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无土栽培基质蒸汽消毒机研究与应用
卓杰强1 ，陈立振1 ，周增产1，2，吕科1，2，李东星1 ，张晓慧1
( 1 ． 北京京鹏环球科技股份有限公司，北京100094 ; 2 ． 北京市农业机械研究所，北京100096 )
0 引言
基质栽培和保护地种植由于空气、灌溉水、前茬种植过程滋生以及本身带有各种来源所带入的病菌会逐渐增多而使后茬作物产生病害，严重时会影响后茬作物的生长，甚至造成大面积的病菌、病毒、线虫以及虫卵传播以至整个种植过程的失败，基质消毒是控制土传病害的重要措施之一［1］。目前，基质消毒的方法主要是物理消毒法，物理消毒法不需要使用消毒药剂，主要有太阳能消毒、蒸汽消毒和热水消毒等［2］。设施农业发达的国家，如荷兰、日本等国，一般普遍采用蒸汽消毒法进行基质消毒［3］，这种处理办法可以减少生产过程中化学药剂的使用量，保证产品品质。目前，国内无土栽培基质消毒基本上还是人工操作，效率低下，安全性差，对环境影响大。部分设施生产单位采用了进口的基质蒸汽消毒设备，存在设备价格昂贵、占地面积大、零部件更换仍要全部进口，售后服务无法保证等弊端。根据我国设施农业基质消毒设备发展的需要，设计开发了无土栽培基质蒸汽消毒机，生产率达到2． 8m3 / h，通过灭菌检测达到99． 9%以上。
1 蒸汽消毒机消毒原理
无土栽培基质蒸汽消毒机采用蒸汽消毒法，利用高温蒸汽杀死基质中的有害生物，集成了蒸汽发生装置、换热装置和水质软化装置，实现蒸汽温度120 ～200℃的连续可调，通过导管把高温蒸汽通入到消毒箱中的栽培基质，使基质温度升高达到80℃ 以上，干预有害微生物积累和繁殖、杀死病原菌。其具体消毒过程为: 将消毒栽培基质投入到基质消毒箱中，消毒箱内的搅拌系统一直在进行搅拌，使得基质在罐体内受热均匀，消毒彻底; 基质消毒箱内设置蒸汽管道，管道上分布有通气孔; 当蒸汽锅炉产生高温蒸汽后，通过送汽管将产生的高温蒸汽通入管道，然后经通气孔对栽培基质进行均匀加热消毒。
无土栽培基质蒸汽消毒机主要包括蒸汽制备输送、基质搅拌和蒸汽消毒机控制系统3 大部分。无土栽培基质蒸汽消毒机底盘下部装有4 只充气轮胎，底盘一端配有牵引钩，拖拉机通过牵引钩牵引无土栽培基质蒸汽消毒机在各温室之间移动。农民购置该机可以进行跨区作业服务。根据国外技术可知，栽培基质温度达80℃ 时，可消灭大多数病原菌、害虫。病菌和害虫的杀灭温度［4］，如图1 所示。无土栽培基质蒸汽消毒机的栽培基质蒸汽加热温度可达120 ～ 200℃，通过灭菌检测均达到99． 9%以上，消毒效果非常明显。
2 蒸汽消毒机结构
无土栽培基质蒸汽消毒机结构，如图2 所示。
2． 1 蒸汽制备输送装置
蒸汽制备输送装置统由燃油蒸汽发生器、全自动软化水设备、补水装置和输送管道等部分组成。燃油蒸汽发生器由供水口、水位计、烟囱、压力表、压力开关、控制器、燃烧器和排污口等部分组成。其结构及各部分如图3 所示。
控制器有“低水位”“点检”“电源”“补水”“燃烧/运行”等5 个功能。其具体操作过程如下: ① 确认电源后，连接电源; ② 确定补充水箱内是否充满水，如无水时要填满水; ③ 将控制上的电源开关移至ON 位置; ④ 系统自检; ⑤ 水泵开始运行时，通过水位计观察水位，水位达到高水位后水泵自动停止; ⑥ 水位正常后，燃烧器自动点火燃烧，蒸汽发生器启动运行; ⑦燃烧器初次点火后，燃烧器观察烟道的排烟情况; ⑧发生不点火或其他故障时，解除故障后按复位按钮;⑨ 在正常运行状态下利用压力控制开关( 压力调节器) 上的压力调节螺栓调节压力。燃油蒸汽发生器工作流程图如图4 所示。
全自动软化水设备由树脂罐、盐罐和控制器等组成。树脂罐的作用是让阳树脂吸附水中的钙离子，从而可以防止水的硬度太大在锅炉本体里形成水垢阻塞蒸汽的形成; 可降低源水的硬度，并可进行偱环使用，经过水质软化处理装置处理的原水直接进入锅炉本体加热成高温蒸汽。其控制器的水流过程( 如图5所示) 为: ① 开始工作。硬水经控制器进水口流过树脂层，软化后经下布水器、中心管向上流出出水口，此时设备处于工作状态。② 预清洗( 5min) 。硬水经控制器进水口流过树脂层，软化后经下布水器、中心管向上流出排水口，进行预清洗。③ 反洗( 10 min) 。硬水经控制器进水口向下流过中心管、下布水器，向上流经树脂层，流出排水口，进行反洗。④ 吸盐( 50min) 。硬水经控制器进水口，通过射流器，吸入盐液再生剂，向下流过树脂层进行再生还原，最后通过下布水器、中心管和排水口流出。⑤ 慢洗。吸盐完成后，空气止回阀会将吸盐口封住，防止空气的进入，硬水继续经过控制器进水口，通过射流器，向下流过树脂层，最后通过下布水器、中心管和排水口流出。⑥快洗。硬水经控制器进水口，向下通过中心管、下布水器，然后向上流过树脂层，最后通过排水口流出。⑦ 稳层清洗。硬水经控制器进水口，向下通过树脂层，然后向下流过下布水器、中心管，最后通过排水口流出。⑧ 盐箱充水。硬水经控制器进水口，经过射流器、盐阀、流量控制板给盐箱充水，同时硬水流过阀体凹槽向下经过树脂层，被软化后进入布水器、中心管，
最后通过出水口流出。
当按钮拨至“搅拌”时，消毒箱罐体内的搅拌叶片开始搅拌罐体内的基质，当经过一段时间后，搅拌停止，将挡位调至“卸料”，消毒罐体内的基质开始自动卸料。
2． 2 基质搅拌装置
基质搅拌装置( 如图2 所示) 由消毒箱罐体、搅拌叶片、搅拌轴、驱动电机、驱动链轮、蒸汽进口、基质进料口、基质卸料口和安全阀等组成。基质消毒箱外有一根高温蒸汽输送管道，管道上分布有通气孔将高温蒸汽输送到消毒箱内。当未消毒的基质投入到基质消毒箱中，打开高温蒸汽阀门，燃油蒸汽发生器产生高温蒸汽先进入蒸汽室，蒸汽温度控制在120 ～ 200℃内，而后通过蒸汽输送管道上的通气孔将产生的高温蒸汽输送至蒸汽管道，经过通气孔对栽培基质进行加热消毒; 同时，驱动电机驱动搅拌轴带动搅拌叶片转动，对基质进行搅拌，使得基质在罐体内均匀受热，消毒彻底; 消毒后，由消毒箱罐体内的基质卸料口卸料，完成消毒过程。
2． 3 蒸汽消毒机控制系统
无土栽培基质蒸汽消毒机控制系统包括燃油蒸汽发生器控制器、全自动软水处理设备控制器和基质搅拌系统控制器。
燃油蒸汽发生器控制器功能为: ① 燃烧器启动时不点火。油泵工作后点火失败时，为防止锅炉内的积油现象，判断点火与否后，如不点火停止燃烧器的工作。② 再点火。运行中因点火火焰不能感知时，从判断不点火开始预吹扫后重新启动点火变压器并再点火。③ 安全卡断。燃烧器启动油泵工作前感知火焰时，停止燃烧器工作的同时点亮点检灯并报警。④ 运行中点火。在燃烧器运行中点火时，启动再点火功能正常时继续运行，再点火失败时，停止燃烧器运行安全卡断装置启动。⑤ 其他情况点火。运行当中发生低水位时，首先停止油泵，安全卡断装置启动。全自动软水设备控制器采用流量型控制器，控制器再生程序分别为: 反洗( BACK WASH) 、吸盐与慢洗( BRINE /RINSE ) 、快洗( REPIDRINSE ) 、盐箱注水( BRINE REFILL) 。其工作过程为: ① 当调整控制器到工作位置时，让水流进树脂罐，当水流停止时，打开阀门以放尽罐中空气，然后关闭。② 插上电源，观察是否工作。③ 控制器时间设定按动Up 或Down 键可调整时间，连续按住可连续调整。④ 控制器简单编程( 控制器时间设定12: 01PM) 。一是同时按住Up 或Down 键，5s 后控制器进入编程模式，此时编程指示灯亮; 每按一次Extra Cycle 键，控制器程序进入下一步程序; 二是产水量设定，按动Up 或Down 键可以设定软水器再生前的产水量; 三是再生时间设定，按动ExtraCycle 键，程序进入再生时间设定，通过按动Up 或Down 键可以实现再生时间的设定; 四是再生日期设定，按动Extra Cycle 键，程序进入再生日期设定，通过按动Up 或Down 键可以实现再生日期的设定; 五是退出编程，按动Extra Cycle 键，控制器退出编程模式。⑤ 控制器全面编程。按动Up 或Down 键，将时间设定为12: 01PM，然后通过按动Up，Down，Extra Cycle 键即可进行对控制器全部程序内容的编程。⑥ 软水器即时再生方式按动Extra Cycle 键，开始再生程序。一是对于即时再生控制器，按动Extra Cycle 键后，即开始再生程序; 二是对于延时再生控制器，按动ExtraCycle 键后，工作状态指示灯开始闪动，控制器将在当日的预先设定时间开始再生程序; 三是按住Extra Cycle键5s 钟后，延时再生类型控制器即被强制进入再生程序。⑦ 再生步骤，按动Extra Cycle 键，控制器进入再生程序( 此前，盐箱加满大盐粒，禁用细盐、碘盐、将水加至空气止回阀顶部) 。一是控制器进入步骤1( BACK WASH) ，反洗1 ～ 8min，按动Extra Cycle 键; 二是控制器进入步骤2( BRINE /RINSE) ，吸盐/ 慢洗2 ～58min，按动Extra Cycle 键; 三是控制器进入步骤3( REPID RINSE) ，快洗3 ～ 8min，按动Extra Cycle 键;四是控制器进入步骤4 ( BRINE REFILL) ，注水2 ～11min; 五是按动Extra Cycle 键，则控制器返回工作状态。
基质搅拌系统控制器安装在消毒箱罐体右下侧( 如图6 所示) ，共有3 个挡位: 搅拌、停止和卸料。
当按钮拨至“搅拌”时，消毒箱罐体内的搅拌叶片开始搅拌罐体内的基质，当经过一段时间后，搅拌停止，将挡位调至“卸料”，消毒罐体内的基质开始自动卸料。
3 消毒试验与应用结论
无土栽培基质蒸汽消毒机经过试验测定: 将取好的样品送至北京市理化测试中心进行基质蒸汽消毒机的进卸料口基质菌落总数的测定，通过无土栽培基质蒸汽消毒机消毒15min 的基质灭菌率在99． 9% 以上，蒸汽消毒机的生产率为2． 8m3 / h。无土栽培基质蒸汽消毒机消毒效率高，消毒效果好，而且不需要施用化学药品，保证设施农产品品质，符合环保需要; 提高基质的通透性和持水保肥能力，改变作物生长的基本条件、基质板结和水气不调的状况，提高设施农产品产量; 高温高压的蒸汽能烫死杂草种子，达到人工除草的功能，还能彻底杀死幼虫和致病细菌等［4］。无土栽培基质蒸汽消毒机采用拖拉机牵引，可以进行跨区作业服务，从而对对不同地区的温室种植户的基质进行蒸汽消毒作业。农民可以购买该设备进行社会化服务能够达到增收的目的，市场前景广阔。
