温室营养液余液回收与精准配肥技术研究
作者单位：江苏大学
学位级别：硕士
导师姓名：王新忠
授予年度：2022年
学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程]
摘 要：在国内大型温室植物生产中,水培和无土栽培已经占有相当的比重,自动化系统可以控制水培植物的水分和营养搭配。近年来国内已经逐渐重视研究无土栽培营养液余液的二次利用技术,营养液消毒监测技术和基于给定营养元素配方的配肥技术是设施农业水培管网系统中的两大关键技术,开展针对营养液余液的UVA紫外消毒和余液微生物的在线监测技术以及基于营养元素的二次配肥技术研究,具有重要的理论意义和实用价值。本研究针对大型温室无土栽培水培系统的余液回收与精准配肥技术展开研究。以大型温室系统中常使用的营养液管路系统为基础,分别完成了温室水培系统营养液余液UVA紫外消毒管路以及管路中基于微流控芯片的余液微生物在线监测系统的设计。对所设计余液处理管路系统进行了UVA紫外消毒试验,研究设施农业生产中不同紫外光强度下流量、灭菌时间与微生物浓度之间的关系;对所设计消毒监测系统开展余液微生物浓度在线监测技术研究,探究了微流体生物荧光探测技术在设施农业生物监测方面的可行性。在所设计营养液余液UVA紫外消毒管路系统基础上,进行基于营养元素的营养液配肥系统结构原理设计,通过试验分析和验证了营养液余液二次配肥利用模型。本研究的主要研究方法及结果如下:1.开展大型温室余液回收UVA紫外消毒技术研究。针对大型温室常用营养液余液管路系统和营养液消毒技术,设计余液消毒系统管路模型;并试验分析验证UVA紫外消毒效果。(1)在立体试验栽培床余液系统中搭建试验管路。UVA紫外消毒器中心波长为439nm、工作功率分别为30W、25W和16W,余液紫外穿透率为70%时,消毒时间范围控制在10s～100s之间,照射剂量范围在5.09m J/cm～90.54m J/cm之间。(2)开展了余液UVA紫外消毒试验。测得在其他条件一致的情况下,所用UVA紫外消毒器的工作功率P与其辐照度Ee的关系为=29.98)。(3)进行消毒前后余液微生物培养试验。对经过30W、25W和16W不同功率紫外杀菌后的试验样品与对照样品,总计14组检测样品,分别进行原样培养和稀释10倍的lb和pda培养。结果表明:随着消毒时间的增加灭菌率不断增加,当紫外消毒器工作功率为30W时,消毒时间30s的灭菌率为60.67%,50s的灭菌率为78.67%,70s的灭菌率为94%的病菌,灭菌率达到100%大约需要100s左右的时间;随着余液流经紫外线消毒器腔体时间的增加,余液中微生物的数量不断减少;余液流经紫外线消毒器腔体的时间为10s时流量最大为0.158 m·h,时间为100s时流量最小为0.018 m·h。在其他条件不变的情况下,营养液余液紫外线消毒率的直接影响因子为紫外光照射剂量。2.营养液余液微生物浓度在线监测技术研究。构建了微流控芯片物理模型和CFD数值模型,进行了微流控芯片通道性能仿真模拟分析,并开展了微流控芯片生物荧光检测试验以及杀菌后余液吸光度检测。结果表明,按芯片入口速度和通道速度分别为=4.928)8)/、=513.958)8)/的CFD模型结果最符合预期。(1)微流控芯片模型构建与流行性能分析。进行了微流控芯片物理模型和CFD数值模型的构建,完成了微流控芯片通道性能仿真模拟分析。分析结果表明当按照=4.928)8)/即整个注入时间t=4s时,流体均匀铺满检验池并保持速度接近为0 m/s,通道出入口端流体速度在0.3～0.45m/s之间,与计算结果一致;混液池中流体速度在0.15m/s左右,检验池中流体因为其力学和动力学特性整体维持在接近0m/s,且流体分布均匀,所设计微流控玻璃芯片符合预期;(2)进行了基于微流控芯片的余液生物荧光检测试验和余液杀菌吸光度检测。在与上述杀菌试验条件相同条件下开展回液吸光度检测,当紫外光强度为30W时,不同杀菌试验样品吸光度值没有明显变化,且有微弱波峰,在最佳波长接近300nm、吸收值约0.07左右,不同时间的杀菌处理对检测样品的吸光度影响较小;原液样品标记后的荧光信号强度最大为423820.75CPS,活细胞荧光示踪探针FDA的发射波长为513nm;确定当前条件下余液生物量与荧光光元子数之间的关系为=28.79,生物荧光检测与实验室培养检测一致性较高,满足要求。3.基于营养离子的二次配肥模型研究。进行基于营养元素的营养液配肥系统结构原理设计。以单一元素为求解对象,以解多元矩阵为手段进行营养液配肥模型求解;在多元无穷解矩阵模型下进行输出解优化,通过试验验证余液营养离子二次配肥模型的可行性,对模型结果进行进一步分析,针对模型提出优化策略。配肥结果表明二次配肥之后肥液中所检测营养元素、EC和ph值与营养原液检测值之间拟合度较高。最大相对误差为-0.5294mg/L(PO),最小相对误差为0.0093mg/L(Mg);EC值第1组中变化最小为0.02 ms/cm,第3组变化最大为-0.32 ms/cm;ph值第1组变化最小为0.1,第3组变化最小为-0.48;营养元素中出现最大误差是S元素(误差为-12.7mg),最小误差(铵态氮)为-0.31mg。按照本研究所设计无机营养元素配肥求解模型可以实现较高的配肥精度。
同方学位论文库