4.5 Дезинфекция рециркулирующего питательного раствора
Для минимизации риска распространения почвенных патогенов необходима дезинфекция циркулирующего раствора питательных веществ (Postma et al. 2008). Первым методом была термическая обработка (Runia et al. 1988). Van Os (2009) сделал обзор наиболее важных методов и резюме приводится ниже. Рециркулирование питательного раствора открывает возможности для экономии воды и удобрений (Van Os 1999). Большим недостатком рециркуляции питательного раствора является растущий риск распространения корневых патогенов по всей производственной системе. Чтобы свести к минимуму такие риски, решение следует обработать перед повторным использованием. Использование пестицидов для такой обработки ограничено, поскольку эффективные пестициды доступны не для всех таких патогенов, и, если таковые имеются, может появиться резистентность, а экологическое законодательство ограничивает сброс воды с пестицидами (и питательными веществами) в окружающую среду (Европейский парламент и Европейский совет 2000). Кроме того, в системах АП использование пестицидов оказывает негативное воздействие на здоровье рыб и не может быть осуществлено даже в том случае, если гидропонная и АП части системы находятся в разных помещениях, поскольку распыление химических веществ может попадать в питательный раствор с помощью конденсационной воды или прямого распыления на подложку плиты. В связи с этим для борьбы с болезнями вредителей может быть принят подход к биологическому контролю, доступ к которому можно получить через Информационный бюллетень Центра аквапоники ЕС (Центр аквапоники ЕС). В то же время подобные проблемы могут наблюдаться и при обработке рыбы с использованием ветеринарных препаратов, несовместимых с циклом растений.
4.5.1 Описание методов дезинфекции
Дезинфекция циркулирующего раствора питательных веществ должна проходить непрерывно. Весь возвращенный дренаж (10—12 ч в дневное время) должен быть обработан в течение 24 часов. Для теплицы объемом 1000 мсуп2/суп в культивировании субстрата (каменная вата, койра, перлит) необходима дезинфекционная способность примерно 1—3 мсуп3/сап в день, чтобы дезинфицировать требуемый избыток воды, составляющий 30% от капельной воды орошение растений томатов в течение 24 часов в летних условиях. Из-за переменной нормы возврата дренажной воды требуется достаточно большой водосборный резервуар для дренажной воды, в котором вода хранится до того, как она перекачивается в дезинфекционную установку. После дезинфекции требуется еще один резервуар для хранения чистой воды перед регулировкой EC и pH и смешиванием с новой водой для подачи на растения. Оба резервуара имеют средний размер 5 мсуп3/суп на 1000 мсуп2/суп. В питательной пленочной системе (NFT) ежедневно необходимо дезинфицировать около 10 мсуп3/сап в день. В целом считается, что такой потенциал неэкономичен для дезинфекции (Ruijs 1994). DFT требует аналогичного лечения. Это основная причина, по которой производственные установки NFT и DFT обычно не дезинфицируют питательный раствор. Дезинфекция осуществляется либо нехимическими, либо химическими методами следующим образом:
4.5.1.1 Нехимические методы
В целом эти методы не изменяют химического состава раствора и не образуют остатков:
Тепловая обработка. Нагрев дренажной воды до температуры, достаточно высокой, чтобы искоренить бактерии и патогены, является самым надежным методом дезинфекции. Каждый тип организма имеет свою смертельную температуру. Неспорообразующие бактерии имеют летальные температуры от 40 до 60° C, грибы от 40 до 85° C, нематоды от 45 до 55° C и вирусы от 80 до 95° C (Runia et al. 1988) во время воздействия 10 с. Хотя это может показаться очень энергоемким, следует отметить, что энергия восстанавливается и повторно используется с теплообменниками. Наличие дешевого источника энергии имеет большее значение для практического применения.
УФ радиация. Ультрафиолетовое излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 200 до 400 нм. Длины волн от 200 до 280 нм (UV-C), с оптимальным 254 нм, оказывают сильное убивающее воздействие на микроорганизмы, так как сводит к минимуму размножение цепочек ДНК. Разные уровни радиации необходимы для различных организмов, с тем чтобы достичь одинакового уровня эффективности. Runia (1995) рекомендует дозу, которая варьируется от 100 мДж смсуп-2/sup для устранения бактерий и грибов до 250 мДж смсуп-2/sup для устранения вирусов. Эти относительно высокие дозы необходимы для компенсации изменений мутности воды и изменений в проникновении энергии в раствор из-за низкой турбулентности вокруг УФ-лампы или вариаций выхода УФ-лампы. Zoschke et al. (2014) рассмотрели, что ультрафиолетовое излучение при 185 и 254 нм обеспечивает контроль и дезинфекцию органических загрязнителей воды. Более того, Moriarty et al. (2018) сообщили, что УФ-излучение эффективно инактивированных колиформ в системах АП.
Фильтрация_. Фильтрация может использоваться для удаления любого нерастворенного материала из питательного раствора. Различные типы фильтров доступны в зависимости от диапазона размеров частиц. Фильтры быстрого песка часто используются для удаления крупных частиц из сточной воды перед добавлением, измерением и контролем EC, рН и внесением новых удобрений. После прохождения установки удобрений часто в поток воды встраивается мелкодисперсный синтетический фильтр (50—80 мкм) для удаления нерастворенных солей удобрений или осадок, чтобы избежать засорения оросительных капельниц. Эти синтетические фильтры также используются в качестве предварительной обработки для методов дезинфекции с термообработкой, озоновой обработкой или УФ-излучением. При уменьшении размера пор фильтрации поток тормозится, так что удаление очень мелких частиц требует сочетания адекватных фильтров и высокого давления с последующей частой очисткой фильтра (фильтров). Удаление патогенов требует относительно небольших размеров пор (\ 10 мкм; так называемая микро-, ультра- или нанофильтрация).
4.5.1.2 Химические методы
_Озон (O<sub3/sub) _. Озон производится из сухого воздуха и электричества с помощью озонегенератора (преобразование 3OSub2/Sub → 2OSub3/Sub). Обогащенный озоном воздух впрыскивается в воду, которая очищается и хранится в течение 1 часа. Runia (1995) пришла к выводу о том, что для устранения всех патогенов, включая вирусы, достаточно подачи озона 10 г в час в час на дренажную воду msup3/sup со временем воздействия 1 ч достаточно. Снижение микробных популяций в овощной продукции в безпочных системах, управляемых озоном, было также отмечено Nicoletto et al. (2017). Следует избегать воздействия озона на человека, который выходит из системы или резервуаров для хранения, поскольку даже короткое время воздействия концентрации 0,1 мг LSP-1/SUP озона может вызвать раздражение слизистых оболочек. Недостатком использования озона является то, что он реагирует с железным хелатом, как УФ. Следовательно, необходимы более высокие дозы железа, и необходимо принять меры по борьбе с залежами железа в системе. Недавние исследования (Van Os 2017) с современными установками по озону выглядят многообещающими, где достигается полная ликвидация патогенов и разрушение остающихся пестицидов без проблем с безопасностью.
Перекись водорода (HSub2/Sub2/Sub) _. Перекись водорода является сильным, нестабильным окислителем, который реагирует на образование HSub2/subo и O- радикалов. Для стабилизации исходного раствора и повышения эффективности в растворе добавляются так называемые активаторы. Активаторы в основном муравьиная кислота или уксусная кислота, которые уменьшают рН в питательном растворе. Рекомендуются различные дозы (Runia 1995) против Pythium spp. (0,005%), других грибов (0,01%), таких как Fusarium, и вирусов (0,05%). Концентрация 0,05% также вредна для корней растений. Пероксид водорода особенно полезен для очистки системы полива, в то время как использование для дезинфекции было принято другими методами. Метод считается недорогим, но неэффективным.
Гипохлорит натрия (NaOCl) _. Гипохлорит натрия представляет собой соединение, имеющее различные коммерческие названия (например, бытовые отбеливатели) с различной концентрацией, но с одной и той же химической структурой (NaOCl). Он широко используется для очистки воды, особенно в бассейнах. Продукт относительно недорого. При добавлении в воду гипохлорит натрия разлагается до HoCl и NaOH и в зависимости от pH до OCLSup-/SUP; последний разлагается до Cl и Osup. /sup для сильного окисления. Он непосредственно реагирует с любым органическим веществом, и если гипохлорита достаточно, он также реагирует с патогенами. Le Quillec et al. (2003) показали, что устойчивость гипохлорита зависит от климатических условий и связанных с ними реакций разложения. Высокие температуры и контакт с воздухом вызывают быстрое разложение, при котором NacloSub3/Sub образуется с фитотоксическими свойствами. Руния (1995) показала, что гипохлорит не эффективен для устранения вирусов. Хлорирование с концентрацией 1—5 мг Cl LSup-1/SUp и временем воздействия 2 ч позволило сократить на 90— 99,9% Fusarium oxysporum, но некоторые споры сохранились при всех концентрациях. Для безопасного хранения и обработки должны быть приняты меры безопасности. Гипохлорит может работать против ряда патогенов, но не всех, но в то же время концентрация NASUP+/SUP и CLSUP-/SUP увеличивается в закрытой системе выращивания, что также приведет к уровням, которые снижают продуктивность урожая и в то время необходимо выщелачивать питательный раствор. Несмотря на вышеупомянутые недостатки, продукт используется и рекомендован коммерческими операторами в качестве дешевого и полезного метода.
4.5.2 Химические и нехимические методы
Производители предпочитают методы дезинфекции с отличной производительностью в сочетании с низкими затратами. Хорошую производительность можно описать путем устранения патогенов с уменьшением на 99,9% (или редукцией журнала 3) в сочетании с четким, понятным и контролируемым процессом. Низкие затраты предпочтительно сочетаются с низкими инвестициями, низкими затратами на техническое обслуживание и отсутствием необходимости в том, чтобы производитель выполнял функции специалиста лаборатории. Термическая обработка, УФ-излучение и обработка озона показывают хорошую производительность. Вместе с тем инвестиции в обработку озона весьма высоки, что приводит к высоким ежегодным расходам. Термообработка и УФ-излучение также имеют высокие годовые затраты, но инвестиции ниже, в то время как процесс устранения легко контролировать. Последние два метода наиболее популярны среди производителей, особенно в питомниках площадью более 1 или 2 га. Медленная фильтрация песка менее совершенна по производительности, но имеет значительно более низкие годовые затраты. Этот метод может быть рекомендован производителям менее 1 га и производителям с более низким инвестиционным капиталом, поскольку песочные фильтры могут быть построены самими производителями. Гипохлорит натрия и перекись водорода также являются дешевыми методами, но производительность недостаточна для устранения всех патогенов. Кроме того, это биоцид, а не пестицид, что означает по закону, в ЕС по крайней мере юридически запрещено использовать его для устранения патогенов.
4.5.3 Биообработка и предварительная обработка
Методы дезинфекции не очень селективны между патогенами и другим органическим материалом в растворе. Поэтому предварительная обработка раствора (фильтры быстрого песка или механические фильтры 50—80 мкм) перед дезинфекцией рекомендуется при термической обработке, ультрафиолетовом излучении и обработке озоном. Если после дезинфекции остатки химических методов остаются в воде, они могут реагировать с биопленками, образовавшимися в трубопроводных линиях систем полива. Если биопленка будет выпущена из стенок труб, они будут транспортироваться в капельницы и вызывать засорение. Для очистки трубопроводов и оборудования в основном используются несколько методов окисления (гипохлорит натрия, перекись водорода с активаторами, диоксид хлора), что создает особый риск засорения капельниц с течением времени.