автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Использование ультрафиолетового излучения при восстановлении гидропонных растворов

На правах рукописи

ПУТИЛОВА Татьяна Александровна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ГИДРОПОННЫХ РАСТВОРОВ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1В ДПР й'3

Челябинск — 2013

005057485

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

агроинженерный университет имени В. П. Горячкина»

Защита состоится «26» апреля 2013 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «22» марта 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.

Знаев Александр Степанович

Официальные оппоненты: Чарыков Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева»

Захаров Владимир Алексеевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Ученый секретарь диссертационного совета

Возмилов

Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование методов оптической электротехнологии в значительной мере способствует повышению эффективности гидропонного растениеводства, позволяющего круглый год получать богатые витаминами, экологически чистые овощи. В условиях проточной гидропоники, относящейся к числу наиболее перспективных направлений гидропонной культуры, активное развитие растений достигается за счет полноценного минерального питания, которое обеспечивается путем непрерывной циркуляции растворов. Однако в процессе вегетационной эксплуатации происходит старение гидропонных растворов, в связи с чем разработка технических средств для их восстановления является актуальной задачей. В этом плане целесообразным представляется использование ультрафиолетового (УФ) излучения, способствующего обеззараживанию жидких сред. В настоящее время известны различные способы УФ-обеззараживания гидропонных растворов, однако возможности использования УФ-излучения при их восстановлении полностью не изучены.

Настоящая работа посвящена вопросу использования ультрафиолетового излучения при восстановлении гидропонных растворов. Исследования проводились в соответствии с разделом Федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 - «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», а также планом НИР ЧГАА на 2009-2012 гг.

Цель исследования: повышение эффективности гидропонного растениеводства путем использования технических средств оптической электротехнологии при восстановлении гидропонных растворов.

Задачи исследования:

1. Установить закономерности изменения спектральных оптических характеристик гидропонных растворов в период эксплуатации и разработать методику расчета параметров установки для УФ-облучения восстанавливаемых растворов.

2. Определить влияние режимов УФ-облучения восстанавливаемых растворов на отклик растений и получить математическую

модель выхода биомассы. Разработать методику оценки эффективности использования УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов.

3. Разработать установку для УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов.

4. Разработать технологию гидропонного выращивания зеленных овощей, включающую в себя УФ-облучение восстанавливаемых растворов.

Объект исследования: использование УФ-излучения при восстановлении растворов в гидропонном растениеводстве.

Предмет исследования: закономерности изменения биомассы зеленных овощей при различных режимах УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов.

Анализ научно-технической литературы позволил сформулировать рабочую гипотезу: использование УФ-облучения при восстановлении гидропонных растворов позволяет создать необходимые условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей за счет обеззараживания растворов, предварительно очищенных от механических и химических примесей.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

1. В работе впервые предложено и апробировано использование УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов в условиях проточной гидропонной культуры (на примере зеленных овощей). Восстановление гидропонных растворов предложено осуществлять путем УФ-облучения с предварительной мембранной и ионообменной фильтрациями, позволяющими удалить из растворов механические и химические примеси и, соответственно, снизить затраты на процесс обеззараживания.

2. Установлены закономерности изменения спектральных оптических характеристик гидропонных растворов (показателя поглощения, коэффициента поглощения, коэффициента пропускания, оптической плотности) в период эксплуатации. Разработана методика расчета параметров установки для УФ-облучения восстанавливаемых растворов, в которой полученные закономерности используются для расчета бактерицидного потока, выбора источника УФ-излучения и определения затрат энергии на процесс обеззараживания.

3. Выявлены закономерности изменения показателя рН и электропроводности восстановленных растворов в процессе эксплуатации. Получены математические модели, описывающие отклик зеленных овощей на УФ-облучение восстанавливаемых растворов.

4. Разработана методика оценки эффективности использования УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов. На основе результатов диссертационной работы разработана и опробована установка для УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов. Полученные взаимосвязи и математические модели могут использоваться при проектировании установок для ультрафиолетового обеззараживания гидропонных растворов при их восстановлении.

Результаты, достигнутые в диссертационной работе, позволяют дать практические рекомендации по применению УФ-облучения при восстановлении растворов в гидропонном растениеводстве. Новизна технических решений подтверждена одним патентом РФ.

На основе проведенных исследований разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания зеленных овощей, включающая в себя использование УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов, в ОАО «Тепличный» (г. Челябинск); методика оценки эффективности обеззараживания восстанавливаемых гидропонных растворов - в Научно-исследовательском институте защищенного грунта (НИИОЗГ, г. Москва). Результаты работы используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на научных конференциях, в том числе на: Международной научно-практической конференции молодых ученых «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых» (ГНУ СибНИИСХ СО Россельхозакадемии, Омск, 2010 г.); Первой Международной конференции с элементами научной школы «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (РНЦ «Курчатовский институт», Москва, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет, Мичуринск,

2010 г.); Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Ульяновск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем» (ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ», Волгоград, 2012), а также на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАА. На специализированных выставках-ярмарках «Золотая осень» (г. Москва, ВВЦ, 2009 г.), «Агро-2012» (г. Челябинск, 2012 г.) получены дипломы и золотые медали.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 182 наименований и 2 приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах, текст содержит 40 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, определена цель и поставлены задачи исследования, кратко изложены основные положения, которые выносятся на защиту, представлена общая характеристика работы.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследований» посвящена анализу научно-технической и патентной литературы. Применение гидропонного растениеводства в современных производственно-экологических условиях является перспективным, поскольку позволяет круглый год получать экологически чистые, богатые витаминами овощи. Использование методов оптической электротехнологии в значительной мере способствует повышению эффективности гидропонного растениеводства и в частности проточной культуры, которая относится к числу наиболее прогрессивных технологий. В условиях проточной гидропоники активное развитие растений достигается за счет полноценного минерального питания, которое обеспечивается путем непрерывной циркуляции питательного раствора.

Однако в процессе вегетационной эксплуатации наблюдается старение растворов, в связи с чем разработка технических средств

для восстановления гидропонных растворов является актуальной задачей. В этом плане целесообразным представляется использование ультрафиолетового излучения, способствующего обеззараживанию жидких сред.

В работах A.B. Котова, Т.Н. Горяиновой и ряде других публикаций показана эффективность применения УФ-излучения для обеззараживания гидропонных растворов. Однако возможности использования УФ-излучения при их восстановлении изучены не полностью, что позволило определить объект и предмет исследования.

На основе выполненного анализа была поставлена цель исследования, определены задачи исследования и сформулирована рабочая гипотеза исследования.

Во второй главе «Теоретическое обоснование использования УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов» изложено следующее. Применение методов оптической электротехнологии (ОЭТ) в агропромышленном комплексе связано с существенными потерями электроэнергии, которые обусловлены процессами преобразования энергии и во многом зависят от спектральных характеристик обрабатываемых объектов. В связи с этим при разработке технологических процессов, использующих ОЭТ, необходимо исследовать спектральные характеристики обрабатываемых объектов и проводить их коррекцию с целью снижения потерь энергии.

Условия гидропонного растениеводства позволяют осуществлять необходимые изменения спектральных характеристик растворов, на которых выращиваются растения. В диссертационной работе предлагается использовать УФ-излучение при восстановлении гидропонных растворов, поскольку их старение, вызванное нарушением баланса питательных элементов (накоплением балластных и выносом питательных элементов), ростом числа болезнетворных микроорганизмов, а также загрязнением механическими примесями, приводит к ухудшению условий минерального питания, угнетению корневой системы растений и снижению урожайности (рисунок 1). О протекании процессов старения можно судить по изменению спектрально-оптических и физико-химических характеристик раствора. Восстановление гидропонных растворов предложено осуществлять путем УФ-облучения с предварительной мембранной и ионообменной фильтрациями (рисунок 1), позволяющими изменить спектральные

оптические характеристики растворов и, соответственно, снизить затраты на процесс обеззараживания.

Рисунок 1 — Старение гидропонных растворов в процессе вегетационной эксплуатации и их восстановление с использованием УФ-обеззараживания (—), ионообменной фильтрации (==), механической фильтрации (- -)

Существующие методики не позволяют выполнять расчет и выбор УФ-облучателей для восстанавливаемых растворов, а также оценивать затраты энергии на процесс обеззараживания, поскольку в них отсутствуют данные о спектральных характеристиках растворов. Использование в расчетных формулах значений спектральных оптических характеристик, не соответствующих конкретным условиям, приводит к увеличению энергозатрат на процесс обеззаражи-

вания или неэффективной работе облучателей (недостаточной инактивации болезнетворных микроорганизмов).

С использованием известных зависимостей разработана методика расчета параметров установки для УФ-облучения восстанавливаемых растворов, в которой учитываются закономерности изменения спектрально-оптических характеристик растворов в период эксплуатации, выявленные в результате проведенных исследований (гл. 4). В соответствии с разработанной методикой определяются:

1. Расчетный бактерицидный поток Вт:

(1)

6 1563,4т|пт|0

где 0 - расход обеззараживаемой жидкости, м3/ч;

а - показатель поглощения восстанавливаемого раствора, см-1; К- коэффициент сопротивляемости облучаемых микроорганизмов, мкВтс/см2;

Р0 - количество бактерий до облучения в 1 дм3 жидкости; Р - количество бактерий после облучения в 1 дм3 жидкости; г|п - коэффициент использования бактерицидного потока, зависящий от типа установки (с погруженным или непогруженным источником излучения);

г|0 - коэффициент использования бактерицидного излучения, зависящий от толщины слоя жидкости, ее физико-химических показателей и конструктивного типа установки.

В результате проведенных исследований установлено (гл. 4), что в расчетах следует принимать:

- для неиспользовавшегося раствора

а = а0 = 0,35 см*1;

- для раствора, использовавшегося в вегетационном процессе,

а = а = ап + 0,043/, см"1,

в 0 ' 7 '

где ( - продолжительность эксплуатации раствора, сут.;

- для раствора, подвергнутого мембранной и ионообменной фильтрациям

а = а. =0,10 см-1.

2. Необходимое количество ламп:

где ^ - бактерицидный поток одной лампы.

При выборе источника излучения используются данные, полученные при определении физико-химических показателей питательного раствора: цветности, мутности, содержания ионов железа и марганца.

3. Расход электрической энергии^, Вт-ч/м3, наУФ-обеззараживание жидкости:

где И— мощность, потребляемая одной лампой; п — количество ламп. 4. Основные параметры, определяемые при расчете мембранной и ионообменной фильтраций.

4.1. Объем фильтрата, получаемого с одного патрона, м3:

где Ь - длина фильтра, м;

К» ~ радиус осадка наружный, м;

— радиус осадка внутренний, м; хо — отношение объема осадка к объему фильтрата, м3/м3. 4.2. Продолжительность фильтрации, с:

где го - удельное объемное сопротивление осадка, м~2;

АРл - общая разность давлений для осадка и фильтровальной перегородки, Н/м2.

4.3. Объем Н-катионитовой загрузки, м3:

(4)

> (5)

и

где а1 - коэффициент для учета расхода воды на собственные нужды установки;

О - полезный расход обессоленной воды, м3/сутки; ДАТ] - сумма катионов в исходной воде, г-экв/м^; п - число фильтроциклов в сутки;

£раб - рабочая обменная способность катионита, г-экв/м3.

4.4. Рабочая обменная способность катионита, г-экв/м3:

Е^^ЧуЕ^-омТХк], (7)

где а" - коэффициент эффективности регенерации;

у - коэффициент для учета снижения обменной способности Н-катионита по катиону натрия по сравнению с обменной способностью по катионам жесткости;

Е - полная обменная способность катионита;

ПОЛИ

д - удельный расход осветленной воды на отмывку 1 м-" Н-катионита, м3/м3.

4.5. Объем анионитовой загрузки, м3:

^ И, (8)

"Яраб

где ХИ] - сумма анионов в исходной воде, г-экв/м3;

Е^ - рабочая обменная способность анионита, г-экв/м3.

4.6. Рабочая обменная способность анионита, г-экв/м3:

Е^=Емля-0,5д^[А], (9)

где Е - полная обменная способность анионита;

^ полн ^

<7 - удельный расход осветленной воды на отмывку 1 м* анионита, м3/м3.

Разработанная методика расчета УФ-установки учитывает изменение спектральных оптических характеристик гидропонных растворов во время вегетационной эксплуатации и может использоваться при выборе источника УФ-излучения, расчете бактерицидного потока и энергозатрат на процесс обеззараживания восстанавливаемых гидропонных растворов.

Сравнение элементов технологических схем выращивания зеленных овощей показало, что восстановление позволяет осуществлять

замкнутый цикл вегетационной эксплуатации гидропонного раствора и способствует рациональному использованию энергии и природных ресурсов. Проведенная энергобиологическая оценка показала, что низкие энергозатраты и богатое содержание питательных элементов делают производство зеленных овощей, и в частности салата, перспективным направлением гидропонного овощеводства.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» показано, что программой экспериментов предусматривалось подтверждение сформулированной рабочей гипотезы, исследование спектральных оптических характеристик и физико-химических показателей гидропонных растворов, определение оптимального режима УФ-облучения восстанавливаемых растворов и обоснование конструктивных параметров устройства для его реализации.

В программу экспериментальных исследований входила разработка лабораторных установок и методик исследований. Для определения оптимальных режимов УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов проводились однофакторные поисковые эксперименты и многофакторные эксперименты по методике активного планирования. Разработанная лабораторная установка для УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов включала в себя ионообменные фильтры; патронные фильтры со сменными фильтрующими элементами; УФ-облучатель; манометры; гибкие трубопроводы; насос, вентили и байпас. Для исследования гидропонных растворов использовались методы спектрального анализа.

Экспериментальные исследования осуществлялись при выращивании листового салата (сорт «Азарт»). Для обеспечения достаточной точности эксперимента использовались принципы рандомизации и четырехкратная повторность опытов. В период вегетации оценивалась пораженность растений болезнетворными микроорганизмами. Экологическая чистота выращенного салата определялась по содержанию основных экотоксикантов (пестицидов, нитратов, радионуклидов и тяжелых металлов); биологическая полноценность по содержанию витаминов, углеводов и т.д.

Эффективность восстановления гидропонных растворов с использованием УФ-излучения оценивалась по разработанной методике, которая включала в себя определение следующих коэффициентов (рисунок 2).

Коэффициент эффективности восстановления гидропонного раствора рассчитывается по формуле

кв = к%к>кр, (10)

где К - коэффициент качества питательного раствора; К - коэффициент активности минерального питания; К - коэффициент возрастания зеленой массы. Коэффициент качества питательного раствора Кк зависит от содержания питательных элементов, наличия болезнетворных микроорганизмов и спектральных оптических свойств раствора:

Кк = КсКыКп, (11)

где К - коэффициент, учитывающий состав гидропонного раствора;

Ки - коэффициент, учитывающий поражение растений болезнетворными микроорганизмами;

К - коэффициент, сравнивающий показатель поглощения восстановленного (а ) и нового (ан) растворов.

Качество гидропонного раствора

К.

Активность минерального питания Ка

Возрастание

зеленой массы ЛГР

Рисунок 2 - Оценочные показатели эффективности восстановления гидропонных растворов

Коэффициент активности минерального питания Ка определяется по выражению

КЛ=К}КИ, (12)

где Кз - коэффициент, учитывающий изменение электропроводности раствора в течение вегетационного периода;

^—коэффициент, учитывающий изменение кислотности раствора в течение вегетационного периода.

Коэффициент роста зеленой массы АТр оценивает продуктивность растений, экологическую чистоту и биологическую полноценность получаемой продукции:

КР = Кб Кю1 Ктг, (13)

где К6 = Б6/Ба - коэффициент, зависящий от выхода зеленой массы в проектируемом (Бп) и базовом (Б6) вариантах;

Кпз1 - производственно-экологический коэффициент первого рода; Кт2 - производственно-экологический коэффициент второго рода. Коэффициент энергетической эффективности К^ рассчитывается по выражению

где ¿'-энергосодержание продукции, кДж/м2; И^ - урожайность, кг/м2;

—коэффициент энергосодержания в единице продукции, кДж/кг; Е0 — общие затраты энергии на возделывание и уборку сельскохозяйственной культуры, кДж/м2.

Коэффициент эффективности использования ультрафиолетового излучения К^ определяется по формуле

где АЕ — энергосодержание прибавки продукции, кДж/м2, полученной за счет использования ультрафиолетового облучения гидропонного раствора.

В четвертой главе «Результаты экспериментального определения оптимальных режимов УФ-облучения восстанавливаемого раствора и параметров устройства для восстановления гидропон-

ных растворов» изложено следующее. Анализ спектральных оптических характеристик растворов от длины волны X (рисунок 3) для узкого диапазона, характеризующегося наибольшей бактерицидной эффективностью (I = 249...259 нм), позволил заключить, что гидропонные растворы, как новый, так и вегетационно использованный, являются оптически более плотными средами по сравнению с водой (а = 0,1 ...0,3 см-1). В период вегетационной эксплуатации наблюдается изменение спектральных оптических характеристик гидропонных растворов (рисунок 4).

а, см

х>

Г-0,0031 -0.24 Л1 - 0.98

1=

1) = 0,79 - 0.0021,-Л^ - 0,98

a-2.l8-0.006V Я1 - 0,98

к,- 1,24-0,0031 - 0,98

249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 1, НМ

а

249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 X, нм

Рисунок 3 - Зависимость спектральных оптических характеристик гидропонных растворов от длины волны: а - вегетационно использованного раствора; б - нового раствора

Рисунок 4 — Зависимость спектральных оптических характеристик раствора от продолжительности вегетационной эксплуатации

Установленные в результате экспериментальных исследований закономерности изменения спектральных оптических характеристик использовались в расчетах установки для УФ-облучения восстанавливаемых растворов по разработанной методике. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики установки

для УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов

№ п/п Наименование параметра Условное обозначение Единица измерения Значение

1 Объем фильтрата (на 1 патрон) V м3 0,006

2 Продолжительность фильтрования X с 4

3 Объем Н-кагионитовой загрузки Ж " н м3 0,003

4 Рабочая обменная способность катионита раб г-экв/м3 1205,7

5 Объем анионитовой загрузки К м3 0,005

6 Рабочая обменная способность анионита г-экв/м3 642,5

7 Расчетный бактерицидный поток ^ Вт 0,56

8 Количество ламп п шт. 1

9 Расход электроэнергии на УФ-обеззараживание жидкости £ кВтч/м3 0,05

Для УФ-облучения восстанавливаемого раствора выбрана установка AguaPro (источник УФ-излучения - лампа 1Л/-81), которая обеспечивает дозу облучения 16 мДж/см2 и предназначена для обеззараживания жидкостей при температуре 2.. .40 °С, мутности не более 2 мг/дм3, цветности не более 35 град. Предварительная мембранная и ионообменная фильтрации приводят к коррекции спектральных оптических характеристик гидропонного раствора, что позволяет снизить требуемый расчетный бактерицидный поток и дозу облучения в 1,5... 1,6 раза.

В результате экспериментальных исследований установлено, что УФ-облучение восстанавливаемых растворов с последующим внесением питательных элементов позволяет снижать общее число микроорганизмов, удалять механические примеси и создавать сбалансированный гидропонный раствор. Изменения физико-химических показателей восстановленного и нового растворов несущественно отличаются друг от друга, что свидетельствует об отсутствии изменений в протекании процессов минерального питания. Установленные закономерности позволяют определять электропроводность и показатель кислотности восстанавливаемых гидропонных растворов на различных стадиях вегетации и контролировать активность минерального питания растений (рисунок 5).

Рисунок 5 - Изменение физико-химических показателей гидропонного раствора в период вегетационной эксплуатации: 1 - Ее; 2 - рН

С использованием многофакторных экспериментов получены уравнения регрессии, адекватно описывающие отклик растений на

УФ-облучение восстанавливаемого гидропонного раствора (при изменении расхода раствора в пределах 0,020-0,024 дм3/с и температуры питательного раствора в пределах 18-22 °С):

где У,, У2 — биомасса листьев салата и биомасса корневой системы соответственно;

х{,х2—расход питательного раствора и температура питательного раствора соответственно.

Уравнения регрессии позволили определить, что наибольший отклик растений достигается при УФ-облучении восстанавливаемого гидропонного раствора с коэффициентом пропускания 0,65; коэффициентом поглощения 0,35; показателем поглощения 0,43; оптической плотностью 0,19 при дозе облучения 16 мДж/см2, расходе 0,022 дм3/с, температуре 20 "С. В этом случае отмечено увеличение выхода биомассы салата на 10... 15% по сравнению с контрольным уровнем при обеспечении экологической чистоты и сохранения биологической полноценности получаемой продукции.

В пятой главе «Разработка технологии гидропонного выращивания зеленных овощей с использованием УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов» представлена разработанная технология, которая включает в себя в числе основных операций подготовку субстрата; посев семян; размещение емкостей с семенами в камере для проращивания; перемещение емкостей с проростками на культивационный стол; установку емкостей с рассадой на вегетационной поверхности; подачу гидропонного раствора к растениям; выращивание и уборку полученного салага с вегетационной поверхности.

Для осуществления операции по УФ-облучению восстанавливаемого раствора разработана установка, в которой реализованы мембранная, ионообменная фильтрации и УФ-обеззараживание гидропонного раствора (рисунок 6).

Проведенная оценка эффективности восстановления гидропонного раствора позволила установить, что в предлагаемом варианте улучшаются условия минерального питания растений, увеличивается продуктивность растений, повышается качество продукции.

3{ = 115-5,2х?-4,8х*; У2=\1 — 0,9х,2 -1,1*2,

.2

'2 5

(17)

(16)

Блок ионообменной фильтрации

Блок УФ-облучения

1 - бак;

2 - вегетационная

поверхность;

3 - приемная емкость;

4 - насос; 5-вентиль;

6 - трубопровод;

7 - байпас;

8 - установка для

УФ-облучения восстанавливаемых гидропонньк растворов .

Рисунок 6 - Основное технологическое оборудование для гидропонного выращивания зеленных овощей с УФ-облучением восстанавливаемого гидропонного раствора

На основании производственных испытаний, проведенных в ОАО «Тепличный», установлено, что предложенный вариант выращивания зеленных овощей характеризуется более высокой технико-экономической эффективностью по сравнению с базовым вариантом. За счет увеличения выхода биомассы в опытном варианте на 10... 15% происходит уменьшение затрат энергии на получение единицы продукции на 0,4—0,5 ГДж/т и повышение энергетической эффективности на 10...12%. Годовой экономический эффект составляет 680 тыс. руб. в расчете на стандартную ангарную теплицу с объемом выращивания продукции 10,6 т.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В условиях проточной гидропоники, относящейся к числу наиболее перспективных направлений гидропонной культуры, активное развитие растений достигается за счет полноценного минерального питания, которое обеспечивается путем непрерывной циркуляции питательного раствора. Во время вегетационной эксплуатации происходит старение гидропонных растворов. При восстановлении гидропонных растворов целесообразным представляется их ультрафиолетовое облучение, однако технические средства для его реализации разработаны недостаточно.

2. Установленные закономерности изменения спектральных оптических характеристик гидропонного раствора, влияющих на эффективность процесса УФ-облучения, позволяют определять показатель поглощения, оптическую плотность, коэффициент поглощения и коэффициент пропускания на различных стадиях вегетационной эксплуатации раствора.

Разработанная методика расчета параметров УФ-установки учитывает изменение спектральных оптических характеристик гидропонных растворов во время вегетационной эксплуатации и может использоваться при выборе источника УФ-излучения, расчете бактерицидного потока и энергозатрат на процесс обеззараживания восстанавливаемых гидропонных растворов.

3. Анализ уравнений регрессии, полученных по методике активного планирования, показал, что наибольший отклик растений достигается при УФ-облучении восстанавливаемого гидропонного раствора с коэффициентом пропускания 0,65, коэффициентом поглощения 0,35, показателем поглощения 0,43, оптической плотностью 0,19 при дозе облучения 16 мДж/см2, расходе 0,022 дм3/с, температуре 20 °С. В этом случае отмечалось превышение контрольного уровня по выходу биомассы салата на 10... 15 % при сохранении биологической полноценности и экологической чистоты получаемой продукции.

4. Установленные закономерности изменения физико-химических показателей питательного раствора позволяют определять электропроводность и показатель кислотности восстанавливаемых гидропонных растворов на различных стадиях вегетации и контролировать протекание процессов минерального питания.

5. Разработанная установка позволяет производить УФ-обеззара-живание восстанавливаемых гидропонных растворов. Многократное использование гидропонного раствора приводит к сокращению расхода воды в 1,6... 1,7 раза. Мембранная и ионообменная фильтрации, осуществляющиеся перед УФ-облучением, способствуют уменьшению показателя поглощения гидропонного раствора, что позволяет снизить дозу облучения в 1,5... 1,6 раза.

6. Разработанная технология включает в себя операцию по УФ-облучению восстанавливаемых гидропонных растворов в производственный цикл выращивания зеленных овощей.

Разработанная методика позволяет производить оценку эффективности использования УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов.

7. Технико-экономическая эффективность разработанной установки подтверждена производственными испытаниями: в предлагаемом варианте снижаются затраты энергии на получение единицы продукции на 0,4-0,5 ГДж/т, повышается энергетическая эффективность на 10... 12% за счет увеличения выхода биомассы на 10-15%. Годовой экономический эффект составляет 680 тыс. руб. в расчете на стандартную ангарную теплицу.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Басарыгина Е. М., Горяинова Т. Н., Басарыгина Т. А. Оценка эффективности очистки гидропонных растворов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 11. - С. 11-13.

2. Басарыгина Е. М., Горяинова Т. Н., Басарыгина Т. А. Усовершенствованная технология гидропонного выращивания овощей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. — №2.-С. 5-6.

3. Знаев А. С., Басарыгина Т. А. Повышение эффективности гидропонного выращивания овощей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 1. - С. 7-8.

4. Басарыгина Т. А. Выбор облучателя для обеззараживания гидропонных растворов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 2. - С. 28-29.

Публикации в других изданиях

5. Басарыгина Т. А. Использование ультрафиолетового излучения для дезинфекции поливных растворов II Материалы междунар. науч.-практич. конф. молодых ученых «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых». - Омск, 2010. -С.82-85.

6. Басарыгина Т. А., Хиллер В. В. Использование спектральных методов для анализа питательных растворов // Материалы ХЫХ науч.-техн. конф. «Достижения науки и техники - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2010. - Ч. 3. - С. 40-43.

7. Знаев А. С., Басарыгина Т. А. Разработка ресурсосберегающей гидропонной установки // Материалы междунар. науч.-практич. конф. «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК». - Мичуринск, 2010. - С. 73-76.

8. Пат. РФ № 95967. Гидропонная установка / Ю. Б. Четыркин, Е. М. Басарыгина, Т. А. Басарыгина, Бюл. № 20. 2010.

9. Путилова Т. А. Оптические свойства гидропонных растворов в бактерицидном спектре ультрафиолетового излучения // Материалы ХЬХ междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки и техники-

агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2011. -Ч. VI.-С. 14—18.

10. Путилова Т. А. Оценка эффективности использования ультрафиолетового излучения при восстановлении гидропонных растворов // Материалы Ы науч.-техн. конф. «Достижения науки и техники - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2012. -Ч.У.- С. 223-226.

Подписано в печать 13.03.2013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 45

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

Введение

Актуальность темы. Использование методов оптической электротехнологии в значительной мере способствует повышению эффективности гидропонного растениеводства, позволяющего круглый год получать богатые витаминами, экологически чистые овощи. В условиях проточной гидропоники, относящейся к числу наиболее перспективных направлений гидропонной культуры, активное развитие растений достигается за счет полноценного минерального питания, которое обеспечивается путем непрерывной циркуляции растворов. Однако в процессе вегетационной эксплуатации происходит старение гидропонных растворов, в связи с чем разработка технических средств для их восстановления является актуальной задачей. В этом плане целесообразным представляется использование ультрафиолетового (УФ) излучения, способствующего обеззараживанию жидких сред. В настоящее время известны различные способы УФ-обеззараживания гидропонных растворов, однако возможности использования УФ-излучения при их восстановлении полностью не изучены.

Настоящая работа посвящена вопросу использования ультрафиолетового излучения при восстановлении гидропонных растворов. Исследования проводились в соответствии с разделом Федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 - «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», а также планом НИР ЧГАА на 2009 - 2012 гг.

Цель исследования: повышение эффективности гидропонного растениеводства путем использования технических средств оптической электротехнологии при восстановлении гидропонных растворов.

Задачи исследования:

1. Установить закономерности изменения спектральных оптических характеристик гидропонных растворов в период эксплуатации и разработать методику расчета параметров установки для УФ-облучения восстанавливаемых растворов.

2. Определить влияние режимов УФ-облучения восстанавливаемых растворов на отклик растений и получить математическую модель выхода биомассы. Разработать методику оценки эффективности использования УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов.

3. Разработать установку для УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов.

4. Разработать технологию гидропонного выращивания зеленных овощей, включающую в себя УФ-облучение восстанавливаемых растворов.

Объект исследования: использование УФ-излучения при восстановлении растворов в гидропонном растениеводстве.

Предмет исследования: закономерности изменения биомассы зеленных овощей при различных режимах УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов.

Анализ научно-технической литературы позволил сформулировать рабочую гипотезу: использование УФ-облучения при восстановлении гидропонных растворов позволяет создать необходимые условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей за счет обеззараживания растворов, предварительно очищенных от механических и химических примесей.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

1. В работе впервые предложено и апробировано использование УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов в условиях проточной гидропонной культуры (на примере зеленных овощей). Восстановление гидропонных растворов предложено осуществлять путем УФ-облучения с предварительной мембранной и ионообменной фильтрациями, позволяющими удалить из растворов механические и

химические примеси и, соответственно, снизить затраты на процесс обеззараживания.

2. Установлены закономерности изменения спектральных оптических характеристик гидропонных растворов (показателя поглощения, коэффициента поглощения, коэффициента пропускания, оптической плотности) в период эксплуатации. Разработана методика расчета параметров установки для УФ-облучения восстанавливаемых растворов, в которой полученные закономерности используются для расчета бактерицидного потока, выбора источника УФ-излучения и определения затрат энергии на процесс обеззараживания.

3. Выявлены закономерности изменения показателя рН и электропроводности восстановленных растворов в процессе эксплуатации. Получены математические модели, описывающие отклик зеленных овощей на УФ-облучение восстанавливаемых растворов.

4. Разработана методика оценки эффективности использования УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов. На основе результатов диссертационной работы разработана и опробована установка для УФ-облучения восстанавливаемых гидропонных растворов. Полученные взаимосвязи и математические модели могут использоваться при проектировании установок для ультрафиолетового обеззараживания гидропонных растворов при их восстановлении.

Результаты, достигнутые в диссертационной работе, позволяют дать практические рекомендации по применению УФ-о'блучения при восстановлении растворов в гидропонном растениеводстве. Новизна технических решений подтверждена одним патентом РФ.

На основе проведенных исследований разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания зеленных овощей, включающая в себя использование УФ-излучения при восстановлении гидропонных растворов, в ОАО «Тепличный» (г. Челябинск); методика

оценки эффективности обеззараживания восстанавливаемых гидропонных растворов - в Научно-исследовательском институте защищенного грунта (НИИОЗГ, г. Москва). Результаты работы используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на научных конференциях, в том числе на: Международной научно-практической конференции молодых ученых «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых» (ГНУ СибНИИСХ СО Россельхозакадемии, Омск, 2010 г.); Первой Международной конференции с элементами научной школы «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (РНЦ «Курчатовский институт», Москва, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет, Мичуринск, 2010 г.), Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Ульяновск, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем» (ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ», Волгоград, 2012), а также на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАА. На специализированных выставках-ярмарках «Золотая осень» (г. Москва, ВВЦ, 2009 г.), «Агро-2012» (г. Челябинск, 2012 г.) получены дипломы и золотые медали.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 182 наименований и 2 приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах, текст содержит 40 рисунков и 17 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. ГИДРОПОННОЕ ОВОЩЕВОДСТВО В СОВРЕМЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Овощеводство защищенного грунта относится к числу отраслей, имеющих важную роль в решении вопросов, связанных с оздоровлением населения. В нашей стране в год выращивается около 15 млн. тонн овощей, что составляет в среднем 91 кг на душу населения и явно недостаточно для полноценного питания. Кроме того, значительно сильнее, чем в развитых странах, выражена сезонность потребления овощей. За последние десятилетия площади зимних теплиц сократились на 40%. В условиях роста цен на энергоносители и поступление на рынок дешевой импортной _ продукции тепличным комбинатам сложно работать рентабельно [11; 25; 74].

Для восстановления и динамичного развития тепличного овощеводства необходимы интенсификация научных исследований и быстрое внедрение в производство научно-технических разработок [11; 25; 72; 154]. Инновационные подходы должны быть в первую очередь нацелены на освоение новых технологий, а также рациональное использование энергии и природных ресурсов [1; 2; 11; 19; 74].

Как известно, сооружения защищенного грунта наносят окружающей среде существенный вред, причем в первую очередь негативное влияние оказывается на почвенные и водные ресурсы. Во всем мире площади плодородных почв катастрофически сокращаются. Почвы загрязняются, разрушаются, воздушной и водной эрозией, заболачиваются, засоляются, опустыниваются, выводятся из сельскохозяйственного оборота вследствие отвода их под строительство и другие цели [2; 25; 104; 105]. ч Источники загрязнения водоемов разнообразны и непредсказуемы, к

ним относятся атмосферные осадки, городские сточные воды,

сельскохозяйственные воды, промышленные сточные воды и т.д. Процессы, осуществляющиеся в водной среде и подвергающиеся загрязнению, имеют огромное значение для обеспечения жизни на Земле [2; 13; 25].

Сложная экологическая ситуация характерна для многих стран мира, в том числе Российской Федерации.

Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества вод России обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности воды и числа случаев экстремально высокого содержания загрязняющих веществ в водных объектах [82; 129; 133; 162].

Наиболее разрушительное воздействие на почвенный покров оказывают процессы водной и ветровой эрозии. Усилилось действие антропогенных факторов. Продолжилось развитие таких негативных процессов и явлений как подтопление земель, загрязнение токсикантами промышленного происхождения (тяжелые металлы, нефть, нефтепродукты), радиоактивными элементами. Немаловажным фактором деградации почв является их загрязнение химическими элементами [2; 6; 129].

Негативное влияние на состояние земель обусловлено трудностями с переработкой и хранением промышленных, бытовых и других отходов, значительная часть которых вывозится по свалкам и служит источником загрязнения окружающей среды [2; 82].

Крайне высокой и высокой степени техногенного загрязнения отличаются крупные многофункциональные города с химическими, нефтехимическими, металлургическими производствами в Белгородской, Кемеровской, Мурманской, Новгородской, Новосибирской, Челябинской и ряда других областей [129].

Агрохимические исследования показали, что почвы Челябинской области характеризуются низким и очень низким содержанием подвижного фосфора. Пахотные земли, в том числе наиболее ценные в агрономическом

отношении выщелоченные и обыкновенные черноземы, заметно снизили содержание органического вещества, постепенно закисляются и обедняются элементами питания, ухудшается их структурно-агрегатный состав. Почвенный покров Челябинской области подвержен водной и ветровой эрозии. На территории области в почвах обнаружено повышенное содержание наиболее опасных для здоровья человека металлов: свинца, кадмия, меди, мышьяка, цинка, марганца и ртути [2; 5; 73; 129]. Уровень экологически допустимого воздействия на землю в ряде городов и районов области превышен, существует реальная угроза истощения и загрязнения земель.

В свою очередь, загрязненные почва и вода могут стать причиной загрязнения атмосферы, водоемов, подземных вод, а также продуктов питания растительного происхождения.

В связи с вышеуказанным в Челябинской области одним из наиболее важных вопросов является круглогодичное обеспечение населения в необходимом количестве качественной, экологически чистой продукцией растениеводства.

Решение данной проблемы возможно с помощью использования гидропонных технологий, нашедших широкое применение во всем мире [173-178].

Гидропонные теплицы имеют ряд преимуществ перед грунтовыми (рис. 1.1.) [1; 9; 11; 28; 79; 80]. Гидропонные сооружения представляется возможным строить не на пахотных землях, а на площадках, не пригодных для земледелия: каменистых, скалистых участках, песках, малоразвитых, бесплодных почвах, что позволяет рационально использовать территорию. При гидропонном методе возделывания растений возрастает коэффициент использования производственной площади: гидропонные сооружения можно поднять в высоту - в виде многоэтажных теплиц или вегетационных камер с

регулируемым климатом. При выращивании овощных культур методом гидропоники исключается использование почвогрунтов.

Рис. 1.1. Преимущества гидропонных теплиц

Использование гидропонной технологии позволяет заменить работу по уходу за растениями (поливы, подкормки) автоматической подачей питательного раствора. При выращивании овощных культур на искусственных субстратах успешно решается задача бесперебойного снабжения корневой системы растений водой, питательными элементами и кислородом воздуха.

Водоснабжение и питание растений, культивируемых на искусственных средах, осуществляется при оптимальных количествах питательных элементов и наиболее благоприятной реакции раствора, при этом удобряется не почва, а растение, которое использует питательные элементы непосредственно из раствора. При выращивании растений без почвы с автоматическим программным управлением можно регулировать дозы и частоту подачи питательного раствора в зависимости от температурного режима и интенсивности освещения. Применение гидропонных технологий позволяет получать экологически чистую продукцию в течение круглого года. При гидропонном методе выращивание наблюдается снижение затрат топливно-энергетических ресурсов на обогрев культивационных сооружений защищенного грунта, что приводит к ослаблению негативного действия на окружающую среду [9; 11; 28; 29; 36].

Выше изложенное позволяет сделать вывод о том, что гидропонное растениеводство в современных производственно-экологических условиях является перспективным направлением.

1.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГИДРОПОННОГО

ОВОЩЕВОДСТВА

Гидропонные теплицы относятся к сооружениям защищенного грунта, которые представляют собой сооружения и земельные участки, оборудованные для создания искусственного микроклимата при внесезонном выращивании растений.

Организация производства, технология выращивания и экономические показатели овощеводства защищенного грунта значительно отличаются от таковых для овощеводства открытого грунта. Это отличие связано с инженерными средствами, при помощи которых создают искусственный микроклимат [18; 28; 31]. К инженерно-технологическому оборудованию относятся: металлоконструкции, системы обогрева, капельного полива, досвечивания, испарительного охлаждения, подачи СОг, зашторивания, вентиляции, рециркуляции воздуха, дежурного освещения, электроснабжения, освещения и орошения рассадочного отделения и т.д. (рис. 1.2.) [11].

Инженерно-технологические системы современных гидропонных теплиц

—► Система обогрева —> Система рециркуляции воздуха —► Система вентиляции —>- Система испарительного охлаждения —> Система водоподготовки —Система подготовки питательного раствора —Система подачи СОг —Система досвечивания —> Система электроснабжения —>• Система обогрева —> Система зашторивания —Система полива —> Система орошения рассадного отделения Система освещения рассадного отделения и-Система управления технологическими процессами —>■ Система сбора дренажных стоков —► Система проращивания семян —> Система дежурного освещения —> Метеорологическая станция Металлоконструкции

Рис. 1.2. Инженерно-технологические системы современных гидропонных теплиц [11]

Рис. 1.5. Ионитопоника [122]

Рис. 1.6. Аэропоника [28]

Рис. 1.7. Аквапоника [29]

3) ионитопоника -выращивание растений на синтетических ионообменных смолах, насыщенных питательными элементами, которые находятся в поглощенном, но доступном для растений обменном состоянии. У нас в стране метод применяется, как правило, в лабораторных условиях (рис. 1.5.) [11; 28];

4) аэропоника - или «воздушная культура», характеризуется тем, что корни растений постоянно находятся во влажном воздухе и их часто опрыскивают питательным раствором [9; 28] (рис. 1.6.);

5) аквапоника - или «водная культура», выращивание растений на водных питательных растворах, в которые непосредственно погружены корни растений [11; 28; 29] (рис. 1.7.).

Аквапоника позволяет регулировать условия выращивания растений -создавать режим питания для корневой системы, полностью обеспечивающей потребности растений в питательных элементах, концентрацию углекислого газа в воздухе, наиболее благоприятную для фотосинтеза, а также регулировать температуру воздуха, интенсивность и продолжител