病原菌致死温度杀灭部分病原菌；

(3)经过热处理的营养液流入曝气池，向曝气池中通入压缩空气、曝气(主要由曝气风机及专用曝气器组成，均为行业常规技术和结构)后，进入不透光箱体中部的折流式反应槽，同时位于不透光箱体上部的紫外灯对折流式反应槽中的营养液进行照射；以利用紫外光光—热的耦合作用原理，实现有效吸附分解营养液中的有毒有机物质，同时杀灭病原菌微生物；

(4)处理后的营养液进入冷却池进行自然冷却后得以循环利用。

本发明所述沉淀过滤器为小型柱式过滤反应器，反应器内装有陶瓷球、石英砂等滤料，布水管在容器底部，具有过滤效率高、能耗低的特点，可以滤除营养液中的部分有机质、不溶性杂质，提高营养液水质透明度。

本发明的优点和有益效果是：

1)本发明系统在前端设置过滤器，有效去除营养液中的不溶性杂质，提高了水质透明度，以利于后续的反应处理。

2)本发明系统利用光热耦合作用，在光催化反应器的前端设置太阳能加热装置，有效提高紫外光下光催化反应效率，提高光催化降解有毒有机污染物和杀灭病原菌的反应效率。不使用臭氧等破坏环境的有毒气体。

3)本发明系统通过光热耦合作用，保证了病原菌微生物的彻底杀灭，水质净化效果好，可长期循环使用。

4)本发明的方法具有成本低廉，简单易行，易于控制，节约资源等优点。

5)本发明利用光热耦合的协同作用原理，在光催化的过程引入热催化，结合形成高效的光催化反应技术，提高了氧化性能，协同处理循环使用营养液中的自毒物质和病原菌，具有很好的应用发展前景。

附图说明

图1为所述无土栽培营养液的消毒净化系统结构示意图。

图2为光催化反应器结构示意图。

图3折流式反应槽俯视图结构示意图。

图4太阳能加热装置结构示意图。

图5环形布水器结构示意图。

其中：1-营养液储蓄池，2-柱形过滤器，2.1-环形布水管，3-滤料，4-太阳能加热装置，4.1储水装置，4.2太阳能电池板，4.3.太阳能控制器，4.4蓄电池，4.5.电热器，5-曝气池，6.空气压缩泵，7-光催化反应器，8-不透光箱体，9-紫外灯，10-进水管，11-底部光催化材料，12-折流式反应槽，12.1.反应隔板，12.2.包覆二氧化钛的陶粒，13-第二出水管，14-第一出水管，15-连动杆,16.接水槽，17.冷却池。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实例。

本发明的无土栽培营养液的消毒净化系统，包括依次管道连接的营养液储蓄池1、柱形过滤器2、太阳能加热装置4，曝气池5和光催化反应器7；所述的营养液储蓄池1与柱形过滤器2之间的管道于柱形过滤器上的进口位于柱形过滤器2的底部，所述的柱形过滤器2与太阳能加热装置4之间的管道于柱形过滤器2上的出口位于柱形过滤器2的上部；所述的柱形过滤器2内设有滤料3；所述的太阳能加热装置4包括太阳能集热装置和储水装置4.1，所述的柱形过滤器2的出口通过管道与储水装置4.1连接；所述的光催化反应器7包括不透光箱体8，设置于不透光箱体8上部的紫外灯9；设置于不透光箱体8中部的折流式反应槽12；所述的不透光箱体8两侧壁设有进水管10和第一出水管14，所述的进水管10于不透光箱体8内的出口端连接有横向与之垂直的平衡布水管10.1，进水管10的另一端与曝气池5连通。

本发明所述的折流式反应槽12包括设置于槽体内的若干平行排列的反应隔板12.1，相邻两反应隔板分别固定于相对的槽体侧壁上、且反应隔板的自由端与相近槽体侧壁之间设有间隙；反应隔板12.1与槽体内壁之间形成的空间内填充有包覆二氧化钛的陶粒12.2。

本发明所述的太阳能集热装置为行业常规太阳能集热装置，主要包括太阳能电池板4.2与太阳能电池板连接的太阳能控制器4.3，与太阳能控制器4.3连接的蓄电4.4池，蓄电池4.4输出端连接有置于储水装置4.1内的电热器4.5；采用该结构可以实现太阳能对营养液的加热处理，更加安全、洁净、环保。

本发明所述的折流式反应槽的底板可转动连接于不透光箱体8内，且折流式反应槽与紫外灯箱之间设有连动杆15；采用该结构可以根据流速需要，调节倾斜角度，使水流至上而下平缓流过，实现均匀、优选杀菌、消毒；同时连动杆的设置可以实现在调节反应槽时，紫外灯罩也一起调整角度，最大效率的利用紫外光能照射于折流式反应槽上，维持稳定的光照条件。

本发明所述的紫外灯箱9外罩设有石英灯罩，防止营养液流动过程飞溅到紫外灯箱9上对紫外灯造成破坏等。

本发明所述的折流式反应槽出水端的下方设有接水槽16，接水槽出水管与第一出水管14连接，第一出水管14的出水端与冷却池17，采用该结构接水槽可以使得从折流式反应槽出水端流出的营养液具有导流作用从第一出水管流出，而冷却池的设置则可将杀菌、消毒后的营养液进行自然冷却后循环利用，保证资源的充分利用。

本发明所述的不透光箱体8的底部设有第二出水管13，采用该结构，预防折流式反应槽底部损坏而漏水不能及时回收。

本发明所述的柱形过滤器底部设有与进口连接的环形布水管，如图5所示，包括与进口连接的主管道，和设置于主管道上方呈环形均匀分布的支管，支管上设有若干出水孔，采用行业常规或市售环形布水管均可以适应本发明的要求。环形布水管在过滤器底部并结合其中的滤料，具有过滤效率高、能耗低的特点，可以滤除营养液中的部分有机质、不溶性杂质，提高营养液水质透明度。本发明上述的滤料为陶瓷球或石英砂等，均为市售产品。

本发明上述的平衡布水管上布有很多均匀小孔使水流均匀流入反应槽中。

本发明之所以在柱形过滤器中即在容器底部设置布水管，其具有过滤效率高、能耗低的特点，可以滤除营养液中的部分有机质、不溶性杂质，提高营养液水质透明度。

下面利用上述系统，通过具体实施例来详细描述和验证本发明的杀菌、消毒效果。

实施例1

本实施例选取水杨酸为典型的植物自毒物质，水杨酸的分子结构式如下式所示。

分别配制20mg/L的水杨酸溶液，采用该无土栽培营养液的消毒净化系统进行处理，采用分光光度法测定水杨酸浓度，最大吸收波长为230nm。待处理的溶液从过滤系统流入太阳能加热装置，加热后经过曝气和通入压缩空气(主要由曝气风机及专用曝气器组成，均为行业常规技术和结构)，进入光催化反应器的水温约为60℃，停留时间约为4h，运行后,水杨酸的降解率为82.5％。

实施例2

本实施例选取乙酸(CH₃COOH)为典型的植物自毒物质。配制20mg/L的乙酸溶液，采用该无土栽培营养液的消毒净化系统进行处理，乙酸浓度采用酸碱滴定法测定，以酚酞为指示剂，0.001mol/L氢氧化钠滴定，测定乙酸浓度。待处理的溶液从过滤系统流入太阳能加热装置，加热后经过曝气和通入压缩空气，进入光催化反应器的水温约为60℃，停留时间约为4h，运行后,乙酸的降解率为90.2％。

实施例3

本实施例选取大肠杆菌为病原微生物，初始大肠杆菌浓度为2×10⁷个/mL，采用该无土栽培营养液的消毒净化系统进行处理，大肠杆菌浓度采用平板计数法测定。待处理的溶液从过滤系统流入太阳能加热装置，加热温度约为100℃，加热后经过曝气和通入压缩空气，进入光催化反应器的水温约为60℃，停留时间约为4h，运行后水样中菌浓度为0个/mL，灭菌率为100％。

实施例4

采用该无土栽培营养液的消毒净化系统对温室水培生菜循环营养液进行处理。待处理的营养液从贮水池1进入柱形过滤器2，进水管在过滤器底部，并设有环形布水管，滤料3以石英砂为主，处理后从过滤器顶端出水，滤除部分有机质及不溶性杂质，并进入太阳能加热装置4。太阳能加热装置4为常规加热装置，包括太阳能集热装置和储水装置(储水池)，营养液进入太阳能集热装置温度控制为50～70℃的，20～30分钟即可杀灭大部分病原菌，加热后的营养液经过曝气池5并通过曝气风机6及专用曝气器通入压缩空气后，从进水管10再经平衡布水器10.1进入光催化反应器7内。然后落入到折流式反应槽12内，依次流经反应隔板12.1和填充的包覆二氧化钛的陶粒(可采用SiO2包覆TiO2粉体的制备与性能研究湖南人文科技学院化学与材料科学系湖南娄抵李恩中的制备方法制备，也可采用市售产品)12.2，然后从出水端落入接水槽16内再经第一出水管14流入冷却池17内。该过程使得营养液在紫外灯照射下，缓慢流经折流式反应槽，在光-热耦合催化作用下，有效降解营养液中有毒物质和顽固性残余病原菌，处理后的营养液经过简单自然冷却，由灌溉水泵抽入直接循环利用。

温室水培生菜的循环营养液经过本实施例4的处理8小时后，TOC降解率达到了85％，与未使用本系统的对比，在产量方面，比对照组提高了10％。因此，本发明的系统可以显著提高营养液水质品质，具有良好的增产效果。

Claims (8)

1.一种用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：包括依次管道连接的营养液储蓄池（1）、柱形过滤器（2）、太阳能加热装置（4），曝气池（5）和光催化反应器（7）；所述的营养液储蓄池（1）与柱形过滤器（2）之间的管道于柱形过滤器上的进口位于柱形过滤器（2）的底部，所述的柱形过滤器（2）与太阳能加热装置（4）之间的管道于柱形过滤器（2）上的出口位于柱形过滤器（2）的上部；所述的柱形过滤器（2）内设有滤料（3）；所述的太阳能加热装置（4）包括太阳能集热装置和储水装置（4.1），所述的柱形过滤器（2）的出口通过管道与储水装置（4.1）连接；所述的光催化反应器（7）包括不透光箱体（8），设置于不透光箱体（8） 上部的紫外灯（9）；设置于不透光箱体（8 ）中部的折流式反应槽（12）；所述的不透光箱体（8）两侧壁设有进水管（10）和第一出水管（14），所述的进水管（10）于不透光箱体（8）内的出口端连接有横向与之垂直的平衡布水管（10.1），进水管（10）的另一端与曝气池（5）连通。

2.根据权利要求1所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：所述的折流式反应槽（12）包括设置于槽体内的若干平行排列的反应隔板（12.1），相邻两反应隔板分别固定于相对的槽体侧壁上、且反应隔板的自由端与相近槽体侧壁之间设有间隙；反应隔板（12.1）与槽体内壁之间形成的空间内填充有包覆二氧化钛的陶粒（12.2）。

3.根据权利要求2所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：所述的折流式反应槽（12）的底板可转动连接于不透光箱体（8）内，且折流式反应槽（12）与紫外灯（9）之间设有连动杆（15）。

4.根据权利要求2所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：所述的紫外灯（9）外罩设有石英灯罩。

5.根据权利要求2所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：所述的折流式反应槽（12）出水端的下方设有接水槽（16），接水槽（16）的出水端与第一出水管（14）连接，第一出水管（14）的出水端连接有冷却池（17）。

6.根据权利要求2所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：所述的不透光箱体（8）的底部设有第二出水管（13）。

7.根据权利要求2所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统，其特征在于：所述的柱形过滤器（2）底部设有与进口连接的环形布水管（2.1）。

8.一种利用权利要求5所述的用于无土栽培营养液的消毒净化系统进行净化处理的方法，其特征在于：包括：

（1）首先将储存于营养液储蓄池（1）中的待处理营养液通过管道通入到柱形过滤器（2）中；

（2）待处理营养液从下至上流经柱形过滤器中的滤料（3）过滤后进入太阳能加热装置中的储水装置（4.1），太阳能加热装置中的太阳能集热装置对待处理营养液进行加热，加热至病原菌致死温度杀灭部分病原菌；

(3）经过热处理的营养液流入曝气池，向曝气池中通入压缩空气、曝气后，进入不透光箱体（8）中部的折流式反应槽（12），同时位于不透光箱体（8） 上部的紫外灯（9）对折流式反应槽（12）中的营养液进行照射；以利用紫外光光—热的耦合作用原理，实现有效吸附分解营养液中的有毒有机物质，同时杀灭病原菌微生物；

（4）处理后的营养液进入冷却池（17）进行自然冷却后得以循环利用。