Повышение эффективности гидропонного выращивания зеленных овощей путем ультрафиолетового облучения и фильтрации питательного раствора

На правах рукописи

Горяинова Татьяна Николаевна

Повышение эффективности гидропонного выращивания

зеленных овощей путем ультрафиолетового облучения

и фильтрации питательного раствора

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск – 2010 2

Работа выполнена на кафедре физики Федерального государст венного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Басарыгина Елена Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лямцов Александр Корнилович кандидат технических наук, доцент Захаров Владимир Алексеевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Оренбургский государствен ный аграрный университет»

Защита состоится «17» декабря 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Че лябинск, пр. Ленина, 75.

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

Автореферат разослан «15» ноября 2010 г. и размещен на офи циальном сайте ФГОУ ВПО ЧГАА http:// www. csaa. ru «16» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Возмилов А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К наиболее прогрессивным методам гид ропонных 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 про дуктивность растений. Для повышения качества питательного рас твора необходимо проводить его обеззараживание.

Представляется целесообразным осуществлять обеззараживание питательного раствора с использованием способов и технических средств электротехнологии, в частности ультрафиолетового (УФ) из лучения, которое летально для большинства болезнетворных микро организмов. В связи с тем, что при УФ-облучении необходимо учи тывать 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 пита тельного раствора.

Возможности применения данного комбинированного способа для очистки природных и сточных вод отражены в научных публика циях, однако изучены не полностью и требуют дальнейших исследо ваний. В частности, не определено влияние фильтрации на физико химические характеристики питательного раствора и связанные с ни ми энергетические затраты на процесс УФ-обеззараживания;

отсутст вует 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 использова ния УФ-облучения и фильтрации. Исследования проводились в соот ветствии с Межведомственной координационной программой фунда ментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006–2010 гг.: Проблема IX. Научное обеспечение по вышения 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:

1. Разработать методику расчета установки для УФ-облучения и фильтрации питательных растворов;

определить физико-химические характеристики питательного раствора (показатель поглощения, ко эффициент пропускания, экстинкцию, цветность, мутность), влияю щие на энергетические затраты процесса УФ-обеззараживания;

уста новить закономерности изменения в период эксплуатации параметров питательного раствора, от которых зависит активность минерального питания растений (электропроводность, активность ионов).

2. Определить влияние режимов УФ-облучения и фильтрации питательного раствора на отклик растений и получить математиче скую модель выхода биомассы. Разработать методику оценки эффек тивности обеззараживания питательных растворов.

3. Разработать технологию гидропонного выращивания зелен ных овощей, включающую в себя УФ-облучение и фильтрацию пита тельного раствора.

4. Разработать установку для УФ-облучения и фильтрации пита тельного 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 гид ропонных растворов позволяет создать необходимые условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей за счет обеззараживания питательного раствора путем удаления и уничтоже ния болезнетворных микроорганизмов.

Научная новизна основных положений, выносимых на защи ту. В работе впервые предложено и апробировано использование УФ облучения и фильтрации для обеззараживания питательных растворов при гидропонном выращивании растений (на примере зеленных ово щей). Разработана методика расчета установки для УФ-облучения и фильтрации питательных растворов. Методом фотометрии определе ны характеристики питательных растворов, учитывающиеся в данной методике и оказывающие непосредственное влияние на затраты энер гии в процессе УФ-обеззараживания: коэффициент пропускания, по казатель поглощения, экстинкция, мутность, цветность. Установлены закономерности изменения в период эксплуатации параметров пита тельного 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 эф фективности обеззараживания питательного раствора.

Практическая ценность работы и реализация ее результа тов. На основе результатов исследований разработана и опробована установка для обеззараживания питательного раствора. Разработан ные 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 рекомен дации по применению обеззараживания питательного раствора путем УФ-облучения и фильтрации в гидропонном растениеводстве. Новиз на 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 обез зараживания 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 конферен циях, в том числе: на Международной научно-практической конфе ренции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (Москва, ЗАО «Экспобиохимтехнологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007 г.), Четвертой Международной научно-практической конференции «Ис следование, разработка и применение высоких технологий в про мышленности» (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 вве дения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 137 наимено ваний и 3 приложений. Содержание работы изложено на 123 страни цах, текст содержит 23 рисунка и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выно симые на защиту, дана общая характеристика работы.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследований» по священа анализу гидропонных технологий и существующих способов обеззараживания питательных растворов.

На основе анализа установлено, что к числу наиболее перспек тивных методов гидропонного выращивания растений относится про точная культура. Преимущества метода состоят в том, что для роста и развития корневой системы создаются оптимальные условия за счет непрерывной циркуляции питательного раствора, качество которого определяет продуктивность растений. Для обеспечения соответствия характеристик питательного раствора фитосанитарным нормам необ ходимо проводить его обеззараживание.

Обеззараживание питательного раствора целесообразно осуще ствлять с использованием способов и технических средств электро технологии, в частности УФ-излучения, которое летально для боль шинства бактерий, вирусов и спор. В силу того, что на энергозатраты и, соответственно, на экономические показатели процесса УФ обеззараживания оказывают непосредственное влияние характери стики обрабатываемой среды, связанные с наличием примесей, пер спективным представляется комплексное использование УФ излучения и фильтрации. В связи с этим разработка технологий и технических средств для повышения эффективности гидропонного выращивания зеленных овощей путем обеззараживания питательного раствора с использованием УФ-излучения и фильтрации является ак туальной задачей.

В работах С.В. Волкова, В.А. Колесникова, С.В. Костюченко, Н.В. Меньшутиной, Б.Е. Рябчикова и других ученых показана эффек тивность применения данного комбинированного способа для очист ки природных и сточных вод. В работах А.В. Котова и ряде других публикаций рассмотрено использование УФ-излучения для обезза раживания гидропонных растворов. Однако вопрос комплексного ис пользования УФ-излучения и фильтрации для обеззараживания пита тельных растворов изучен не полностью, что позволило определить предмет и объект исследования.

На основе проведенного анализа была поставлена цель и опре делены задачи исследования, сформулирована рабочая гипотеза исследования.

Во второй главе «Теоретическое обоснование использования фильтрации и УФ-излучения для обеззараживания гидропонных растворов» изложено следующее. При комплексном использовании УФ-излучения и фильтрации важным является решение вопроса о степени очистки питательного раствора перед УФ-облучением. Как правило, в случае фильтрации жидких сред рекомендуется удаление механических примесей. Отличительной особенностью питательного раствора является наличие микро-(бактерий, спор и т.п.) и нанораз мерных (вирусов и т.п.) патогенов, устойчивость которых к воздейст вию УФ-излучения постепенно повышается. При этом для инактива ции микроразмерных патогенов требуются повышенные дозы УФ-облучения. В связи с этим перспективным представляется удале ние в процессе фильтрации не только механических примесей, но и микроразмерных патогенов.

Эффективность процесса фильтрации может быть оценена пу тем определения физико-химических показателей питательного рас твора, которые оказывают непосредственное влияние на энергетиче ские затраты процесса УФ-обеззараживания: коэффициент пропускания, показатель поглощения, экстинкция и т.д. (рис. 1).

В соответствии с рабочей гипотезой фильтрация и последующее УФ-облучение гидропонных растворов позволят обеззараживать пи тательный раствор путем удаления и уничтожения болезнетворных микроорганизмов, что создаст необходимые условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей. В частности, о про текании процессов минерального питания можно сделать заключение не только на завершающем этапе технологического процесса (по урожайности, экологической чистоте и биологической полноцен ности продукции), но и в течение всего периода вегетации по элек тропроводности и активности ионов (рН) питательного раствора. Ре зультаты экспериментальных исследований по определению указанных показателей представлены в четвертой главе.

СMn СFe Dц УФ-облучение Физико, T химические Е показатели питательного Dм раствора Параметры Питательный технологического раствор процесса Особенности патогенной t Q микрофлоры p R Рис. 1. Факторы, влияющие на энергетические затраты процесса УФ-обеззараживания питательных растворов:

Q – расход, м3/ч;

t – температура, 0С;

R – тип, размеры, мкм, нм;

р – уровень необходимой дезинфекции;

T – коэффициент пропускания, %;

Е – экстинкция, абс. ед.;

– показатель поглощения, см-1;

Dм – мутность, мг/дм3;

Dц – цветность, град.;

СFe, СMn – содержание ионов железа, марганца, мг/дм На основе известных зависимостей разработана методика расче та установки для фильтрации и УФ-облучения питательного раство ра. В соответствии с разработанной методикой осуществляется по следовательное определение следующих величин.

1. Внешний радиус осадка R/ос. н, м, в конце фильтрования R ос. н = R ос. вн +, (1) / / где R/ос. вн – внутренний радиус осадка, м;

– допустимая толщина осадка, м.

2. Объем фильтрата, получаемого с одного фильтра:

L[(R ос. н ) 2 (R ос. вн ) 2 ] / / V=, (2) xo где L – длина фильтра, м;

х0 – отношение объема осадка к объему фильтрата, м3/м3.

3. Поверхность фильтрования S, м2, одного фильтрующего эле мента:

S = 2 LR/oc. вн. (3) 4. Безразмерный комплекс 2:

2x o V 2 =. (4) / SR oc вн 5. Безразмерный комплекс 1:

1 =. (5) ( 2 + 1) ln( 2 + 1) 6. Продолжительность стадии фильтрования, с:

/ r0 R ос. вн V =. (6) 1S 2 Р общ 7. Средняя производительность фильтра Qcp, м3/с:

zV Q cp =, (7) где z – количество фильтров.

8. Расчетный бактерицидный поток:

Q час klg (P/Pо ) Фб =, (8) 1563,4 п о где Qчас – часовой расход обеззараживаемой жидкости, м3/ч;

– показа тель поглощения облученной жидкости, см-1;

k – коэффициент сопротивляемости облучаемых микроорганизмов, мкВт с/см 2;

Р0 – количество микроорганизмов в 1 л жидкости до облучения;

Р – количе ство микроорганизмов в 1 л жидкости после облучения;

– коэффици п ент использования бактерицидного потока, зависящий от типа установ ки;

0 – коэффициент использования бактерицидного излучения.

При определении расчетного бактерицидного потока в формулу (8) подставляется значение коэффициента поглощения облуче нной воды, полученное в результате определения физико-химических по казателей питательного раствора.

9. Количество ламп n:

n=Fб/F, (9) где F – бактерицидный поток лампы.

Выбор лампы производится на основании данных, полученных при определении физико-химических показателей питательного рас твора: мутности, цветности, содержание ионов железа, марганца.

10. Расход электроэнергии S, Втч/м 3, на обеззараживание жид кости определяется по выражению Nn S=, (10) Q час где N – мощность, потребляемая одной лампой;

n – количество ламп.

11. Потери напора h, м, в установке составляют h = 0,000022mQ1, (11) где m – принятое количество камер в одной секции;

Q1 – расчетный расход жидкости через одну секцию в установке, м3/ч.

Результаты расчета установки, выполненного в соответствии с разработанной методикой, представлены в четвертой главе.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» произведены выбор и обоснование методов экспери ментальных исследований и описаны разработанные для этого уст ройства. Программой исследований предусматривалось проведение экспериментов для подтверждения сформулированной рабочей гипо тезы: определение режимов УФ-облучения и фильтрации питательно го раствора, необходимых для получения наибольшего отклика рас тений;

исследование параметров питательного раствора, влияющих на энергетические показатели процесса обеззараживания и актив ность минерального питания растений.

Программа экспериментальных исследований включала в себя разработку лабораторных установок и методик исследований. Прово дились однофакторные постановочные эксперименты и многофак торные постановочные эксперименты для определения оптимальных режимов УФ-облучения и фильтрации по методике активного плани рования.

Разработанная лабораторная установка для обеззараживания пи тательного раствора включала в себя резервуар, насос, капсульные (патронные) фильтры, манометры, гибкие трубопроводы, УФ облучатель. Для изменения режимов обеззараживания были преду смотрены вентили и байпас. В установке использовались: капсульные фильтры в комплекте с тройником и манометром (ДФП-201L-60);

сменные фильтрующие элементы ЭФП с рейтингом фильтрации 20…0,2 мкм;

насос СРm 158 (напряжение питания 220 В, мощность 0,75 кВт);

УФ-облучатель типа UV-S (доза облучения 16 мДж/см2). Для исследования параметров питательного раствора использовались методы фотометрии (показатель поглощения;

коэффициент пропускания;

экстинкция;

мутность;

цветность);

ионометрии (активность ионов);

кондуктометрии (электропро водность).

Экспериментальные исследования проводились при выращива нии салата сорта Московский. В качестве отклика растений на фильтрацию и УФ-облучение питательного раствора рассматрива лись биомасса листьев и биомасса корневой системы, которые опре делялись по завершении вегетационного периода. Выращивание са лата осуществлялось в течение 30 суток при соблюдении требуемых параметров микроклимата. Размер выборки составлял 50 растений;

опыты проводились в четырехкратной повторности;

использовались принципы рандомизации, что обеспечивало достаточную точность опыта.

Полученную биомассу определяли на весах типа ВЛКТ-500 г-м.

Пораженность растений болезнетворными микроорганизмами оцени валась в период вегетации;

определялись видовой состав микробиоты и степень поражения. Экологическая чистота биомассы определялась по содержанию нитратов, пестицидов, радионуклидов и тяжелых ме таллов (рис. 2). Эффективность обеззараживания питательного рас твора оценивалась по разработанной методике, включающей ряд ко эффициентов (табл. 1).

Реализация продукции Рост Качество биомассы биомассы Минеральное питание Рис. 2. Оценочные показатели эффективности обеззараживания питательного раствора Таблица Методика оценки эффективности обеззараживания питательного раствора № Обозначение Расчетная формула Назначение п/п коэффициента 1 2 3 Ко Ко=КмКбКкКр1, где Км, Кб, Кк, Определяет Кр – коэффициенты, учиты- эффективность вающие эффект, получаемый обеззараживания при использовании мероприя- гидропонного тий по очистке раствора, влия- раствора ющие на условия минерального питания, выход биомассы, каче ство продукции и ее реализа цию соответственно Км Км= Смб / Смп, где Смп, Смб – со- Учитывает держание болезнетворных мик- условия роорганизмов в питательном минерального растворе для проектируемого и питания базового варианта соответст- растений венно Кб Кб=Бп/Бб1, где Бп, Бб – выход Учитывает биомассы в проектируемом и выход биомассы базовом вариантах соответст венно 1 2 3 Кк Кк= Кпэ1 Кпэ2 1, где Кпэ1 – Оценивает эколо производственно-экологический гическую чисто коэффициент первого рода;

Кпэ2 – ту и биологиче производственно-экологический скую полноцен коэффициент второго рода ность продукции Кр Кр= КсКи, где Кс, Ки – коэффи- Учитывает циент сохранения качества про- сохранность дукции и коэффициент исполь- качества зования биопрепаратов соответ- продукции ственно Кээ Кээ=Е/Е0=(Икfср)/E0, где Е – энерго- Определяет энергетическую содержание продукции, кДж/м2;

Ик – урожайность, кг/м2;

fср – ко- эффективность эффициент энергосодержания в единице продукции, кДж/кг;

E0 – затраты энергии на возделыва ние и уборку сельскохозяйствен ной культуры, кДж/м В четвертой главе «Результаты экспериментального опреде ления режимов фильтрации и УФ-облучения питательного рас твора и параметров устройства для обеззараживания питатель ного раствора» на основании разработанной методики выполнен расчет установки для УФ-облучения и фильтрации питательного рас твора, а также подобраны фильтрующие элементы и источник УФ излучения. Данные расчета представлены в табл. 2.

Для каскада из 5 капсульных фильтров подобраны фильтрую щие элементы с рейтингом фильтрации до 0,2 мкм, обеспечивающие эффективность задержания частиц не менее 95% и рассчитанные на диапазон рабочих температур 0…50 0С, диапазон рН 2…12.

Для УФ-облучения питательного раствора выбрана установка UV-S1, предназначенная для обеззараживания жидкостей при темпе ратуре 2…40 0С, мутности – не более 2 мг/дм3, цветности – не более 35 град. Обеспечиваемая доза облучения – 16 мДж/см2.

Результаты экспериментальных исследований по определению показателей питательного раствора, влияющих на энергетические за траты процесса обеззараживания, представлены в табл. 3. Различия между значениями показателей по повторениям не превышают 5%, в повторностях – 2,5%.

Таблица Технические характеристики установки для фильтрации и УФ-облучения питательного раствора № Единицы Наименование Обозначение Значение п/п измерения Фильтрация питательного раствора Объем фильтрата, получае мого с одного капсульного м3 0,063·10- фильтра Безразмерный комплекс 2 – 0, Безразмерный комплекс 3 – 12, Продолжительность с 3, фильтрации Производительность м3/с 0,019·10- Qср одного фильтра УФ-облучение питательного раствора Расчетный бактерицидный Вт Fб 0, поток Количество ламп шт.

7 n Расход электроэнергии на кВтч/м S 0, обеззараживание жидкости Потери напора в установке м 9 0,01·10- h 10 Доза облучения мДж/см D Таблица Физико-химические характеристики питательного раствора Коэффициент Показатель Экстинкция пропускания поглощения мин. ср. макс. мин. ср. макс. мин. ср. макс.

Перед фильтрацией цветность – 30…33 град., мутность – более 2,5 мг/дм 0,51 0,57 0,63 0,46 0,55 0,64 0,20 0,24 0, После фильтрации цветность – 30…33 град., мутность – менее 2,0 мг/дм 0,73 0,74 0,75 0,29 0,32 0,35 0,13 0,14 0, Анализ результатов позволяет заключить, что осуществление фильтрации приводит к уменьшению мутности, увеличению коэффи циента пропускания питательного раствора и позволяет использовать источник УФ-облучения, обеспечивающий дозу 16 мДж/см2. Исклю чение фильтрации приводит к необходимости увеличивать дозу об лучения в 1,6–1,8 раза.

Проведенные исследования показали, что УФ-облучение и фильтрация питательного раствора способствуют уменьшению обще го числа микроорганизмов, инактивации болезнетворных организмов и снижению пораженности растений болезнетворными микроорга низмами.

В результате экспериментальных исследований установлено, что обеззараживание питательного раствора путем УФ-облучения и фильтрации не оказывает негативного влияния на процессы мине рального питания растений. Наблюдаемые изменения электропро водности и активности ионов (рис. 3) свидетельствуют об активном протекании процессов роста и развития корневой системы, а также минерального питания растений.

а б Рис. 3. Изменение активности ионов (а) и электропроводности (б) питательного раствора в период вегетации На основании многофакторных экспериментов получены урав нения регрессии, адекватно описывающие отклик растений на УФ-облучение и фильтрацию питательного раствора (при изменении расхода питательного раствора в пределах 0,019–0,021 дм3/с и темпе ратуры питательного раствора в пределах 18–22 0С):

у1 = 240,8 – 21,5x12 – 24,6x22, (12) у2 = 30,7 – 3,1x12 – 3,2x22, (13) где у1, у2 – биомасса листьев салата и биомасса корневой системы со ответственно;

х1, х2 – расход питательного раствора и температура питательного раствора соответственно.

Полученные уравнения регрессии позволили определить, что для достижения наибольшего отклика растений на обеззараживание пита тельного раствора необходимо принять дозу облучения 16 мДж/см2, расход 0,019 дм3/с, температуру 20 0С для питательного раствора с коэффициентом пропускания 0,74, показателем поглощения 0,32, экс тинкцией 0,14. В этом случае отмечалось превышение контрольного уровня по выходу биомассы салата на 10…15% при сохранении био логической полноценности и экологической чистоты получаемой продукции.

В пятой главе «Разработка технологических элементов гид ропонного выращивания зеленных овощей с использованием фильтрации и УФ-облучения для обеззараживания питательного раствора» представлена технология, включающая в числе основных операций (посев и проращивание семян;

полив;

выращивание сеян цев;

получение рассады;

выращивание салата и т.д.) обеззараживание питательного раствора путем УФ-облучения и фильтрации. Для осу ществления операции по обеззараживанию питательного раствора разработана установка, в которой реализованы УФ-облучение и фильтрация питательного раствора (рис. 4).

Оценка эффективности обеззараживания питательного раствора позволила установить, что в предлагаемом варианте наблюдаются улучшение условий минерального питания растений;

увеличение продуктивности растений;

повышение качества продукции.

Производственные испытания, проведенные в ангарных тепли цах ОАО «Тепличный», показали, что предлагаемый вариант выра щивания зеленных овощей имеет более высокую технико экономическую эффективность по сравнению с базовым. В опытном варианте увеличивается выход биомассы на 10–15%, за счет чего происходит снижение энергозатрат на получение единицы продукции на 2,5–3,0 ГДж/т и увеличение энергетической эффективности на 12–15%;

годовой экономический эффект в расчете на стандартную ангарную теплицу с объемом выращивания продукции 10,4 т состав ляет 480 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. К наиболее перспективным гидропонным технологиям отно сится проточная культура, позволяющая создавать благоприятные ус ловия для роста и развития корневой системы растений за счет не прерывной циркуляции питательного раствора. Для повышения качества питательного раствора целесообразно осуществлять его обеззараживание путем УФ-облучения и фильтрации, однако спосо бы и технические средства реализации предлагаемого способа разра ботаны недостаточно.

2. Разработанная методика позволяет определять параметры ус тановки для УФ-облучения и фильтрации питательного раствора:

объем фильтрата – 0,063·10-3 м3;

продолжительность фильтрации – 3,33 с;

производительность фильтров – 0,019·10-3 м3;

расчетный бак терицидный поток – 0,75 Вт;

количество ламп – 1;

расход электро энергии на обеззараживание жидкости – 0,2 кВтч/м3;

потери напора в установке – 0,01·10-3 м, а также выбирать фильтрующие элементы и источник УФ-излучения на основании данных, полученных при оп ределении физико-химических показателей питательного раствора:

коэффициента пропускания, показателя поглощения, экстинкции, мутности, цветности.

Установленные закономерности изменения в период эксплуата ции параметров питательного раствора, влияющих на активность ми нерального питания, позволяют определять электропроводность и ак тивность ионов (рН) на различных стадиях вегетации.

3. Математические модели, полученные с использованием мето дики активного планирования эксперимента, описывают отклик зеленных овощей на обеззараживание питательного раствора.

Для достижения наибольшего отклика растений на обеззараживание питательного раствора необходимо принять дозу облучения 16 мДж/см2, расход 0,019 дм3/с, температуру 200 С для питательного раствора с коэффициентом пропускания 0,74, показателем поглоще ния 0,32, экстинкцией 0,14. В этом случае отмечается превышение контрольного уровня по выходу биомассы салата на 10…15% при со хранении биологической полноценности и экологической чистоты получаемой продукции.

УФ-облучение и фильтрация, осуществляемые в указанном ре жиме, способствуют уменьшению общего числа микроорганизмов и инактивации болезнетворных организмов в питательном растворе и снижению пораженности растений болезнями.

Разработанная методика позволяет оценивать эффективность обеззараживания питательного раствора.

4. Разработанная установка позволяет обеззараживать питатель ный раствор путем УФ-облучения и фильтрации.

Фильтрация, осуществляемая перед УФ-облучением, способст вует повышению коэффициента пропускания питательного раствора, а также уменьшению показателя поглощения, мутности и экстинк ции, что позволяет снизить требуемый бактерицидный поток и необ ходимую дозу облучения в 1,6–1,8 раза.

5. Разработанная технология гидропонного выращивания зелен ных овощей включает в себя операцию по обеззараживанию пита тельного раствора путем УФ-облучения и фильтрации.

6. Производственные испытания показали технико-экономичес кую эффективность разработанной установки при выращивании зе ленных овощей на гидропонной основе: в опытном варианте увели чивается выход биомассы на 10–15%, за счет чего происходит сниже ние энергозатрат на получение единицы продукции на 2,5–3,0 ГДж/т и увеличение энергетической эффективности на 12–15%;

годовой экономический эффект в расчете на стандартную ангарную теплицу с объемом выращивания продукции 10,4 т составляет 480 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Басарыгина, Е. М. Оценка эффективности очистки гидропонных растворов [Текст] / Басарыгина Е. М., Горяинова Т. Н., Басарыгина Т. А. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – №11. – С. 14–15.

2. Басарыгина, Е. М. Сравнение технологий гидропонного выращи вания зеленных овощей [Текст] / Басарыгина Е. М., Горяинова Т. Н., Баса рыгина Т. А. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2010. – №1. – С. 14–15.

3. Басарыгина, Е. М. Использование нанотехнологий в растениевод стве защищенного грунта [Текст] / Басарыгина Е. М., Трушин П. М., Баса рыгина Т. А., Горяинова Т. Н. // Нанотехника. – 2009. – С. 41–45.

4. Горяинова, Т. Н. Разработка установки для фильтрации и ультра фиолетового облучения гидропонных растворов [Текст] / Горяинова Т. Н.

[и др.] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – №12. – С. 11–14.

5. Горяинова, Т. Н. Использование УФ-излучения для повышения эффективности выращивания зеленных овощей методом тонкослойной гидропоники [Текст] / Горяинова Т. Н. [и др.] // Механизация и электри фикация сельского хозяйства. – 2010. – №3. – С. 17–21.

Публикации в других изданиях 6. Басарыгина, Е. М. Система нанофильтрации для проточной гидро поники [Текст] / Басарыгина Е. М., Филатова Т. Н. // Материалы Четвер той Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – СПб., 2007. – С. 21–25.

7. Басарыгина, Е. М. Производство пищевых продуктов на гидропон ной основе : перспективы использования наноматериалов [Текст] / Басары гина Е. М., Филатова Т. Н. // Материалы Международной научно практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты». – М. : ЗАО «Экспобиохимтехнологии» ;

РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2008. – С. 331–332.

8. Филатова, Т. Н. Система нанофильтрации для проточной культуры [Текст] / Филатова Т. Н. // Труды Всероссийского совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных вузов. – М. : Академия кадро вого обеспечения АПК, 2008. – С. 223–227.

9. Пат.88507. Российская Федерация, МПК 7 А 01 G 33/7. Гидропон ная установка [Текст] / Четыркин Ю. Б. [и др.] ;

заявитель и патентообла датель Челябинская государственная агроинженерная академия. – №2009111534 ;

заявл. 17.02.2009;

опубл. 21.12.2009, Бюл. №32.

10. Горяинова, Т. Н. Использование УФ-излучения для обеззаражи вания гидропонных растворов [Текст] / Горяинова, Т. Н. // Достижения науки и техники АПК. Материалы XLIX научно-технической конферен ции. – Челябинск : ЧГАА, 2010.

Подписано в печать 08. 11. 2010 г.

Формат 60х84/16. Объем 1,0 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. Заказ № 4 К.

Отпечатано на ризографе в УОП ЧГАА 454080, г. Челябинск, пр-т им. В.И. Ленина,