臭氧+UV反應(yīng)器聯(lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

         實(shí)際生產(chǎn)中，一般采用間歇式營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)方式：營(yíng)養(yǎng)液澆灌植物后流回回液池中暫存，待達(dá)到一定量后再經(jīng)臭氧發(fā)生器消毒轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)液池，然后根據(jù)灌溉制度要求進(jìn)行灌溉循環(huán)。對(duì)于栽培面積667 m2 的水培系統(tǒng)，營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)量一般為40～60 m3/h，循環(huán)次數(shù)4～6 次/d。營(yíng)養(yǎng)液的消毒是在兩次灌溉之間，因此消毒時(shí)間為4～6 h/次，臭氧發(fā)生器處理量通常為12～18 m3/h。

本紫外線—臭氧組合式臭氧發(fā)生器的營(yíng)養(yǎng)液處理量設(shè)計(jì)為15 m3/h，其主要由水泵、過濾器、文丘里射流器、臭氧發(fā)生器、紫外線消毒器和控制裝置等組成[16]（圖1）。

         回液池中的待消毒營(yíng)養(yǎng)液被水泵以一定流量吸入消毒管路，經(jīng)過過濾器濾去其中固體顆粒雜質(zhì)后，進(jìn)入文丘里射流器。營(yíng)養(yǎng)液首先進(jìn)入文丘里管的漸縮部，由于管徑的逐漸收縮液流流速逐漸加快，至喉管處流速達(dá)到 很大，在此形成一個(gè)低于大氣壓的負(fù)壓區(qū)；臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧，在文丘里喉管處負(fù)壓作用下被吸入文丘里管中，與其中的營(yíng)養(yǎng)液混合；由于臭氧充分溶解在營(yíng)養(yǎng)液中，便開始氧化其中的病原菌。流出文丘里管的營(yíng)養(yǎng)液隨后進(jìn)入紫外消毒器，營(yíng)養(yǎng)液在紫外燈管外的石英套管和消毒器外殼之間流動(dòng)，受到紫外線照射而滅菌，而已經(jīng)混入營(yíng)養(yǎng)液的臭氧在紫外消毒器中繼續(xù)進(jìn)行氧化滅菌。 很后消毒處理后的營(yíng)養(yǎng)液由紫外消毒器出液口流出，進(jìn)入儲(chǔ)液池。

紫外線消毒器

目前，國(guó)內(nèi)沒有專用于營(yíng)養(yǎng)液消毒的紫外線消毒設(shè)備。而在用于飲用水消毒的紫外線消毒器中，水主要是以層流形式流過消毒腔體，從而導(dǎo)致各個(gè)流層之間很少或沒有物質(zhì)交換。當(dāng)紫外線在水中的透射率較低時(shí)，靠近紫外燈管的液體受到較強(qiáng)的紫外線輻射，可以受到預(yù)期的輻射劑量，滅菌效果較好；但是遠(yuǎn)離紫外燈管的液體（如靠近消毒器殼體流動(dòng)的液體）受到的紫外線輻射強(qiáng)度較小，此處營(yíng)養(yǎng)液中的病原菌便很難接受到致死的輻射劑量，滅菌效果較差。這樣，紫外線臭氧發(fā)生器的整體消毒效果就受到很大影響[14]。

針對(duì)上述問題，自行設(shè)計(jì)了一種新型的紫外線消毒器[17]：在消毒腔體內(nèi)安裝螺旋形導(dǎo)流片，使?fàn)I養(yǎng)液以湍流形式流動(dòng)（圖2），即讓沿不銹鋼腔體內(nèi)壁流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液也有一部分時(shí)間是在石英套管附近流動(dòng)。營(yíng)養(yǎng)液在距離紫外燈管較近或較遠(yuǎn)的兩個(gè)區(qū)域停留的時(shí)間接近，從而解決了因一部分營(yíng)養(yǎng)液滅菌不徹底而影響整體滅菌效果的問題。

本臭氧發(fā)生器所采用的消毒器中安裝有3 根紫外燈管，單根燈管功率30 W。消毒腔體中的紫外線輻照度為18.3mW/cm2。

臭氧發(fā)生器

選用北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制的臭氧發(fā)生器；利用高壓放電的原理產(chǎn)生臭氧，其中并聯(lián)安裝2 個(gè)高壓放電管。臭氧發(fā)生器進(jìn)氣量35 L/min，出口處臭氧濃度18.3～18.5 ppm，臭氧產(chǎn)量10 g/h。

射流器

選用A32235型文丘里射流器。該射流器采用耐臭氧氧化的PVDF 材料制作，總長(zhǎng)度235 mm，進(jìn)出水口外徑32 mm（1 吋），進(jìn)氣口外徑15 mm（1/2 吋），軟管接口直徑10 mm。要求水流輸入壓力0.2～0.5 MPa，輸出壓力0～0.1 MPa，吸氣量11～15 Nm3/hr，出水量3～5 T/h。本機(jī)采用4 個(gè)A32235 型文丘里射流器并聯(lián)使用。

控制設(shè)備

由北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心開發(fā)研制，主要由液晶顯示屏和觸摸屏的人機(jī)交互界面與主電控箱兩部分組成。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的自動(dòng)或手動(dòng)控制。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，手動(dòng)操作無效，不能改變臭氧發(fā)生器的工作狀態(tài)。為防止臭氧發(fā)生器被燒壞，開機(jī)時(shí)必須先打開臭氧發(fā)生器的氣泵；而關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉臭氧高壓放電管，后關(guān)閉氣泵。在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按照上述順序開閉設(shè)備。手動(dòng)操作時(shí)，開啟各設(shè)備的順序是水泵、紫外線燈管和氣泵，過3～5 min 后再打開臭氧發(fā)生器；關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉臭氧高壓放電管，然后順序關(guān)閉氣泵、紫外線燈管和水泵。同時(shí)，為安全起見，手動(dòng)控制時(shí)，在不開啟氣泵的情況下，不能開啟臭氧高壓放電管。

其他設(shè)備

水泵： 選用上海晶泉泵閥制造有限公司生產(chǎn)的50HYLZ-22 型不銹鋼耐腐蝕自吸泵，電動(dòng)機(jī)功率3 kW，流量15 m3/h，揚(yáng)程22 m。過濾器采用120 目疊片式過濾器。選用上海康特環(huán)保科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的B-8 型止回閥，其作用是防止?fàn)I養(yǎng)液經(jīng)臭氧吸氣管路倒流入臭氧發(fā)生器。管路由防氧化ABS 管材粘接而成。

結(jié)論

1）設(shè)計(jì)并試制了一種紫外線—臭氧組合式營(yíng)養(yǎng)液消毒機(jī)。樣機(jī)主要包括紫外線消毒器、4 個(gè)文丘里射流器、臭氧發(fā)生器、自吸泵、ABS 管路及自動(dòng)控制設(shè)備等。工作時(shí)，灌溉后回收的營(yíng)養(yǎng)液首先由自吸泵提高壓力后以一定流量和速度通過文丘里射流器的喉管，在此由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧由于負(fù)壓作用吸入并與營(yíng)養(yǎng)液充分混合，從而殺滅營(yíng)養(yǎng)液中的病原微生物；然后營(yíng)養(yǎng)液再經(jīng)過紫外線消毒器，在紫外線的照射下進(jìn)一步殺滅病原微生物。

2）對(duì)所研制的紫外線—臭氧組合式消毒機(jī)，用經(jīng)過了180 d 番茄栽培試驗(yàn)的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行UV、O3、UV+O33 種方法的滅菌性能測(cè)試，結(jié)果表明：主要病原體（真菌、細(xì)菌和放線菌）總的消毒效果分別達(dá)到70.6%、15.9%和89.9%，從中可以看出，紫外線—臭氧組合式消毒，其消毒效果并非紫外線與臭氧消毒效果的簡(jiǎn)單疊加，而是出現(xiàn)了協(xié)同滅菌效應(yīng)。

3）當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液的紫外線穿透率較高時(shí)，紫外線較臭氧的滅菌效果更好，短時(shí)間的滅菌率高出3～4 倍，臭氧此時(shí)只起輔助滅菌作用，這也是由于臭氧滅菌所需的時(shí)間較長(zhǎng)、濃度較高；同時(shí)臭氧發(fā)生器的產(chǎn)生臭氧氣體還易受到環(huán)境因素的影響。實(shí)際中，在保證生產(chǎn)需要的前提下，應(yīng)盡量減小整機(jī)的營(yíng)養(yǎng)液流量，以延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液在紫外線消毒腔體中的存留時(shí)間，從而提高整體滅菌效果。

4）試驗(yàn)證明，本機(jī)達(dá)到了比單一滅菌方法更好的滅菌效果，可以較大幅度地提高消毒效率，滿足了生產(chǎn)實(shí)際的需要；另外，對(duì)于栽培面積667 m2 的水培系統(tǒng)，營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)量一般為40～60 m3/h，循環(huán)次數(shù)4～6 次/d。營(yíng)養(yǎng)液的消毒是在兩次灌溉之間的間隙進(jìn)行，由此，每次消毒的時(shí)間為4～6 h，消毒機(jī)需要處理的營(yíng)養(yǎng)液量通常為12～18 m3/h，因此，本機(jī)可用于栽培培面積為667 m2、營(yíng)養(yǎng)液處理量為15 m3/h 的水培系統(tǒng)。

UV+臭氧一體化裝置（僅供參考）