（农业生物环境与能源工程专业论文）牧草轮种轮收富营养水处理系统的设计与实施.pdf

中文摘要 随着农业环境工程技术的突破，设施农业迅速发展起来，成 为一种集约化程度很高的农业生产技术。虽然集约化程度的提高 使有限的耕地面积得到了充分的利用，提高了单位产是，也大大 提高了农业产业规模，但是由此产生的废物浓度累积更大，特别 是设施农业生产条件下产生的富营养养殖废水。如果采用：i ：业化 污水处理设备对污染进行消除将会大大增加农业生产的成本，大 人减少农业生产收益，甚至变成负收益。传统的稀释排放会造成 很大的环境污染，并且由于农业废水中龠有大量的营养物质，完 全可以二次利用，减少农业生产的投入产出比，降低生产成本。 从营养物质的利用和经济性的角度讲，耦合的生态系统在农业经 济生产中更有利于营养物质的循环利用和能量的回收，减少或消 除污染的排放，达到显著的经济效益、生态效益和社会效益。 本研究立足于“农业富营养水处理系统的设计与实施”，以营 养液膜栽培( n f t ) 牧草轮作轮收栽培原理为设计依据，以农业机 械化为没计采用手段，设计农业设施装备原型设施与装备，用于 治理畜禽养殖和面源污染，保护水源保护区的地面水和地一卜- 水源 不污染，成为可进行市场推广的生态农业系统污染处理的配套装 备。具体研究内容与获得成果如下： ( 1 ) 富营养水牧草滤清的工艺流程的设计，并能够完成切实 【1 行的流程设计图。在本工艺流程中，能够模拟生态系统结构与 功能相互协调及物质再生，用无废物的生态工艺畜禽( 水产) 一 牧草综合生产系统方案代替传统工艺，实现整个生态系统资源合 理的充分利用和永续利用，提高资源利用率，达到持续最大的生 态效率和环境的洁净。 ( 2 ) 研究富营养水牧草滤清的原理与效果，通过机理研究， 开清牧草对营养吸收的生物特性，由此来指导实际设施的设计工 作，更好地设计间歇供水草类作物轮种轮收富营养水净化装置。 ( 3 ) 设计并实施适合牧草生长与废水处理的基础设施。根据 阳j 歇供水草类作物轮种轮收富营养水净化原理，设计不同的牧草 生产方式，形成不同的基础设施设计方案。设施需要采用装配式 结构，形成适合现代农户规模化生产的工厂化生态农业生产设施。 还必须考虑的是：第一，成本要低，适合在农村推广：第二，能 够作为工厂化农业生产的一部分；第三，要符合动植物综合养殖 生态系统技术要求。 ( 4 ) 设计并实施适合牧草收获的传动机械系统。根据规模化 农业生产的要求，必须有方便实用的牧草机械传动系统与连接系 统，达到轮作轮收工艺目的，力求节约成本、节约劳力、节约时 恻。 ( 5 ) 比较不同设计方案的优劣，针对不同的需求选择小l 刊的 设计方案进行建设实施。方案必须有开发研究价值，适合实际推 广。 关键词：营养液膜栽培( n f t ) ：牧草轮种轮收；盘培；卷收：机 械传动；o - i h 结：离合器；张紧机构；农、l k 产业化 a b s t r a c t w i t ht h e b r e a k t h r o u g h o f a g r i c u l t u r e se n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ，t h ep r o t e c t e da g r i c u l t u r ed e v e l o p sr a p i d l nb e c o m i n gt h e a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fak i n do fi n t e n s i f i c a t i o nw i t h v e r yh i 曲d e g r e e t h o u g ht h ei m p r o v e m e n tw h i c hi n t e n s i f i e st h e d e g r e e m a k e st h el i m r e dc u l t i v a t e d a r e a g e t s a b u n d a n tu s e ，h a s i m p r o v e du n i t so u t p u t ，a n dh a si m p r o v e dt h ea g r i c u l t u r a li n d u s t r y s s c a l e g r e a t l yt o o ，b u t t h e d e n s i t y o fw a s t e s p r o d u c e d f r o mt h i s a c c u m u l a t e s l a r g e r , e s p e c i a l l y t h ew a s t ew a t e ro fr i c hn u t r i t i o n p r o d u c e d u n d e rt h e a g r i c u l t u r a lw o r k i n g c o n d i t i o no f p r o t e c t e d c u l t i v a t e si fw e a d o p tt h ei n d u s t r i a l i z e ds e w a g ed i s p o s a le q u i p m e n tt o t h ec o s tw i l li n c r e a s ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ng r e a t l y , a n dr e d u c et h e a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n i n c o m e g r e a t l y , e v e n l o s et h e m o n e y t r a d i t i o n a ld i l u t i o na n d d i s c h a r g e a r e t h a tc a nc a u s e h e a v y e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a n db e c a u s ea g r i c u l t u r a lw a s t ew a t e rc o n t a i n al a r g ea m o u n to fn u t r i m e n t ，w h i c hc a nu t i l i z et w ot i m e sa n dr e d u c e t h ei n p u t o n t p u tr a t i oo f a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，r e d u c et h ep r o d u c t i o n c o s t f r o mt h ee c o n o m i ca n du s i n gp o i n to fv i e wo fn u t r i m e n t ，t h e e c o s y s t e mo fc o u p l i n gh e l p st h ec i r c u l a t i o nu t i l i z i n go fe n e r g y a n dt h e r e c o v e r yo f n u t r i m e n te v e nm o r ei na g r i c u l t u r e se c o n o m i c p r o d u c t i o n ， r e d u c i n go rd i s p e l l i n gt h ed i s c h a r g eo fp o l l u t i o n ，r e a c h i n gr e m a r k a b l e e c o n o m i cb e n e f i t s ，e c o l o g i c a lb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t t h i sr e s e a r c hb a s e s o n ”d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a g r i c u l t u r e sr i c hn u t r i t i o nw a t e rp r o c e s ss y s t e m ”，a c c e p t st h ec u l t u r e p r i n c i p l ea sd e s i g nc o n s i d e r a t i o n sw i t ht h er o t a t i n gp l a n ta n dh a r v e s t o f c r o pa n dn f t ( n u t r i e n t f i l mt e c h n o l o g y ) 一c u l t u r e dt e r r e s t r i a lg r a s s e s ， b ym e a n so ft u r n i n ga n dd e s i g n i n ga d o p t i n gi na g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y , w ec a nd e s i g na 鲥c u l t u r a lf a c i l i t i e sa n dp r o t o t y p ee q u i pe q u i p m e n t i t c a nc o n t r o lt h ep o l l u t i o nf o rl i v e s t o c ka n dp o u l t r ya n dt h en o n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n ，p r o t e c t s o u r c eo fw a t e r - s u r f a c ew a t e ra n d u n d e r g r o m l d s o u r c eo fw a t e ro fp r o t e c t i o nz o n e ，a n db e c o m et h e e q u i p m e n td e a l i n g w i t h p o l l u t i o n o ft h e s y s t e m o f e c o l o g i c a l a g r i c u l t u r et h a t c a nb ea c c e p t e d b ym a r k e t t h ec o n c r e t er e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( i ) t h ed e s i g n so ft e c h n o l o g i c a lp r o c e s so ft h er i c hn u t r i t i o n w a t e rf i l t r a t i o nb yg r a s s ，a n df i n i s h i n gt h ef l o wc h a r tw i t hf e a s i b l e p r o c e d u r e i n t h i s t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，w ec a ni m i t a t ee c o s y s t e m s t r u c t u r ea n df u n c t i o n c o o r d i n a t i n g e a c ho t h e ra n d m a t e r i a l r e g e n e r a t i o n u s et h ee c o l o g i c a lp r o c e s sw i t h o u tw a s t ea sl i v e s t o c k a n dp o u l t r y ( a q u a t i c ) 一g r a s sc o m p r e h e n s i v ep r o d u c t i o n s y s t e mt o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lc r a f t i n g ，r e a l i z er a t i o n a la b u n d a n tu s eo fw h o l e e c o s y s t e mr e s o u r c ea n dc o n t i n u o u su t i l i z a t i o n ，i m p r o v et h er e s o u r c e u t i l i z a t i o nr a t i o ，a n dr e a c ht h es u s t a i n i n gg r e a t e s te c o l o g i c a le f f i c i e n c y a n d c l e a n i n go f t h e e n v i r o n m e n t ( 2 ) s t u d yp r i n c i p l ea n dr e s u l tt h a tt h er i c hn u t r i t i o nw a t e rg r a s s f i l t r a t e s s t u d yt h r o u g ht h ep r i n c i p l e ，w e c a nc l a n f yt h eb i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i ct h a tt h eg r a s sa b s o r b sn u t r i t i o n ，t h e r e f o r ec 0 n l et og u i d e t h ed e s i g nw o r ko fr e a lf a c i l i t i e s ，d e s i g nt h ed e v i c eo ft h er o t a t i n g p l a n ta n dh a r v e s to fc r o pi n t e r m i t t e n t l yf o rc l e a n i n gt h er i c hn u t r i t i o n b e t t e r ( 3 ) d e s i g nt h es u i t a b l ei n f r a s t r u c t u r ef o r t h eg r a s st og r o wa n dt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i l ：l l eo ft h er o t a t i n gp l a n t a n dh a r v e s to fc r o pi n t e r m i t t e n t l yf o rc l e a n i n gt h er i c hn u t r i t i o n ，w e d e s i g n d i f f e r e n tm o d eo fg r a s s p r o d u c t i o n ，f o r m d i f f e r e n tp l a no f d e s i g no fi n f r a s t r u c t u r e f a c i l i t i e sn e e dt oa d o p tt h ea s s e m b l i n gt y p e s t r u c t u r e ，a n d f o r mt h e p r o d u c t i o nf a c i l i t y o f f a c t o r y e c o l o g i c a l a g r i c u l t u r e ，w h i c h s u i t st h em o d e mp e a s a n th o u s e h o l d s l a r g e s c a l e p r o d u c t i o n t h eo n e st h a tm u s tc o n s i d e ra r e ：f i r s t ，t h ec o s ts h o u l db e l o w ，s u i t a b l ef o rp o p u l a r i z i n gi n t h ec o u n t r y s i d e ；s e c o n d ，i tc a l lb e r e g a r d e da s ap a r to ff a c t o r ya g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ；t h i r d ，i ts h o u l d a c c o r dw i t ht h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n to ft h ei n t e g r a t i v ee c o s y s t e m o ft h ea n i m a l sa n dp l a n t sc u l t i v a t i o n ( 4 ) d e s i g nt h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i c a ls y s t e mo ft h e s u i t a b l e g r a s sr e a p e d a c c o r d i n gt o t h er e q u e s to fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o no f s c a l e ，t h e r em u s tb ec o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a lm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n o f g r a s sa n dl i n k i n gs y s t e m ，s ot h a tc a na c h i e v ec r o pr o t a t i o na n ds k i l l p r o p o s e a l ld e s i g ns h o u l de c o n o m i z ec o s t ，l a b o r , a n dt i m e ( 5 ) c o m p a r et h ea d v a n t a g e a n di n f e r i o r p o s i t i o n o fd i f f e r e n t d e s i g n ，c h o o s ed i f f e r e n td e s i g nt od i f f e r e n td e m a n d m u s td e v e l o pt h e v a l u eo f s t u d y i n g w h i c hi ss u i t a b l ef o r p o p u l a r i z i n ga c t u a l l y i n s c h e m e k e yw o r d ：n u t r i e n t f i l m t e c h n o l o g y ( n f t ) ；r o t a t i n gp l a n t a n d h a r v e s to fg r a s s ；b a s a lp l a t ec u l t u r e ；r o l lh a r v e s t ；m e c h a n i c a ld r i v e ； g i m b a l ；c l u t c h ；t i g h tm a c h i n e ；a 鲥c u l t u r a l i n d u s t r i a l i z a t i o n v 第一章绪论 1 1 引言 我国是个人多地少、资源约束型的农业大国，人均占有耕 地不足0 0 6 7 h m 2 ，仅为世界平均值的i 3 ，水资源缺乏，人均占有 量不足世界平均值的i 4 。资源紧缺已成为制约我国农业以及整个 图民经济发展的瓶颈。几十年米依赖资源、粗放经营的农业增长 方式导致的是生态失衡、环境恶化、资源萎缩。】。面对瓷源紧缺、 人u 膨胀的严峻现实，面对新世纪全球经济一体化的严峻挑战和 ，m 酷竞争，我国开始走技术弥补资源的路子，大力发展设施农业， 在全国建立了多种农业科技园区和农业设施园区，园区以只光温 室和塑料大棚为主。1 9 9 7 年设施园艺作物栽培面积达8 6 7 万公 顷，较8 0 年代初期的栽培面积增长了1 2 8 倍，人均设施蔬菜占有 量1 9 9 61 9 9 7 年为3 3 公斤，较1 9 8 0 1 9 8 1 年人均设施蔬菜占有 量增长了近1 6 4 倍。2 0 0 1 年，我国设施园艺面积突破了1 0 0 万公 顷，全国设旖蔬菜人均占有量达到4 0 公斤。 农业设施园区建设使农业生产具有较大的优势。但一直以来， 人们把主要精力放在如何改进控制设备，如何更精确地进行环境 物理因子的调控，并没有在意生物在自然状况下生长的多样性， 以及生物在自然环境生长过程中与各种环境因素的有机联系”1 。主 要缺陷有下： ( i ) 集约化的生产系统，特别是单一经营的高度专业化系统， 造成缺乏时间和空间上的连续性。种植农作物的农场和经营单一 畜禽的牧场相互分离，不像传统农业那样植物、动物相互利用废 弃物质和能量，因而物能不能充分利用。方面是农业生产有机 质不足，另一方面是有机质的排放对环境造成污染。从时间连续 l 看，系统稳态的维持，完全排斥了生物群落演替和在耐受限度 内的自我调节，完全靠人工管理，耗费了大量的能量( 经济能量) ， 大大提高了农业生产的运营成本。 浙江人学砸i 一学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 从系统的结构来看，现代凼区往往牺牲自然的食物链作 用。以大量的肥料能量的投入，缩短_ 草牧食物链，以大量的物 质离丌农业系统而输出，造成了系统有机质和养分的亏损。 ( 3 ) 种间多样性和内异质性减低，系统的适应能力下降，使农 、l k 系统过分依赖于能源和人工控制，失去了自然力的“恩赐”。 ( 4 ) 靠投入机械、人工肥料和饲料添加剂来维持农业系统的高 产量和高产出，破坏了农业系统内部的绿色调控。降低了食品的 质量与安全性。加入w t o 意味着我国农产品市场将全面的对外开 放，幽外大量的绿色农产品将对我国农产品产生很大的冲击，国 际绿色壁垒将限制我国许多农产品的生产方式”1 。 国外目前所倡导的生态农业主要以回复生态系统自组织能力 为主，而我国根据自身国情，要兼顾生态环境与社会经济。这就 对我闺的生态农业提出了更大的要求。通过对传统农业与现代农 业的经验进行总结发现，要大力发展生态设施农业，用生念学思 路与技术进行农业设施规划与建设，生产绿色食品，实现绿色战 略1 。 农、i k 废水主要是由养殖产生的，这包括畜禽养殖和水产养殖。 它的特性与处理是相对较新的研究领域。与工业废水和生活污水 相比，农业养殖产生的废水具有其独特的特点，首先，采用传统 _ _ 业废水或生活污水的处理方法并不能使其完全得到处理；其次， 养殖水体中主要是营养成分，可以直接或者经过一定的处理供作 物吸收。处理装备也有其自身的特殊性，无论装备的体积、使用 可靠性和经济性、工艺流程都有不同于其他行业的特殊要求。因 此，发展适合我国养殖废水处理的生态环境工程技术就显得相当 迫切。 植物对环境的修复具有投资少、风险小、不产生二次污染等 优点，而备受人们的共同青睐，成为污染防治与环境整治的首选 技术。自上世纪7 0 年代以来，国内外就利用高等水生植物来治理 富营养化水域，如凤眼莲( e i c h h o ，w i ac ，a 嚣印p s 曲? 啦) ，喜早 莲子草( a 2t e r n a n t h e r a 肋i l o x o r i d e sg r i s e 6 ) ，宽叶香蒲( t v p h a 扬i f b l i 臼l 。) 等，已取得一定的效果；应用植物氧化塘或湿地处 理养殖废水，国外早就有了先例，但水生植物或藻类的过度繁殖、 浙江人学坝i j 学位论义 第一章绪论 越冬或管理不善而易导致二次污染等缺点，限制了它的进一步应 用：目前，在循环水产养殖中，欧美( 美国、丹麦等) 和我国发展 了鱼菜共生、鱼藻共生系统，利用养殖废水进行蔬菜、花卉、水 果、藻类的培育，既能提高水产品和蔬菜等产量，又能净化水质， 把污染降到最低程度，从而形成小生境的良性循环，但净化效率 的稳定性、食品的安全性、藻类毒素分泌等问题对其进+ 步的发 展有一定的制约“。”9 、。相刺f f | i 苦，草类植物适应性强，分 卅j 广泛，生长迅速，生物量大，多数含氮、磷养分高，兼有陆生 和水生等特点，具有净化富营养化水体的诸多潜在优势，通过适 当的工程措施，可有效的克服这些问题，为养殖废水的处理提供 一条可供参考的途径。 1 2 课题来源、研究意义、研究内容及预期成果 1 2 1 课题来源 本文主要研究如何设计用于畜禽养殖和何源污染富营养水治 理的高效节能成套富营养水生物滤清装置，为生态农业的实现或 者无公害农产品的生产提供重要的保证。课题来源于斟技型中小 企业技术创新基金项目间歇供水草类作物轮种轮收富营养水净 化装置。 1 2 2 研究意义 设施条件下，农业生产向高密度集约化发展方向是自然资源 压力显著增长条件下的必然结果，由此产生的废物浓度累积更大， 如果采用工业化污水处理设备对污染进行消除将会大大增加农业 _ 二产的成本，大大减少农业生产收益，甚至变成负收益。传统的 稀释排放会造成很大的环境污染，并且由于农业废水中含有大量 的营养物质，完全可以二次利用，减少农业生产的投入产出比， 降低生产成本。从营养物质的利用和经济性的角度讲，耦合的7 i 二 态系统在农业经济生产中更有利于营养物质的循环利用和能量的 浙江人学碳 学位论文 第幸绪论 回收，减少或消除污染的排放，达到显著的经济效益、生态效益 和社会效益。 随着世界性水荒的到_ 末和环境污染的加剧，设施农业将会成 为农业生产的重要方式，而其中的养殖污水的综合利用与无害化 排放技术具有极大的研究开发价值和广泛的应用前景。一方面， 虽然生物滤池等技术去除氨氮和有机物的效果比较好，但由于这 些方法的基建投资大、能耗高，维持和管理费用都相当昂贵，因 此在经济不发达的国家仍难推广，即使在发达国家，为了节约资 金、能源，不少研究者仍然在寻找廉价的、能耗低的污水处理方 法；另一方面，设施养殖废水主要为有机物污染，而有机物i r 是 植物，七长所必需的原料，利用植物作为重要的生物过滤体束净化 污水，然后将收获的植物加工处理作为新的能源、饲料、肥料或 上业原料的办法正在被誉为既保护环境兼收经济效益的良策而为 人们所赏识。自2 0 世纪八十年代来，它己从实验室研究阶段向生 产性实践阶段过渡。将形成一种很有生命力的，符合生态学原则 的污水资源化新途径。 与传统的富营养水处理方法相比，间歇供水草类作物轮种轮 收富营养水净化装置利用生态系统中物种共生与物质循环再生原 理，结构与工程协调原则结合结构最优化方法设计分层多绒利用 物质的农业生产工艺系统。在利用自然界良性循环的前提下，充 分发挥物质的生产潜力，防e 环境污染。同时由于规划设计是基 于实际爿：态农业生产，充分考虑农户的利益与农业的经济效益， 将生态效益、经济效益和社会效益相结合，力求适应r 仅户家庭规 模经营的技术需求，实现农业的可持续性发展。 f 叫歇供水草类作物轮种轮收富营养水净化装置的设计与实现 主要用于治理畜禽养殖和面源污染，保护水源保护区的地面水和 地卜- 水源不污染，是解决我国环境污染重大问题的有效途径之一。 畜禽养殖场富营养废水通过种植牧草净化，并且使废水回收利用， 产出牧草和草坪产品，节能、节水，经济效益、生态效益显著。 h 前我国设施发展迅速，对环境水资源污染等严重问题急需解决， 本研究有着重要的现实意义： ( 1 )农业生产过程中生物量的重复利用和能量的节约和可再 浙7r 人学坝卜学位论文 第一章耋；i i = 爸 生是事关2 l 世纪人类生存条件可持续发展的农业科学研究j i ：发的 聚焦点之。 ( 2 ) 设施农业就是在环境可控制的围护设施内组织农业生产 流程，达到优质、高产的目的。工厂化( 设施) 农业就是生产装备 设施化，生产手段机械化，生产流程有序化，生产操作规范化， 产品质量标准化。工厂化生态农业就是按工厂化农业的要求，绌 织动植物综合种养营养源循环在生产过程中生物量的重复利用和 能量的节约和可再生，运转中节能、节水的工厂化农业生产流程。 建设生态农业园区就成为我国发展生态农业的一个重要方向。 ( 3 ) 间歇供水萃类作物轮种轮收富营养水净化装置按工厂化 生念农业的要求，将浙江大学农业生物环境工程学科自1 9 8 3 年创 建以来所获得的生态农业环境工程研究成果集成组装，形成动植 物综合养殖、生物质循环利用、能量节约和可再生的各种设施和 装备配套实施，为建设、规划工厂化生态农、j k 园区提供示范的硬 件设施与装备和可操作的运行模式，供按照不同的要求建设工厂 化生态农业园区时检索设施设备的最优组合。 ( 4 ) 很多地区丌展了综合种养体系，并且取得了较好的效益。 如果能将这些生态农业模式进行科学化、工厂化的规划设计，并 处理好富营养水净化环节，这会对我国生态农业的发展起到很大 的推动作用。 ( 5 ) 本研究目前还只是处于试验阶段，所设计与建造的设施 装备经过了几个阶段的发展，是目前比较新的研究课题。下面列 m 了该研究与国内外相同研究的对比表： 表卜1 ：农业综合生态系统国内外发展对比表 发晨状况 研究方向主要问题成果 国内国外 打壹9 0 年只l 产蔬菜为剐，”品不以 ( 1 ) 海鱼帆所 代冉电j 余废水滤清为柿。滤清效率 鱼菜共生 ( 2 ) 浙江大学生物圳4 j 卓垃滤 热利削工j低，篮【志越过滤效粜羞没 王； = 境丁= 稳研究所 化生产有制定的吐滤奉 浙 j 。人学蛳 学位论文 第一章绪论 ，f 盐钵进行水生植欧荚f f j 赫钵 j 日营养淑膜载培 物和| 5 i l i 生牧草净化和小型承培 漂浮式木培和士培的过滤教救得过滤教粜好 牧草过滤粜都不如萤养皱膜水蚺过滤轮种轮收缺得均 污水漂浮式永培实装簧进行蜜 拙粜丑： 稳定的滤1 自教 验性研究验性研究 簧闻j | 多槽 道捷性舰上培散半不自i 水埔r 衙 1 ： 生，“y 土规 谨化上培牧十埘删段k ：多柑道多穑嫩水i r 牧， 模化牧草 暂七 草，常年观狄性播刊1 e 【| 收获也不能牡得过滤 过滤 察j l 滤清效常午稳定的过滤效书。 粜 川歇供水 浙f i 大学乍物环境 工j 化、机械化人 草类作物 工程研究所，农、 暂光暂无规模牛，和过滤 轮种轮收 部生志农_ t 重点升 富营养劣 的理沦研究 放实验室 质水净化 1 23 研究内容 l 、富营养水牧草滤清的工艺流程 应用系统生态学原理，模拟生态系统结构与功能相互协调及 物质再生，设计用无废物的生念工艺畜禽( 水产) 一牧草综合生 产系统方案代替传统工艺，实现整个生态系统资源合理的充分利 用和永续利用，提高资源利用率，达到持续最大的生态效率和环 境的洁净。具体来说，就是如何使用牧草来处理畜禽养殖或者水 “养殖废水。在这个过程中，输入系统的物质和能量在第一次产 品投入生产并生产出第一次产品之后，其剩余物( “废物”) 被当 作生产第二次产品的原料，第二：次产品的“废物”又被用作生产 第三次产品的原料，；最后得到完全合乎城镇二级污水处理 厂。排放标准的水质，排出系统。 2 、富营养水牧草牧草滤清的原理与效果 所设计的装置是建立在牧草滤清机制的基础之上，通过村其 原理和试验结果的分析，可以更好地设计蚓歇供水草类作物轮种 轮收富营养水净化装置。 浙江人学坝l 学位论文 3 、适合牧草生长与废水处理的设施 设计间歇供水草类作物轮种轮收富营养水净化装置的设施。 针对不同的牧草生产方式来设计基础设旋，采用装配式结构，形 成适合现代农户规模化生产的工厂化生态农业生产设施。其中必 须考虑的是：第一，成本要低，适合在农村推广；第二，能够作 为工厂化农业生产的一部分；第三，要符合动植物综合养殖生态 系统技术要求。 4 、适合牧草收获的传动机械系统 根据规模化农业生产的要求，设计方便实用的牧草机械传动 系统与连接系统，方便牧草的轮种轮收，力求节约成本、节约劳 力、节约时间。 5 、比较不同设计方案的优劣 通过研究比较不同的设计方案的特点与优劣，针对不同的需 求选择不同的设计。对实际生产有一定的帮助。 124 预期结果 1 、设计富营养水牧草滤清的工艺流程，并进行可行性分析； 2 、设计并建立设有地表蓄热的4 槽道牧草轮种轮收富营养水的机 械实验装置； ： 、设训并建立设有地表蓄热的草皮卷收系统； 4 、通过试验分析证明所设计装备具有市场应用前景。 第二章文献综述 2 1 设施农业的发展概况 2 1 ，1 设施农业的概况 “设施农业”是外来语词汇“，就是利用农业工程手段，通 过现代设施实现的部分人工控制环境的种植业和养殖业n “、“、j 。 近1 0 年随着农业环境工程技术的突破，设施农业成为迅速发展起 来的一种集约化程度很高的农业生产技术。由于设施农业摆脱了 传统农业生产条件下自然气候、季节的制约，不仅使单位面积产 量及畜禽个体生产量大幅度增长，而且保证了农牧产品，尤其是 蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供应。“设施农业”关键作用， 就是能解决农业生产若干必须的气候条件，包括光、温、水、热、 气等在匹配上的不理想。我国“设施农业”的特点则在于适合中 国国情的简易日光节能温室的发明和大面积的迅速推广。 漫旌农业的发展主要涉及以下几个领域“”1 ： 2 11 1 农作物保护地栽培技术 ( 1 ) 地膜覆盖栽培 目前世界大多数国家大田所用的塑料薄膜一般是厚为0 2 03 毫米的聚乙烯透明塑料薄膜( 只用季) 。用地膜覆盖农罔，可 以提高地温，保持土壤水分，促进有机质的分解，提高作物产量。 自2 0 世纪7 0 年代地膜覆盖技术兴起，迅速在欧美、f | 本等国家 得到普及，8 0 年代以后，大多数发展中国家应用地膜覆盖的农 ：i ：j 面积和范围不断扩大，仅我国1 9 8 8 年的地膜覆盖面秘就达2 2 7 7 万公顷，居世界首位。应用地膜覆盖栽培可使喜温作物向北推移2 4 个纬度，即延长无霜期1 0 1 5 天，提高早地水分利用率3 0 一 5 0 。在中、轻盐碱地上，配合营养钵育苗移栽，使棉花、玉米保 荫率达8 0 - 9 0 。现在已研制出吸光、抑制杂草滋生的塑料地膜， 同时用生物技术正在研制可降解无公害的生物地膜。此外，配合 浙汀大学领 。学位论文 第一章文献综述 地膜覆盖栽培研制出铺设地膜的各种型号的覆盖机具。 ( 2 ) 园艺作物温室栽培 近代园艺作物温室栽培主要包括塑料大棚栽培和现代玻璃房 栽培两类。目前，世界上塑料大棚栽培最多的国家是意大利、西 班牙、法国和日本等国。尤其是意大利和西班牙在本国南部地中 海沿岸，充分利用冬季无霜冻、气假温和( 最低气温为2 3 。c ) 门 照长( 全年f ：| 照时间达3 0 0 天以上) 的条件，发展大棚蔬菜、花卉 生产。这些国家的塑料大棚面积达5 0 0 0 3 5 0 0 0 公顷，大棚结构 设计比较精巧，棚膜多采用厚度为1 8 2 0 毫米的聚乙烯膜( p e ) 或醋酸乙酯膜( e v a ) ，同本近年来还发展薄膜天棚，用于高温季节 种植蔬菜。玻璃房温室是荷兰、英国、法国、德国、日本等国家 发展的一种现代化温室，由于这种温室可以自动控制室内的温度、 湿度、灌溉、通风、c o 。浓度和光照，每平方米温室一季可产番茄 3 0 一5 0 千克，黄瓜4 0 千克，或产月季花1 7 7 枚上下，相当于露地 栽培产量1 0 倍以上。目前，世界上玻璃房温室面积以荷兰为最大， 8 0 年代末期全国玻璃房温室面积达1 万公顷。近5 0 0 0 公顷栽培蔬 菜，其中以番茄、青椒、莴苣和四季萝h 为主，其次为茄子、甘 蓝、大白菜、青花菜和菜豆等。当前，玻璃房温室发展的主要问 题是能源消耗大、成本高，因此，近1 0 年来一些国家大力研究竹 能措施，如室内采用保温帘、双层玻璃、多层覆盖和利用太阳能 等技术措施，节省能源5 0 左右。另外，有些国家，如美国、日本、 意大利等国开始把温室建在适于喜温作物生长的温暖地区，也减 少了能源消耗。 ( 3 ) 温室无土栽培技术 无土栽培技术是随着温室生产发展而研究采用的一种最新栽 培方式。出于它所用的基质营养液或无基质营养液中完全具有、 甚至超过土壤所供给的各种营养物质，因此更有利于各类作物生 长发育。目前世界上已有1 0 0 多个国家将无土栽培技术用于温室 生产。现在的无土栽培大体上分为基质栽培和无基质栽培两大类。 基质栽培，即作物根系固定在基质中，植株通过基质吸收营养液， 主要栽培方式有袋培、岩棉培和营养液膜法。而无基质栽培一般 称为“水培”，即根系直接和营养液接触。美国目前无土栽培的蔬 浙江人学颤l 学位论文 第一章文献综述 菜温室面积约有2 0 0 0 多公顷，主要采用袋培方式，番茄每公顷产 量为2 7 3 3 万千克，黄瓜2 7 4 5 万千克。荷兰全国无土栽培面 积约3 5 0 0 公顷，主要栽培方式为岩棉栽培，番茄平均每公顷产量 为3 7 5 力千克，黄瓜4 0 一4 5 万千克。日本无土栽培面积为2 4 5 公 顷，目前正在扩大基质栽培面积和发展岩棉栽培，英国近年研究 出一种新型水培系统，可以自动调节营养液浓度。但是，目前无 土栽培还有一定的局限性，存在的主要局限：是无土栽培必须 在特殊设备下进行，初期投资较高：二是营养液中有时会遭受病 原菌感染使植物受害；三是现阶段无土栽培主要用于蔬菜q - ”。 ( 4 ) 植物工厂 植物工厂是继温室栽培之后发展的一种高度专业化、现代化 的设施农业。它与温室生产不同点在于，完全摆脱大闩：1 生产条件 i - 自然条件和气候的制约，应用近代先进技术设备，完全由人工 控制环境条件，全年均衡供应农产品。目前，高效益的植物工厂 在某些发达国家发展迅速，实现了工厂化生产蔬菜、食用菌和名 贵花木等。美国现在正在研究利用“植物工厂”种植小麦、水稻 以及进行植物组织培养和快繁、脱毒。据报道，近年同本已有企 业建立了植物工厂，并安装有农用机器人，从播种、培育到收获 实现了电气化。由于这种植物工厂的作物生长环境不受外界气候 等条件影响，蔬菜种苗移栽2 周后，即可收获，全年收获产品2 0 茬以上，蔬菜年产量是露地栽培的数十倍，是温室栽培的1 0 倍以 上。荷兰、美国采用工厂化生产蘑菇，每厂每年可栽培6 5 周期， 产菇量达2 5 2 7 千克米2 。此外，在植物工厂可实现无土栽培， 1 i 用农药，能生产无污染的蔬菜等。由于该设备投资大，耗电多( 占 叫i 产成本一半以上) ，因此研究如何降低成本是今后主要课题。 2 11 2 畜禽环境工程和设施技术 为了给现代化畜禽场提供获得最佳经济效益所需的环境条 件，畜牧业发达的国家在畜禽生产装置和设备上投入了大量资金， 以提高产品率和劳动生产力。主要有： ( 】) 工厂化养殖畜禽技术 工厂化养畜禽的实质是：为畜禽舍创造最适宜的卫生环境和 小气候，以机械、电器代替手工劳动，以先进的畜牧业技术( 包 括饲料配合、现代饲养管理方式及先进的繁殖技术) 改善生产流 浙江人学坝i 学位论文 第一二审文献综述 程，从而取得高的劳动生产率，良好的侧料效率，最大的经济效 益，达到高产、高效、优质、低耗的目标。 工厂化养畜禽自2 0 世纪7 0 年代兴起，现在已发展到工厂化 养鸡、工厂化养猪、工厂化养肉羊和工厂化养奶牛诸生产领域， 其中以工厂化养鸡规模最大，效益最高，现广泛被采用。据估计， 到2 l 世纪经济发达国家的工厂化养鸡场将采取全封闭式自动环控 畜舍，空气全部经过过滤。这样成本虽高，但鸡刁i 会感染疾病， 同时，由于人工控制环境温度和饲料等，所以产肉、蛋更多。在 发展中国家，将充分利用自然条件的有利因素，研制简易节能和 利用新的能源的环控鸡舍，以尽可能少的投入获得尽可能多的畜 禽产品，保障畜牧生产的最大经济效益。 ( 2 ) 塑料暖棚饲养育禽技术 在冬季寒冷地区，用塑料棚养殖畜禽，因成本低廉，近年也 获得较多应用。一般用厚度3 0 0 um 的两层薄膜，中问用聚苯乙烯 填充保温，内壁膜一般用白色或银色以反射光与热，外层多用黑 色塑料膜以增加热量吸入。目前主要用于养鸡、猪、羊等，经济 效益也比较高。 ( 3 ) 草地围栏及供水系统 太阳能、电围栏以及放牧场防冻供水系统是现代化草地建设 最基本的措施，美国、澳大利亚等国已普遍采用。 ( 4 ) 其他畜牧业的设施 目前国外研制出的畜牧业设施还有：比较先进的装卸和运输 家畜( 禽) 的装置和设备：保护畜禽免受气候、疾病和应激因素影 响的设施：饲料贮藏、调制加工的装置和设备：有效地处理和利 用畜禽粪便的装置。 21 2 设施农业发展趋势 目前国内外在发展现代设施农业方面呈现出了以下新特点和 新趋势1 ： 1 、生产周期短，供应全年化 设施农业打破了传统农业地域和时季的“自然限制”，具有高 浙江人学倾【。学位论文 第一帝史献综述 投入，高产出，高效益，无污染和可持续农业等特征。尤其是蔬 菜、瓜果和肉、奶、蛋的全年化供应。如：开本一座8 0 0 m 2 的小蔬 菜上厂，栽培速生莴苣s n d , 白菜，每天可收蔬菜1 3 0 k g ，折合每由 生产1 0 万k g ；巴西一位电子工程师创建的番茄工厂，番茄6 0 天 后可产果；印度近年来采