Аэропоника: новое слово в овощеводстве
Современные тенденции в области сельского хозяйства создают условия для активного внедрения систем с полностью автоматическим производственным циклом управления. В растениеводстве за последние 20 лет сделан огромный шаг по оптимизации использования водных и земельных ресурсов в закрытом грунте. Многие современные тепличные комплексы используют сейчас гидропонные технологии. Однако эти технологии имеют несколько недостатков.
Два питательных раствора
Новым витком развития гидропонной технологии с недавнего времени стала аэропоника. Она позволяет получать урожай с минимальным уровнем затрат рабочего раствора, субстрата и энергии. При этом скорость роста и развития растений, выращиваемых на аэропонике, выше, чем на гидропонной технологии. Это объясняется тем, что корни растения получают больше кислорода воздуха при отсутствии сопротивления росту корней. Кроме того, обеспечивается высокая экономия питательных веществ в водных ресурсах за счет высокого коэффициента их использования.
Аэропоника дает возможность выращивать любые культуры, располагая саженцы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Эта особенность сделала ее крайне популярной в европейских странах в сфере декоративного цветоводства и озеленения.
Н.Г. Шаронов, кандидат технических наук, доцент кафедры АПП:
Для экономии воды можно использовать рабочий раствор повторно. Однако при таком методе выращивания образуются две существенные проблемы: необходимость регулирования допустимого уровня патогенных бактерий в возвратном растворе и контроля NPK баланса.
В гидропонных/аэропонных технологиях есть два типа питательных растворов: маточный – концентрированный раствор питательных солей, и рабочий – разведенный до определенной концентрации и нормализованный по pH, подаваемый в корневую зону растений. Для хранения маточных растворов используют емкости, входящие в состав растворного узла. Стандартная классическая схема хранения растворов – это маточный раствор А и маточный раствор Б, а также pH корректор. Два маточных раствора нужны для того, чтобы не допускать их смешивания в концентрированном виде, так как это приведет к выпадению осадка, смещению NPK баланса и забиванию распылительных форсунок и трубопроводов. При этом в малых концентрациях растворы можно смешивать, хранить и использовать в виде рабочего раствора несколько недель. Скорость химической реакции между компонентами при этом минимальна.
Многокомпонентный питательный
Вариант получения рабочего раствора из компонентов А и Б с применением pH-корректора не всегда удобен. Если на предприятии один растворный узел, то при широком разнообразии выращиваемых культур возможности варьирования крайне ограничены. Вторым отрицательным аспектом будет сложность подбора комплекса солей для сложного солевого состава маточных растворов А и Б. Часто это требует добавления буферных компонентов для стабилизации хранения подобных концентратов, что неминуемо повышает себестоимость.
Сейчас проводятся исследования с целью минимизации затрат данного производственного цикла с одновременным повышением степени комбинаторики получения рабочих растворов. Эти положительные эффекты достигаются методом увеличения количества используемых простых солей, с возможностью точного персонального дозирования каждой.
У такого подхода несколько положительных эффектов, поскольку при полном цикле выращивания, особенно в плодоносящих культурах, химический состав солей значительно отличается между фазами проращивания из семени, вегетативного развития и плодоношения. Поэтому с позиции автоматизации есть необходимость разработки новых методов и математических моделей приготовления рабочих растворов с использованием пяти, шести и более точек дозирования.
И.В. Волков, ведущий инженер, заведующий лабораторией кафедры автоматизации производственных процессов Волгоградского государственного технического университета:
Наше устройство действует итеративно – на языке программистов это означает выполнение работ параллельно с непрерывным анализом полученных результатов и корректировкой предыдущих этапов.
Для приготовления рабочего раствора существуют основные методы разведения раствора маточного. Первый заключается в последовательном разведении непосредственно в накопительной емкости с изначально очищенной водой. Сейчас практически не используется. Второй метод более гибкий и обладает возможностью плавного дозирования вещества с использованием метода эжекции концентрата соли с применением трубок Вентури. Схема показана на рисунке. Благодаря таким трубкам обеспечивается высокоскоростной поток, который методом эжекции смешивается с необходимыми солями.
Технологическая схема растворного узла с применением трубок Вентури
Преимущество этого метода заключается в том, что эжектор может сам вытягивать с определенным стабильным потоком концентрат соли в раствор, одновременно активно смешивая его с рабочим раствором. Для повышения точности дозирования, как правило, перед эжектором ставят перистальтические насосы. Они играют роль регулирующего (дозирующего) элемента.
Метод эжекции можно также использовать совместно с применением датчиков малого расхода. Благодаря такому решению обеспечивается возможность высокоточного дозирования компонентов. Это особенно актуально при разработке компактных бытовых установок и микроэлементов.
Использование предлагаемого решения по сравнению с имеющимися обеспечивает повышение точности измерений малых расходов жидкости. Это достигается увеличением количества дискретных преобразований, а также значений дискретизации сигнала вследствие использования оптического метода измерений. При этом расширяется диапазон измеряемых величин малых расходов жидкости.
Вода на раз
Для автоматизации приготовления рабочего раствора необходимо соблюдать требуемый уровень параметров электрической проводимости EC (electrical conductivity) и кислотности pH. На первом этапе приготовления рабочего раствора производится дозирование необходимых солей согласно технологической карте с параллельным контролем уровня EC, затем осуществляется pH-коррекция. В зависимости от сочетания простых солей, используемых для приготовления рабочего раствора, возможно получение раствора как с пониженным, так и с повышенным уровнем pH. Поэтому при использовании простых солей для приготовления рабочего раствора необходимо наличие корректоров pH+ (карбонат калия) и pH- (азотная кислота). Параметры EC и pH измеряются с помощью соответствующих датчиков. Сигналы с датчиков обрабатываются специализированными первичными преобразователями, а затем считываются контроллером, входящим в состав системы автоматизации.
Для экономии воды можно использовать рабочий раствор повторно, однако при таком методе выращивания образуются две существенные проблемы: необходимость регулирования допустимого уровня патогенных бактерий в возвратном растворе и контроля NPK баланса. Если первая задача имеет ряд решений, которые зачастую экономически выгодно использовать в странах Дальнего Востока с высокими тарифами на воду, то второй вопрос требует отдельного подхода и решается на данный момент периодическим проведением лабораторного анализа химического состава рабочего раствора методом отбора проб.
В случае циклического метода подачи, даже при соблюдении всех необходимых требований по обеззараживанию возвратного рабочего раствора, все же существует реальная угроза заражения растений. Поэтому метод однократного применения рабочего раствора в России применяется чаще.
Основной плюс этого способа – минимизация опасности заражения возвратным раствором. При применении физиологических методов стерилизации среды (пастеризация, УФ обработка, озонирование) в баке хранения возвратного раствора все же будут развиваться бактерии. Поэтому при циклическом методе подачи необходимо серьезно задуматься о том, как обеззараживать патогенную микрофлору, не используя вредные для человека и окружающей среды вещества. Также необходимо производить селективную оценку концентрации питательного вещества по NPK. Если используется проточный метод дозирования, то необходимость в этом отсутствует, так как NPK раствора рассчитывается по NPK-калькулятору и остается постоянной величиной.
Наиболее перспективным решением определения химического состава рабочего раствора автоматизированным методом является использование селективных электродов. Нужно отметить, что применение современных электродов не обеспечивает высокий уровень точности измерений в связи с эффектом взаимного воздействия ионов нескольких солей на процесс измерения, поэтому требуется комплексный подход, учитывающий правильный подбор простых солей, решаемый в рамках отдельной задачи неорганической химии.
Таким образом, для создания полноценного растворного узла, а также системы обратной связи состава отработанного рабочего раствора требуется решить ряд вопросов, связанных как со способами дозирования, так и с оптимизацией количества и вида применяемых питательных солей и селективных электродов.
Есть несколько коммерческих решений задачи, но все они имеют ряд недостатков. В первую очередь – отсутствие возможности использования органических питательных растворов и систем эффективной стерилизации. Существует гидропонная установка, предназначенная для выращивания микрозелени, проростков, зелени и рассадного материала в домашних условиях. Минусы в том, что это оборудование пригодно для выращивания ограниченного набора культур. А еще такой метод беспочвенного выращивания как гидропоника приводит к распространению болезней, поскольку корни растений расположены в воде.
Существуют варианты садовой фермы на 12 посадочных мест для взрослых растений и 16 мест – для проращивания семян. Однако выращивать корнеплоды она возможности не дает, а главной движущей силой остается гидропоника со всеми ее изъянами.
Устройство с подогревом
Правда, уже есть аэропонная установка с автоматическим поливом, причем простая в эксплуатации. Однако отсутствует изолированная среда, а значит, будет сезонность выращивания. Главным же недостатком этих устройств стало отсутствие системы нагрева питательной среды – значит, у растений уменьшаются шансы уцелеть при краткосрочных заморозках. Зато в Волгоградском государственном техническом университете разработана установка с новыми по сравнению с аналогами качествами. Ее мощность – 800 ватт, она обеспечивает дополнительную тепловую защиту в холодные дни. Устройство обеспечено системой стабилизации температуры питательного раствора, которая «охраняет» рост растений и при выращивании в открытом грунте защищает от легких, до –5 градусов, заморозков. Плюс система обеззараживания питательного раствора – а значит, нет нужды в антисептиках. Здесь действуют системы управления основными технологическими параметрами, обратной связи и диагностики, есть подключение к интернету. Устройство с большим числом функциональных настроек, возможностью удаленного контроля и управления.
Технологическая схема растворного узла
Наше устройство действует итеративно – на языке программистов это означает выполнение работ параллельно с непрерывным анализом полученных результатов и корректировкой предыдущих этапов. Это позволяет обеспечить высокую эффективность ирригации корней растений при снижении энергозатрат. Подогрев питательного раствора дает возможность эксплуатировать систему при более низкой температуре окружающей среды.
Для России данная технология достаточно новая. Но с учетом иностранного опыта, есть хорошие примеры успешной коммерческой реализации проекта. Общий тренд на цифровизацию, повышение эффективности и автономности позволяет делать вывод о существенном потенциале подобных разработок.
Надеемся, при столь широких возможностях созданная в Волгоградском техническом университете, установка найдет хорошее применение у аграриев и выведет овощеводство на новый уровень.
И.В. ВОЛКОВ,
ведущий инженер, заведующий
лабораторией кафедры
автоматизации производственных
процессов Волгоградского
государственного технического
университета
А.М. МАКАРОВ,
заведующий кафедрой АПП,
кандидат технических наук
Н.Г. ШАРОНОВ,
доцент кафедры АПП,
кандидат технических наук
Я.В. КАЛИНИН,
доцент кафедры АПП