微納米氣泡加氧滴灌系統及方法

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》是中國農業大學於2014年3月12日申請的發明專利，該專利的申請號為2014100897765，公布號為CN103858730A，授權公布日為2014年6月18日，發明人是李雲開、劉秀娟、王克遠、周雲鵬、徐飛鵬。

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》包括進水總管，進水總管並聯兩支路，第一支路依次連線水泵、穩壓罐和管道泵；第一支路在穩壓罐進口端為一伸入其內的噴嘴，穩壓罐頂部設定一穩壓閥；管道泵出口管路設壓力表；第二支路上依次連線流量調節閥和壓力表；兩支路匯合成出水總管；第一支路位於水泵進口處通過電磁閥連線氣泵出口，氣泵進口通過分別連線純氧源和臭氧源；在純氧源與氣泵之間的上依次設定單向閥和氣體流量計；在臭氧源與氣泵之間的上依次設定單向閥和氣體流量計；管道泵電連線變頻櫃，變頻櫃通過電磁閥電連線配電箱，配電箱電連線可程式控制器；流量調節閥、壓力表、另一壓力表、電磁閥、另一電磁閥、氣體流量計、另一氣體流量計、水泵、管道泵和配電箱分別電連線可程式控制器。

2016年12月7日，《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：微納米氣泡加氧滴灌系統及方法
• 公布號：CN103858730A
• 公布日：2014年6月18日
• 申請號：2014100897765
• 申請日：2014年3月12日
• 申請人：中國農業大學
• 地址：北京市海淀區圓明園西路2號
• 發明人：李雲開、劉秀娟、王克遠、周雲鵬、徐飛鵬
• Int.Cl.：A01G25/02(2006.01)I、A01G25/16(2006.01)I、C02F1/78(2006.01)I
• 代理機構：北京紀凱智慧財產權代理有限公司
• 代理人：徐寧、關暢
• 類別：發明專利

專利背景

水肥一體化技術是2014年3月前乾旱缺水地區最有效的一種灌溉方式，將作物所需水、肥一同施加到作物根系，對於節水節肥和增產已經取得了較好的效果。我國水肥一體化技術的發展和套用已經發展到相當成熟的階段，要想進一步提高果實的品質和產量以及更進一步增加節水、節肥的效果，需要尋求新的方法。

作物的根系需要充足的氧氣進行有氧呼吸來維持自身的新陳代謝和整個植株的生長發育。根系缺氧會導致根系呼吸作用減弱，由有氧呼吸轉換為無氧呼吸，根系生長停止，離子運移減慢，根系液流失控，進而影響整個作物的生長和產量。中國國內外眾多學者探索性地提出了加氧滴灌系統，將氧氣和肥料一起加入灌溉水中，可以有效緩解根區缺氧問題。從2014年3月前來看，氧源主要集中在空氣源和純氧源兩種形式，純氧源效果更好，增產和提質效果更為明顯，但2014年3月前常用的注氣方式氣泡較大，在土壤中保存的時間短，利用效率低。部分學者也為了增強加氧的持久性，提出利用純氧微納米氣進行加氧滴灌，例如：中國專利CN202823183U公開了灌溉水增氧設備，用於增加灌溉水源的溶氧量，以空氣或純氧為氧源，取得良好的效果，是一次有益的嘗試。但是，只能用於給水源增氧，無法直接接入灌溉管道直接使用，也會使灌溉和營養液中的好氧微生物和一些藻類快速生長，這樣會增加灌水器堵塞的風險。

另一方面，臭氧的滅菌消毒作用已經在很多行業都得到了廣泛的套用，它幾乎對所有病菌、病毒、黴菌、真菌及原蟲、卵囊都具有明顯的滅活效果，切滅菌時間來說，迅速無比。臭氧溶解於水中形成臭氧水，幾乎能夠消殺水中一切對人體有害的物質，還可以分解有機物及滅藻等；臭氧水可對瓜果蔬菜、肉類進行殺菌消毒，防腐保鮮，清除異味，同時具有降解瓜果、蔬菜表面殘留含磷農藥的功能。採用臭氧水作為氧源可以為土壤補充氧氣的同時，也會對解決灌水器堵塞具有良好的控制作用，但採用微納米臭氧氣泡也會對土壤微生物群落結構產生一定的影響。

發明內容

專利目的

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》的目的是提供一種將純氧和臭氧有機結合以達到加氧、殺菌和抗堵效果的微納米氣泡加氧滴灌系統及方法。

技術方案

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》特徵在於，它包括一進水總管，所述進水總管的出水端並聯連線第一支路和第二支路，所述第一支路上通過管路依次連線一水泵、一穩壓罐和一管道泵；所述第一支路在所述穩壓罐的進口端為一伸入其內的噴嘴，所述穩壓罐的頂部設定一穩壓閥；所述管道泵的出口管路上設定一壓力表；所述第二支路上依次連線一流量調節閥和另一壓力表；所述第一支路與所述第二支路匯合成一出水總管；所述第一支路位於所述水泵的進口處通過一電磁閥連線一氣泵的出口，所述氣泵的進口通過管路分別連線一純氧源和一臭氧源；在所述純氧源與所述氣泵之間的管路上依次設定一單向閥和一氣體流量計；在所述臭氧源與所述氣泵之間的管路上依次設定另一單向閥和另一氣體流量計；所述管道泵電連線一變頻櫃，所述變頻櫃通過另一電磁閥電連線一配電箱，所述配電箱電連線一可程式控制器；所述流量調節閥、壓力表、另一壓力表、電磁閥、另一電磁閥、氣體流量計、另一氣體流量計、水泵、管道泵和配電箱分別電連線所述可程式控制器。

所述進水總管上設定有一總管流量感測器，所述第一支路上設定有一支路流量感測器，所述總管流量感測器和支路流量感測器分別電連線所述可程式控制器。

所述噴嘴採用90°彎折結構，其中水平段為平直的管狀結構，垂直段為向噴口端漸縮的結構，且收縮部分的截面為長方形或圓形；所述噴嘴收縮後的直徑為所述第一支路管路直徑的1/6～1/3。

所述噴嘴收縮部分的長度為2～4毫米。

一種微納米氣泡加氧滴灌方法，其包括以下步驟：

1）啟動氣泵，可程式控制器控制電磁閥導通，根據具體滴灌情況選擇打開純氧源管路上的單向閥或臭氧源管路上的單向閥，氣體在氣泵的作用下進入第一支路，與水在水泵的進口處初步混合，與相應氧源連線的相應管路上的氣體流量計實時對氧源提供的氣體流量進行測量，並將測量結果實時反饋給可程式控制器；水氣混合物經過水泵以及連線水泵出口的管路，進入穩壓罐並由噴嘴噴射出，噴射出的水氣混合物中的氣體即是微納米級；

2）穩壓閥對穩壓罐中的水氣混合物進行調壓至水壓穩定後，水氣混合物從穩壓罐出口流出，並經由管道泵流入管道泵的出口管路；

3）管道泵出口管路上的壓力表以及第二支路上的另一壓力表同時進行壓力測量並將測量結果反饋給可程式控制器，可程式控制器控制另一電磁閥導通，再控制變頻櫃變頻以使管道泵對經由管道泵的水進行調壓，直到管道泵出水管路中的壓力與第二支路4中的壓力相等；

4）管道泵出水管路中的水氣混合物與第二支路中的水匯合，進入出水總管，由出水總管流出的水含有微納米級的純氧或臭氧，該含氧水可對作物進行灌溉，當氣體流量計反饋給可程式控制器的測量結果顯示加氧量達到預定值時，可程式控制器控制電磁閥關閉，停止向滴灌水中加氧。

改善效果

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》由於採取以上技術方案，其具有以下優點：

1、該發明微納米氣泡加氧滴灌系統提出了純氧源和臭氧源相結合的微納米氣泡發生模式，綜合考慮了系統短期快速加氧和長效性之間的協調性以及增產提質和控堵之間的協調性，集節水、增產、提質、控堵等多功能於一體。

2、該發明採用基於單節流孔釋氣原理的噴嘴，大幅提升了氣泡的破碎化程度、水氣混合均勻度，並結合水汽混合穩壓罐和變頻管道增壓泵，保障了系統工作壓力的穩定，實現了微納米氣泡加氧系統跟滴灌系統的連線。

3、該發明提出了適宜的微納米氣泡加氧滴灌方法，並結合自動控制系統，可以通過可程式控制器預設參數，實現自動調節不同作物以及作物在不同生育期對加氧濃度、氧源配比，提升了系統對於不同對象的適應性。

附圖說明

圖1是《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》系統結構示意圖；

圖2是該發明噴嘴結構示意圖；

圖3是該發明噴嘴俯視示意圖。

權利要求

1.一種微納米氣泡加氧滴灌系統，其特徵在於，它包括一進水總管，所述進水總管的出水端並聯連線第一支路和第二支路，所述第一支路上通過管路依次連線一水泵、一穩壓罐和一管道泵；所述第一支路在所述穩壓罐的進口端為一伸入其內的噴嘴，所述穩壓罐的頂部設定一穩壓閥；所述管道泵的出口管路上設定一壓力表；所述第二支路上依次連線一流量調節閥和另一壓力表；所述第一支路與所述第二支路匯合成一出水總管；

所述第一支路位於所述水泵的進口處通過一電磁閥連線一氣泵的出口，所述氣泵的進口通過管路分別連線一純氧源和一臭氧源；在所述純氧源與所述氣泵之間的管路上依次設定一單向閥和一氣體流量計；在所述臭氧源與所述氣泵之間的管路上依次設定另一單向閥和另一氣體流量計；所述管道泵電連線一變頻櫃，所述變頻櫃通過另一電磁閥電連線一配電箱，所述配電箱電連線一可程式控制器；所述流量調節閥、壓力表、另一壓力表、電磁閥、另一電磁閥、氣體流量計、另一氣體流量計、水泵、管道泵和配電箱分別電連線所述可程式控制器。

2.如權利要求1所述的微納米氣泡加氧滴灌系統，其特徵在於，所述進水總管上設定有一總管流量感測器，所述第一支路上設定有一支路流量感測器，所述總管流量感測器和支路流量感測器分別電連線所述可程式控制器。

3.如權利要求1或2所述的微納米氣泡加氧滴灌系統，其特徵在於，所述噴嘴採用90°彎折結構，其中水平段為平直的管狀結構，垂直段為向噴口端漸縮的結構，且收縮部分的截面為長方形或圓形；所述噴嘴收縮後的直徑為所述第一支路管路直徑的1/6～1/3。

4.如權利要求3所述的微納米氣泡加氧滴灌系統，其特徵在於，所述噴嘴收縮部分的長度為2～4毫米。

5.一種使用如權利要求1～4中任一項所述系統的微納米氣泡加氧滴灌方法，其包括以下步驟：

1）啟動氣泵，可程式控制器控制電磁閥導通，根據具體滴灌情況選擇打開純氧源管路上的單向閥或臭氧源管路上的單向閥，氣體在氣泵的作用下進入第一支路，與水在水泵的進口處初步混合，與相應氧源連線的相應管路上的氣體流量計實時對氧源提供的氣體流量進行測量，並將測量結果實時反饋給可程式控制器；水氣混合物經過水泵以及連線水泵出口的管路，進入穩壓罐並由噴嘴噴射出，噴射出的水氣混合物中的氣體即是微納米級；

2）穩壓閥對穩壓罐中的水氣混合物進行調壓至水壓穩定後，水氣混合物從穩壓罐出口流出，並經由管道泵流入管道泵的出口管路；

3）管道泵出口管路上的壓力表以及第二支路上的另一壓力表同時進行壓力測量並將測量結果反饋給可程式控制器，可程式控制器控制另一電磁閥導通，再控制變頻櫃變頻以使管道泵對經由管道泵的水進行調壓，直到管道泵出水管路中的壓力與第二支路4中的壓力相等；

4）管道泵出水管路中的水氣混合物與第二支路中的水匯合，進入出水總管，由出水總管流出的水含有微納米級的純氧或臭氧，該含氧水可對作物進行灌溉，當氣體流量計反饋給可程式控制器的測量結果顯示加氧量達到預定值時，可程式控制器控制電磁閥關閉，停止向滴灌水中加氧。

實施方式

如圖1所示，《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》提出了一種微納米氣泡加氧滴灌系統，它包括一進水總管1，進水總管1上設定一總管流量感測器2，進水總管1的出水端並聯連線兩條支路3、4。第一支路3上通過管路依次連線一支路流量感測器5、一水泵6，一穩壓罐7和一管道泵8；第一支路3在穩壓罐7的進口端為一伸入其內的噴嘴9，穩壓罐7的頂部設定一穩壓閥10，管道泵8的出口管路上設定一壓力表11。第二支路4上依次連線一流量調節閥12和另一壓力表13。兩支路3、4匯合形成一出水總管14。

第一支路3位於水泵6的進口處通過電磁閥15連線一氣泵16的出口，氣泵16的進口通過管路分別連線一純氧源17和一臭氧源18。在純氧源17與氣泵16之間的管路上依次設定一單向閥19和一氣體流量計20；在臭氧源18與氣泵16之間的管路上依次設定另一單向閥21和另一氣體流量計22。

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》還包括一變頻裝置，變頻裝置包括一配電箱23，配電箱23通過另一電磁閥26電連線一變頻櫃24，變頻櫃24電連線管道泵8。

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》還設定了一套控制裝置，該控制裝置包括一可程式控制器25；總管流量感測器2、支路流量感測器5、流量調節閥12、壓力表13、另一壓力表11、電磁閥15、另一電磁閥26、氣體流量計20、另一氣體流量計22分別電連線可程式控制器25；水泵6、管道泵8和配電箱23的控制開關分別電連線可程式控制器25。

上述實施例中，可程式控制器25與各電磁裝置、各感測器的電連線可採用有線或者無線的方式。

上述實施例中，如圖2、圖3所示，噴嘴9可以採用90°彎折結構，其中水平段為平直的管狀結構，垂直段為向噴口端漸縮的結構，且收縮部分的截面為長方形或圓形。噴嘴9收縮後的直徑為第一支路管路直徑的1/6～1/3。噴嘴9收縮部分的長度以2～4毫米為佳。噴嘴9的設計是套用單節流孔釋氣原理，就是指在管道的適當地方將管徑變小，當液體經過縮口，流束會變細或收縮。流束的最小橫斷面出現在實際縮口的下游，稱為縮流斷面。在縮流斷面處，流速是最大的，流速的增加伴隨著縮流斷面處壓力的大大降低。當流束擴展進入更大的區域，速度下降，壓力增加，但下游壓力不會完全恢復到上游的壓力，這是由於較大內部紊流和能量消耗的結果。如果縮流斷面處的壓力降到液體對應溫度下的飽和蒸汽壓力以下，流束中就有蒸汽及溶解在水中的氣體逸出，形成蒸汽與氣體混合的小汽泡，壓力越低，汽泡越多。根據伯努利原理，氣液混合體速度變大，壓力變小，氣體和液體此時可以再次進行混合。

在上述實施例所述的微納米氣泡加氧滴灌系統中，由水泵6、氣泵16、純氧源17、單向閥19、氣體流量計20、臭氧源18、另一單向閥21、另一氣體流量計22、可程式控制器25、穩壓罐7、管道泵8、配電箱23和變頻櫃24構成的部分，是產生微納米氣泡的裝置，可稱為微納米氣泡發生裝置。微納米氣泡發生裝置的工作原理與過程為：水和氣體在水泵6的進水口處進行初步混合，水氣混合物經過噴嘴9（單節流孔釋氣原理）將水體增壓，噴射出的水氣混合物中氣體即是微納米級，噴射的水體壓力陡增，使得水氣達到充分混合，然後儲存在穩壓罐7（配合穩壓閥10可使水壓大幅度降低）中，經由管道泵8（由變頻櫃24控制管道泵8）調壓，使第一支路3中的壓力與第二支路4保持一致，因此該裝置可直接套用與灌溉系統首部之中。

《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》還提出了一種利用上述微納米氣泡加氧滴灌系統進行滴灌的微納米氣泡加氧滴灌方法，該方法由可程式控制器25控制整個系統運行，整個過程包括以下步驟：

1）啟動氣泵16，可程式控制器25控制電磁閥15導通，根據具體滴灌情況選擇打開純氧源17管路上的單向閥19或臭氧源18管路上的單向閥21，氣體（純氧或臭氧）在氣泵16的作用下進入第一支路3，與水在水泵6的進口處初步混合，與相應氧源連線的相應管路上的氣體流量計20、22實時對氧源提供的氣體流量進行測量，並將測量結果實時反饋給可程式控制器25；水氣混合物經過水泵6以及連線水泵6出口的管路，進入穩壓罐7並由噴嘴9噴射出，噴射出的水氣混合物中的氣體即是微納米級。

2）穩壓閥10對穩壓罐7中的水氣混合物進行調壓至水壓穩定後，水氣混合物從穩壓罐7出口流出，並經由管道泵8流入管道泵8的出口管路。

3）管道泵8出口管路上的壓力表11以及第二支路4上的壓力表13同時進行壓力測量並將測量結果反饋給可程式控制器25，可程式控制器25控制另一電磁閥26導通，再控制變頻櫃24變頻以使管道泵8對經由管道泵8的水進行調壓，直到管道泵8出水管路中的壓力與第二支路4中的壓力相等。

4）管道泵8出水管路中的水氣混合物與第二支路4中的水匯合，進入出水總管14，由出水總管14流出的水含有微納米級的純氧或臭氧，該含氧水可對作物進行灌溉，當氣體流量計20、22反饋給可程式控制器25的測量結果顯示加氧量達到預定值時，可程式控制器25控制電磁閥15關閉，停止向滴灌水中加氧。

在上述加氧滴灌過程中，配電箱23為整個系統提供電力，系統運行前在可程式控制器25中設定參數，此時另一電磁閥26為關閉狀態，系統啟動後至水流經過管道泵8時，另一壓力表11開始有讀數並將結果反饋給可程式控制器25，可程式控制器25接收到該信號後，控制另一電磁閥26打開，變頻櫃24開始工作控制管道泵8進行調壓。

在上述加氧滴灌過程中，總管流量感測器2可對進水總管1中的流量實時監測，支路流量感測器5可對第一支路3中的流量實時監測，總管流量感測器2和支路流量感測器5將流量值反饋給可程式控制器25，可程式控制器25以獲得的流量值為依據控制流量調節閥12以調整第一支路3與第二支路4的流量比，進而調整進入到出水總管14中的滴灌水的氧氣濃度。此外，需注意的是，由於純氧源17和臭氧源18的安全問題，每次施加時手動打開單向閥19、20，不用時保持單向閥19、20緊閉。

下面是一具體實施例：採用《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》方法對大田春玉米進行加氧地下滴灌栽培。

品種選定“京單28”，種植於北京郊區，每畝定植3175株。土壤pH為6.0，質地為輕壤土，土壤養分含量中等。採用的加氧滴灌方案見表1。

表1：大田春玉米滴灌加氣方案

生育時期	灌溉施肥次數	灌水定額（立方米/畝）	每次加氣溶解度（%）		肥料配方	每次灌水配用肥量（千克/畝）	純養分量
			氧氣	臭氧			N	P2O5	K2O
播種	1 （底肥）	25	-	10	複合肥	50	2.0	8.0	3.0
出苗期	-		25	-	-	-	-	-	-
三葉期	-	20	50	-	-	-	-	-	-
抜節期	-	15	50	-	-	-	-	-	-
小喇叭口期	1	15	50	-	15-0-15	15	7.5	0	9
大喇叭口期	2	20	50	10	10-0-12	15	7.5	0	9
抽雄散粉期	-	20	50	-	-	-	-	-	-
吐建期	-	15	50	-	-	-	-	-	-
灌漿成熟期	-	-	50	10	-	-	-	-	-
合計	9或10	130	/	/	-	95	24.6	8.0	31.0

按照《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》微納米氣泡加氧滴灌方法運行系統，加氣模式為加純氧、純氧和臭氧以一定比例施加。播種後的第一次灌水最後階段，施加溶解度為10%的臭氧水，對土壤中進行殺菌消毒；出苗期為提高成活率加溶解度為25%的純氧；只加純氧灌水時，按照50%的氧氣溶解度伴隨整個灌水過程；在大喇叭口期和灌漿成熟期，以純氧和臭氧配合施加，首先通過超微米氣泡發生器向水中充氧，直至氧氣在水中的溶解度達到50%，然後進行灌溉，在灌水最後階段用臭氧發生器向水中充臭氧，直至臭氧溶解度達到10%，以此去除部分灌水器堵塞物質，最後再用清水沖洗管道。

在春玉米出苗期進行加氧，成活率為97%；在三葉期、拔節期和大小喇叭口期進行加氣，使植株生長與對照組比提前7-9天，在灌漿成熟期加氣使果實的產量和品質達到最佳。得到結果與2014年3月前同品種春玉米相比，總產量增加30%、平均單果穗長增加10%和單果重增加25%，小區土壤蓬鬆，玉米根長密度增大15%。

上述各實施例僅適用於說明《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》。由於灌溉制度與土壤、作物、土壤初始養分含量、栽培模式以及產量等因素有關，實際套用前應做好各因素的分析，制定出以最優的灌溉制度。

榮譽表彰

2016年12月7日，《微納米氣泡加氧滴灌系統及方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。