臭氧+UV反應器聯(lián)合實驗結構設計

發(fā)布時間：2022-09-02人氣：

實際生產中，一般采用間歇式營養(yǎng)液循環(huán)方式：營養(yǎng)液澆灌植物后流回回液池中暫存，待達到一定量后再經臭氧發(fā)生器消毒轉移至儲液池，然后根據(jù)灌溉制度要求進行灌溉循環(huán)。對于栽培面積667 m2 的水培系統(tǒng)，營養(yǎng)液循環(huán)量一般為40～60 m3/h，循環(huán)次數(shù)4～6 次/d。營養(yǎng)液的消毒是在兩次灌溉之間，因此消毒時間為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)生器的營養(yǎng)液處理量設計為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養(yǎng)液被水泵以一定流量吸入消毒管路，經過過濾器濾去其中固體顆粒雜質后，進入文丘里射流器。營養(yǎng)液首先進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，至喉管處流速達到很大，在此形成一個低于大氣壓的負壓區(qū)；臭氧發(fā)生器產生的臭氧，在文丘里喉管處負壓作用下被吸入文丘里管中，與其中的營養(yǎng)液混合；由于臭氧充分溶解在營養(yǎng)液中，便開始氧化其中的病原菌。流出文丘里管的營養(yǎng)液隨后進入紫外消毒器，營養(yǎng)液在紫外燈管外的石英套管和消毒器外殼之間流動，受到紫外線照射而滅菌，而已經混入營養(yǎng)液的臭氧在紫外消毒器中繼續(xù)進行氧化滅菌。很后消毒處理后的營養(yǎng)液由紫外消毒器出液口流出，進入儲液池。

紫外線消毒器

目前，國內沒有專用于營養(yǎng)液消毒的紫外線消毒設備。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，從而導致各個流層之間很少或沒有物質交換。當紫外線在水中的透射率較低時，靠近紫外燈管的液體受到較強的紫外線輻射，可以受到預期的輻射劑量，滅菌效果較好；但是遠離紫外燈管的液體（如靠近消毒器殼體流動的液體）受到的紫外線輻射強度較小，此處營養(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]。

針對上述問題，自行設計了一種新型的紫外線消毒器[17]：在消毒腔體內安裝螺旋形導流片，使營養(yǎng)液以湍流形式流動（圖2），即讓沿不銹鋼腔體內壁流動的營養(yǎng)液也有一部分時間是在石英套管附近流動。營養(yǎng)液在距離紫外燈管較近或較遠的兩個區(qū)域停留的時間接近，從而解決了因一部分營養(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

選用北京農業(yè)信息技術研究中心研制的臭氧發(fā)生器；利用高壓放電的原理產生臭氧，其中并聯(lián)安裝2 個高壓放電管。臭氧發(fā)生器進氣量35 L/min，出口處臭氧濃度18.3～18.5 ppm，臭氧產量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，總長度235 mm，進出水口外徑32 mm（1 吋），進氣口外徑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。本機采用4 個A32235 型文丘里射流器并聯(lián)使用。

控制設備

由北京農業(yè)信息技術研究中心開發(fā)研制，主要由液晶顯示屏和觸摸屏的人機交互界面與主電控箱兩部分組成。可以實現(xiàn)對整機的自動或手動控制。在自動運行狀態(tài)下，手動操作無效，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，開機時必須先打開臭氧發(fā)生器的氣泵；而關閉時，先關閉臭氧高壓放電管，后關閉氣泵。在系統(tǒng)自動運行時，按照上述順序開閉設備。手動操作時，開啟各設備的順序是水泵、紫外線燈管和氣泵，過3～5 min 后再打開臭氧發(fā)生器；關閉時，先關閉臭氧高壓放電管，然后順序關閉氣泵、紫外線燈管和水泵。同時，為安全起見，手動控制時，在不開啟氣泵的情況下，不能開啟臭氧高壓放電管。

其他設備

水泵：選用上海晶泉泵閥制造有限公司生產的50HYLZ-22 型不銹鋼耐腐蝕自吸泵，電動機功率3 kW，流量15 m3/h，揚程22 m。過濾器采用120 目疊片式過濾器。選用上?？堤丨h(huán)?？萍及l(fā)展有限公司生產的B-8 型止回閥，其作用是防止營養(yǎng)液經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。

結論

1）設計并試制了一種紫外線—臭氧組合式營養(yǎng)液消毒機。樣機主要包括紫外線消毒器、4 個文丘里射流器、臭氧發(fā)生器、自吸泵、ABS 管路及自動控制設備等。工作時，灌溉后回收的營養(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)生器產生的臭氧由于負壓作用吸入并與營養(yǎng)液充分混合，從而殺滅營養(yǎng)液中的病原微生物；然后營養(yǎng)液再經過紫外線消毒器，在紫外線的照射下進一步殺滅病原微生物。

2）對所研制的紫外線—臭氧組合式消毒機，用經過了180 d 番茄栽培試驗的營養(yǎng)液進行UV、O3、UV+O33 種方法的滅菌性能測試，結果表明：主要病原體（真菌、細菌和放線菌）總的消毒效果分別達到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單疊加，而是出現(xiàn)了協(xié)同滅菌效應。

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

4）試驗證明，本機達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，滿足了生產實際的需要；另外，對于栽培面積667 m2 的水培系統(tǒng)，營養(yǎng)液循環(huán)量一般為40～60 m3/h，循環(huán)次數(shù)4～6 次/d。營養(yǎng)液的消毒是在兩次灌溉之間的間隙進行，由此，每次消毒的時間為4～6 h，消毒機需要處理的營養(yǎng)液量通常為12～18 m3/h，因此，本機可用于栽培培面積為667 m2、營養(yǎng)液處理量為15 m3/h 的水培系統(tǒng)。