Введение к работе
Актуальность темы. К наиболее прогрессивным методам гидропонных технологий относится проточная культура, позволяющая в течение круглого года выращивать богатые витаминами зеленные овощи. Преимущества метода заключаются в том, что благоприятные условия для роста корневой системы создаются за счет непрерывной циркуляции питательного раствора, качество которого влияет на продуктивность растений. Для повышения качества питательного раствора необходимо проводить его обеззараживание.
Представляется целесообразным осуществлять обеззараживание питательного раствора с использованием способов и технических средств электротехнологии, в частности ультрафиолетового (УФ) излучения, которое летально для большинства болезнетворных микроорганизмов. В связи с тем, что при УФ-облучении необходимо учитывать характеристики питательного раствора, связанные с наличием примесей и влияющие на эффективность процесса обеззараживания, наиболее перспективными являются такие методы комбинированного воздействия, как использование УФ-облучения и фильтрации питательного раствора.
Возможности применения данного комбинированного способа для очистки природных и сточных вод отражены в научных публикациях, однако изучены не полностью и требуют дальнейших исследований. В частности, не определено влияние фильтрации на физико-химические характеристики питательного раствора и связанные с ними энергетические затраты на процесс УФ-обеззараживания; отсутствует методика расчета установки для УФ-облучения и фильтрации питательных растворов; не установлены закономерности изменения в период эксплуатации параметров питательного раствора, влияющих на активность минерального питания растений и т.д.
Настоящая работа является попыткой обоснования использования УФ-облучения и фильтрации. Исследования проводились в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг.: Проблема IX. Научное обеспечение повышения машинно-технологического и энергетического потенциала сельского хозяйства России, а также планом НИР ЧГАА на 2005-2010 гг.
Цель исследования: повышение эффективности гидропонного выращивания зеленных овощей путем использования технических средств оптической электротехнологии.
Задачи исследования:
Разработать методику расчета установки для УФ-облучения и фильтрации питательных растворов; определить физико-химические характеристики питательного раствора (показатель поглощения, коэффициент пропускания, экстинкцию, цветность, мутность), влияющие на энергетические затраты процесса УФ-обеззараживания; установить закономерности изменения в период эксплуатации параметров питательного раствора, от которых зависит активность минерального питания растений (электропроводность, активность ионов).
Определить влияние режимов УФ-облучения и фильтрации питательного раствора на отклик растений и получить математическую модель выхода биомассы. Разработать методику оценки эффективности обеззараживания питательных растворов.
Разработать технологию гидропонного выращивания зеленных овощей, включающую в себя УФ-облучение и фильтрацию питательного раствора.
Разработать установку для УФ-облучения и фильтрации питательного раствора.
Объект исследования: процесс гидропонного выращивания зеленных овощей при УФ-облучении и фильтрации питательного раствора.
Предмет исследования: закономерности изменения выхода биомассы зеленных овощей при различных режимах УФ-облучения и фильтрации питательного раствора.
Анализ опубликованных материалов позволил сформулировать рабочую гипотезу: использование УФ-облучения и фильтрации гидропонных растворов позволяет создать необходимые условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей за счет обеззараживания питательного раствора путем удаления и уничтожения болезнетворных микроорганизмов.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту. В работе впервые предложено и апробировано использование УФ-облучения и фильтрации для обеззараживания питательных растворов при гидропонном выращивании растений (на примере зеленных овощей). Разработана методика расчета установки для УФ-облучения и фильтрации питательных растворов. Методом фотометрии определены характеристики питательных растворов, учитывающиеся в данной
5 методике и оказывающие непосредственное влияние на затраты энергии в процессе УФ-обеззараживания: коэффициент пропускания, показатель поглощения, экстинкция, мутность, цветность. Установлены закономерности изменения в период эксплуатации параметров питательного раствора, влияющих на активность минерального питания растений: электропроводности и активности ионов (рН). Получены математические модели, описывающие отклик зеленных овощей (биомасса листьев, биомасса корневой системы) на УФ-облучение и фильтрацию питательного раствора. Разработана методика оценки эффективности обеззараживания питательного раствора.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов. На основе результатов исследований разработана и опробована установка для обеззараживания питательного раствора. Разработанные математические модели и установленные взаимосвязи могут быть использованы научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями на всех стадиях проектирования установок для УФ-облучения и фильтрации гидропонных растворов.
Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по применению обеззараживания питательного раствора путем УФ-облучения и фильтрации в гидропонном растениеводстве. Новизна технических решений защищена патентом РФ.
На основе проведенных в диссертационной работе исследований были разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания зеленных овощей, включающая в себя обеззараживание питательного раствора путем УФ-облучения и фильтрации в ОАО «Тепличный» (г. Челябинск); методика оценки эффективности обеззараживания питательных растворов - в НП «Научно-исследовательский институт овощеводства защищенного грунта» (НИИОЗГ, г. Москва). Результаты работы используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и одобрены на научных конференциях, в том числе: на Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (Москва, ЗАО «Экспобиохимтехнологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007 г.), Четвертой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Политехнический ун-т, Санкт-Петербург, 2007 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАА.
На специализированных выставках-ярмарках «Золотая осень», «Агро-2007», «Агро-2009» получены дипломы и золотые медали (Москва, ВВЦ, 2008 г.; Челябинск, 2007, 2009 гг.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 137 наименований и 3 приложений. Содержание работы изложено на 123 страницах, текст содержит 23 рисунка и 17 таблиц.
