НКР 18.03.21 (2). Федеральный научный агроинженерный центр вим

• Название: Федеральный научный агроинженерный центр вим
• Дата: 09.08.2022
• Размер: 3.16 Mb.
• Имя файла: НКР 18.03.21 (2).docx
• Тип: Образовательная программа; #643039
• страница: 2 из 10

Таким образом, нами установлено, что для полива в КФХ используют воду, которая, не имеет патогенных микроорганизмов и соответствует качеству воды РД-АПК 1.10.09.01-14. Нормы полива позволяют рассчитать объём, который необходимо заготовить для растений. Этими данными будем пользоваться в 4 главе при выращивании растений.
1.2.2 Факторы, влияющие на рост и развитие растений в закрытом грунте
Выращивание овощей в закрытом грунте – отрасль сельскохозяйственного назначения, которая с каждым годом набирает обороты, из-за возведения тепличных комбинатов применяются только современные технологии по автоматизации и механизации [80, 94].

Прежде чем осуществлять посадку овощей, нужно провести дезинфекцию помещений, обеззараживание почвы и воды [11]. Так как почву дезинфицировать невыгодно фермера применяют кокосовый субстрат или минеральную вату [75]. Субстрат – это альтернатива натуральному грунту, применяемая в овощных, цветочных теплицах.

Чаще всего к главным факторам влияющие на рост и развитие растений выделяют: освещение, температуру воздуха, влажность воздуха, влажность почвы, температуру питательного раствора.

Не малую важную роль на водообмен в растениях влияет – влажность почвы. Оптимальной влажностью почвы является значение 65-75%. При нехватке воды в почве растение приостанавливает рост и развитие. Влажность необходимо подбирать за счет освещенности и температуры.

Контролирование температуры питательного раствора влияет на получение высокого урожая [88]. Многие агрономы придерживаются к оптимальной температуре раствора от 16 °C до 24 °C. Слишком тёплый питательный раствор (выше 30 ° С) приводит к перегреву растений, увеличению образованию бактерий, появлению насекомых вредителей [66]. Для снижения температуры применяют охладители, они крепятся к баку, по стоимости они не дорогие и эффективные. Но их используют до температуры 35 °C, иначе охлаждение воды станет нерентабельной [82].

Следить за температурой питательного раствора необходимо, это влияет на рост растений, кол-во завязей. Ниже нормы температура замедляет рост и развитие растений, а более высокая стимулирует разрастание зеленой массы, а это отражается на урожайности растений и качестве плодов. Эти требования приведены, так как имеется четвертая задача, а также надо считать экономические показатели.
1.2.3 Соблюдение качества воды, с целью приготовления питательного раствора для растений
Одной из основных проблем агрохимии и систем выращивания растений является приготовление качественной воды для определенного вида растений. Принципиальное значение имеют применение экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий для решения этих проблем [91].

Основными источниками водоснабжения для полива сельскохозяйственных культур являются поверхностные воды, вода из артезианских скважин и колодцев, пропуская воду через фильтры механической очистки, и обеззараживающие устройства.

В электронной библиотеке https://elibrary.ru/ был выполнен поиск литературы по ключевому слову «Приготовление питательного раствора для теплиц закрытого грунта». Было найдено свыше 1224 ссылок. Из данного количества было взято свыше 250 публикаций и проведен их анализ (таблица 1.4).
Таблица 1.4 – Распределение публикаций из подборки " Приготовление питательного раствора для теплиц закрытого грунта

№	Тематическая рубрика	Статей
1	Сельское и лесное хозяйство	210
2	Пищевая промышленность	32
3	Строительство. Архитектура	4
4	Машиностроение	4
5	Биология	3
6	Химическая технология. Химиче- ская промышленность	3
7	Экономика. Экономические науки	3
8	Медицина и здравоохранение	3
9	Энергетика	3

По таблице можно сделать вывод, что приготовление питательного раствора относится к актуальной теме, которая отражена больше всего в публикациях по сельскому и лесному хозяйству.

Согласно своду правил [79] «СП 107.13330.2012 Теплицы и парники», рекомендуется для полива растений и приготовления питательного раствора использовать водопроводную воду. Но фермерские хозяйства в промышленных масштабах для этих целей практически не используют –вследствие высокой себестоимости. В Воронежской области 1 куб. м питьевой воды с НДС стоит 27,70, в Краснодарском крае 28,16 р, Ростовской области 30,0 р.

Можно для полива использовать техническую воду, ведь она дешевле в 3-4 раза чем водопроводная, но недостаток в том, что не в каждом регионе и крае РФ есть возможность подключения абонентов к такой системе. Волгоградской области стоимость тех. воды за 1 куб. м с учетом НДС – 6,07 р, в Астраханской области с НДС 3,5 р, в Волгоградской области 6,07 р. [202]

При выращивании растений необходимо знать состав воды, а также проводить контроль уровня pH, электропроводности. Показатель pH (водородный показатель) указывает содержание в воде количество ионов Н+ и ОН-. Оптимальным pH для растений является интервал 5,5 – 6,5 [67].

Электропроводность – это возможность раствора проводить электрический ток (мкСм/см или мСм/см). Уровень электропроводности влияет на строение и процессы формирования растений.

Выращиваемые растения нуждаются в хорошем качестве воды [45], но очень часто они страдают вследствие того, что поливная вода сильно загрязнена патогенными микроорганизмами. Известны такие заболевания как кила, фитофтороз, «черная ножка», белая гниль, септориоз, и другие болезни, которые могут передаваться по воде [20,26].

Из изложенного выше можно сделать вывод, что от заражения вирусом, находящийся в воде урожай может пострадать. Чтоб не потерять урожай, фермеры используют устройства по обеззараживанию воды.
1.2.4 Основные проблемы сельскохозяйственного водоснабжения
«Сельское хозяйство является самым большим пользователем воды. Около 70% потребляемой в мире воды, из поверхностных источников и грунтовых вод, идет на ирригацию сельскохозяйственных земель, 20% используется в промышленности и 10% - для бытовых целей».

Загрязнение воды – экологическая проблема, даже современные способы очистки не позволяют полностью решить её. К главным проблемам водоснабжения относится:

1. 
   загрязнение источников
   
2. 
   плохая очистка водоочистных станций
   
3. 
   снижение качества воды в трубопроводах
   
4. 
   недостаток водоочистных станций в России
   

Загрязнение источников возникает из-за промышленных отходов, промышленных аварий, сточных вод и канализации, удобрений для полей.

Водоочистные станции не справляются с полной очисткой воды, происходит это за счет изношенности оборудования, нарушением регламентов.

Водонапорные башни также оказывают существенное влияние, как на бесперебойность подачи воды, так и на качество воды. Они зачастую находятся в антисанитарных условиях и являются источником, как загрязнения, так и потерь воды. Из-за частого выхода из строя системы автоматического управления пуском, остановкой, погружного насоса по уровню воды в водонапорной башне постоянно наблюдается переливы воды из башни, а зимой – замерзание воды на стенах (рисунок 1.2).



Рисунок 1.2 – Состояние водонапорной башни
Главным элементом централизованной системы является разводящая сеть. От разводящей сети зависит качество поступающей воды по трубопроводу. На сегодняшний день 60% водопроводных сетей находится в аварийном состоянии (рисунок 1.3). В трубах образуются наросты, они являются причиной вторичного загрязнения.


Рисунок 1.3 – Состояние трубопровода распределительной сети
Чтобы снизить загрязнение воды доставляемым по трубам, фермера рекомендуют применять бактерицидные установки, устанавливающиеся на насосной станции теплицы. Для эффективной работы бактерицидных установок является, наличие в воде механических примесей и веществ, препятствующих распространению излучения в воде. Если они превышают допустимые значение указанные в инструкции к установке обеззараживания, то перед ней необходимо поставить систему предварительной фильтрации. В подпунктах 1.25 и 1.26 приведены возможные варианты электроустановок для обеззараживания воды и действующие, которые применяют КФХ на данный момент.
1.2.5 Возможные варианты электроустановок для обеззараживания воды в сельском хозяйстве
К возможным вариантам электроустановок по обеззараживанию воды относится: кипячение, применение йода, серебра, перехлорирование, применение биоцидных веществ, использование фильтров.

Кипячение. Для обеззараживания в небольшом объёме применяют кипячение длительностью 10-15 минут, во время которого гибнут вегетативные микроорганизмы. Данный метод используют только в бытовых целях, в тепличных хозяйствах не применяют из-за значительного расхода энергии [100].

Обеззараживание при помощи йодирования воды. Данный метод называется, потому что используются йодсодержащие соединения [106]. Но данный способ обладает недостатком, превышенная норма йода вызывает нарушение щитовидной железы у человека.

Перехлорирование – процесс хлорирования воды с большими дозами хлора. Метод используется, когда микробиологические показатели быстро меняются, и в воде присутствует планктон. Недостаток способа заключается в токсичности гипохлорита кальция, соблюдения мер по хранению [104].

Обеззараживание с помощью серебра. Серебро тяжелый металл и в СанПиН 2.1.4.1074-01 указано, что он относится к 2-ому классу опасности. Таким образом, применение серебра для дезинфицирующего средства невозможно из-за того, он накапливается в живом организме и наступает аргироз.
Может применяться химический способ борьбы с бактериями и вирусами, при помощи внесения биоцидных веществ, но это приводит к снижению качества продукта (экологичности) [12,9].

Для обеззараживания воды могут применяться различные фильтры, состоящие из гравия, песка, воды и ткани (рисунок 1.4)



Рисунок 1.4 –Фильтр для обеззараживания воды

Фильтры такой конструкции можно использовать для очистки воды, вода проходит через фильтр, где задерживаются микроорганизмы и планктон, но для патогенных микробов он не эффективен [105].

Нами рассмотрены возможные электроустановки, которые могут применяться для обеззараживания воды в сельском хозяйстве, но они на данный момент не актуальны за счет не экологичности процесса и высокой стоимостью процесса обеззараживания. В подпункте 1.26 представлены электроустановки, которые используют агрономы не только в России, но и зарубежных странах.
1.2.5 Действующие электроустановки, применяемые в КФХ и тепличных комплексах
К действующим электроустановкам по обеззараживанию воды в сельском хозяйстве относится: химический способ (обеззараживанием хлором) УФ излучение, обратной осмос, озонирование, ультразвуковая обработка, комбинированные методы АОР.

Химические способы обеззараживания. Имеются оптимальные дозы для остаточного хлора бытовых вод 0,3… 0,5 мг/л при 30 мин, либо связанного хлора 0,8…1,2 мг/л при времени 1 часа [103].

Обеззараживание воды с помощью УФ излучения. УФ излучение – это метод обеззараживания, возникающий на фотохимических реакциях, которые разрушают клетки ДНК и РНК микроорганизмов, а также вирусов. Но УФ излучение имеет недостаток в том, что зависит от мутности и цветности воды [35].

Озонирование – технология, основанная на применении газа озона – является сильнейшем окислителем [22]. Необходимо отметить, что он относится к самому высокому классу опасности.

Обратный осмос для очистки воды. Обратный осмос принадлежит к наиболее широко применяемым методам [92]. На качественную очистку затрачивается долгое время, производительность фильтров небольшая. Комбинированные методы АОР. За рубежом применяют комбинированные методы АОР, включающие взаимодействие озона, перекись водорода, ультразвука, а также ультрафиолета (О₃+УФ, Н₂О₂+ УФ, O₃+H₂O₂+УФ). Недостатком является, высокая стоимость, выполнение требований по технике безопасности и прохождение курсов по инструктажу [2].

Предлагается создать экологический метод по обеззараживанию воды для приготовления питательного раствора. Для этого будет использоваться электрогидравлический эффект, в основе которого лежит рентгеновское, ультрафиолетовое и ультразвуковое излучение, как говорится в источниках это способно снижать микробиологический показатель воды [1,4].

Патентный анализ позволит проанализировать конкуренцию на рынке интересующей продукции и научно-техническом потенциале. Анализ позволит подтвердить, что аналогов в мире не существует и возможно продвижение научных и технических знаний.
1.2.6 Особенности способов и технических средств, применяемых для обеззараживания воды и изменения химического состава
Известен способ, по обеззараживанию воды заключающийся в хлорировании, используя устройства хлораторы [107]. Данный способ активно применяется в сфере промышленности, сельского хозяйства. Недостаток способа заключается в долгом времени обработки, нужен 2 часовой контакт воды с хлором.

Имеется патент из США [108], устройство с УФ – излучением. В установку входит камера, УФ лампа. Минус установки состоит в том, что образуются потери, затрачивающие на рассеивание и поглощение. Есть зарубежный патент [109], в котором обеззараживание основано на ультрафиолетовом излучении. Недостаток находится в том, что нужно вручную перемешивать воду, чтоб осуществить УФ воздействие на весь объём воды. В зарубежном патенте [110], описано ультрафиолетовое устройство для обеззараживания воды. Недостаток имеется в том, что проводка для электропитания УФ излучателей находится в слабой изоляции, что может привести к выходу из строя оборудования.

Имеется устройство для электрохимической обработки воды с целью обеззараживания [111]. Установка является дорогой, т.к в ней присутствует большое кол-во электродов изготовленных из титана с нанесением платинового слоя (покрытия).

Имеется станция для обеззараживания воды [112], в ней имеется недостаток: ротаметры имеют свойство загрязняться, необходимо проводить профилактические меры по очистке, останавливая линию.

Известна установка [113], имеющая электролизерный вход. Данная установка не может производить хлор, а лишь гипохлорит натрия, а у него бактерицидные свойства намного меньше.

Известен способ [114], по обеззараживанию воды с помощью электрического поля 3-ого переменного тока, вода протекает между электродами. Минус способа заключается с применением переменного 3 фазного тока и изучение техники безопасности.

Имеется устройство [115], благодаря которому обеззараживание проходит в электрическом поле постоянного тока, в зазоре среди анода и катодом перемещается вода, аэрированная воздухом. Недостаток присутствует в том, что нужно постоянно проводить аэрацию воздуха.

Существует устройство [116], по обеззараживанию воды применяя озон. Недостаток присутствует в большой энергоемкости процесса образования озона.

Ниже представлена принципиальная электрическая схема рабочего устройства (рисунок 1.5) [117]. Данное устройство принадлежит к устройствам электрогидравлической обработке жидких сред и стерилизации. Данное оборудование имеет такие недостатки: дороговизна и наличие 3 пар электродов, которые необходимо менять.

Есть ещё множество запатентованных электрогидравлических оборудований, выполняющих задачу обеззараживания [118, 119]. Патент [118] по обеззараживанию воды, может применятся в сельском хозяйстве. Устройство содержит недостаток, а именно, имеет высокую удельную энергоемкость 1,2-1,5 кВт ч/м³.



1 – источник напряжения; 2,3 – зарядные резисторы; 4 – генератор импульсного тока (ГИТ); 5 – емкостной накопитель энергии; 6, 7 – коммутирующие разрядники; 8 – разрядный резистор; 9 – электрические конденсаторы; 10 – электроды; 11 – искровые рабочие промежутки; 12 – рабочий орган.

Рисунок 1.5 – Принципиальная электрическая схема по обеззараживанию жидких сред [117]
Патент [119] для обеззараживания воды, может применяться в мелких и крупных хозяйствах. Недостаток состоит в возникающих потерях энергии конденсатора, использующие для подзарядки вспомогательные конденсаторы.

На рисунке 1.6 представлена структурная схема устройства, состоящая из генератора импульсного напряжения (ГИН) 1, высоковольтных электродов 2, заземляющего электрода 3, ёмкости 4 для обработки [120].



Рисунок 1.6 – Структурная схема для высоковольтной обработки [120]
Недостатком заявленного устройства является небольшая эффективность по обеззараживанию из-за отсутствия перемешивания озона с водой. Более эффективным является другое устройство [121] содержащее камеру с водой и озоновоздушной смесью для перемешивания.

Недостаток установки содержащая высоковольтные электроды состоит в неустойчивом режиме работы, и имеются проблемы с практическим использованием.

Проведенный патентный анализ подтвердил, что актуальными устройствами для обеззараживания воды являются: УФ, озонные, электрогидравлические. На основе рассмотренных электрогидравлических прототипов будет найдена новизна, которой не существовало по заявленным объектам.