臭氧+UV反应器联合实验结构设计

         实际生产中，一般采用间歇式营养液循环方式：营养液浇灌植物后流回回液池中暂存，待达到一定量后再经臭氧发生器消毒转移至储液池，然后根据灌溉制度要求进行灌溉循环。对于栽培面积667 m2 的水培系统，营养液循环量一般为40～60 m3/h，循环次数4～6 次/d。营养液的消毒是在两次灌溉之间，因此消毒时间为4～6 h/次，臭氧发生器处理量通常为12～18 m3/h。

本紫外线—臭氧组合式臭氧发生器的营养液处理量设计为15 m3/h，其主要由水泵、过滤器、文丘里射流器、臭氧发生器、紫外线消毒器和控制装置等组成[16]（图1）。

         回液池中的待消毒营养液被水泵以一定流量吸入消毒管路，经过过滤器滤去其中固体颗粒杂质后，进入文丘里射流器。营养液首先进入文丘里管的渐缩部，由于管径的逐渐收缩液流流速逐渐加快，至喉管处流速达到 很大，在此形成一个低于大气压的负压区；臭氧发生器产生的臭氧，在文丘里喉管处负压作用下被吸入文丘里管中，与其中的营养液混合；由于臭氧充分溶解在营养液中，便开始氧化其中的病原菌。流出文丘里管的营养液随后进入紫外消毒器，营养液在紫外灯管外的石英套管和消毒器外壳之间流动，受到紫外线照射而灭菌，而已经混入营养液的臭氧在紫外消毒器中继续进行氧化灭菌。 很后消毒处理后的营养液由紫外消毒器出液口流出，进入储液池。

紫外线消毒器

目前，国内没有专用于营养液消毒的紫外线消毒设备。而在用于饮用水消毒的紫外线消毒器中，水主要是以层流形式流过消毒腔体，从而导致各个流层之间很少或没有物质交换。当紫外线在水中的透射率较低时，靠近紫外灯管的液体受到较强的紫外线辐射，可以受到预期的辐射剂量，灭菌效果较好；但是远离紫外灯管的液体（如靠近消毒器壳体流动的液体）受到的紫外线辐射强度较小，此处营养液中的病原菌便很难接受到致死的辐射剂量，灭菌效果较差。这样，紫外线臭氧发生器的整体消毒效果就受到很大影响[14]。

针对上述问题，自行设计了一种新型的紫外线消毒器[17]：在消毒腔体内安装螺旋形导流片，使营养液以湍流形式流动（图2），即让沿不锈钢腔体内壁流动的营养液也有一部分时间是在石英套管附近流动。营养液在距离紫外灯管较近或较远的两个区域停留的时间接近，从而解决了因一部分营养液灭菌不彻底而影响整体灭菌效果的问题。

本臭氧发生器所采用的消毒器中安装有3 根紫外灯管，单根灯管功率30 W。消毒腔体中的紫外线辐照度为18.3mW/cm2。

臭氧发生器

选用北京农业信息技术研究中心研制的臭氧发生器；利用高压放电的原理产生臭氧，其中并联安装2 个高压放电管。臭氧发生器进气量35 L/min，出口处臭氧浓度18.3～18.5 ppm，臭氧产量10 g/h。

射流器

选用A32235型文丘里射流器。该射流器采用耐臭氧氧化的PVDF 材料制作，总长度235 mm，进出水口外径32 mm（1 吋），进气口外径15 mm（1/2 吋），软管接口直径10 mm。要求水流输入压力0.2～0.5 MPa，输出压力0～0.1 MPa，吸气量11～15 Nm3/hr，出水量3～5 T/h。本机采用4 个A32235 型文丘里射流器并联使用。

控制设备

由北京农业信息技术研究中心开发研制，主要由液晶显示屏和触摸屏的人机交互界面与主电控箱两部分组成。可以实现对整机的自动或手动控制。在自动运行状态下，手动操作无效，不能改变臭氧发生器的工作状态。为防止臭氧发生器被烧坏，开机时必须先打开臭氧发生器的气泵；而关闭时，先关闭臭氧高压放电管，后关闭气泵。在系统自动运行时，按照上述顺序开闭设备。手动操作时，开启各设备的顺序是水泵、紫外线灯管和气泵，过3～5 min 后再打开臭氧发生器；关闭时，先关闭臭氧高压放电管，然后顺序关闭气泵、紫外线灯管和水泵。同时，为安全起见，手动控制时，在不开启气泵的情况下，不能开启臭氧高压放电管。

其他设备

水泵： 选用上海晶泉泵阀制造有限公司生产的50HYLZ-22 型不锈钢耐腐蚀自吸泵，电动机功率3 kW，流量15 m3/h，扬程22 m。过滤器采用120 目叠片式过滤器。选用上海康特环保科技发展有限公司生产的B-8 型止回阀，其作用是防止营养液经臭氧吸气管路倒流入臭氧发生器。管路由防氧化ABS 管材粘接而成。

结论

1）设计并试制了一种紫外线—臭氧组合式营养液消毒机。样机主要包括紫外线消毒器、4 个文丘里射流器、臭氧发生器、自吸泵、ABS 管路及自动控制设备等。工作时，灌溉后回收的营养液首先由自吸泵提高压力后以一定流量和速度通过文丘里射流器的喉管，在此由臭氧发生器产生的臭氧由于负压作用吸入并与营养液充分混合，从而杀灭营养液中的病原微生物；然后营养液再经过紫外线消毒器，在紫外线的照射下进一步杀灭病原微生物。

2）对所研制的紫外线—臭氧组合式消毒机，用经过了180 d 番茄栽培试验的营养液进行UV、O3、UV+O33 种方法的灭菌性能测试，结果表明：主要病原体（真菌、细菌和放线菌）总的消毒效果分别达到70.6%、15.9%和89.9%，从中可以看出，紫外线—臭氧组合式消毒，其消毒效果并非紫外线与臭氧消毒效果的简单叠加，而是出现了协同灭菌效应。

3）当营养液的紫外线穿透率较高时，紫外线较臭氧的灭菌效果更好，短时间的灭菌率高出3～4 倍，臭氧此时只起辅助灭菌作用，这也是由于臭氧灭菌所需的时间较长、浓度较高；同时臭氧发生器的产生臭氧气体还易受到环境因素的影响。实际中，在保证生产需要的前提下，应尽量减小整机的营养液流量，以延长营养液在紫外线消毒腔体中的存留时间，从而提高整体灭菌效果。

4）试验证明，本机达到了比单一灭菌方法更好的灭菌效果，可以较大幅度地提高消毒效率，满足了生产实际的需要；另外，对于栽培面积667 m2 的水培系统，营养液循环量一般为40～60 m3/h，循环次数4～6 次/d。营养液的消毒是在两次灌溉之间的间隙进行，由此，每次消毒的时间为4～6 h，消毒机需要处理的营养液量通常为12～18 m3/h，因此，本机可用于栽培培面积为667 m2、营养液处理量为15 m3/h 的水培系统。

UV+臭氧一体化装置（仅供参考）