Очистка воды для растениеводства и теплиц

Вода является важным ресурсом на ферме, поэтому необходимо эффективно управлять ей для уменьшения сброса и улучшения качества поливочного субстрата. Бережное обращение с водой на вашем предприятии может помочь вам справиться с непосредственными рисками для окружающей среды. Повышение эффективности использования водных ресурсов позволяет операторам сосредоточиться на других аспектах бизнеса, снизить риск штрафов и обеспечить поддержание запаса воды на время засушливых сезонов.

Тепличные хозяйства сталкиваются с целым спектром задач, требующих уникальных решений. Ниже представлена блок-схема отображающая использование воды в тепличном комплексе и список технологий и /или процессов очистки, предназначенных для улучшения качества воды. Этот список не является исчерпывающим, но содержит обзор часто используемых технологий. Кроме этого, создав балансовую схему использования воды на ферме можно предпринять первые шаги в выборе технологий очистки.

б) Химические. Системы химической обработки функционируют, повреждая клеточные мембраны и/или внутренние клеточные органы, вызывая гибель организма. В отличие от физических систем, в правильно функционирующей системе существуют остаточные химикаты для увеличения времени реакции системы обработки на дозу и предотвращения образования биопленки в оросительных линиях.

в) Биологические. Системы биологической очистки обычно сочетают в себе ряд процессов обработки: физическое разделение, конкуренцию со стороны других организмов или создание среды, которая не способствует выживанию патогена. Часто эти системы могут также обеспечивать удаление питательных веществ и служить в качестве методов для обработки воды, которая не может быть рециркулирована. Большинство из них являются наружными системами, а биологические системы реагируют на температуру. Поэтому в конструкцию, возможно, потребуется включить особые сооружения, изоляция или покрытие.

1. Пескоотделитель (гидроциклон)

Принцип действия:
• встроенная обработка, которая использует ультрафиолетовое излучение (UV-C) с длиной волны 254 нм для повреждения ДНК и предотвращения размножения микроорганизмов.
• скорость дезинфекции зависит от “времени воздействия и интенсивности излучения” (дозы); однако обратите внимание, что при низкой интенсивности излучения (например, 3 МДж/см2) может происходить некоторая репарация и повторный рост ДНК.

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• эффективная доза ультрафиолетового излучения варьируется в зависимости от организмов:
а) бактерии: от 3,5 до 26,5 МДж/см2
б) распространение грибов: 10-70 МДж/см2; рекомендуется запускать при 100 МДж/см2
в) нематоды (100 МДж/см2 для предотвращения заражения корней и 500 МДж/см2 для гибели организма) 
• предварительная фильтрация до менее 25 микрон необходима, поскольку прозрачность воды имеет решающее значение для эффективной очистки; любые твердые частицы или окрашенные растворенные молекулы блокируют попадание ультрафиолетового излучения на целевые организмы; мутность воды должна быть менее 2NTU (нефелометрические единицы мутности) для надлежащей обработки
• лампы высокого, среднего и низкого давления в зависимости от потребляемой мощности:
• лампы низкого давления выдают более точную длину волны (254 нм), в то время как лампы среднего и высокого давления выдают более широкий спектр длин волн (180-400 нм). Для разрушения ДНК наиболее эффективна длина волны 254 нм, а преобразование мощности в длины волн UV-C составляет около 30-35%; однако они ограничены относительно низкой мощностью УФ-излучения и, следовательно, относительно низкими скоростями потока
• лампы среднего и высокого давления (широкий спектр) требуют больше энергии для получения того же уровня излучения 254 нм (и, следовательно, скорости дезинфекции) по сравнению с лампами низкого давления (около 15% мощности по отношению к длинам волн UV-C) и, следовательно, менее энергоэффективны
• излучение широкого спектра также позволяет инактивировать организмов путем деградации некоторых белков / ферментов, а также разрушения ДНК и может быть предпочтительным для некоторых организмов (например, вирусов)
• излучение широкого спектра может усиливать разрушение других загрязняющих веществ, таких как пестициды

Преимущества и ограничения:
• не вызывает коррозии и не зависит от рН и не оставляет остатков в обработанной воде
• химические вещества не требуются, поэтому нет риска фитотоксичности или токсичности для человека
• не требует большого объема пространства
• скорость потока можно регулировать для повышения эффективной дозы
• может комбинироваться с другими системами, такими как пероксид и / или озон, для расширенной окислительной обработки
• требуется предварительный фильтр для удаления остатков растений и частиц для уменьшения мутности
• при обрастании лампы железом требуется кислотная промывка
• может разрушать хелаты железа, поэтому хелатное железо, возможно, потребуется скорректировать в растворе для орошения, чтобы предотвратить хлороз железа в урожае
• высокие дозы могут генерировать свободные радикалы и могут повлиять на растения, получающие очищенную воду

Химические методы обработки воды

В отличие от физических методов, химические методы продолжают действовать в ирригационной системе и могут помочь уменьшить накопление биопленки. Однако следует обратите внимание на то, что химические вещества также убивают полезные организмы и потенциально снижают конкуренцию и врожденную устойчивость к патогенам во всей производственной системе при использовании на высоких уровнях.

Перед химической обработкой воду следует предварительно отфильтровать, чтобы удалить взвешенные твердые частицы, органические вещества и микробную популяцию, связанную с твердыми веществами, и снизить потребность в химикатах для дезинфекции. Аналогичным образом, питательные вещества следует добавлять после химической дезинфекции (с учетом времени реакции), поскольку некоторые химические вещества могут вступать в реакцию с питательными веществами, такими как аммиак.

1. Хлор
Принцип действия:
• свободный остаточный хлор, образующийся в результате растворения продуктов хлора в воде, обладает высокой степенью окисления и повреждает внешние мембраны и структуры водорослей, грибков и бактерий;
• хлор распадается на хлорноватистую кислоту (HOCl; сильный окислитель) и гипохлорит (OCl-; слабое дезинфицирующее средство);
• наиболее распространенной формой в промышленности является гипохлорит натрия;
• гипохлорит кальция (твердый; 60-70% доступного Cl-) безопаснее, чем многие другие формы, но дороже

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• эффективность зависит от рН: концентрация HOCl наиболее высока при рН 5-6, а при повышении рН хлорноватистая кислота превращается в гипохлорит, который менее эффективен, поэтому перед хлорированием может потребоваться подкисление;
• рекомендуемый уровень свободного хлора составляет 0,5-2 ppm в конце системы орошения;
• эффективная доза хлора (концентрация х время) зависит от организма-мишени: например, 2 мг/л свободного хлора в течение 2 минут уничтожат зооспоры оомицетов, но для спорангии оомицетов требуется 4 мг / л в течение 8 минут, 8 мг / л в течение 5 минут для фузариум остроспоровый, 10 мг / л в течение 10 минут для Rhizoctonia solani;
• чрезмерное и недостаточное дозирование легко допустить, если уровни органических веществ и питательных веществ в обрабатываемых водах сильно колеблются;
• необходимо контролировать потребность в хлоре, чтобы поддерживать остаточный уровень свободного хлора;
• эффективная концентрация некоторых патогенов может превышать фитотоксичный уровень для некоторых культур. Следовательно, может потребоваться увеличение времени выдержки или аэрация, чтобы позволить большему количеству свободного хлора выделяться газом, обработка активированным углем или добавление сульфита натрия или метабисульфита натрия для дезактивации хлора перед орошением.

Преимущества и ограничения:
• низкая стоимость установки и эксплуатации;
• простота в эксплуатации и управлении;
• эффективен при дезинфекции патогенов;
• использование хлора может привести к образованию долгоживущих побочных продуктов, которые потенциально вредны для здоровья человека и окружающей среды (например, тригалометаны).

2. Диоксид хлора (ClO2)
Принцип действия:
• используется хлорит натрия (NaClO2) для электрохимического получения ClO2
• наиболее эффективный метод обработки хлором в широком диапазоне рН (4-10) и времени контакта
• в 2 раза мощнее хлора
• не гидролизуется в воде и не вступает в реакцию с азотными соединениями

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• генерируется на месте использования
• оптимальный диапазон рН обрабатываемой воды составляет 4-8,4
• 0,5 промилле в течение 2 мин будет контролировать зооспоры оомицетов
• фузариоз, цилиндрокладиум, Альтернария и Ботритис требуют гораздо более длительного времени контакта, и борьба с ними была менее эффективна
• может использоваться непрерывно при низких концентрациях (0,25 мг/л) для очистки воды
• может использоваться в качестве шоковой терапии для удаления биопленок при концентрации (20-50 мг/литр)
       
Преимущества и ограничения:
• быстрое время реакции и разложения
• в целом низкая фитотоксичность
• работает в диапазоне значений рН (4-10)
• эффективность снижается из-за органических веществ и питательных веществ
• нестабилен и должен быть произведен и использован на месте

3. Электро-химическая активация (ECA)
Принцип действия:
• эта технология работает путем пропускания раствора соли (хлорид калия; KCl) через модуль с двумя электродами, через который проходит постоянный электрический ток. Солевой раствор KCl подвергается электролизу с образованием газообразного хлора (Cl2) и кислорода (O2) на положительном электроде (аноде). Cl2 растворяется в воде с образованием хлорноватистой кислоты (HClO; активный хлор) и соляной кислоты (HCl; также антимикробный). Гидроксид калия (KOH; детергент) и газообразный водород (H2) образуются на отрицательном электроде (катоде). (H2) выходит во внешний воздух.

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• производится на месте, или концентрированный раствор может быть доставлен с места и введен в ирригационную систему
• KCl предпочтительнее хлорида натрия (NaCl) в садоводстве, чтобы избежать накопления Na в системах рециркуляции
• пиковая концентрация HOCl достигается при рН 5,5-6,0
• для системы требуется мягкая вода, поэтому городская или колодезная вода может нуждаться в предварительной обработке

Преимущества и ограничения:
• обеспечивает стабильную производительность
• устраняет биопленки в ирригационных линиях и трубах
• увеличивает содержание O2 в воде и корнях растений
• более прочные растворы можно использовать для дезинфекции лотков, ирригационных линий и т.д.
• образуется на месте, поэтому нет необходимости в хранении сильных окислителей.
• концентрат можно транспортировать для использования в других местах / установках, но если его привозят с другого места, следите за уровнем свободного хлора, так как крепость раствора со временем будет снижаться.
 
4. Бром
• химический состав, сходный с хлором
• может использоваться в более низких концентрациях
• относительная эффективность зависит от конкретного организма – обеспечивает лучший контроль над некоторыми организмами, такими как Ботритис, Фузариоз и ризоктония и другие, но хуже для альтернариоза.
• может сочетаться с хлором для повышения эффективности
• более низкая фитотоксичность, чем у хлора
• остатки менее стойкие, чем остатки хлора, но все же могут образовываться в присутствии органических веществ

5. Перекись водорода (H2O2)
Принцип действия:
• H2O2 можно использовать отдельно или в присутствии органической кислоты, такой как уксусная кислота, для получения более стабильных и эффективных дезинфицирующих средств
• в присутствии ионов металлов он распадается на реакционноспособный гидроксильный радикал (ОН-), который является сильным окислителем
• эффективность зависит от дозы (концентрация Х время воздействия)

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• может использоваться для обеспечения непрерывной дезинфекции или в качестве шоковой терапии для удаления биопленок в зависимости от дозы и остаточной концентрации, измеренной в самой удаленной точке от системы впрыска
• также используется для очистки цистерн; остаточные концентрации в резервуарах для хранения в идеале должны составлять 2-3 промилле
• для повышения эффективности рекомендуется предварительная фильтрация для удаления твердых частиц и органики
 
Преимущества и ограничения:
• для дезинфекции требуются более высокие концентрации и более длительное время воздействия, чем для озона
• отсутствие долговременных или вредных остатков в окружающей среде
• увеличивает поступление кислорода к корням, но при высоких концентрациях может привести к повреждению корней
• Mn и Fe будут окисляться и выпадать в осадок; возможно, потребуется увеличить содержание питательных микроэлементов в растворе
• длительное использование может привести к разрушению пластмасс

6. Пероксиуксусная кислота (PAA)
Принцип действия:
• диссоциирует в воде на перекись водорода и уксусную кислоту
• используется отдельно или в сочетании с H2O2
• используется в качестве поверхностного дезинфицирующего средства, а также для шоковой или поддерживающей обработки при очистке ирригационных линий

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• более стабилен, чем чистый H2O2, и обладает более длительным остаточным эффектом / длительной дезинфекционной активностью
• наиболее эффективен при <pH 7; может снизить щелочность

Преимущества и ограничения:
• отсутствие токсичных остатков для растений или окружающей среды
• улучшенное снабжение корней растений кислородом
• требуется предварительная фильтрация – органические вещества снижают эффективность
• дороже, чем другие химические вещества
• вызывает коррозию и требует надлежащего обращения.
   
7. Озонирование
Принцип действия:
• озон (O3) представляет собой нестабильную форму газообразного кислорода, который быстро разлагается на кислород (O2) и свободный O-радикал, который повреждает клеточные мембраны, вызывая их гибель
• образуется при использовании электричества для расщепления кислорода с образованием озона и диффузии его в воду в контактном сосуде
• потенциал окисления озона в два раза выше, чем у хлора
• эффективность зависит от концентрации O3 x время воздействия

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• очень нестабильный, поэтому его необходимо производить на месте.
• широкий диапазон действия дозы для различных патогенов: бактерии (0,5 мг/л в течение 1 мин) оомицеты (0,8мг/л в течение 8 мин), грибки (0,7 мг/л в течение 16 мин) и вирусы (7,9 мг/л в течение 75 мин)
• остаточная концентрация <1 мг/л рекомендуется для предотвращения фитотоксичности
• потребность в O3 зависит от уровня окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в воде, может ежедневно колебаться от 1 до 10 г/м3/час и потребует 0,6 кВт*ч/м3, обработанного из расчета 10 г/м3/час. Этот уровень позволяет поддерживать чистоту ирригационной системы

Преимущества и ограничения:
• расщепляет органические химические вещества, такие как пестициды и PGRS, а также дезинфицирует
• устраняет биопленки в ирригационных линиях и трубах при этом отсутствуют токсичные остатки
• не зависит от рН (но высокий рН может сократить срок службы системы)
• увеличивает поступление кислорода в растения
• непрерывная работает в системах рециркуляции
• требуется предварительная фильтрация: эффективность снижена или потребление электроэнергии высокое, когда вода / раствор содержит большое количество органических веществ и бикарбонатов.
• реагирует с бикарбонатами, сульфидами, аммиаком и нитритами, снижая эффективность
• Mn и Fe выпадают в осадок; возможно, потребуется увеличить содержание микроэлементов в кормовом растворе.
• хелаторы деградируют и нуждаются в замене

8. Ионизация медью
Принцип действия: постоянный ток подается на медные электроды для электролитической генерации ионов меди

Конструктивные и эксплуатационные особенности:
• обработка 0,28-4 мг/л применима для дезинфекции, увеличение времени воздействия значительно повышает эффективность
• 2 мг/л приводят к >99% контролю общего количества дрожжей и плесени, но для борьбы с бактериальными патогенами могут потребоваться более высокие дозы или время контакта
• безопасно до 2 мг/л Cu2+ в поливной воде для большинства культур, но может возникнуть фитотоксичность, которую следует определить на тестируемых растениях перед использованием; например, рекомендуется 1 мг/л при выращивании тепличных огурцов и томатов и 0,55 мг/л при выращивании сладкого перца, когда используется каменная вата

Преимущества и ограничения:
• особенно эффективен для борьбы с водорослями
• органическое вещество лишь незначительно влияет на активность
• не удаляет частицы, органические вещества и питательные вещества
• эффективность снижается в присутствии хелатов железа по сравнению с солями железа 1,2 (медь вытесняет железо в хелатах и, следовательно, больше не активна в растворе)
• медь является важным питательным веществом для растений, но в больших количествах связывается с белками и нарушает нормальные функции микробных клеток
• медь может накапливаться в системе рециркуляции
 
9. Соли меди
Принцип действия: подача ионов меди в раствор в виде сульфатной или нитратной соли

Преимущества и ограничения:
• менее эффективна, чем ионизированная медь, например, для снижения заболеваемости требуется 0,28 промилле солей Cu2+ по сравнению с 0,07 промилле ионизированного Cu
• новым применением меди для борьбы с болезнями является использование ткани Spin-out® – латексной полимерной композиции CuOH2 - для предотвращения распространения корневой гнили фитофторы в системе рециркуляции питомника

Комбинированный физический и/или химический. Ускоренное окисление - это комбинация 2 или более окислительных обработок, которые повышают эффективность отдельных обработок или повышают эффективность в отношении непокорных органических молекул или патогенов. Основным недостатком этих систем является увеличение стоимости по мере объединения систем очистки.

10. Перекись водорода и УФ
• H2O2, вводимые непосредственно перед УФ-обработкой
• ультрафиолет разрушает связи кислорода и образует гидроксильные радикалы, которые являются очень сильными окислителями 2 O3 + H2O2 à 2OH- +3 O2
• уменьшает энергию, необходимую только для ультрафиолетового облучения, для достижения того же уровня дезинфекция концентрации
• избыток пероксида снижает эффективность УФ-излучения и приводит к остаточным фитотоксическим уровням H2O2

11. Перекись водорода и озон
• смешивание H2O2 с озоном ускоряет образование гидроксильных радикалов и увеличивает скорость дезинфекции
• озон добавляют перед добавлением перекиси водорода
• карбонаты и бикарбонаты влияют на производительность системы

12. Озон и УФ
• излучение o Высокие концентрации органических веществ в рециркуляционной воде имеют высокую поглощающую способность УФ-излучения и снижают эффективность УФ-дезинфекции
• обработка озоном перед этапом УФ-облучения разрушает органику и повышает эффективность УФ-облучения; наличие системы рециркуляции увеличивает время контакта с УФ-излучением и O3 и улучшает производительность
• озон, сопровождаемый ультрафиолетовым излучением, также образует свободные гидроксильные радикалы из любого остаточного O3
• комбинации этих обработок с другими процессами окисления являются предметом многочисленных текущих исследований (например, озон, УФ и Н2О2)