CN115005080A - 一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统和方法，以叶菜为培养目标，与等离子体活化水富氮的特点相匹配。系统采用等离子体辅助营养液的形式，与已有的仅用等离子体活化水进行种子或植株短时间处理的方式不同，其水培流程从种子萌发阶段开始，直至作物收获，水培流程完整。与传统营养液水培模式相比，本发明由于在培养的过程中能对处于低浓度的培养液进行低温等离子体循环处理以提高可吸收氮元素的浓度，因此减少了氮肥的使用量；同时，放电产生的活性物种的杀菌消毒效果能够减少传统营养液培养所需的营养液杀菌流程的成本。本发明结构简单，与已有的等离子体处理雾化气进行植株培养的方式相比更加符合规模性水培的需求。
Description
技术领域
本发明涉及叶菜水培系统，特别涉及一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统和方法。
背景技术
无土栽培是一种不用土壤而使用营养液或其他方式供给植物所需水分和营养元素的栽培方法，相对于传统的土壤栽培而言，具有栽培环境整洁、空间利用率高、栽培作物质量好、产量高以及管理方便等优势。而营养液作为无土栽培技术中最重要的部分，其中包含植物生长所必需的大量元素包括N、P、K、Ca、Mg、S，以及微量元素包括Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu等。不同元素对作物生长的影响也不同，对于叶菜而言，氮N元素施用的量直接影响其叶片的生长，适当提高营养液中氮元素含量能够使叶菜类作物的叶片面积明显增加，提高了叶片面积，从而使有效的光合作用增强，提高光合作用产物积累，对提高叶菜类作物品质具有重要的作用。目前对水培系统的营养液的废液处理主要有两种方式，一种是不循环直接排放，另一种是经过消毒过滤后营养复配重新进入水培系统。第一种处理方式将导致大量未被吸收的元素的浪费，且废液排放将对环境造成污染；第二种处理方式虽然增强了有机元素的利用率，但同时增加了营养液消毒灭菌以及重新配置的环节，提高了成本。另外，无论是哪种营养液循环方式，其中的氮肥大部分来源于传统的工业固氮Haber-Bosch工艺，其生产能耗高，排放大，对生产设备以及生产环境具有严格的要求。
等离子体技术作为一种高级氧化手段，存在声、光、电、热等多种物化效应，其应用于不同场合时，会发生复杂的物质和能量的传递和转化。气液放电是产生低温等离子体的重要方法，通过等离子体与液体相互作用能在溶液中生成多种高反应活性的粒子，已被广泛应用于生物医学、材料合成、工业废水处理等领域。
目前将低温放电等离子体运用于农业及水培的专利主要有两类。一类仅利用等离子体活化水对种子进行萌发处理，并没有进一步的应用。另一类利用等离子体活化的水雾对水培植物根部进行培养的方案并未形成一个完整的系统且雾化流程繁杂，每一株植物都需要一个等离子体放电模块。虽然活化水的处理效果好，但也增加了装置的整体成本。另外单纯利用等离子体活化水进行水培并不科学，尽管活化水中有植物能够吸收的硝态氮NO3 --N以及铵态氮NH4 +-N，但是例如钾元素、磷元素等也是植物生长所必须的，而活化水并不能直接提供此类元素。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
目前将低温放电等离子体运用于农业及水培利用等离子体活化的水雾对水培植物根部进行培养的方案并未形成一个完整的系统且雾化流程繁杂，而且单纯利用等离子体活化水进行水培并不科学，钾元素、磷元素等也是植物生长所必须的，而活化水并不能直接提供此类元素。
2.技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，包括水培箱，所述水培箱设有水培箱出气口和水培箱出水口，所述水培箱上设有三个进口，一个进口通过PAW输送管、输送管水泵和PAW生产模块的出水口连接，一个进口通过尾气输送管和PAW生产模块的尾气出口连接，一个进口通过管道、营养液输入水泵和营养液混合池的出液口连接，所述营养液混合池设有进水口和营养液输入口，所述PAW生产模块设有PAW模块进水口和PAW模块进气口，所述PAW生产模块内设置有等离子体模块。
所述营养液混合池设有进水口和营养液输入口，所述PAW生产模块内设置有等离子体模块。所述等离子模块包括石英管，每根所述石英管横向固定于所述PAW生产模块底部，每根所述石英管的内部都安装有不锈钢高压电极针，地电极板垂直固定在所述PAW生产模块底端，每根所述石英管的向内的一端设有石英管孔。
多根所述石英管阵列排列。
所述水培箱还设有一个出口，所述出口通过培养液回流管、回流管水泵和所述PAW生产模块连接。
所述水培箱包括箱体，所述箱体内从下到上依次为栽培架、培养基和过滤棉。
所述箱体内设有液位传感器和BC传感器。
所述PAW生产模块中设置有液位传感器和EC传感器。
通过营养液输入口输入到营养液混合池中的营养液为MgSO4、K2SO4、Ca(H2PO4)2、、CaSO4与水混合而成。
本发明还提供了所述的低温等离子辅助营养液的叶菜水培方法，包括种子萌发和正式水培，所述种子萌发的具体方法为：将种子置于培养基中，此时向系统的控制单元发送开机信号，接收到信号后，气泵开启为放电提供气源，PAW模块进水水泵向PAW生产模块供水，当PAW生产模块中的液位传感器检测到水位达到PAW生产模块的预设的工作水位高度时，气泵和PAW模块进水水泵停止工作，脉冲电源开启，当PAW生产模块中的EC传感器检测到水中的氮元素浓度达到设定值后，电源关闭，输送管水泵向水培箱输送PAW，PAW通过过滤层渗透至培养基，为种子制造萌发环境。待到种子萌发至预定的高度，然后进入到正式水培，所述正式水培的方法为：将营养液以及水注入营养液混合池并进行搅拌配置成营养液，搅拌均匀后通过营养液输入水泵注入水培箱，水培箱中的液位传感器检测到培养液充满至设定量后，注入停止，然后进行培养，培养一段时间后，EC传感器检测到培养液浓度下降至设定的最低的信号，此信号传至控制单元，此时控制单元控制回流管水泵启动，水培箱中的低浓度培养液被运送至PAW生产模块进行再处理，PAW生产模块中当其中的EC传感器检测到含离子浓度达到设定值，工作停止，并将处理后的培养液注入水培箱，水培箱中液位传感器检测到水位到设定值，注入停止，此时完成一次营养液的循环。在循环至预设的次数后，水培箱中的废液通过水培箱出水口流出，作物进行收获时，将安置培养基的栽培架提起，水培完成。
在正式水培过程中， PAW生产模块运作的工作气体，在产生活化水的过程中，工作气体尾气携带预设的浓度的臭氧继续通入水培箱，从种子开始至作物收获为止。
3.有益效果：
本发明提供的一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统和方法。以叶菜为培养目标，与等离子体活化水富氮的特点相匹配。系统采用等离子体辅助营养液的形式，与已有的仅用等离子体活化水进行种子或植株短时间处理的方式不同，其水培流程从种子萌发阶段开始，直至作物收获，水培流程完整。与传统营养液水培模式相比，本发明由于在培养的过程中能对处于低浓度的培养液进行低温等离子体循环处理以提高可吸收氮元素的浓度，因此减少了氮肥的使用量；同时，放电产生的活性物种的杀菌消毒效果能够减少传统营养液培养所需的营养液杀菌流程的成本。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是等离子模块结构示意图。
图3是本发明中水培箱结构示意图。
附图标记说明：1- PAW模块进水水泵，2- PAW模块进水口，3- PAW模块进气口，4-PAW生产模块，5-水培箱，6-培养基，7-水培箱出气口，8-水培箱出水口，9-PAW输送管，10-输送管水泵，11-尾气输送管，12-营养液输入水泵，13-营养液混合池，14-混合池进水口，15-营养液输入口，16-回流管水泵，17-培养液回流管，18-过滤棉，19-栽培架，20-EC传感器，21-液位传感器，22-高压电极针，23-石英管，24-等离子体，25-活性物种，26-石英管孔，27-地电极板，28-水。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，包括水培箱5，所述水培箱5设有水培箱出气口7和水培箱出水口8，所述水培箱5上设有三个进口，一个进口通过PAW输送管9、输送管水泵10和PAW生产模块4的出水口连接，PAW生产模块通过PAW输送管9向水培箱输送PAW，一个进口通过尾气输送管11和PAW生产模块4的尾气出口连接，尾气输送管11负责PAW生产模块4产生的尾气输入水培箱5，一个进口通过管道、营养液输入水泵12和营养液混合池13的出液口连接，营养液输入水泵12负责将最初调配好的营养液输入水培箱5，所述营养液混合池13设有进水口14和营养液输入口15。
所述PAW生产模块4设有PAW模块进水口2和PAW模块进气口3，所述PAW生产模块4设有PAW模块进水口2和PAW模块进气口3，设计有混气接口，能够根据不同的工作需求接入其他气体改变工作气体的氮氧比调节各氮化合物的比例。适应不同作物对不同形式氮元素的需求量和需求比例。
所述PAW生产模块4内设置有等离子体模块。低温等离子体产生的活化水富含氮元素，能被作物直接吸收。通过气液放电等离子体生产富氮活化水的特点对营养液进行处理使其能循环使用，减少了营养液配置中氮肥的使用量。本发明具有绿色环保的特点。
PAW生产模块4负责生产等离子体活化水用于种子萌发以及水培，种子萌发阶段浸泡活化水主要目的是利用活化水中少量的H2O2催芽和增强种子表皮通透性有利于其吸收水分，活化水中的ROS的消杀作用也能防止种子在萌发阶段发生霉变。
如图2所示，等离子体模块结构为针形高压结构，采用水下气泡放电的气液放电形式，石英管23横向固定于PAW生产模块4底部，每一根石英管23的内部都安装有不锈钢高压电极针22。等离子体模块驱动电源用来驱动等离子体模块生产活化水，可以采用高频交流电源、微秒脉冲电源或纳秒脉冲电源。低温等离子体产生的活化水含有杀菌消毒的成分，间歇放电能够杀灭培养液中已有的病菌，并抑制后续病菌的生长。省去传统营养液需要定期杀菌消毒的流程。
等离子体模块在运行过程中都置于水28中。
当高压电极通电后，在针尖处产生火花放电并可通过石英管23上的小孔26延伸至水中。地电极板27垂直固定在所述PAW生产模块4底端，工作气体携带放电等离子体24产生的活性物种25通过石英管一端的石英管孔26进入液相，在气泡上升的过程中破裂，与液相发生传质。高压电极采用针的结构有利于在针尖处形成强电场，减小击穿放电的难度。水下气泡放电形式减小了在水28中放电的难度，且伴随气泡破裂，放电产生的活性物种扩散以及向水中传质更加均匀。采用阵列的方式相较于单管的气泡放电形式能在相同的时间内产生更多的活性物种。
在一个实施例中，所述水培箱5还设有一个出口，所述出口通过培养液回流管17、培养液回流管水泵16和所述PAW生产模块4连接。培养液回流管水泵16负责将低浓度培养液运回PAW生产模块4；水培箱5低浓度培养液通过培养液回流管17回流至PAW生产模块4。PAW生产模块4能在水培中对培养一段时间的低浓度的培养液进行循环处理，时刻使培养液中含氮离子保持一定浓度。
在一个实施例中，如图3所示，所述水培箱5包括箱体，所示箱体内从下到上依次为栽培架19、培养基6和过滤棉18。培养基6是用于吸收水培箱中的水分以及固定作物的根部；过滤棉18用于过滤作物生长过程中产生的残渣，保持培养液的清澈，培养基6和过滤棉18置于栽培架19上，使作物根部上部暴露于空气，防止根部缺氧腐烂。
在一个实施例中，所述水培箱5的箱体内设有液位传感器21和BC传感器20。EC传感器20用于监测培养液中离子浓度，防止营养成分过低导致作物营养不良；液位监测传感21防止水培箱中培养液不足导致作物缺水。
在一个实施例中，PAW生产模块4内安装,EC传感器和液位传感器，EC传感器用来监测等离子体活化水含氮离子浓度，液位传感器检测到PAW生产模块4内水位。
在一个实施例中，营养液混合池13则按一定比例配置除氮肥外的钾肥、磷肥以及微量元素例如MgSO4、K2SO4、Ca(H2PO4)2、CaSO4、0.3mg/L，放置于水中并搅拌均匀配置成营养液，且可临时贮藏配置的营养液。
低温等离子辅助营养液的叶菜水培方法，包括种子萌发和正式水培，所述种子萌发的具体方法为：将种子置于培养基6中，此时向系统的控制单元发送开机信号，接收到信号后，气泵开启为放电提供气源，PAW模块进水水泵1向PAW生产模块4供水，当PAW生产模块4中的液位传感器检测到水位达到PAW生产模块4的预设的工作水位高度时，(工作水位高度设定值20-25cm，气泵和PAW模块进水水泵1停止工作，脉冲电源开启，当PAW生产模块4中的EC传感器检测到水中的氮元素浓度达到设定值后，氮元素浓度设定值约30mg/L，电源关闭，输送管水泵10向水培箱5输送PAW，PAW通过过滤层18渗透至培养基6，为种子制造萌发环境。待到种子萌发至预定的高度，然后进入到正式水培，所述正式水培的方法为：将营养液以及水注入营养液混合池15并进行搅拌配置成营养液，搅拌均匀后通过营养液输入水泵12注入水培箱5，水培箱5中的液位传感器21检测到培养液充满至设定量后，水位高度设定为20-23cm，注入停止，然后进行培养，培养一段时间后，EC传感器20检测到培养液浓度下降至设定的最低的信号，设定允许最低值为100μS/cm，此信号传至控制单元，此时控制单元控制回流管水泵16启动，水培箱5中的低浓度培养液被运送至PAW生产模块4进行再处理，PAW生产模块4中当其中的EC传感器检测到含离子浓度达到设定值，氮元素浓度设定为30mg/L，工作停止，并将处理后的培养液注入水培箱5，水培箱5中液位传感器检测到水位到设定值，水位高度为20-23cm，注入停止，此时完成一次营养液的循环。在循环至预设的次数后，预设的次数为10次，水培箱5中的废液通过水培箱出水口8流出，PAW生产模块4运作时需要工作气体的流通，在产生活化水的过程中，尾气携带一定浓度(约0.1ppm)的臭氧继续通入水培箱，能够对水培植物的根部的上部未浸入培养液部分进行杀菌消毒，提供无菌环境。作物进行收获时，将安置培养基6的栽培架19提起，水培完成。
由于系统产生的活化水富含植物可吸收的氮元素，因此能够节省大量氮肥，达到增加营养液循环次数的目的。另外活化水杀菌消毒的优势也能省去传统营养液水培需要定期对培养液进行杀菌的流程。
农业中，通常仅将等离子体利用于种子处理或制备活化水对作物进行浇灌。本系统从种子萌发开始至作物收获，能够提供全流程的培养。
Claims (10)
1.一种低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，包括水培箱（5），所述水培箱（5）设有水培箱出气口（7）和水培箱出水口（8），其特征在于：所述水培箱（5）上设有三个进口，一个进口通过PAW输送管（9）、输送管水泵（10）和PAW生产模块（4）的出水口连接，一个进口通过尾气输送管（11）和PAW生产模块（4）的尾气出口连接，一个进口通过管道、营养液输入水泵（12）和营养液混合池（13）的出液口连接，所述营养液混合池（13）设有进水口（14）和营养液输入口（15），所述PAW生产模块（4）设有PAW模块进水口（2）和PAW模块进气口（3），所述PAW生产模块（4）内设置有等离子体模块。
2.如权利要求1所述低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：所述等离子模块包括石英管（23），每根所述石英管（23）横向固定于所述PAW生产模块（4）底部，每根所述石英管（23）的内部都安装有不锈钢高压电极针（22），地电极板（27）垂直固定在所述PAW生产模块（4）底端，每根所述石英管（23）的向内的一端设有石英管孔（26），等离子体模块在运行过程中都置于水（28）中。
3.如权利要求2所述的低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：多根所述石英管（23）阵列排列。
4.如权利要求1所述的低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：所述水培箱（5）还设有一个出口，所述出口通过培养液回流管（17）、回流管水泵（16）和所述PAW生产模块（4）连接。
5.如权利要求1-4任一项权利要求所述的低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：所述水培箱（5）包括箱体，所述箱体内从下到上依次为栽培架（19）、培养基（6）和过滤棉（18）。
6.如权利要求5所述的低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：所述箱体内设有液位传感器（21）和BC传感器（20）。
7.如权利要求1-4、5任一项权利要求所述的低温等离子体辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：所述PAW生产模块（4）中设置有液位传感器和EC传感器。
8.如权利要求1-4任一项权利要求所述的低温等离子辅助营养液的叶菜水培系统，其特征在于：通过营养液输入口（15）输入到营养液混合池（13）中的营养液为MgSO4、K2SO4、Ca(H2PO4)2、CaSO4与水混合而成。
9.一种使用如权利要求1-8任一项权利要求所述的低温等离子辅助营养液的叶菜水培系统进行水培的方法，其特征在于：包括种子萌发和正式水培，所述种子萌发的具体方法为：将种子置于培养基（6）中，此时向系统的控制单元发送开机信号，接收到信号后，气泵开启为放电提供气源，PAW模块进水水泵（1）向PAW生产模块（4）供水，当PAW生产模块（4）中的液位传感器检测到水位达到PAW生产模块（4）的预设的工作水位高度时，气泵和PAW模块进水水泵（1）停止工作，脉冲电源开启，当PAW生产模块（4）中的EC传感器检测到水中的氮元素浓度达到设定值后，电源关闭，输送管水泵（10）向水培箱（5）输送PAW，PAW通过过滤层（18）渗透至培养基（6），为种子制造萌发环境；待到种子萌发至预定的高度，然后进入到正式水培，所述正式水培的方法为：将营养液以及水注入营养液混合池（15）并进行搅拌配置成营养液，搅拌均匀后通过营养液输入水泵（12）注入水培箱（5），水培箱（5）中的液位传感器（21）检测到培养液充满至设定量后，注入停止，然后进行培养，培养一段时间后，EC传感器（20）检测到培养液浓度下降至设定的最低的信号，此信号传至控制单元，此时控制单元控制回流管水泵（16）启动，水培箱（5）中的低浓度培养液被运送至PAW生产模块（4）进行再处理，PAW生产模块（4）中当其中的EC传感器检测到含离子浓度达到设定值，工作停止，并将处理后的培养液注入水培箱（5），水培箱（5）中液位传感器检测到水位到设定值，注入停止，此时完成一次营养液的循环，在循环至预设的次数后，水培箱（5）中的废液通过水培箱出水口（8）流出，作物进行收获时，将安置培养基（6）的栽培架（19）提起，水培完成。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：在正式水培过程中， PAW生产模块（4）运作的工作气体，在产生活化水的过程中，工作气体尾气携带预设的浓度的臭氧继续通入水培箱（5），从种子开始至作物收获为止。
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