無土栽培營養液廢液循環利用研究進展

摘 要：根據無土栽培營養液廢液的幾個處理階段歸納了紫外線、臭氧、加熱、沙濾和綜合滅菌等多種營養液廢液滅菌方法；活性炭和納米TiO2催化2種植物自毒物質去除方法以去除植物自身所排出的有機酸等毒性物質；幾種溫度、養分等在線監測和調配裝置；以及植物營養梯級吸收利用、魚菜共生水產養殖的后續利用方法，最后對營養液廢液利用的研究進行展望，旨在為今后有效利用無土栽培營養液廢液研究提供參考，減少營養液廢液對環境的污染。

關鍵詞：無土栽培；營養液廢液；循環利用

中圖分類號：X712 文獻標志碼：A 論文編號：2014-0003

Abstract： According to the several processing stages of soilless culture nutrition waste liquids， this paper induced the ultraviolet， ozone， heat， sand filtration and sterilization and comprehensive sterilization， the active carbon and nano TiO2 catalyst to remove organic acid and other toxic substances， temperature and nutrients-online monitoring and deployment device， and multistage absorption， planted with fish about subsequent utilization， at the end of paper the prospect of waste liquids also mentioned， in order to provide reference for future effective use of soilless culture nutrition waste liquids and reduce pollution on the environment.

Key words： Soilless Culture； Nutrient Waste Fluids； Recycling

0 引言

目前中國無土栽培面積達到1070 hm2，并隨著大面積擴大而成為重要的栽培方式[1]。營養液是無土栽培中植物生長的主要營養來源，因此營養液的日常管理是無土栽培管理的核心環節[2]。目前國內外關于營養液廢液的處理方式包括循環重復利用和不循環排出方式。營養液廢液循環重復利用是指已經使用過的營養液廢液經消毒過濾和營養復配等一系列措施，重新回流到原栽培系統循環中再被植物吸收利用，該方式已被歐盟國家等發達國家廣泛應用[3]。不循環利用型是由于受到技術和成本等因素限制只能將利用一次利用后的廢液直接排入環境，這種方式造成大量未被植物吸收利用的氮磷鉀等元素的浪費，同時也會造成河流等水體的富營養化問題。未經處理的營養液廢液二次利用時容易造成病蟲害在栽培體系中的廣泛傳播，會造成不可估量的損失。因此如何科學循環利用營養液廢液是目前無土栽培研究中的一個熱點問題，對如何提高經濟效益和環境效益有著重要意義。

無土栽培營養液廢液循環利用研究工作國內外已進行很多，主要包括滅菌去毒的前期工作、廢液中養分含量的測定和再調配的中期階段及應用以及植物串級等后續利用。

1 廢液的滅菌去毒技術

營養液廢液循環利用可降低成本和對環境的污染，但在循環過程中一些植物病原菌容易在整個系統中傳播，造成巨大的經濟損失。因此，營養液在循環利用前需進行滅菌消毒處理。目前國內外消毒方法很多，如臭氧、紫外線、加熱、沙濾、過氧化氫、氯氣、碘處理、膜濾、活性炭吸附等。其中，主要常用的消毒法有以下幾種：（1）臭氧滅菌法是利用強氧化劑臭氧殺滅微生物病原菌。喻景權等[4]研究結果表明10 L/min臭氧處理45 min后可殺滅50%左右青枯病病原菌菌數， 90 min后青枯病病原菌則被完全殺滅。宋衛堂等[5]試驗發現，在營養液中通入0.6 mg/L臭氧5 min可完全殺死106 cfu/mL的十字花科軟腐病病原菌和103 cfu/mL黃瓜枯萎病、番茄枯萎病。另有研究表明通入4 g O3/h臭氧20 min對營養液中細菌、真菌和藻類的殺滅率達90%以上[6]。（2）紫外線滅菌法是紫外線通過光化學反應將病原菌機體內蛋白質和DNA的結構破壞，達到殺菌效果。劉向輝等[7]設計了一種用于循環營養液消毒的紫外線消毒系統，當營養液紫外線透射率為96.65%、黃瓜枯萎病病原濃度為6.87×102 孢子/mL、最大流量為36 L/min時，滅菌率為100%；在營養液紫外線透射率為95.42%、病原濃度為1.14×105孢子/mL、最大流量為36 L/min時，滅菌率為100%；在營養液紫外線透射率降低為11.58%、病原菌濃度為1.44×104孢子/mL、最大流速為35 L/min時，滅菌率也在50%以上。（3）加熱滅菌法是高溫加熱將病原物燙死。Runia[8]在熱處理試驗研究中發現60℃ 2 min可將腐霉菌和疫霉菌殺死。不同病原菌的致死溫度與致死時間不同。宋衛堂等[9]研究發現，營養液保持85℃ 90 s后所含有的番茄萎蔫病、黃瓜枯萎病、番茄細菌性青枯病病毒全部被殺死。（4）沙濾滅菌法是依靠阻擋和吸附作用對營養液進行滅菌，主要是對沙粒、陶粒等研究。Os EA van等[10]研究結果發現，流速為0.1 m/h的營養液中的疫霉菌可以被0.2～0.8 mm和0.15～0.20 mm的沙粒完全過濾掉，但枯萎病菌和煙草花葉病毒則無法被濾掉。（5）綜合滅菌法是通過幾種消毒方式組合進行全面滅菌[11]。宋衛堂等[12]設計了一種臭氧與紫外線聯合消毒裝置，裝置是包括紫外線和臭氧2種消毒器的自動控制設備。裝置將營養液抽入臭氧發生器先消滅營養液中部分病原菌，再將滅菌后的營養液輸入至紫外線消毒器中，在紫外線的照射下進一步完全滅菌。使用該裝置進行紫外線、臭氧、紫臭+氧外線對180天番茄栽培營養液處理結果對比發現紫外+臭氧聯合方式可達到89.9%的滅菌效果，遠高于紫外線、臭氧單獨消毒的處理結果。

營養液廢液除了滅菌之外有時還需要進行營養液廢液自毒物質的去除。研究表明，許多園藝作物如生菜、黃瓜、草莓等根系會分泌自毒物質[13-15]，累積后對自身生長產生抑制，且自毒脅迫下植物容易受到病菌侵害，最終導致植物產量降低[16-19]。西瓜、黃瓜、豌豆等根系所分泌的自毒物質可抑制自身生長達到10%以上[20]。有機廢棄物栽培基質在栽培過程中會釋放出植物毒性物質影響蔬菜的栽培效益[21]。營養液廢液有毒物質的去除對營養液循環利用是非常必要的。有研究表明活性炭和納米TiO2催化可以去除植物有機酸等毒性物質?；钚蕴縖22]可以有效去除水培番茄營養液中的自毒物質并且對營養液中養分含量幾乎沒有影響，從而提高植株和果實產量。Sunada等[23]研究發現，蘆筍營養液的自毒物質經納米TiO2光催化處理去除后蘆筍產量增加了1.6倍。TiO2光催化處理下催化6 h后可將營養液中植物自毒物質水楊酸、苯甲酸降解51.8%、31.2%[24]。

2 廢液養分濃度測定和再調配

無土栽培營養液廢液經過前期階段滅菌去毒后再通過營養液循環再利用裝備進行廢液養分濃度的測定和再調配，使廢液養分含量能滿足后續種植需求。

目前有一些科學家開發一些測定裝備和軟件以解決回收利用時營養液廢液養分含量快速測試問題并進行需求調配。為了解決單一離子選擇電極測量精度不高的缺點，李東星等[25]設計的營養液循環再利用裝備中自動檢測和控制裝置配有多種探頭，可測定溫度、液壓、溶解氧、pH、EC等指標，通過各種離子濃度在線測定后進行調配。王永和秦琳琳等[26-27]設計軟件通過逐步擬合和最小二乘擬合的方法獲得營養液中各養分與電極電壓、溫度之間二次曲面函數關系，在應用中根據實測電極電壓和營養液溫度直接按擬合的函數關系計算養分含量。應用結果表明，該控制系統可在線監測營養液中溫度、pH、EC、NO3-、K+、Ca2+和溶氧值數值變化，pH和各離子濃度可根據測定結果自動調配以及營養液自動加溫，測量精度較高，適用范圍廣。

3 廢液后續利用技術

無土栽培營養液廢液經過滅菌去毒和養分測量調配后就可進行植物種植再利用。常見的方式是通過調配重新回到原無土栽培種植體系中循環利用。若一些無土栽培基地受到運行成本等條件限制，無法進行養分調配，則可將營養液廢液轉移到其他栽培體系中得以運用。

（1）植物串級利用。有研究人員提出根據植物生長營養吸收差異原理的營養液階梯串級利用方式是一種新的營養液廢液利用方式。楊其長等[28]通過不同植物對礦質養分吸收量不同設計了番茄→西葫蘆（黃瓜）→生菜（西芹、紅葉甜菜、油菜、菊苣）→西洋菜（空心菜、三葉芹、荊芥）→水草和魚類5級栽培模式，得到較好的經濟效益，這種植物串級利用是一種較新穎、環境友好、運行成本較低的營養液廢液利用方法。（2）水產養殖。有研究營養液廢液可用于魚類或其他水產養殖。楊其長等研究發現營養液被第4級葉菜類吸收利用后可種植水草，而水草可供魚類游憩和采食。張明華等[29]研究表明1 m3種植萵苣66株或25株番茄的水體可以配養放養75 g/尾規格的鯽魚100尾。譚洪新等[30]將草莓、生菜各50 m3經95天可養紅羅非魚58 kg/m3，生菜單株重350 g、株高25～35 cm，草莓植入15天開始開花，掛果率較高。

4 廢液利用的研究展望

營養液廢液作為一種新的農業廢棄物，在國內外其綜合利用越來越受到重視，從去雜、消毒滅菌、營養在線測定與重配、植物多級吸收利用等技術和裝置的研究日趨深入。隨著無土栽培規模的擴大所產生的營養液廢液日益增多，其處理系統也更趨于集約化、自動化。目前國外如荷蘭1999年就已發布法規規定所有溫室無土栽培必須采用封閉式，以避免開發式無土栽培中廢棄營養液排放引起的周圍水體污染和富營養化。雖然國內營養液廢液綜合利用方面起步較晚，但隨著無土栽培規模的擴大和對環境的重視，也將獲得迅速發展，并會在園藝、園林綠化等方面后續利用中發揮新的作用。

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