CN108887163B - 一种利用海水种植蔬菜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用海水种植蔬菜的方法。所述方法为：S1将海水的pH值并鼓入CO2产生沉淀控制为9～11；S2滤去沉淀，并利用二段纳滤装置处理得到截留液和透过液；S3向截留液补充其它营养元素得到低盐海水营养液；S4.向透过液加入步骤S2中的沉淀，加硝酸溶解后，利用反渗透装置处理得到渗透液，并补充其它营养元素得到无盐海水营养液；S5.取低盐海水营养液或者无盐海水营养液，即可用于种植蔬菜。本发明通过多种海水处理技术，相互之间配合，选择性除去NaCl，保留适量的蔬菜生长所需的矿物营养，突破了耐盐蔬菜种类较少的限制，同时还充分利用海水中的矿物元素，实现水资源和营养双重利用，也解决了海岛等土地和淡水缺乏地区蔬菜种植和供应问题。

Description

一种利用海水种植蔬菜的方法
技术领域
本发明涉及海水利用技术领域，更具体地，涉及一种利用海水及其中的营养成分种植蔬菜的方法。
背景技术
21世纪是人类全面进入开发和利用海洋资源的时代，合理开发利用海洋成为解决资源短缺，人口增长环境恶化的重要出路。目前，世界各沿海国家都把海洋开发列入国家发展战略，其中海水农业在海洋开发中占有重要地位，海水灌溉农业不但用闲置的巨量海水替代宝贵的淡水，而且提供独特的产品，产生巨大的生态效益。科学实验证实，开发海水农业潜力巨大，意义深远占地球表面71％的海洋是接受太阳能的主体，约有4/5的太阳能被海水吸收，海洋中种类达十万种以上的浮游植物和底栖藻类，通过自身的叶绿素和其他色素吸收太阳能和二氧化碳，进行光合反应并形成有机物，将光能转换为生物，最终成为海洋初级有机物。
1998年毕氏海蓬子从美国引入我国，在广东省雷州半岛试种成功，此后海南、江苏、浙江、福建等沿海地区陆续从国外引种试植并相继取得成功。除从国外引种外，我国科学家在发掘驯化本地耐海水蔬菜方面也进行了卓有成效的探索。例如，中科院植物研究所与江苏晶隆海洋产业公司联合承担的国家“863”计划耐海水蔬菜项目就是其中之一。他们培育出的海芦笋、海英菜、蕃杏、菊首、蒲公英等十多种海水蔬菜已通过了国家“863”计划专家组项目验收，并计划建立国家级海水蔬菜种植园区。但总体来讲，虽然目前已经发现了少许可以利用海水进行种植的耐盐海水蔬菜，但是毕竟耐盐蔬菜的种类很少，大多数的蔬菜仍然无法利用海水进行种植，海水水资源和矿物营养也未得到充分的利用。
若能提供一种可同时充分利用海水水资源以及其中的矿物营养的蔬菜种植方法，可种植多种蔬菜，既可以提高海水的利用，还可为缺乏淡水的沿海地区或者海岛提供多种新鲜的蔬菜，将具有重大的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于现有技术的缺陷和不足，提供一种利用海水种植蔬菜的方法，即本发明结合CO2和OH-的协同作用与膜分离技术，对海水进行选择性分离，即选择性降低和去除蔬菜有害成分，保留适量的蔬菜营养元素；在此基础上配制水培蔬菜营养液，并进行海水蔬菜的无土栽培。本发明针对沿海地区、海岛或长期处于航海途中等缺少淡水的环境或条件下，无法供应新鲜蔬菜的情况，提供一种利用海水种植蔬菜的方法。
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：
一种利用海水种植蔬菜的方法，包括如下步骤：
S1.取海水加入无机碱并鼓入CO2，同时控制海水的pH值为9～11，至不再产生沉淀；
S2.滤去沉淀，并将pH值调为5～7，然后利用二段纳滤装置处理，得到截留液和透过液；
S3.取步骤S2中的截留液，向其中分别加入400～500mg/L Ca(NO3)2、100～200mg/LNH4NO3、50～100mg/L KNO3、100～150mg/L KH2PO4、0.01～0.02mg/L FeEDTA和0.001～0.002mg/L(NH4)6Mo7O24，得到低盐海水营养液；
S4.取步骤S2中的透过液进行反渗透处理，渗透液为无盐海水，加入步骤S2中过滤的沉淀，然后加入硝酸溶解沉淀，并将pH值调为5～7，控制Ca2+的浓度为400～500mg/L，Mg2+的浓度为200～350mg/L；然后再加入100～200mg/L NH4NO3、80～120mg/L(NH4)H2PO4、400～450mg/L KNO3、0.01～0.02mg/L FeEDTA、0.001～0.002mg/L(NH4)6Mo7O24和0.01～5mg/LH3BO3，得到无盐海水营养液；
S5.取步骤S3中的低盐海水营养液或步骤S4中的无盐海水营养液，即可用于种植蔬菜；
其中，二段纳滤装置的条件为：温度20～40℃，操作压力0.4～1.5MPa，进水流量10～30L/h，进水SDI≤5；反渗透装置的条件为温度20～40℃，操作压力2～6.5MPa，进水流量5～15L/h，进水SDI≤3。
所述低盐海水是指氯化钠的质量百分比在0.7％以下，无盐海水是指海水中不存在或存在极少量的氯化钠，对于蔬菜的生长无任何的影响。
一般海水主要含Na+(10.62g/L)、Mg2+(1.28g/L)、Ca2+(0.40g/L)、K+(0.38g/L)、Cl-(19.10g/L)、SO4 2-(2.66g/L)和微量H3BO3、Mn2+、Cu2+及Zn2+等，除了高浓度的NaCl对植物不利外，其它基本是植物营养元素，特别是钙、镁、钾元素，是除了氮以外的主要植物营养元素。本发明通过对海水进行一系列的处理，即选择性地去除NaCl(以下称为‘盐’)，尽量保留其中适量植物需要的矿物元素(如Mg、Ca、B等)，不仅能利用海水中的水还可利用海水中营养元素进行蔬菜种植，达到了水资源和海水矿物营养的双重利用。
虽然二段纳滤技术能简单、快速的截留蔬菜的生长需要Ca2+和Mg2+离子，并去除NaCl；但由于海水中Ca2+和Mg2+浓度过高，对蔬菜产生不良影响，而且海水中高浓度的Ca2+和Mg2+也容易污染二段纳滤中的滤膜，不利于海水的纳滤。因此，在保证能够很好的除去海水中的NaCl的同时，还能降低对滤膜的污染，且降低高浓度Ca2+和Mg2+对蔬菜生长的影响，本发明在海水纳滤前，先采用无机碱和二氧化碳协同作用，完全除去海水中的Ca2+，而保留海水中的部分Mg2+(浓度为20～60mg/L)和H3BO3(0.01～5mg/L)，以满足蔬菜的生长对镁元素和H3BO3的需求，其中纳滤截留液占海水质量的50％～60％；透过液占海水质量的40％～50％。
海水经过二段纳滤装置处理后，其中几乎所有的NaCl均保留在透过液中，而截留液中含有极少量的NaCl，对蔬菜的生长无明显影响。而透过液中由于存在大量的NaCl，不能直接用来种植蔬菜；因此，本发明采用反渗透装置来除掉透过液中的NaCl(脱盐率不低于99.5％)，得到几乎不含有NaCl的海水，同时用HNO3溶解前期沉淀的部分钙镁离子满足植物对钙镁离子需求；由于海水中的H3BO3均在截留液中，而透过液中几乎不含有H3BO3，为满足蔬菜的营养需求，在制备无盐海水营养液时，需要加入H3BO3。而为了保证即可充分利用海水资源，反渗透膜的污染，其中反渗透产水率为10％～20％。
优选地，步骤S1和S2中采用无机碱调节pH值。
步骤S1中加入无机碱并鼓入CO2后海水pH值为9.3；步骤S2和步骤S4中加入硝酸后溶液的pH均为6.5。步骤S1中，加入无机碱并鼓入CO2后海水的pH值为9.3时，通过无机碱和CO2的协同作用，既可快速、简单的全部除去Ca2+和部分Mg2+，又可保留海水中的部分Mg2+(浓度为20～60mg/L)和H3BO3(0.01～5mg/L)。
优选地，所述无机碱为氢氧化钠。
优选地，步骤S4中沉淀加入的质量体积浓度为730～850mg/L。由于步骤S1中全部除去了Ca2+和部分的Mg2+，但蔬菜生长过程中又需要钙和镁元素，为更加充分的利用海水中的矿物元素，将步骤S2过滤得到的沉淀加入到透过液中，并控制添加的沉淀的加入量为730～850mg/L，重新利用海水中的Ca2+和Mg2+。
优选地，步骤S4中沉淀加入的剂量为780～800mg/L。
更优选地，步骤S4中沉淀加入的剂量为780mg/L。
优选地，所述蔬菜为绿叶菜。更优选地，所述绿叶菜为生菜、空心菜、小白菜或苋菜。
优选地，所述低盐海水营养液或无盐海水营养液一个月更换一次。
优选地，当种植生菜时，控制低盐海水营养液中Ca(NO3)2、NH4NO3、KNO3、KH2PO4、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24、H3BO3和Mg2+的浓度分别为450mg/L、150mg/L、100mg/L、120mg/L、0.02mg/L、0.002mg/L、0.1mg/L和25.5mg/L，其中H3BO3和Mg2+为海水保留的营养物质，其它为补加的营养物质；以无盐海水营养液种植生菜时，控制其中Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、NH4NO3、(NH4)H2PO4、KNO3、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24和H3BO3的浓度分别为450mg/L、260mg/L、150mg/L、110mg/L、400mg/L、0.01mg/L、0.002mg/L、0.2mg/L，其中Ca(NO3)2和Mg(NO3)来自海水沉淀硝酸溶解的营养物质，其它为补加的营养物质。
优选地，当种植空心菜时，控制低盐海水营养液中Ca(NO3)2、NH4NO3、KNO3、KH2PO4、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24、H3BO3和Mg2+浓度分别为450mg/L、130mg/L、100mg/L、140mg/L、0.015mg/L、0.0015mg/L、0.15mg/L和35mg/L，其中H3BO3和Mg2+为海水保留的营养物质，其它为补加的营养物质；以无盐海水营养液种植空心菜时，控制其中Ca(NO3)2、Mg(NO3)、NH4NO3、(NH4)H2PO4、KNO3、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24和H3BO3的浓度分别为450mg/L、260mg/L、120mg/L、100mg/L、420mg/L、0.02mg/L、0.0015mg/L和0.02mg/L，其中Ca(NO3)2和Mg(NO3)2来自海水沉淀硝酸溶解的营养物质，其它为补加营养物质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过多种海水淡化技术，相互之间配合，将海水进行淡化，特定的除去NaCl，保留适量植物生长所需的矿物营养，使得纳滤后的低盐海水适于种植耐盐0.7％以下的蔬菜，且反渗透后无盐海水具有更广泛的适应性，同时还能更加充分利用海水中的部分矿物元素，实现水资源和营养双重利用，也解决了土地和淡水缺乏地区的蔬菜种植和供应问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
本发明制备的低盐海水和无盐海水中不含有或含有极少量的氯化钠，可以用来种植普通的蔬菜(不耐盐的蔬菜)，其中的含盐量不影响普通蔬菜的正常生长，而且低盐海水和无盐海水中含有多种丰富的矿物营养元素，可以很好的满足多种蔬菜的生长，提高蔬菜的品质。由于生菜和空心菜的生长速度较快，鉴于时间的限制因素，本发明以这两种蔬菜为例，以下面实施例中制备的低盐海水或者无盐海水为营养液，利用无土栽培技术进行种植。
实施例1
低盐海水营养液种植生菜：取海水1m3，加入NaOH调整pH到9.3并鼓入CO2至不再产生沉淀，取上清液用HNO3其pH调整到6.5后，对其进行二段纳滤，控制海水截留率为40％，截留海水中Mg2+的浓度为25.5mg/L和H3BO3的浓度为0.1mg/L等植物营养物质，然后向截留液中加入Ca(NO3)2、NH4NO3、KNO3、KH2PO4、FeEDTA和(NH4)6Mo7O24，制得低盐海水营养液，其中上述6种盐的浓度分别为450mg/L、150mg/L、100mg/L、120mg/L、0.02mg/L和0.002mg/L。
其中，二段纳滤装置(NF-2012)的条件为：温度20～40℃，操作压力0.4～1.5MPa，进水流量10～30L/h。
将上述制得低盐海水营养液储存在水箱中，采用无水栽培技术，本实施例中采用的是带有循环系统管式水培设备，为4根共串的种植管，每根管上有10个栽种孔，在栽种孔中放入生菜种苗，然后利用水泵定时自动将营养液泵入种植管中，水泵每1.5小时开启一次，每次开启5分钟，生菜即可正常生长；期间，营养液一个月更换一次。
生菜种苗生长一个月期间，长势茂盛，从平均2.3cm长到了平均13.6cm高，且无其他不良状态。
实施例2
低盐海水营养液种植空心菜：低盐海水的制备过程同实施例1，不同之处在于营养液中添加了Ca(NO3)4.H2O，NH4NO3，KNO3，KH2PO4，FeEDTA、(NH4)6Mo7O24，添加后它们的浓度分别为450mg/L、130mg/L、100mg/L、140mg/L、0.015mg/L、0.0015mg/L，其中、H3BO3和Mg2+的浓度分别为0.15mg/L和35mg/L。
将本实施例制得的低盐海水作为营养液，参照实施例1中的无土栽培模式种植空心菜，一个月期间，空心菜长势茂盛，从平均5.3cm长到了平均26.4cm高，且无其他不良状态。
实施例3
无盐海水营养液种植生菜：将实施例1中经过二段纳滤装置处理后的透过液进行进一步的处理，向其中添加实施例1中过滤得到的沉淀(沉淀加入的质量体积浓度为780mg/L)，并加入硝酸溶解沉淀，将pH值调为6.5，然后利用反渗透装置进行淡化，最后取渗透液，向其中分别加入NH4NO3、(NH4)H2PO4、KNO3、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24和H3BO3，添加后它们的浓度分别为150mg/L、110mg/L、400mg/L、0.01mg/L、0.002mg/L和0.2mg/L，即得到无盐海水营养液，其中Ca2+和Mg2+的浓度分别为450mg/L和260mg/L。
上述过程中，反渗透装置的条件为：温度20～40℃，操作压力4～6.5MPa，进水流量0.5～1.5m3/h。
将上述制得的无盐海水作为蔬菜无土栽培的营养液，参照实施例1中的无土栽培方法种植生菜，一个月期间，生菜长势茂盛，从平均2.1cm长到了平均15.2cm高，且无其他不良状态。
实施例4
无盐海水营养液种植生菜：参照实施例3中的方法得到无盐海水营养液，添加NH4NO3、(NH4)H2PO4、KNO3、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24和H3BO3，添加后它们的浓度分别为120mg/L、100mg/L、420mg/L、0.02mg/L、0.0015mg/L和0.02mg/L，无盐海水营养液中Ca2+和Mg2+的浓度分别为450mg/L和260mg/L。
将本实施例制得的无盐海水作为无土栽培的营养液，参照实施例2中的方法种植空心菜，一个月期间，空心菜长势茂盛，从平均4.4cm长到了平均30.3cm高，且无其他不良状态。
按照本发明所述方法已经多次成功种植出了健康的蔬菜，在这里不一一列举，仅以上述实施例为代表。从此的试验结果证明，本发明所述方法可成功利用海水和海水中丰富的矿物营养种植出健康的普通蔬菜，达到了水资源和和营养双重利用，也解决了土地和淡水缺乏地区的蔬菜种植和供应问题，对与沿海地区、海岛或长期处于航海途中等缺少淡水的环境或条件下，及时供应新鲜、健康的蔬菜具有重大意义。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.取海水加入无机碱并鼓入CO2，同时控制海水的pH值为9～11，至不再产生沉淀；
S2.滤去沉淀，并将pH值调为5～7，然后利用二段纳滤装置处理，得到截留液和透过液；
S3.取步骤S2中的截留液，向其中分别加入400～500mg/LCa(NO3)2、100～200mg/LNH4NO3、50～100mg/L KNO3、100～150mg/L KH2PO4、0.01～0.02mg/L FeEDTA和0.001～0.002mg/L(NH4)6Mo7O24，得到低盐海水营养液；
S4.取步骤S2中的透过液进行反渗透处理，渗透液为无盐海水，加入步骤S2中过滤的沉淀，然后加入硝酸溶解沉淀，并将pH值调为5～7，控制Ca2+的浓度为400～500mg/L，Mg2+的浓度为200～350mg/L；然后再加入100～200mg/L NH4NO3、80～120mg/L(NH4)H2PO4、400～450mg/L KNO3、0.01～0.02mg/L FeEDTA、0.001～0.002mg/L(NH4)6Mo7O24和0.01～5mg/LH3BO3，得到无盐海水营养液；
S5.取步骤S3中的低盐海水营养液或步骤S4中的无盐海水营养液，即可用于种植蔬菜；
其中，二段纳滤装置的条件为：温度20～40℃，操作压力0.4～1.5MPa，进水流量10～30L/h，进水SDI≤5；反渗透装置的条件为温度20～40℃，操作压力2～6.5MPa，进水流量5～15L/h，进水SDI≤3。
2.根据权利要求1所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，步骤S1中加入无机碱并鼓入CO2后海水pH值为9.3；步骤S2和步骤S4中加入硝酸后溶液的pH均为6.5。
3.根据权利要求2所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，所述无机碱为氢氧化钠。
4.根据权利要求1所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，步骤S4中沉淀加入剂量为730～850mg/L。
5.根据权利要求4所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，步骤S4中沉淀加入剂量为780～800mg/L。
6.根据权利要求1所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，所述蔬菜为绿叶菜。
7.根据权利要求6所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，所述绿叶菜包括生菜、空心菜、小白菜或苋菜。
8.根据权利要求6所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，所述低盐海水营养液或无盐海水营养液一个月更换一次。
9.根据权利要求7所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，当种植生菜时，控制低盐海水营养液中Ca(NO3)2、NH4NO3、KNO3、KH2PO4、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24、H3BO3和Mg2+的浓度分别为450mg/L、150mg/L、100mg/L、120mg/L、0.02mg/L、0.002mg/L、0.1mg/L和25.5mg/L；以无盐海水营养液种植生菜时，控制其中Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、NH4NO3、(NH4)H2PO4、KNO3、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24和H3BO3的浓度分别为450mg/L、260mg/L、150mg/L、110mg/L、400mg/L、0.01mg/L、0.002mg/L、0.2mg/L。
10.根据权利要求7所述利用海水种植蔬菜的方法，其特征在于，当种植空心菜时，控制低盐海水营养液中Ca(NO3)2、NH4NO3、KNO3、KH2PO4、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24、H3BO3和Mg2+浓度分别为450mg/L、130mg/L、100mg/L、140mg/L、0.015mg/L、0.0015mg/L、0.15mg/L和35mg/L；以无盐海水营养液种植空心菜时，控制其中Ca(NO3)2、Mg(NO3)、NH4NO3、(NH4)H2PO4、KNO3、FeEDTA、(NH4)6Mo7O24和H3BO3的浓度分别为450mg/L、260mg/L、120mg/L、100mg/L、420mg/L、0.02mg/L、0.0015mg/L和0.02mg/L。
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