一种新型有机质水培种植系统的制作方法

1.本发明涉及循环农业水培生产领域，尤其涉及一种新型有机质水培种植系统。


背景技术：

2.传统农业采用土壤种植，在操作过程中往往涉及到大量的土壤翻耕，需耗费大量劳动力，劳动效率低下。而且土壤成分复杂，因种植年数的增加，导致各种有害成分的增加，同时导致土传病虫害的大面积发生，也会成为害虫和害草的发生场所。为使整个种植过程中各因素可控，以无机化学营养液为基础的各种水培技术被开发了出来，该技术无需反复翻耕土壤，大幅提高了种植效率，并使种植环境均一化，种植产品的品质也相对标准化。
3.但也带来了各种新的问题，比如营养液的本身成本就高，如果循环利用的话，也面临着营养成分被吸收后的液体ph环境、ec环境、微生物环境、营养成分的变化给种植带来各种不可预测的不利影响。而如果不循环使用的话，直接排入环境水域，就会给环境带来污染压力。而且水培种植由于无机营养液本身没有缓冲成分，包括ph等因子容易大幅变动，导致水体产生病害，并容易扩大到整体患病，种植风险极大，因此对种植设施的环境控制和技术水平都要求极高，导致能稳定生产的水培系统和设施往往造价和运营成本都偏高，难以大面积推广。
4.为克服上述传统无机营养液水培种植技术的问题，专利1《作为并行复式无机化反应的催化剂而优化的微生物群的种菌的制备方法》，授权公告号“cn 102112598 b”；与专利2《固定有进行并行复式无机化反应的微生物群的固体载质，催化剂柱，及植物栽培用固态培养基的制备方法》，授权公告号“cn 102112609 b”中公开了以有机营养液为主要添加营养的水培种植技术。该技术通过并行复式硝化反应，将有机营养液转化为作物可吸收的硝态氮肥，相对于传统水培系统，该种植系统由硝化细菌参与作物的营养供给和根部保护，提高了作物的抗病能力和培养液的环境缓冲能力，降低了培养过程对种植环境的苛刻要求，同时也降低了设施的硬件投资成本。
5.但是，该技术的还存在着如下问题：1、硝化反应系统和水培种植系统需要大量的保温能源，而廉价能源来源不明确的问题；2、由于该硝化系统对有机营养液碳氮比(c/n)有严格要求，一般低于10，如果有机质原料的碳氮比不稳定，特别是过高的碳氮比会导致硝化系统的不稳定，因而存在着优质有机营养液的廉价来源不明确的问题；3、专利2所提出的方案虽然解决了微生物反应表面积的问题，但物料的添加操作流程复杂，不适合规模化生产，而没有规模化的农业生产也就没有了经济适用性。


技术实现要素：

6.发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种新型有机质水培种植系统，具有优质有机营养液来源廉价稳定、能源来源廉价稳定、并能将营养液硝化过程和种植过程无缝对接、操作方便简单的特点。
7.技术方案一：本发明的一种新型有机质水培种植系统，包括水培种植设施，该水培
种植设施包括钢管塑料大棚或者温室，若干个钢管塑料大棚并排设置，钢管塑料大棚内部设有若干个水培槽，该水培种植设施与外部的硝化反应系统、热电联产发电机组连接。
8.所述硝化反应系统包括硝化反应器、曝气泵与硝化原料调节池，硝化反应器通过管道分别与硝化原料调节池、水培种植设施连接；所述热电联产发电机组通过管道分别与硝化原料调节池、硝化反应器、水培种植设施的循环蓄水池中的一个或多个连接。
9.其中，将硝化反应系统配置曝气泵形成好氧反应环境，反应液中包含具有可将有机质转化为硝酸离子的硝化细菌菌群，反应温度范围为15℃-37℃；作为硝化原料的有机质在硝化原料调节池中进行成分调节后注入硝化反应器中，进行有机质的氨化与硝化并行复式反应，生成含有硝态氮的肥水后，部分肥水通过管道流入水培种植设施的水培槽中供作物利用，所剩部分作为菌种继续留在硝化反应器中与后续注入的原料一起参与硝化反应；硝态氮肥水通过进水管道进入水培槽，水培槽上种植作物，硝态氮肥水经过作物吸收营养后通过出水管道排出；一次使用后的肥水进入循环蓄水池，并可多次循环流入水培槽供作物吸收；循环使用后的肥水可流入硝化原料调节池中，用于硝化原料的成分调节；热电联产发电机组产生的余热以热水或水蒸气形式通过管道输入至硝化反应器、硝化原料调节池、循环蓄水池中的一个或多个，为硝化反应与种植保温提供热源。
10.其中，所述的硝化反应系统的反应温度为28℃；所述循环蓄水池内设有曝气泵调节营养液中的溶氧量，循环蓄水池中加入作物生长微量元素与调节酸碱度的调节剂。
11.其中，所述钢管塑料大棚顶部可增设遮阳网架，钢管塑料大棚之间设有光伏发电板，遮阳网架与光伏发电板共用支柱。
12.技术方案二：本发明的一种新型有机质水培种植系统，包括水培种植设施，该水培种植设施包括钢管塑料大棚或者温室，若干个钢管塑料大棚并排设置，钢管塑料大棚内部设有若干个水培槽。所述的水培种植设施与外部的厌氧反应系统、硝化反应系统、热电联产发电机组连接；所述厌氧反应系统包括厌氧反应器与沼气储存器；所述硝化反应系统包括硝化反应器、曝气泵与硝化原料调节池，硝化反应器通过管道分别与硝化原料调节池、水培种植设施连接；所述热电联产发电机组通过管道与厌氧反应器、硝化原料调节池、硝化反应器、水培种植设施的循环蓄水池中的一个或多个连接；所述硝化原料调节池通过管道分别与循环蓄水池、厌氧反应器连接。
13.其中，厌氧反应系统以餐厨垃圾、动物粪便、植物废弃物为主要原料，通过37℃的中温厌氧发酵或55℃的高温厌氧发酵，将原料中的高碳氮比有机质转化为沼气与沼液，作为硝化反应的原料；厌氧发酵后的沼液处于37℃或55℃的高温状态，余热为后续的硝化反应系统提供热量；将硝化反应系统配置曝气泵形成好氧反应环境，反应液中包含具有可将有机质转化为硝酸离子的硝化细菌菌群，反应温度范围为15℃-37℃；硝化原料调节池接收外部设施厌氧发酵后排出的沼液，对沼液进行成分调节后注入硝化反应器中，进行有机质的氨化与硝化并行复式反应，生成含有硝态氮的肥水后，部分肥水通过管道流入水培种植设施的水培槽中供作物利用，所剩部分作为菌种继续留在硝化反应器中与后续注入的原料一起参与硝化反应；硝态氮肥水通过进水管道进入水培槽，水培槽上种植作物，硝态氮肥水经过作物吸收营养后通过出水管道排出；一次使用后的肥水进入循环蓄水池，并可多次循环流入水培槽供作物吸收；循环使用后的肥水循环可流入硝化原料调节池中，用于沼液原料的成分调节；热电联产发电机组产生的余热以热水或水蒸气形式通过管道输入至厌氧发
酵罐、硝化反应器、硝化原料调节池、循环蓄水池中的一个或多个，为厌氧反应、硝化反应、种植保温提供热源。
14.其中，所述的硝化反应系统的反应温度为28℃；所述循环蓄水池内设有曝气泵调节营养液中的溶氧量，循环蓄水池中加入作物生长微量元素与调节酸碱度的调节剂；所述有机废弃物原料部分碳元素被转化为沼气后，产物沼液中的碳氮比下降至10以下。
15.其中，所述钢管塑料大棚顶部可增设遮阳网架，钢管塑料大棚之间设有光伏发电板，遮阳网架与光伏发电板共用支柱。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
17.1、方案一中水培种植设施与外部的硝化反应系统、热电联产发电机组连接；热电联产发电机组为硝化反应系统、水培种植设施提供大量廉价的余热能源，降低其运营成本，提高其运营效果和效益。
18.2、方案二中水培种植设施与外部的厌氧反应系统、硝化反应系统连接；由于沼气工程的原料来源广泛且廉价，还兼顾环保功能，其产物沼液的无害化处理往往还伴随各种成本，因此可以免费获得。有机废弃物通过厌氧发酵，碳素作为沼气的主要成分被抽取后，其碳氮比大幅降低，可作为极佳的原料用于硝化反应，既无害化处理了沼液，还确保了优质原料的来源稳定可靠，并大幅节省了原料成本。同时由于反应后被排出的沼液中还含有大量的余热，在其散热降温前将其添加入硝化反应器中，就能为后续的硝化反应提供极为廉价的保温能量，能使硝化反应在更接近于最佳反应温度的条件下进行。另外通过将沼液直接供应硝化工程中使用，使得沼气工程免去了其常规配置的大型沼液存储设施，大幅降低了建设成本，也解决了长年困扰沼气工程运营中沼液利用的问题；
19.3、由于沼液中除含有可消化性有机质外，还含有大量各类不可溶性的如木质素、纤维素等固态物质，此类物质在厌氧反应、硝化反应后依然会留在反应液中，将会成为硝化菌群良好的附着物。在硝化反应液中有大量附着硝化菌群的悬浮物时，硝化反应的反应面积将大幅增加，反应面积将远大于附着在容器壁上的生物膜的反应面积，提高硝化反应效率的同时，还源源不断为后续的反应提供大量的菌种。
20.4、在整个系统中，从反应原料的添加，到转化为硝态氮肥水，再被水培作物吸收后排出的过程中，都是以管道或水道连通的，营养液硝化过程和种植过程无缝对接，工作流程顺畅，操作简便，因此非常适合于规模化生产和规模化种植。该系统的推广将大幅提高农业生产的人工效率。
21.5、通过将硝态氮肥水循环利用，一方面可充分利用其中的营养元素，另一方面还可以降低水中的有机质、氮、磷等水质污染元素的含量，最终达到直排标准。
22.6、水培所用肥水长期使用后会发生酸化及各种微量元素缺乏等问题，通过添加微量元素及ph调节剂，使其能循环使用，保障作物生产，并节约水源。
23.7、本生产系统与火力发电相结合，协同生产，将火力发电产生的余热充分利用为系统运行的保温能源上，使得整体运营耗能成本大幅降低，也充分发挥了火力发电的余热价值，从而提高其运营效益。
24.8、通过与火力发电站相结合，可充分利用发电站原有的如：变压器、并网输电线路等各种电力设备，大幅降低了系统内各发电装备(沼气发电、光伏发电)输电并网的投资费用，增加了其投资回报率。
25.9、通过在系统内安装光伏发电设备，能与大棚的遮阳设备共用支撑架，降低大棚遮阳设备的建设成本，光伏发电并网也能共用火力发电站的各种电力设备，降低整体硬件投资成本。
26.10、整个系统的电力供应可由火力发电、沼气发电、光伏发电供应，大幅提高系统的电力供应安全，避免意外停电导致的损失，并可降低电力使用成本。
附图说明
27.图1为本发明的结构框图1；
28.图2为本发明的结构框图2；
29.图3为本发明的钢管塑料大棚的侧视结构示意图；
30.图4为本发明的钢管塑料大棚的俯视结构示意图；
31.图中1为钢管塑料大棚、2为光伏发电板、3为遮阳网架、4为水培槽。
具体实施方式
32.下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
33.方案一：本发明的新型有机质水培种植系统，包括水培种植设施，该水培种植设施包括钢管塑料大棚1或者温室，若干个钢管塑料大棚1并排设置，钢管塑料大棚1内部设有若干个水培槽4，钢管塑料大棚1顶部设有遮阳网架3，钢管塑料大棚1之间设有光伏发电板2；该水培种植设施与硝化反应系统、热电联产发电机组连接。
34.水培种植设施与外部的硝化反应系统、热电联产发电机组连接；硝化反应系统包括硝化反应器、曝气泵与硝化原料调节池，硝化反应器通过管道分别与硝化原料调节池、水培种植设施连接；热电联产发电机组通过管道分别与硝化原料调节池、硝化反应器、水培种植设施的循环蓄水池连接；循环蓄水池通过管道与硝化原料调节池连接。使用时，将硝化反应系统配置曝气泵形成好氧反应环境，反应液中包含具有可将有机质转化为硝酸离子的硝化细菌菌群，反应温度范围为15℃-37℃；作为硝化原料的有机质在硝化原料调节池中进行成分调节后注入硝化反应器中，进行有机质的氨化与硝化并行复式反应，生成含有硝态氮的肥水后，部分肥水通过管道流入水培种植设施的水培槽4中供作物利用，所剩部分作为菌种继续留在硝化反应器中与后续注入的原料一起参与硝化反应；硝态氮肥水通过进水管道进入水培槽4，水培槽4上种植作物，硝态氮肥水经过作物吸收营养后通过出水管道排出；一次使用后的肥水进入循环蓄水池，并可多次循环流入水培槽4供作物吸收；循环使用后的肥水循环流入硝化原料调节池中，用于硝化反应原料的成分调节；热电联产发电机组产生的余热以热水或水蒸气形式通过管道输入至硝化反应器、硝化原料调节池、循环蓄水池中的一个或多个，为硝化反应与种植保温提供热源。其中，硝化反应系统的反应温度为28℃；循环蓄水池内设有曝气泵调节营养液中的溶氧量，循环蓄水池中加入作物生长微量元素与调节酸碱度的调节剂。
35.方案二：水培种植设施与外部的厌氧反应系统、硝化反应系统、热电联产发电机组连接；厌氧反应系统包括厌氧反应器与沼气储存器；硝化反应系统包括硝化反应器、曝气泵与硝化原料调节池，硝化反应器通过管道分别与硝化原料调节池、水培种植设施连接；热电联产发电机组通过管道分别与厌氧反应器、硝化原料调节池、硝化反应器、水培种植设施的
循环蓄水池连接；硝化原料调节池通过管道分别与循环蓄水池、厌氧反应器连接。使用时，厌氧反应系统以餐厨垃圾、动物粪便、植物废弃物为主要原料，通过37℃的中温厌氧发酵或55℃的高温厌氧发酵，将原料中的高碳氮比有机质转化为沼气与沼液，作为硝化反应的原料；厌氧发酵后的沼液处于37℃或55℃的高温状态，余热为后续的硝化反应系统提供热量；将硝化反应系统配置曝气泵形成好氧反应环境，反应液中包含具有可将有机质转化为硝酸离子的硝化细菌菌群，反应温度范围为15℃-37℃；硝化原料调节池接收外部设施厌氧发酵后排出的沼液，对沼液进行成分调节后注入硝化反应器中，进行有机质的氨化与硝化并行复式反应，生成含有硝态氮的肥水后，部分肥水通过管道流入水培种植设施的水培槽4中供作物利用，所剩部分作为菌种继续留在硝化反应器中与后续注入的原料一起参与硝化反应；硝态氮肥水通过进水管道进入水培槽4，水培槽4上种植作物，硝态氮肥水经过作物吸收营养后通过出水管道排出；一次使用后的肥水进入循环蓄水池，并可多次循环流入水培槽4供作物吸收；循环使用后的肥水循环流入硝化原料调节池中，用于沼液原料的成分调节；热电联产发电机组产生的余热以热水或水蒸气形式通过管道输入至厌氧发酵罐、硝化反应器、硝化原料调节池、循环蓄水池中的一个或多个，为厌氧反应、硝化反应、种植保温提供热源。其中，硝化反应系统的反应温度为28℃；循环蓄水池内设有曝气泵调节营养液中的溶氧量，循环蓄水池中加入作物生长微量元素与调节酸碱度的调节剂；有机废弃物原料碳氮比在20以上，部分碳元素被转化为沼气后，产物沼液中的碳氮比下降至10以下。热电联产发电机组的燃料可使用由厌氧发酵产生的沼气，所发电能通过共用的输电线路并入电网。作为优选，本发明中水培种植系统中的保护地设施可采用钢管塑料大棚1，大棚内设水培槽4，大棚为南北走向，大棚间设置光伏发电板，发电板朝南，发电板由支柱撑起。以面板支柱为共用支撑，在大棚上部设置遮阳网架，铺设遮阳网，便于大棚夏季种植。所发电能经逆变器、变压器、输电线并入电网，其中变压器和输电线路可与火力发电机组共用。光伏发电所产生的电能还可用于系统中的厌氧发酵或硝化反应的搅拌用电、硝化反应中的曝气泵用电、以及用于系统中各种水泵用电。
36.实施例：
37.本实施例的水培种植设施与外部的厌氧反应系统、硝化反应系统、热电联产发电机组连接，根据需要选择方案一、方案二的技术内容：
38.其中，水培种植设施采用1000亩钢管塑料大棚1水培种植基地，每亩大棚内有4条水培槽4，水培槽4长65米、宽1.5米、高0.3米，容积约120立方米，基地总容积120000立方米；大棚间距2米，大棚间安装光伏发电板2，尺寸为2米
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2米，功率800瓦，两个70米长大棚间可安装25个光伏发电板2，1000个大棚可安装25000个光伏发电板2，装机总容量可达20mw，电能并网输送是与火力发电机组共用变压器与输电线路，将大幅降低其总投资金额，增加其投资回报率。所发电能还可用于厌氧反应系统的搅拌机、硝化反应系统的曝气泵、大棚自动遮阳网、自动卷膜机、大棚内空气循环风机、培养液循环泵等用途。大棚上安装自动遮阳网架3，以光伏发电板2支柱为支撑，将减少设备投资30％以上。大棚内种植蔬菜日平均每亩需氮肥70克左右，1000亩的话总共需氮肥70kg左右。
39.其中，厌氧反应系统的原料为餐厨垃圾或养殖粪便，采用完全混合厌氧反应罐(cstr)55℃的高温发酵方式，总反应容量为500立方米，每日产出沼气500立方米，排出沼液25立方米，每日可为在28℃条件下反应的消化工程提供700mcal的保温热量。沼液有机质含
量5％左右，总碳含量2％左右，总氮含量0.3％左右，碳氮比7左右，总钾含量0.3％左右，总磷含量0.08％左右，相当于每日提供75kg氮肥，75kg钾肥，18kg磷肥，将足够供应水培种植区内的肥水需要。通过将沼液直接供应硝化工程中使用，使得沼气工程免去了其常规配置的大型沼液存储设施，大幅降低了建设成本，也解决了长年困扰沼气工程运营中沼液利用的问题。
40.其中，硝化反应系统配有50立方米的反应池，50kw的曝气泵保障反应池中的溶氧量保持在3ppm以上，硝化细菌源为干燥微生物粉剂，添加至有机质浓度1％的沼液稀释液后曝气培养，进行并行复式硝化反应，至硝酸根离子浓度达200mg/l后，排出80％的反应液作为硝态氮肥水通过管道流入水培槽供种植使用。硝化反应器中再次分批次加入沼液，保持有机质浓度在1％左右曝气反应，硝酸根离子浓度达200mg/l后再次按上述方式排出，如此反复。硝态氮肥水经作物吸收后根据所含营养成分含量，可选择性流入循环蓄水池、或回流至硝化原料调节池、或沼气工程原料调节池进行利用。在循环蓄水池内肥水溶氧量不足的情况下可通过增氧泵增氧，在ph降低、微量成分不足的情况下，可添加牡蛎粉颗粒进行调节，多余的肥水在营养成分被完全吸收后，满足直排标准的情况下可以直排。
41.其中，热电联产发电机组采用20mw的火力发电站，每日产生发电余热约500gmcal，发电站与水培种植设施、厌氧反应系统、硝化反应器、循环蓄水池的具体均在2公里以内，火力发电站的热电联产发电机组的余热通过热水管道输入沼气工程、循环蓄水池，对其进行保温。以水培总容积120000立方米计算，将能使其整体水温提高4℃以上，通过热源远端区域大棚种植耐低温蔬菜，近端种植常温蔬菜的办法，即便是在冬季，所产生余热也能充分保障水培种植系统的温度。