无土栽培营养液废液循环利用研究进展

摘 要：根据无土栽培营养液废液的几个处理阶段归纳了紫外线、臭氧、加热、沙滤和综合灭菌等多种营养液废液灭菌方法；活性炭和纳米TiO2催化2种植物自毒物质去除方法以去除植物自身所排出的有机酸等毒性物质；几种温度、养分等在线监测和调配装置；以及植物营养梯级吸收利用、鱼菜共生水产养殖的后续利用方法，最后对营养液废液利用的研究进行展望，旨在为今后有效利用无土栽培营养液废液研究提供参考，减少营养液废液对环境的污染。

关键词：无土栽培；营养液废液；循环利用

中图分类号：X712 文献标志码：A 论文编号：2014-0003

Abstract： According to the several processing stages of soilless culture nutrition waste liquids， this paper induced the ultraviolet， ozone， heat， sand filtration and sterilization and comprehensive sterilization， the active carbon and nano TiO2 catalyst to remove organic acid and other toxic substances， temperature and nutrients-online monitoring and deployment device， and multistage absorption， planted with fish about subsequent utilization， at the end of paper the prospect of waste liquids also mentioned， in order to provide reference for future effective use of soilless culture nutrition waste liquids and reduce pollution on the environment.

Key words： Soilless Culture； Nutrient Waste Fluids； Recycling

0 引言

目前中国无土栽培面积达到1070 hm2，并随着大面积扩大而成为重要的栽培方式[1]。营养液是无土栽培中植物生长的主要营养来源，因此营养液的日常管理是无土栽培管理的核心环节[2]。目前国内外关于营养液废液的处理方式包括循环重复利用和不循环排出方式。营养液废液循环重复利用是指已经使用过的营养液废液经消毒过滤和营养复配等一系列措施，重新回流到原栽培系统循环中再被植物吸收利用，该方式已被欧盟国家等发达国家广泛应用[3]。不循环利用型是由于受到技术和成本等因素限制只能将利用一次利用后的废液直接排入环境，这种方式造成大量未被植物吸收利用的氮磷钾等元素的浪费，同时也会造成河流等水体的富营养化问题。未经处理的营养液废液二次利用时容易造成病虫害在栽培体系中的广泛传播，会造成不可估量的损失。因此如何科学循环利用营养液废液是目前无土栽培研究中的一个热点问题，对如何提高经济效益和环境效益有着重要意义。

无土栽培营养液废液循环利用研究工作国内外已进行很多，主要包括灭菌去毒的前期工作、废液中养分含量的测定和再调配的中期阶段及应用以及植物串级等后续利用。

1 废液的灭菌去毒技术

营养液废液循环利用可降低成本和对环境的污染，但在循环过程中一些植物病原菌容易在整个系统中传播，造成巨大的经济损失。因此，营养液在循环利用前需进行灭菌消毒处理。目前国内外消毒方法很多，如臭氧、紫外线、加热、沙滤、过氧化氢、氯气、碘处理、膜滤、活性炭吸附等。其中，主要常用的消毒法有以下几种：（1）臭氧灭菌法是利用强氧化剂臭氧杀灭微生物病原菌。喻景权等[4]研究结果表明10 L/min臭氧处理45 min后可杀灭50%左右青枯病病原菌菌数， 90 min后青枯病病原菌则被完全杀灭。宋卫堂等[5]试验发现，在营养液中通入0.6 mg/L臭氧5 min可完全杀死106 cfu/mL的十字花科软腐病病原菌和103 cfu/mL黄瓜枯萎病、番茄枯萎病。另有研究表明通入4 g O3/h臭氧20 min对营养液中细菌、真菌和藻类的杀灭率达90%以上[6]。（2）紫外线灭菌法是紫外线通过光化学反应将病原菌机体内蛋白质和DNA的结构破坏，达到杀菌效果。刘向辉等[7]设计了一种用于循环营养液消毒的紫外线消毒系统，当营养液紫外线透射率为96.65%、黄瓜枯萎病病原浓度为6.87×102 孢子/mL、最大流量为36 L/min时，灭菌率为100%；在营养液紫外线透射率为95.42%、病原浓度为1.14×105孢子/mL、最大流量为36 L/min时，灭菌率为100%；在营养液紫外线透射率降低为11.58%、病原菌浓度为1.44×104孢子/mL、最大流速为35 L/min时，灭菌率也在50%以上。（3）加热灭菌法是高温加热将病原物烫死。Runia[8]在热处理试验研究中发现60℃ 2 min可将腐霉菌和疫霉菌杀死。不同病原菌的致死温度与致死时间不同。宋卫堂等[9]研究发现，营养液保持85℃ 90 s后所含有的番茄萎蔫病、黄瓜枯萎病、番茄细菌性青枯病病毒全部被杀死。（4）沙滤灭菌法是依靠阻挡和吸附作用对营养液进行灭菌，主要是对沙粒、陶粒等研究。Os EA van等[10]研究结果发现，流速为0.1 m/h的营养液中的疫霉菌可以被0.2～0.8 mm和0.15～0.20 mm的沙粒完全过滤掉，但枯萎病菌和烟草花叶病毒则无法被滤掉。（5）综合灭菌法是通过几种消毒方式组合进行全面灭菌[11]。宋卫堂等[12]设计了一种臭氧与紫外线联合消毒装置，装置是包括紫外线和臭氧2种消毒器的自动控制设备。装置将营养液抽入臭氧发生器先消灭营养液中部分病原菌，再将灭菌后的营养液输入至紫外线消毒器中，在紫外线的照射下进一步完全灭菌。使用该装置进行紫外线、臭氧、紫臭+氧外线对180天番茄栽培营养液处理结果对比发现紫外+臭氧联合方式可达到89.9%的灭菌效果，远高于紫外线、臭氧单独消毒的处理结果。

营养液废液除了灭菌之外有时还需要进行营养液废液自毒物质的去除。研究表明，许多园艺作物如生菜、黄瓜、草莓等根系会分泌自毒物质[13-15]，累积后对自身生长产生抑制，且自毒胁迫下植物容易受到病菌侵害，最终导致植物产量降低[16-19]。西瓜、黄瓜、豌豆等根系所分泌的自毒物质可抑制自身生长达到10%以上[20]。有机废弃物栽培基质在栽培过程中会释放出植物毒性物质影响蔬菜的栽培效益[21]。营养液废液有毒物质的去除对营养液循环利用是非常必要的。有研究表明活性炭和纳米TiO2催化可以去除植物有机酸等毒性物质。活性炭[22]可以有效去除水培番茄营养液中的自毒物质并且对营养液中养分含量几乎没有影响，从而提高植株和果实产量。Sunada等[23]研究发现，芦笋营养液的自毒物质经纳米TiO2光催化处理去除后芦笋产量增加了1.6倍。TiO2光催化处理下催化6 h后可将营养液中植物自毒物质水杨酸、苯甲酸降解51.8%、31.2%[24]。

2 废液养分浓度测定和再调配

无土栽培营养液废液经过前期阶段灭菌去毒后再通过营养液循环再利用装备进行废液养分浓度的测定和再调配，使废液养分含量能满足后续种植需求。

目前有一些科学家开发一些测定装备和软件以解决回收利用时营养液废液养分含量快速测试问题并进行需求调配。为了解决单一离子选择电极测量精度不高的缺点，李东星等[25]设计的营养液循环再利用装备中自动检测和控制装置配有多种探头，可测定温度、液压、溶解氧、pH、EC等指标，通过各种离子浓度在线测定后进行调配。王永和秦琳琳等[26-27]设计软件通过逐步拟合和最小二乘拟合的方法获得营养液中各养分与电极电压、温度之间二次曲面函数关系，在应用中根据实测电极电压和营养液温度直接按拟合的函数关系计算养分含量。应用结果表明，该控制系统可在线监测营养液中温度、pH、EC、NO3-、K+、Ca2+和溶氧值数值变化，pH和各离子浓度可根据测定结果自动调配以及营养液自动加温，测量精度较高，适用范围广。

3 废液后续利用技术

无土栽培营养液废液经过灭菌去毒和养分测量调配后就可进行植物种植再利用。常见的方式是通过调配重新回到原无土栽培种植体系中循环利用。若一些无土栽培基地受到运行成本等条件限制，无法进行养分调配，则可将营养液废液转移到其他栽培体系中得以运用。

（1）植物串级利用。有研究人员提出根据植物生长营养吸收差异原理的营养液阶梯串级利用方式是一种新的营养液废液利用方式。杨其长等[28]通过不同植物对矿质养分吸收量不同设计了番茄→西葫芦（黄瓜）→生菜（西芹、红叶甜菜、油菜、菊苣）→西洋菜（空心菜、三叶芹、荆芥）→水草和鱼类5级栽培模式，得到较好的经济效益，这种植物串级利用是一种较新颖、环境友好、运行成本较低的营养液废液利用方法。（2）水产养殖。有研究营养液废液可用于鱼类或其他水产养殖。杨其长等研究发现营养液被第4级叶菜类吸收利用后可种植水草，而水草可供鱼类游憩和采食。张明华等[29]研究表明1 m3种植莴苣66株或25株番茄的水体可以配养放养75 g/尾规格的鲫鱼100尾。谭洪新等[30]将草莓、生菜各50 m3经95天可养红罗非鱼58 kg/m3，生菜单株重350 g、株高25～35 cm，草莓植入15天开始开花，挂果率较高。

4 废液利用的研究展望

营养液废液作为一种新的农业废弃物，在国内外其综合利用越来越受到重视，从去杂、消毒灭菌、营养在线测定与重配、植物多级吸收利用等技术和装置的研究日趋深入。随着无土栽培规模的扩大所产生的营养液废液日益增多，其处理系统也更趋于集约化、自动化。目前国外如荷兰1999年就已发布法规规定所有温室无土栽培必须采用封闭式，以避免开发式无土栽培中废弃营养液排放引起的周围水体污染和富营养化。虽然国内营养液废液综合利用方面起步较晚，但随着无土栽培规模的扩大和对环境的重视，也将获得迅速发展，并会在园艺、园林绿化等方面后续利用中发挥新的作用。

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