摘要：随着设施农业以及现代农业的不断发展，无土栽培技术凭借节约土地资源、提升产量以及有较强可控性等诸多优势，已然成为农业现代化进程中的关键发展方向，岩棉、珍珠岩以及蛭石等基质作为无土栽培里的关键介质，它们的物理化学特性会直接对作物生长产生影响，然而基质在经过一段时间使用后会积攒大量根系、病菌以及盐分，致使其性能出现下降并且难以进行回收再利用。针对这样的问题，本文构建了一种面向低成本无土栽培的岩棉基质智能循环处理系统，借助机械破碎、振动筛分、微波杀菌以及低温热风烘干等一系列技术手段达成废弃基质的高效回收与再生，该系统选用 STM32 单片机作为核心控制单元，联合传感器数据采集以及模糊控制算法，达成整个过程的智能调控以及节能优化。

关键词：无土栽培；混合基质；循环利用；智能控制；农业工程

引言

近些年来，全球农业正渐渐朝着绿色化、数字化以及智能化的方向转变，无土栽培作为一种较为先进的植物生产方式，切实避免了传统农业里土壤退化、农药残留以及环境污染等一系列问题，在无土栽培体系当中，岩棉、珍珠岩以及蛭石因为有良好的保水、透气以及无菌特性而被广泛运用。然而其使用周期存在一定限制，一旦被植物根系以及病菌污染就需要进行更换，要是直接丢弃就会造成资源浪费以及环境负担，大量废弃基质要是不经过处理直接填埋或者焚烧，会浪费资源，还会造成生态污染。

因此，建立低成本、高效率的基质循环处理系统具有重要的经济与生态意义。一方面，可以有效提高基质的再利用率，降低农业生产成本；另一方面，有助于实现农业资源循环利用，推动绿色农业的发展。

一、国内外研究现状

1.1 国内研究现状

我国基质循环利用目前仍处于探索阶段，技术以及产业存在着较为十分突出的短板，在设备方面，功能比较单一，仅仅可实现破碎筛分，处理能力不足够，并且缺乏智能控制，需要人工来调节参数，处理效果的稳定性较差，科研单位所研发的小型消毒设备，大多采用高温蒸汽或者化学消毒的方式，前者能耗比较高，后者容易残留药剂，会对食品安全产生影响 [1]。农户处理主要依靠人工，效率比较低，太阳能消毒受到天气的制约，在阴雨天气时杀菌率不高，化学消毒虽然操作较为简单，但是虫卵杀灭率只有 70% ，而且盐分去除不够彻底，国内缺少统一的基质回收标准，再生基质没有质量认证体系，农户认可度较低，市场流通存在险阻，目前国内中小农户占比超过 80% ，种植规模小、经济实力有限，难以承担大型设备[2]。研发适合中小农户的“低成本 + 小型化 + 智能化”处理装备，成为突破我国基质循环利用瓶颈的关键所在。

当前，国内无土栽培基质使用量不断增加，但回收方式仍以人工为主，存在效率低、成本高、质量不稳定以及资源浪费严重等问题。无论是回收规模的局限、技术的不足，还是设备研发的滞后，都使得大量基质资源无法有效回收利用。因此，研发高效专业的基质回收处理装置，是打破当前发展困局、推动国内无土栽培产业持续健康发展的必然选择。通过对基质进行循环利用，能够有效解决当前基质回收面临的困境，降低生产成本，减少资源浪费，实现基质的可持续利用，推动农业向协同、绿色、高效方向发展，助力构建资源节约型和环境友好型农业体系。

1.2 国外研究现状

国外于混合基质中的岩棉基质的生产以及回收领域起步相对较早，构建起了完备的产业链体系，像荷兰、丹麦等国家，在无土栽培面积里，岩棉基质的使用比例超出了 90% ，其回收方式主要有物理粉碎再利用以及高温热水消毒法，美国采用的是将高压水流与热风处理相结合的方式，在提升回收效率之际还可以让基质性能保持稳定 。总体来看，国外在岩棉等基质的应用与回收领域已形成成熟体系，从生产到回收利用技术完善，且设备自动化程度高、资源循环利用率显著。这些实践为国外无土栽培产业的规模化、可持续发展奠定了基础，其技术路径与管理经验对国内相关领域的研究与产业升级具有重要借鉴价值。

二、系统总体设计

本研究当中所提出的岩棉基质智能循环处理系统主要是由四个关键功能模块构成的，分别是破碎分离模块、微波杀菌模块、烘干除湿模块以及单片机智能控制模块，该系统整体运用的是模块化架构，各个部分可独立运行，而且还可在数据总线的控制作用下共同协作开展工作。

破碎与筛分模块：通过滚动式破碎机将废弃岩棉及其混合基质破碎成适宜粒径，再经振动筛分装置将根系、杂质及细微颗粒有效分离。利用双螺旋破碎设备挤压粉碎物料，实现基质与塑料分离，破碎机将大块塑料破碎至 5-10mm 并打散结块基质。对含金属塑料，先经磁选机分离金属，再用静电分选机区分基质与塑料；非磁性塑料则借助涡电流产生排斥力分离。多级筛分运用梯度筛选原理，阶梯式筛网阵列与智能振动控制系统协作。大孔径筛网高频低幅振动分离大体积杂质，中、小孔径筛网变幅螺旋运动分层筛选。PLC 系统依据基质物性参数精准调控设备，智能振动控制系统实时监测筛网堵塞，调整振动，保障基质高纯度，为资源化利用提供优质原料。

微波杀菌模块：采用高频电磁波照射，使基质中的虫卵、真菌及细菌迅速死亡，避免高温损坏基质结构。其基于微波与微生物体内极性分子的相互作用及精准温控。微波作用下，基质中水分子等极性分子随高频电场快速改变排列方向，产生高频振动摩擦，将微波能转化为热能，实现整体加热杀菌。经测试岩棉基质的消毒参数，得出最佳消毒数据。以单片机为核心控制单元，依据基质理化特性与病菌耐受温度预设精确温度曲线。通过编程精准控制温度与时间，单片机根据预设曲线和实时数据偏差，动态调节微波发生器功率，形成闭环控制，既保证杀菌效果，又避免能源浪费，高效保障基质再利用的安全性。

烘干除湿模块：利用低温热风循环技术对基质进行除湿处理，确保其含水量保持在 10% 以下，以便重新用于无土栽培。烘干机依据预设的温时参数运行，通过低温热风循环系统，在不破坏基质原有性能的前提下，将基质中的水分去除，使其湿度契合打包要求。在烘干过程中，系统会实时监测基质的湿度，通过传感器反馈的信息，精准调整加热功率和风速，确保烘干效果的稳定性和一致性。

智能控制模块：以 STM32 单片机为核心，通过采集温湿度、振动频率等实时数据，执行模糊控制算法，实现自动调节系统参数，保证各环节高效协同。

整个系统的设计思路遵循“低成本、智能化、可扩展”的原则。其核心在于通过自动化传感与控制技术，降低人力依赖，实现从基质回收到再利用的全过程闭环控制。

三、关键技术原理与实现

3.1 破碎与筛分技术

作为系统的“预处理关卡”，破碎与筛分模块肩负着把废弃岩棉基质转变为可用于后续加工形态的关键使命，此模块的核心设备是滚动式破碎机，其内部安装了高强度耐磨齿辊，依靠齿辊的低速差速转动，可把成团、结块的废弃岩棉及其混合基质逐渐破碎成粒径均匀的松散颗粒，在破碎过程中不会出现因过度挤压致使的基质纤维断裂，切实保留了岩棉基质原本的多孔结构，而这一结构是保证后续栽培中根系透气、吸水的关键所在。

被破碎后的混合物料会经由密闭输送带输送到振动筛分装置处，此装置运用双层偏心块激振器，可产生稳定的直线振动，其振幅以及振动频率可依照物料特性给予调节，上层筛网采用大孔径设计，孔径大概为 10mm ，主要是用来分离废弃基质中夹杂的作物根系、较大作物残体这类杂质，下层筛网采用小孔径设计，孔径约为2mm，可把破碎后基质中的细微粉尘、泥土颗粒等分离出来。 经过双层筛分之后，最终所得到的岩棉基质颗粒粒径集中在 2 至 10mm 的范围之内，完全符合无土栽培基质的复用粒径要求，凭借筛分去除的杂质会被集中收集起来，方便后续的环保处理，防止出现二次污染。

3.2 微波杀菌技术

微波杀虫灭菌是使微生物同时受到微波热效应与非热效应的共同作用，使其体内蛋白质和生理活动物质发生变异，而导致微生物体生长发育延缓和死亡，达到食品灭菌、保鲜的目的。微波杀菌是依据电磁波对极性分子的作用原理来实现的，频率为 2.45GHz 的微波可让水分子产生高频振动以及摩擦，快速升温以杀灭微生物。和传统高温灭菌不一样的是，微波杀菌可在相对较低的温度范围内完成，减少对基质结构的破坏。

3.3 低温热风循环烘干技术

模块内部设置有低温热风发生装置，其采用电加热管与空气换热器组合的设计方式，可把空气加热成为温度处于 40 至 50℃的低温热风，这些热风会均匀地吹向基质料层，防止局部高温对基质造成损害，模块配备了负压抽湿系统，借助风机产生负压，促使热风在基质料层中形成强制循环，带走基质里的水分，并且将湿热空气抽送到冷凝除湿装置中。

冷凝除湿装置采用翅片式换热器，利用冷水机组提供的低温冷水，让湿热空气中的水分冷凝成为液态水，经由排水管道排出，除湿后的干冷空气再度进入热风发生装置进行加热循环利用，达成了能源的高效回收，降低了烘干过程的能源消耗，另外模块内还安装了高精度湿度传感器，实时对基质含水量进行监测，当含水量降低到 10% 以下时，系统会自动停止烘干，转入保温状态，避免过度烘干致使基质纤维脆化，保证基质的复用品质[3]。

3.4 智能控制与数据反馈

整个循环系统将 STM32 单片机作为核心控制单元，收集多路传感器的数据，像温湿度、气流速度以及振动频率等，接着借助 PWM 调节达成对电机、微波源以及加热装置的精确控制，系统算法运用模糊控制和 PID 闭环相结合的策略，达成“自适应调节”功能。比如说，当检测到湿度超过阈值的时候，系统会自动提升热风功率并且延长烘干时间，当振动筛堵塞时，会自动调整频率来防止停机。这种模式切实提高了系统的稳定性与节能性。

四、实验与结果分析

为验证系统性能，研究团队以使用过的黄瓜栽培基质为样本进行了系列实验。实验分为三部分。首先，回收纯度测试。使用DZSF-520 型振动筛对混合基质筛分处理。结果显示，杂质去除率平均为 96.8% ，蛭石与珍珠岩分离准确率为 98.3%_0.0 。其次，灭菌效果测试。在不同温度与湿度条件下进行微波杀菌实验。结果表明，温度80℃、湿度 40% 、时间 10 分钟的组合效果最佳，细菌存活率低于 0.1%_⨀ 。最后，能耗与经济性分析。系统整体功率约1.5kW，处理每公斤废基质的能耗仅为 0.18kWh ，比传统热水法节能 35%^[4] 。设备制造成本约为1.5 万元，适合中小农户推广。此外，实验还对回收基质的物理性质进行了对比。处理后的基质孔隙度保持在 93% ，容重增加不超过5% ，说明其透气性和持水性能仍符合无土栽培标准[5]。

综上，实验结果验证了系统在回收效率、能耗控制和基质质量保持方面的综合优势，显示出良好的应用前景。

结论与展望

本文所提出的针对低成本无土栽培的混合基质智能循环处理系统，成功突破了传统人工回收在效率方面较低且成本较高的限制，达成了基质从破碎、筛分、消毒直至烘干的自动化一体化处理，实验得出的结果显示，该系统在保证有高杀菌率以及低能耗的情形下，可达成高纯度基质的回收以及稳定的再利用。

未来研究可在以下方向继续深化：引入物联网以及数据云平台，以此达成系统的远程监控功能，还可以实现运行数据的上传以及预测性维护工作，借助 AI 算法对各参数控制给予优化，可降低能耗，同时延长设备的使用寿命，构建标准化的基质回收质量评价体系，以此推动产业化应用以及政策方面的支持。

参考文献

[1] 徐永艳 . 我国无土栽培发展的动态研究 [J]. 云南林业科技 ,2002,(03):90-94.

[2] 高川 , 高龙梅 , 缪凯 . 无土栽培技术在农业生产中的应用研究进展 [J]. 耕作与栽培 ,2025,45(02):83-86.

[3] 吴德礼 , 高敏红 , 付开全 , 等 . 混合基质的生物处理及干燥研究 [J]. 化工设计通讯 ,2017,43(06):200+256.

[4] 曹志辉. 水果黄瓜无土栽培关键技术研究[D]. 湖南农业大学,2016.

[5] 栾德琴 . 无土栽培领域专利技术发展路线分析 [J]. 内蒙古农业科技 ,2015,43(05):137-138.

本文为“2025 年大学生创新训练计划国家级项目”202512746004、“2025 年大学生创新训练计划项目”DC202538 阶段性成果。