移动式蒸汽土壤灭菌设备的研究

时间：2024-08-31

杨志林

（山西省农业机械化科学研究院，山西太原 030031）

1 概述

设施园艺近年来在我国发展迅猛。因连茬种植，复种指数高，在土壤中出现了各类病原菌，再加上设施内高温高湿的有利条件，导致土壤病虫害的发生，严重制约了设施农业的发展。

进行设施土壤灭菌是防止土壤病虫害发生的有效办法，目前采用的灭菌方法主要有轮作、嫁接、太阳能灭菌、蒸汽灭菌、生物防治和化学药剂防治等。化学药剂灭菌最为常用且方法简单，但使用的多为具有高残留的农药，易造成土壤和大气的环境污染，也势必污染蔬菜产品和生态环境，危害人体健康；生物灭菌是通过调控土壤微生物群落，增加有益微生物数量和品种，减少有害病原菌的数量和品种，从而抑制病害，这种方式由于活体菌受到各种因素的制约和影响，使用效果难以保证；太阳能灭菌的缺点是需要消耗一定的人力和时间，也杀死了一些有益的生物，并且具有季节性限制。

采用无残留、无污染的物理灭菌方法是发展设施园艺生产的重要措施之一，蒸汽灭菌是目前世界范围内较为先进、安全、环保的一种方法，也是土壤热处理灭菌中最有效的方法，其原理是用蒸汽锅炉加热，通过导管把蒸汽热能送到土壤中，使土壤温度升高，杀死病原菌，以达到防治土传病害的目的。

2 移动式蒸汽灭菌设备的设计目标

根据高效、有机农业发展的需要，设计适合本地设施园艺内的土壤灭菌设备，该设备应具有一定的灭菌效率，保证可以杀灭土壤内的微生物、杂草种子和大部分有害病菌，而灭菌小车和蒸汽锅炉可以方便移动，便于用户使用。

3 移动式蒸汽灭菌设备的组成

移动式蒸汽灭菌设备由土壤输送提升装置、燃气蒸汽锅炉和移动式灭菌小车、土壤输出装置及控制系统等组成。

土壤输送提升装置能保证将旧土壤顺利提升，运送到移动灭菌小车上，并满足生产率的要求，它包括动力输送电机、刮板、输送带和机架等。

根据灭菌小车的容量与灭菌温度和压力的要求，选用合肥金利达热能设备有限公司燃气蒸汽锅炉，型号为ZQY2，其尺寸为620mm×580mm×1 200mm，蒸发量为100kg／h，压力为0.4MPa，使用燃料为液化气，耗气量7kg／h。

移动式灭菌小车包括基架、行走轮、灭菌箱和蒸汽管道等，基架用于安装蒸汽锅炉，行走轮便于移动和转向，蒸汽管道在灭菌箱内均匀排布，并在管道正上方和正下方均匀开有蒸汽出气孔，保证土壤灭菌时获得均匀稳定的蒸汽。

土壤输出装置能保证当土壤灭菌完成后，方便地将土壤输出，采用螺旋轴输出形式，将土壤从灭菌箱落料口输出。

控制系统由ARM处理器、温度传感器、LED液晶显示器及执行元件等组成。ARM处理器是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其显著特点是速度快、功耗低、功能强、价格廉，其支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，支持实时仿真和跟踪，集成有16kB静态随机存储器（SRAM）、128kB的Flash程序存储器、4个通用并行I／O口、2个16C550工业标准UART串口、1个高速双向总线（I2C）串口、2个全双工串行接口（SPI）、2个32位定时器以及脉宽调制单元（PMW）、实时时钟、看门狗、中断控制器和A／D转换器等功能部件。利用ARM处理器进行设备的编程、程序输入和调试，控制算法采用常用的PID算法，为了控制方便，比例系数、微分系数、积分系数、采样周期、温度设定、灭菌时间设定均可通过键盘修改，并在LED显示器上显示。为了达到控制效果，设置了多点温度传感器，传感器将测得的温度电信号通过传输线送到控制系统，由ARM经过计算，通过A／D转换，在LED上显示土壤温度值，并对采集到的温度数据进行分析处理和实时控制，当达到设定温度时开始计时，达到设定灭菌时间时自动关闭蒸汽阀门，实现自动控制。移动式蒸汽灭菌设备的主要技术和经济指标如下：

4 移动式蒸汽灭菌设备的工作过程

由国外成型技术可知，大多数土壤病原菌、昆虫和杂草在湿热的情况下，65℃、30min内即可杀死，但菊花矮化病毒在干旱的植物组织中可生活至少两年，而在93℃下只能存活10min，TMV（烟草花叶病毒）等病毒，需要90℃蒸汽持续灭菌10min。通常情况下，当温度达到90℃时持续30min，即可杀死几乎所有病菌、病毒和杂草种子。

移动式蒸汽灭菌设备的工作过程如下：将旧土壤倒在输送提升装置的入料口，开启电源开关，通过电机带动输送带和刮板，将旧土壤输送到移动式灭菌小车的灭菌箱内，将待处理土壤摊平，并将温度传感器均匀布置，然后用帆布将灭菌小车盖好，将蒸汽锅炉的蒸汽出口与灭菌小车的蒸汽入口连接，按启动键，系统自动打开蒸汽开关，通入蒸汽，当达到设定温度时，系统开始计时，达到设定的灭菌时间时，系统自动关闭蒸汽阀门；土壤灭菌完成后开启输出装置电机开关，通过电机带动螺旋轴旋转，将处理好的土壤从灭菌箱落料口输出。

5 国内外蒸汽灭菌技术现状

土壤蒸汽灭菌首先由德国人Frank于1888年发现，1893年由美国人Rudd首次商业化使用，从此，蒸汽灭菌在设施农业中得到应用，之后日本等国也采用该法解决温室内土壤病虫害的问题。国外蒸汽灭菌机按照牵引方式的不同分为自走式、车上搭载式等多种样式，此外，按照每小时蒸汽蒸发量不同和机重大小的不同，也有各类型号土壤蒸汽灭菌装置，如SB-300型、SB-400型和SB-700型。

日本蒸汽灭菌机大体分为两类：一类带蒸汽室，灭菌箱下部为蒸汽室，上部为土壤室；另一类不带蒸汽室，直接把带孔的管子埋在土壤中，向管道内通入蒸汽。日本也生产专用的移动式全自动蒸汽灭菌机，分为C-1.2、C-1.6、C-2.4型。

国内曾使用过蒸汽灭菌，对枯萎病、黄萎病、根腐病和根结线虫病等都有很好的防效。但是，由于国内对蒸汽灭菌技术掌握的较少，目前还没有完备的蒸汽灭菌装置。

蒸汽灭菌方式的缺点是：若长期使用还需增加昂贵的水质软化系统，且存在杀灭不均匀、蒸汽锅炉自身过于笨重等问题。未来蒸汽灭菌土壤处理设备将向着高效率、智能化的方向发展，目前主要研究方向集中在提高蒸汽杀菌生物效应方法的研究和选择性杀灭有害微生物途径的研究上。