CN107445659B - 一种光催化增氧消毒补肥装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化增氧消毒补肥装置，包括：微纳米气泡发生装置、光催化消毒装置、硝化反应装置、调节池和曝气头，微纳米气泡发生装置与曝气头相连通，光催化消毒装置的出口与调节池的入口相连通，光催化消毒装置的出口与硝化反应装置的入口相连通，硝化反应装置的出口与调节池的进口相连通。本发明的装置可以将空气以微纳米气泡的形态的快速的分散在液相中，提高水体中的溶氧值，不仅有利于提高后续硝化反应的转化效率，还可以促进植物根系的生长，特别是对于无土栽培中水培的植物，能够避免根系缺氧造成的烂根现象。
Description
技术领域
本发明涉及农业生产领域，具体涉及水肥一体化技术中一种光催化增氧消毒补肥装置及方法。
背景技术
化肥和农药的使用对人类生存发展产生了重大深远的影响，它们的使用极大的促进了农作物的增产增收，解决了人类的温饱问题、增强了社会稳定、对人类健康和文明的发展做出了巨大的贡献，但由于过量使用滥用，带来的环境污染、生态结构破坏、食品安全问题也日益突出。采用先进的技术和生产模式保障资源的高效利用，降低化肥农药的使用量，减轻对环境的负面冲击，是现在农业发展必然趋势。其中水肥一体化技术因为节水节肥、提高劳动效率等优势在国内外正在加速发展。对水质的控制和肥料的选择配置是水肥一体化技术研究的重点。尤其是对于液体肥循环使用的无土栽培设施，液体肥接触病原的几率大大增加，并且一旦染病传播会非常迅速，短时间内就能使整个栽培系统全部染病，造成重大的经济损失，因此水质的杀菌消毒显得尤为重要。
目前常用的杀菌消毒方式括高温消毒、砂滤、化学药剂、紫外线、臭氧等。其中高温消毒效果好且环境友好，但耗能较大、投入也较大；砂滤处理量较小，效果一般，但环境友好无污染；化学试剂效果稳定，但对环境有污染易造成药剂残留；紫外线杀菌效率高，但受水质影响较大；臭氧消毒反应迅速，无二次残留，是一种较好的消毒方式，但由于臭氧本身不溶于水，目前臭氧多用在空气中消毒。现有技术中使用微纳米气泡发生技术与臭氧消毒相结合，解决臭氧在水中溶解的问题，具有一定的效果。但是由于微纳米气泡在水中存在时间长的特性，臭氧的强氧化性会影响根系的生长，一般需要增加臭氧消解装置，比如鼓风机吹脱等，增加能耗还影响系统运转效率；同时还存在臭氧溢出的问题，控制不当对环境和人体都存在安全隐患。
水肥一体化技术中一般采用水溶性化合物配置而成，对纯度的要求较高，一般为工业生产的化学品配置而成。随着国家供给侧改革的提出，农业的发展方向由增量到提质转变，对于化肥农药减施增效提出了更高的要求。N元素是作物生长需求的大量元素之一，而氮气在大气中含量达接近80%，利用氮气作为氮源供给作物吸收是科学家们研究的热点技术之一。现有技术中利用空气中氮气进行固氮转化的有高压脉冲放电法和高温高压催化法，这两种方法实现了氮气转化为易于植物吸收的硝态氮，实验验证具有增产的功效。但这两种技术涉及高压或者高温，设备投资大且能耗高，难适应于推广应用。
发明内容
本发明针对作物种植中水溶性肥料需要杀菌消毒以及动态补充调节肥料的问题，提供一种光催化增氧消毒补肥装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种光催化增氧消毒补肥装置，包括：微纳米气泡发生装置、光催化消毒装置、硝化反应装置、调节池和曝气头，所述微纳米气泡发生装置与曝气头相连通，所述曝气头设置在光催化消毒装置内，所述光催化消毒装置的出口分别与调节池的入口和硝化反应装置的入口相连通，所述硝化反应装置的出口与调节池的入口相连通。
进一步，所述光催化消毒装置包括：光催化池、位于光催化池内的紫外灯、位于光催化池内的催化剂载体网栅和附着在催化剂载体网栅上的光催化剂，所述催化剂载体网栅与紫外灯交替排布，所述曝气头位于光催化池内并位于催化剂载体网栅与紫外灯的下方；所述光催化池的上部设有用于将光催化池中的气液混合物回流至微纳米气泡发生装置中的进液管路。
进一步，所述催化剂载体网栅由多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃板、金属中的至少一种制成。
进一步，所述光催化消毒装置包括光催化池、紫外灯、带孔的隔板、催化剂载体颗粒和附着在催化剂载体颗粒上的光催化剂，所述曝气头位于光催化池的底部，所述隔板位于曝气头的上方并与光催化池内壁相连接，所述催化剂载体颗粒堆放在隔板的上部；所述紫外灯位于光催化颗粒的上方；所述光催化消毒装置的出口位于光催化颗粒的上方。
进一步，所述光催化颗粒为砂石、硅胶、玻璃珠、塑料球中的至少一种。
进一步，所述光催化剂成分包括TiO2、Ga2O3、CN、Fe2O3、ZnO、WO3、MoS2、Cu2O、CuO、CdSe、SiC、FeTi2O7、CdS、Ta3N5、BiVO4中的至少一种。
进一步，所述光催化剂包括掺杂了In2O3、Cu+、Al3+、Fe3+、Ag+、V5+和C中至少一种的TiO2、Ga2O3、CN、Fe2O3、ZnO、WO3、MoS2、Cu2O、CuO、CdSe、SiC、FeTi2O7、CdS、Ta3N5和BiVO4中的至少一种。
进一步，还包括无土栽培装置，所述调节池的出口与无土栽培装置的进口相连通，所述无土栽培装置的出口与光催化消毒装置的入口相连通。
进一步，还包括灌溉装置，所述调节池的出口与灌溉装置的进口相连通。
进一步，微纳米气泡发生装置与曝气头联用产生微纳米气泡水，所述微纳米气泡水包括水体和微纳米气泡，所述微纳米气泡的粒径范围为10nm至30μm，所述水体中溶解氧的范围为6至20mg/L。
本发明还提供一种光催化增氧消毒补肥方法，包括如下步骤：
S1，开启微纳米气泡发生装置，空气和水进入过微纳米气泡发生装置通过充分的混合形成气液混合流体，再通过曝气头在光催化消毒装置内部形成微纳米气泡水；
S2，光催化消毒装置实现对液相的杀菌消毒处理，同时实现对微纳米气泡中氮气成分的催化；
S3，经过光催化消毒装置处理过的液体再进入硝化反应装置中，通过生物硝化反应将液相中的氨氮转化为硝态氮后，液相进入调节池。
进一步，调节池内的经过消毒增氧并混合了氮肥的液体（经过营养液配置后）流入无土栽培装置中或者灌溉装置。
进一步，在所述步骤S1和步骤S2之间，还包括：关闭微纳米气泡发生装置的水源入口，光催化消毒装置内部的液体通过微纳米气泡发生装置的进液管路与空气再次在微纳米气泡发生装置的内部循环混合。
本发明的有益效果是：
本发明装置可以将空气以微纳米气泡的形态的快速的分散在液相中，快速提高水体中的溶氧值，提高水体中的溶氧值不仅有利于提高后续硝化反应的转化效率，还可以促进植物根系的生长，特别是对于无土栽培中水培的植物，能够避免根系缺氧造成的烂根现象。
以微纳米气泡的形态快速的分散在液相中的空气，相比较于传统曝气产生的大气泡，在水中停留的时间更长、产生的气液界面更大，这样更有利于光催化反应的进行。
光催化反应器中的紫外灯作用不仅用于激活光催化剂将空气中的氮气催化作用外，还能用发挥消毒作用，对液相进行杀菌消毒。充分发挥了紫外灯的作用。
本发明装置对液相的净化处理包括微纳米气泡曝气处理和紫外灯照射，两个过程均属于物理消毒。微纳米气泡对水中的固体悬浮物、去除水中的重金属、化学有机物、余氯、杀灭细菌具有一定的效果，与紫外灯杀菌消毒联用保障了杀菌消毒的效果，保障做植物的正常生长。由于不添加化学物质，不需要臭氧及其他化学品消毒后续的吹脱消解过程，减少了农药的施用更加安全高效。
本发明装置利用了大气中的氮气，通过转化得到植物能够吸收的液体氮肥，起到了对植物补充氮肥的作用，有利于化肥的减施增效。
附图说明
图1为本发明光催化增氧消毒补肥装置的结构示意图；
图2为本发明的一种光催化消毒装置的结构示意图;
图3为图2中的紫外灯的结构示意图；
图4为图2中的催化剂载体网栅的结构示意图
图5为本发明的一种光催化消毒装置的结构示意图;
图6为本发明的一种实施例示的结构示意图。附图说明
1微纳米气泡发生装置，2光催化消毒装置，3 硝化反应装置，4调节池，5无土栽培装置，6过滤净化装置，7空气源，8水源，9气液混合流体管路，10进液管路，11调节池进液管a，12调节池进液管b，13硝化反应装置进液管，14硝化反应装置出液管，15光催化消毒装置出液管，16无土栽培系统出液管，17调节池出液管，18双通阀门，19阀门a，20阀门b，21紫外灯，22催化剂载体网栅，23曝气头，24催化剂载体颗粒，25隔板，51灌溉装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示所述装置包括：微纳米气泡发生装置1、光催化消毒装置2、硝化反应装置3、调节池4、无土栽培装置5、紫外灯21和曝气头23等。
空气源7和水源8分别通过微纳米气泡发生装置1的气源接口和液体接口进入微纳米气泡发生装置1内部，在装置内部充分混合形成气液混合流体，气液混合流体管路9一端连接微纳米气泡发生装置的气液混合流体出口，一端连接位于光催化消毒装置2底部的曝气头23。在微纳米气泡发生装置1内形成的气液混合流体经过气液混合流体管路9和曝气头23后形成微纳米气泡水进入光催化消毒装置2。光催化消毒装置出液管15连接双通阀门18的进液口，双通阀门18的出液口一端连接硝化反应装置进液管13，另一端连接调节池进液管a11。经过光催化消毒装置2的微纳米气泡水通过光催化消毒装置出液管15和硝化反应装置进液管13进入硝化反应装置3。阀门a19一端连接硝化反应装置出液管14，另一端连接调节池进液管b12。经过硝化反应装置的微纳米气泡水经过硝化反应装置出液管14和调节池进液管b12进入调节池4。阀门b20安装在调节池出液管17上，调节池出液管17另一端连接无土栽培的营养液进液口，对作物进行灌溉。流出的营养液经过无土栽培系统出液管16和安装于出液管16上的过滤净化装置6后，流入光催化消毒装置2。光催化消毒装置2中的液体通过进液管路10进入微纳米气泡发生装置1，液体与空气源7在微纳米气泡发生装置1中充分混合后，进过气液混合流体管路9流入光催化消毒装置2。整个过程实现了液体的循环利用。
实施例2
如图6所示所述装置包括：微纳米气泡发生装置1、光催化消毒装置2、 调节池4、紫外灯21、曝气头23和灌溉装置51等。
空气源7和水源8分别通过微纳米气泡发生装置1的气源接口和液体接口进入微纳米气泡发生装置1内部，在装置内部充分混合形成气液混合流体，气液混合流体管路9一端连接微纳米气泡发生装置的气液混合流体出口，一端连接位于光催化消毒装置2底部的曝气头23。在微纳米气泡发生装置1内形成的气液混合流体经过气液混合流体管路9和曝气头23后形成微纳米气泡水进入光催化消毒装置2。光催化消毒装置出液15连接调节池4，调节池出液管17连接灌溉装置51，实现对大田土壤的灌溉。
实施例3
在实施例1或者实施例2的基础上，所述光催化消毒装置2包括：光催化池26、位于光催化池26内的紫外灯21和催化剂载体网栅22和附着在催化剂载体网栅22上的光催化剂，所述催化剂载体网栅22与紫外灯21交替排布，所述曝气头23位于光催化池26内并位于催化剂载体网栅22与紫外灯21的下方。
所述催化剂载体网栅22由多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃板、金属中的至少一种制成。
实施例4
在实施例1或者实施例2的基础上，所述光催化消毒装置2包括光催化池26、紫外灯21、隔板25、催化剂载体颗粒24和附着在催化剂载体颗粒24上的光催化剂，所述曝气头23位于光催化池26的底部，所述隔板25位于曝气头23的上方并与光催化池26内壁相连接，所述催化剂载体颗粒24堆放在隔板25的上部；所述紫外灯21位于催化剂载体颗粒24的上方；所述光催化消毒装置2的出口位于催化剂载体颗粒24的上方。
所述催化剂载体颗粒24为砂石、硅胶、玻璃珠、塑料球中的至少一种。
在实施例3或4中，所述光催化剂成分可以为TiO2、Ga2O3、CN、Fe2O3、ZnO、WO3、MoS2、Cu2O、CuO、CdSe、SiC、FeTi2O7、CdS、Ta3N5、BiVO4中的至少一种，或者两种或两种以上的混合。
在实施例3或4中，所述光催化剂还可以为在TiO2、Ga2O3、CN、Fe2O3、ZnO、WO3、MoS2、Cu2O、CuO、CdSe、SiC、FeTi2O7、CdS、Ta3N5、BiVO4中的至少一种，或者两种或两种以上的混合的基础上，掺杂了In2O3、Cu+、Al3+、Fe3+、Ag+、V5+、C复合材料。其中所述掺杂可以为化学掺杂也可以为物理掺杂。
例如光催化剂可以为TiO2，也可以为TiO2和Ga2O3的混合物，还可以为掺杂了In2O3、Cu+和Al3+的TiO2和Ga2O3的混合物。
微纳米气泡发生装置1与曝气头23联用能够产生微纳米气泡的粒径范围为10nm至30μm，水体中溶解氧的范围为6至20 mg/L。
本发明还涉及一种光催化增氧消毒补肥方法，如下步骤：
1）开启微纳米气泡发生装置后，空气和水分别通过微纳米气泡发生装置的气源进口和水源进口进入微纳米气泡发生装置内部，通过充分的混合形成气液混合流体，在通过曝气头二次切割，在光催化消毒装置内部形成微纳米气泡水。
2）微纳米气泡发生装置的水源入口关闭，光催化装置内部的液体可以通过微纳米气泡发生装置的进液管路与空气再次在微纳米气泡发生装置的内部循化混合。这个过程实现空气在液相中的混合，同时微纳米气泡发生的过程实现对液体进行了水净化处理。
3）光催化消毒装置内部的紫外光实现对照射实现对液相的杀菌消毒处理，紫外光激发光催化剂产生催化活性实现对微纳米气泡中氮气成分的发生催化反应。
4）经过光催化消毒装置处理过的液体再进入硝化反应装置中，通过生物硝化反应将液相中的氨氮转化为硝态氮后，液相进入调节池，对液相中的营养成分进行调节配置后得到水溶性肥，用做作物生长的灌溉水源、营养液等使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光催化增氧消毒补肥装置，其特征在于，包括：微纳米气泡发生装置（1）、光催化消毒装置（2）、硝化反应装置（3）、调节池（4）和曝气头（23），所述微纳米气泡发生装置（1）与曝气头（23）相连通，所述曝气头（23）设置在光催化消毒装置（2）内，所述光催化消毒装置（2）的出口分别与调节池（4）的入口和硝化反应装置（3）的入口相连通，所述硝化反应装置（3）的出口与调节池（4）的入口相连通；
所述光催化消毒装置（2）包括：光催化池（26）、位于光催化池（26）内的紫外灯（21）、位于光催化池（26）内的催化剂载体网栅（22）和附着在催化剂载体网栅（22）上的光催化剂，所述催化剂载体网栅（22）与紫外灯（21）交替排布，所述曝气头（23）位于光催化池（26）内并位于催化剂载体网栅（22）与紫外灯（21）的下方；所述光催化池（26）的上部设有用于将光催化池（26）中的气液混合物回流至微纳米气泡发生装置（1）中的进液管路（10）。
2.根据权利要求1所述的光催化增氧消毒补肥装置，其特征在于，所述光催化剂成分包括TiO2、Ga2O3、CN、Fe2O3、ZnO、WO3、MoS2、Cu2O、CuO、CdSe、SiC、FeTi2O7、CdS、Ta3N5、BiVO4中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的光催化增氧消毒补肥装置，其特征在于，所述光催化剂包括所述光催化剂包括掺杂了In2O3、Cu+、Al3+、Fe3+、Ag+、V5+和C中至少一种的TiO2、Ga2O3、CN、Fe2O3、ZnO、WO3、MoS2、Cu2O、CuO、CdSe、SiC、FeTi2O7、CdS、Ta3N5和BiVO4中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的光催化增氧消毒补肥装置，其特征在于，还包括无土栽培装置（5），所述调节池（4）的出口与无土栽培装置（5）的进口相连通，所述无土栽培装置（5）的出口与光催化消毒装置（2）的入口相连通。
5.根据权利要求1所述的光催化增氧消毒补肥装置，其特征在于，还包括灌溉装置（51），所述调节池（4）的出口与灌溉装置（51）的进口相连通。
6.根据权利要求1或4-5任一所述的光催化增氧消毒补肥装置，其特征在于，微纳米气泡发生装置（1）与曝气头（23）联用产生微纳米气泡水，所述微纳米气泡水包括水体和微纳米气泡，所述微纳米气泡的粒径范围为10nm至30μm，所述水体中溶解氧的范围为6~20mg/L。
7.一种采用如权利要求1所述的光催化增氧消毒补肥装置进行光催化增氧消毒补肥方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1，开启微纳米气泡发生装置（1），空气和水进入过微纳米气泡发生装置（1）通过充分的混合形成气液混合流体，再通过曝气头（23）在光催化消毒装置（2）内部形成微纳米气泡水；
S2，光催化消毒装置（2）实现对液相的杀菌消毒处理，同时实现对微纳米气泡中氮气成分的催化；
S3，经过光催化消毒装置（2）处理过的液体再进入硝化反应装置（3）中，通过生物硝化反应将液相中的氨氮转化为硝态氮后，液相进入调节池（4）。
8.根据权利要求7所述的光催化增氧消毒补肥方法，其特征在于，在所述步骤S1和步骤S2之间，还包括：关闭微纳米气泡发生装置（1）的水源入口，光催化消毒装置（2）内部的液体通过微纳米气泡发生装置（1）的进液管路（10）与空气再次在微纳米气泡发生装置（1）的内部循环混合。
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