一种沼液NH4+-N在线监测与安全利用调控系统及其使用方法

摘要

本发明公开了一种沼液NH4+‑N在线监测与安全利用调控系统，包括NH4+‑N在线监测仪、中枢系统控制箱、沼液池、蓄水池、灌溉管道、泵房、变频器、涡轮搅拌器；泵房由沼液泵、水泵组成其中沼液泵与灌溉管道连接处相对水泵与灌溉管道连接处更靠近灌溉管道出水口，中枢系统控制箱接收并处理NH4+‑N在线监测仪的信号，直接控制水泵的运行，通过变频器控制沼液泵的运行，涡轮搅拌器设置于灌溉管道内靠近灌溉管道出水口的位置。还公开了上述安全利用系统的使用方法。本发明采用NH4+‑N在线监测仪，对灌溉前沼液进行实时监测，并根据监测结果指导沼液和水配合配施比例，实现了基于NH4+‑N施用安全的操作控制，确保了作物生长的安全性，也为科学合理利用沼液提供了有效的参考依据。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统及其使用方法。

背景技术

近年来，畜禽养殖污染已引起社会舆论广泛关注和各级政府治污决策时的高度重视，为实现粪污无害化处理及能源化利用，畜禽养殖场纷纷建设沼气工程，在取得既定效益的同时也产生了大量的副产物，即沼液。沼液中富含氮、磷、钾、NH₄⁺-N等，未经后续处理直接排放环境将对周边水体自净功能造成严重影响，成为水环境保护中亟待解决的关键问题，也长期困扰着畜牧业的健康发展。

农田消纳沼液是通过农田土壤以及生存在土壤中的农作物、微生物等共同作用来处理和利用沼液的生态方法，是目前公认的最易实施且行之有效的处理方法，既能缓解沼气工程中沼液的后续处理压力和处理成本，也能部分替代农业生产对化学肥料的需求，降低农业生产成本，培肥地力，提高农作物产量和品质。

研究表明，猪粪和牛粪经厌氧发酵后，其液相中铵氮(NH₄⁺-N)含量与进料液相比显著增加，占液相总氮的比例均大于70％，对沼气工程调查结果也表明猪粪和牛粪沼液中NH₄⁺-N含量远大于NO₃^--N含量，因此沼液施用时应充分考虑沼液中NH₄⁺-N浓度与作物需肥生理的匹配程度。农业生产上因盲目施用沼液导致作物生长不良的现象时有报道，因此，在大面积推广应用沼液时，需要考虑沼液NH₄⁺-N浓度。刘宝存等人的一种沼液滴灌施肥系统(专利号ZL200910146926.0)初步奠定了沼液在温室滴灌系统应用的构架，高立洪等人的沼液灌溉防堵系统及方法(专利号ZL201210051227.X)在防堵及自动化上进行了初步的提升。围绕沼液的安全利用研究，多集中在管道防堵技术方面，在沼液用量上多是凭借生产经验设定，缺乏科学的依据，尤其在沼液水肥一体化系统中缺乏在线监测的安全利用控制环节。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统。

本发明采用的技术方案为：一种沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统，包括NH₄⁺-N在线监测仪、中枢系统控制箱、沼液池、蓄水池、灌溉管道、泵房、变频器、涡轮搅拌器；

所述泵房由沼液泵、水泵组成，所述沼液泵抽水端置于沼液池内，出水端与灌溉管道连接，所述水泵抽水端置于蓄水池内，出水端与灌溉管道连接，其中沼液泵与灌溉管道连接处相对水泵与灌溉管道连接处更靠近灌溉管道出水口，所述NH₄⁺-N在线监测仪检测沼液 池内沼液的NH₄⁺-N浓度并实时传送给中枢系统控制箱，所述中枢系统控制箱接收并处理NH₄⁺-N在线监测仪的信号，直接控制水泵的运行，通过变频器控制沼液泵的运行，所述涡轮搅拌器设置于灌溉管道上靠近灌溉管道出水口的位置。

优选的，还包括一套以上的土壤墒情监测仪和电磁阀；

所述土壤墒情监测仪由多个探针水分传感器、处理芯片、控制面板组成，所述探针水分传感器均匀分布于该土壤墒情监测仪控制的区域，用于探测该区域内土壤水分，所述处理芯片收集多个探针水分传感器的信号并处理；

所述灌溉管道为三级灌溉管网，由主管道、支管道、末端管道组成，其直径依次递减，主管道和若干根支管道连接，支管道的数量与土壤墒情监测仪的数量相同，每根支管道和若干根末端管道连接，末端管道均匀分布在对应的土壤墒情监测仪控制的区域；每个支管道上均设有电磁阀，所述中枢系统控制箱接收并处理处理芯片的信号，所述处理芯片控制该土壤墒情监测仪控制区域内的电磁阀的启闭，控制面板与处理芯片连接，用于输入命令和显示数据。

优选的，还包括两个单向阀，其中一个单向阀靠近沼液泵的出水端，另一个单向阀靠近水泵的出水端。

优选的，所述沼液池为两格式沼液池，分为沼液沉淀池和沼液储存池，在沉淀池和储存池之间的水泥挡墙中下部设有过滤格栅。

优选的，还包括配肥器，所述配肥器包括施肥器、吸肥管和储液桶，施肥器的两端均连接在主管道上，施肥器的中间部位连接吸肥管，吸肥管另一端放入储液桶内。

优选的，所述末端管道为滴灌带或微喷带，其上错位打孔，孔径为1.0-1.5mm。

优选的，还包括大颗粒物过滤网箱，所述大颗粒物过滤网箱由长方体不锈钢框架、反冲洗装置、三面40-60目不锈钢筛网包裹而成，大颗粒物过滤网箱开口向上，垂直摆放在沼液储存池和水池中，沼液泵和水泵从大颗粒物过滤网箱内吸取液体。

本发明还公开了基于上述沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统的使用方法，其步骤包括：

(1)、处理芯片实时接收探针水分传感器探测的数据，处理芯片内预置有控制程序，对所接收的数据进行加和求平均值和筛选最低值，并在控制面板中显示相应的具体数值，在所述控制面板上预留有人为设定触屏按钮，所述触屏按钮设定为针对不同作物生长所需的土壤墒情阈值范围；

(2)、处理芯片选择探针水分传感器实时监测的平均值或者最低值与该阈值比对，当监测的实时数据平均值或者最低值低于所设定的土壤墒情阈值下限时，发出请求到中枢 系统控制箱，同时NH₄⁺-N在线监测仪监测沼液NH₄⁺-N浓度b并将信号传送给中枢系统控制箱，中枢系统控制箱将b与NH₄⁺-N浓度设定值a作比对，根据以下逻辑控制沼液泵和水泵的运行：

当b<a时，系统单独启动沼液泵，并全频运行，此时水泵不启动；

当a≤b<1.5a时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：1；

当1.5a≤b<2a时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：2；

当2a≤b时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：3；

当探针水分传感器监测的实时数据平均值或者最低值大于或等于所设定的土壤墒情阈值上限时，处理芯片发出请求到中枢系统控制箱，中枢系统控制箱关闭沼液泵和水泵，并指令处理芯片关闭电磁阀；

(3)、若有两个或两个以上的土壤墒情监测仪同时向中枢系统控制箱发出灌溉请求时，系统以中枢系统控制箱接收到指令的先后顺序逐次进行灌溉，进入等待序列的土壤墒情监测仪，其相连的支管道上的电磁阀处于关闭状态，直到接收到灌溉指令时，才开启设施大棚内支管道上的电磁阀。

优选的，所述控制面板上可自由设定沼液泵和水泵的配比关系并启动沼液泵和水泵，该情况下，沼液泵的运行频率不再受NH₄⁺-N在线监测仪的信号的影响。

本发明的有益效果如下：

1、采用土壤墒情监测仪，对设施大棚土壤墒情进行实时监测，在土壤墒情监测仪的控制程序中，灵活的设计了可以根据不同作物需水、需肥特性设定不同的土壤墒情范围阈值，将实时监测值与设定的范围阈值比对，并根据比对结果发出指令进行自动灌溉。节省了人工，减轻了劳动强度，能够时刻保持作物对土壤墒情的需求，弥补了人为浇灌量的不确定性，提高了灌溉质量和效率。

2、采用NH₄⁺-N在线监测仪，对灌溉前沼液进行实时监测，并根据监测结果指导沼液和水配合配施比例，实现了基于NH₄⁺-N施用安全的操作控制，确保了作物生长的安全性，也为科学合理利用沼液提供了有效的参考依据。

3、采用中枢系统控制箱，有效的实现了自动控制与手动控制的相互转换，使得该系统更具有可操作性和实用性。

4、采用变频器，对沼液泵进行变频控制达到控制沼液泵流量的目的，在水泵全频运行的条件下，沼液泵变频运行，可实现沼液泵抽取的沼液量与水泵抽取的水量按照一定的 比例进行混合，实现了按照设定比例进行自动配比灌溉。

5、采用两格式沼液池及大颗粒物过滤网箱，能够在前端将潜在的导致管道堵塞的固体悬浮物过滤掉，有效的确保了灌溉管网的安全性。

6、采用三级灌溉管网，有效保证了输送压力的强度，滴灌带或微喷带上错位打孔的孔径控制在1.0-1.5mm之间，可有效防止滴灌带或微喷带的堵塞。

7、通过单向阀将沼液管道和水管道合并成一路管道，节省了铺设管道成本，在主管道靠近支管道端设置涡轮搅拌器，使得配比的肥水进一步得到混合，加强了整个系统的沼液安全施用性能。

8、配肥器的使用，使得沼液水肥一体化轻松实现，可根据作物需肥特性及沼液养分含量，配置与之互为补充的肥料，从而实现更加科学、更加合理的施肥，节约了成本。

9、采用单向阀能够保证沼液泵和水泵的运行，防止倒灌的发生，使得灌溉系统更加高效。

附图说明

图1为本发明实施例1的沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统的结构示意图。

图2为土壤墒情监测仪的结构示意图。

图3为本发明实施例2的沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统的结构示意图。

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统，包括一套以上的土壤墒情监测仪1、NH₄⁺-N在线监测仪2、中枢系统控制箱3、沼液池、蓄水池、配肥器18、三级灌溉管网、泵房、电磁阀13、变频器6；

所述土壤墒情监测仪1由多个探针水分传感器110、处理芯片120、控制面板130组成，所述探针水分传感器110均匀分布于该土壤墒情监测仪1控制的大棚区域，用于探测大棚内土壤水分，所述处理芯片120收集多个探针水分传感器110的信号并处理；

三级灌溉管网由主管道14、支管道15、末端管道16组成，其直径依次递减，主管道14和若干根支管道15连接，支管道15的数量与土壤墒情监测仪1的数量相同，每根支管道15和若干根末端管道16连接，末端管道均匀分布在对应的土壤墒情监测仪控制的大棚区域；

所述泵房由沼液泵4、水泵5组成，沼液池为两格式沼液池，外来沼液经沉淀池8初沉淀，并经过格栅9过滤后进入储存池10，有效去除了沼液中颗粒较大的固体悬浮物，并在沼液储存池10中放置大颗粒物过滤网箱12进行进一步的沼液过滤，将大颗粒物过滤网 箱12设计成长方体不锈钢框架、反冲洗装置、三面40-60目不锈钢筛网包裹，过滤网箱开口向上，垂直摆放在沼液储存池10，网箱底部距离池底15-30cm，沼液泵4一端吸管放入过滤网箱内，从源头上进行了过滤，在蓄水池11中，也放置了大颗粒物过滤网箱12，对源头水进行过滤，水泵5的吸管放在过滤网箱内，所述沼液泵4和水泵5的出水端与主管道连接，其中沼液泵与主管道连接处相对水泵与主管道连接处更靠近支管道，每个支管道上均设有电磁阀13，所述NH₄⁺-N在线监测仪2检测沼液池内沼液的NH₄⁺-N浓度并实时传送给中枢系统控制箱3，所述中枢系统控制箱接收并处理处理芯片以及NH₄⁺-N在线监测仪的信号，直接控制水泵5的运行，通过变频器6控制沼液泵4的运行，所述处理芯片控制该土壤墒情监测仪控制区域内的电磁阀的启闭，控制面板与处理芯片连接，用于输入命令和显示数据，所述配肥器设置于沼液泵与主管道连接处与水泵与主管道连接处之间；

还包括两个单向阀7，其中一个单向阀靠近沼液泵的出水端，另一个单向阀靠近水泵的出水端，防止因单独开启其中的一个泵而使得另外一个泵倒流；

所述末端管道为滴灌带或微喷带，其上错位打孔，孔径为1.0-1.5mm，可有效防止滴灌带或微喷带的堵塞；

还包括涡轮搅拌器17，所述涡轮搅拌器17设置于主管道靠近支管道的一端，可以将管道内的沼液与水搅拌均匀，提高灌溉效果。

所述配肥器18包括施肥器、吸肥管和储液桶，施肥器的两端均连接在主管道上，施肥器的中间部位连接吸肥管，吸肥管另一端放入储液桶内。施肥器在主管道上形成的压力差使得吸肥管自动吸取储液桶内的液体配方肥料，并输送到主管道内，肥料与水混合均匀，提高施肥效率。通过安装配肥器18，可结合配方液体肥料进行水肥灌溉，弥补沼液养分的不足。配肥器18，在水肥一体化灌溉系统中已实现大面积应用，但在本系统中，其应用的目的更具科学性，能够实现结合沼液灌溉进行合理配方施肥，实现沼液养分及水分再利用的同时，实现节约化学肥料施用量。

本系统将沼液和水两路灌溉管道合并成一路管道，在临近沼液泵4和水泵5处各安装了一个单向阀7，节约了铺设管道成本。

使用时，处理芯片实时接收探针水分传感器探测的数据，处理芯片内预置有控制程序，对所接收的数据进行加和求平均值和筛选最低值，并在控制面板中显示相应的具体数值，在所述控制面板上预留有人为设定触屏按钮，所述触屏按钮设定为针对不同作物生长所需的土壤墒情阈值范围；

处理芯片选择探针水分传感器实时监测的平均值或者最低值与该阈值比对，当监测的实时数据平均值或者最低值低于所设定的土壤墒情阈值下限时，发出请求到中枢系统控制 箱，同时NH₄⁺-N在线监测仪监测沼液NH₄⁺-N浓度b并将信号传送给中枢系统控制箱，中枢系统控制箱将b与NH₄⁺-N浓度设定值a作比对，根据以下逻辑控制沼液泵和水泵的运行：

当b<a时，系统单独启动沼液泵，并全频运行，此时水泵不启动；

当a≤b<1.5a时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：1；

当1.5a≤b<2a时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：2；

当2a≤b时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：3；

当探针水分传感器监测的实时数据平均值或者最低值大于或等于所设定的土壤墒情阈值上限时，处理芯片发出请求到中枢系统控制箱，中枢系统控制箱关闭沼液泵和水泵，并指令处理芯片关闭电磁阀；

若有两个或两个以上的土壤墒情监测仪同时向中枢系统控制箱发出灌溉请求时，系统以中枢系统控制箱接收到指令的先后顺序逐次进行灌溉，进入等待序列的土壤墒情监测仪，其相连的支管道上的电磁阀处于关闭状态，直到接收到灌溉指令时，才开启设施大棚内支管道上的电磁阀。

在控制面板上可自由设定沼液泵和水泵的配比关系并启动沼液泵和水泵，该情况下，沼液泵的运行频率不再受NH₄⁺-N在线监测仪的信号的影响。

实施例2

如图3所示，本沼液NH₄⁺-N在线监测与安全利用调控系统，包括NH₄⁺-N在线监测仪2、中枢系统控制箱3、沼液池、蓄水池、灌溉管道14、泵房、变频器6、涡轮搅拌器17；

所述泵房由沼液泵4、水泵5组成，沼液池为两格式沼液池，外来沼液经沉淀池8初沉淀，并经过格栅9过滤后进入储存池10，有效去除了沼液中颗粒较大的固体悬浮物，并在沼液储存池10中放置大颗粒物过滤网箱12进行进一步的沼液过滤，将大颗粒物过滤网箱12设计成长方体不锈钢框架、反冲洗装置、三面40-60目不锈钢筛网包裹，过滤网箱开口向上，垂直摆放在沼液储存池10，网箱底部距离池底15-30cm，沼液泵4一端吸管放入过滤网箱内，从源头上进行了过滤，在蓄水池11中，也放置了大颗粒物过滤网箱12，对源头水进行过滤，水泵5的吸管放在过滤网箱内，所述沼液泵4和水泵5的出水端与灌溉管道14连接，其中沼液泵与灌溉管道14连接处相对水泵与灌溉管道14连接处更靠近灌溉管道出水口，所述NH₄⁺-N在线监测仪2检测沼液池内沼液的NH₄⁺-N值并实时传送给中枢系统控制箱3，所述中枢系统控制箱接收并处理NH₄⁺-N在线监测仪的信号，直接控制水 泵5的运行，通过变频器6控制沼液泵4的运行，所述涡轮搅拌器17设置于灌溉管道14上靠近灌溉管道出水口的位置；

还包括两个单向阀7，其中一个单向阀靠近沼液泵的出水端，另一个单向阀靠近水泵的出水端，防止因单独开启其中的一个泵而使得另外一个泵倒流；

本系统将沼液和水两路灌溉管道合并成一路管道，在临近沼液泵4和水泵5处各安装了一个单向阀7，节约了铺设管道成本。

使用时，NH₄⁺-N在线监测仪监测沼液NH₄⁺-N浓度b并将信号传送给中枢系统控制箱，中枢系统控制箱将b与NH₄⁺-N浓度设定值a作比对，根据以下逻辑控制沼液泵和水泵的运行：

当b<a时，系统单独启动沼液泵，并全频运行，此时水泵不启动；

当a≤b<1.5a时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：1；

当1.5a≤b<2a时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：2；

当2a≤b时，系统同时开启水泵和沼液泵，水泵全频启动，系统通过变频器控制自动调整沼液运行的频率，使沼液与水的比例为1：3；

也可在中枢系统控制箱上自由设定沼液泵和水泵的配比关系并启动沼液泵和水泵，该情况下，沼液泵的运行频率不再受NH₄⁺-N在线监测仪的信号的影响。

土壤墒情监测仪和电磁阀采用220V电压供电，以保证安全性，沼液泵和水泵功率在5.5kW以内、电压为380V，在区域联片灌溉时可考虑添加增压设备，以获得较大的水压，一是完成灌溉任务，二是较大的水压可以减少末端管道孔堵塞。

具体选用平均值还是最低值作为比对对象，需要根据具体的种植物来设定。

一般而言，该系统常用于大棚种植，尤其是针对NH₄⁺-N敏感的作物，一个大棚对应一套土壤墒情监测仪和支管道，若大棚面积较大，或大棚内同时种植了几种作物，在同一大棚内设置几套土壤墒情监测仪和支管道也是可行的。该系统也可用于露天种植。