CZ2015414A3

CZ2015414A3 - Způsob intenzivního pěstování rostlin v produkční jednotce

Info

Publication number: CZ2015414A3
Application number: CZ2015-414A
Authority: CZ
Inventors: Ivan Bidenko
Original assignee: Environment Commerce Cz S.R.O.
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2017-01-25
Also published as: WO2016206656A1

Abstract

Způsob intenzívního pěstování rostlin v produkční jednotce, kdy pro urychlení fotosyntézy rostlin se produkční jednotka napojuje k integrálnímu biotechnologickému reaktoru pro čištění odpadních vod, se synergickým využitím kysličníku uhličitého CO.sub.2.n., vznikajícího při biotechnologickém rozkladu znečišťujících látek, a současně se využívá kyslíku O.sub.2.n.uvolňovaného fotosyntézou rostlin, který se z vnitřního skleníkového prostoru, ve kterém je situována produkční jednotka, vhání jako stlačený vzduch s vyšším obsahem kyslíku O.sub.2.n.zpět do aeračního prostoru reaktoru, čímž se zvyšuje biologická aktivita mikroorganismů podílejících se na biologickém čištění odpadních vody.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu intenzivního pěstování rostlin v produkční jednotce napojené na systém pro zpracování odpadních vod.

Dosavadní stav techniky

V posledních letech v oblasti čistírenských technologií a procesech čištění odpadních vod se stále více prosazuje aplikace tak zvaných membránových procesů čištění anebo označovaných jako MBR (membrane biological reactors). Podstata jejich aplikace spočívá v možnosti striktně odseparovat čistící kulturu od vyčištěné vody pomoci speciálně vyrobených plastových nanomembrán s velikostí ok od 0,01 mikronů do 0,07 mikronů. Dobrá separovatelnost vyčištěné vody od čistící kultury (aktivovaného kalu) dává možnost zvýšit koncentrace aktivní biomasy a navíc není třeba budovat sedimentační dosazovací prostory. Velkou výhodou membránových procesů je i možnost zvýšit koncentrace biomasy, která v porovnání s klasickými systémy je 2 až 4krát vyšší. To vede k tomu, že organické zatížení přiváděné do jednotkového objemu je úměrně vyšší a tak má celá čistírna menší objemy a tím i nižší investiční náklady. Čištění odpadních vod je však i zdrojem skleníkových plynů, zápachu a produkuje značné množství odpadního kalu. Jejich likvidace i nadále vyžaduje dodatečné prostředky, které prodražují provoz a vznikající skleníkové plyny jsou předmětem zhoršujících se klimatických podmínek ve světě.

Podstata vynálezu

Předkládané řešení dle vynálezu spočívá v kombinaci vysoce efektivních biotechnologických metod čištění odpadních vod, které se odehrává v integrálním biotechnologickém reaktoru, doplněné o intenzivní produkční jednotku k pěstování rostlin, květin, plodin a podobně.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že pro urychlení fotosyntézy rostlin se produkční jednotka napojuje k integrálnímu biotechnologickému reaktoru pro čištění odpadních vod, se synergickým využitím kysličníku uhličitého CO2, vznikajícího při biotechnologickém rozkladu znečišťujících látek, a současně se využívá kyslíku 02 uvolňovaného fotosyntézou rostlin, který se z vnitřního skleníkového prostoru, ve kterém je situována produkční jednotka, vhání jako stlačený vzduch s vyšším obsahem kyslíku 02 zpět do aeračního prostoru reaktoru, čímž se zvyšuje biologická aktivita mikroorganismů podílejících se na biologickém čištění odpadni vody. Současně se využívá odpadní teplo z odpadních vod, které se odebírá z vyčištěné vody pomocí tepelných čerpadel a následně se využívá k vytápění skleníkového ~2~ .:.. .

prostoru nad biotechnologickým reaktorem. Tepelná čerpadla se pro akumulaci elektrické energie vyráběné fotovoltaickými panely pohánějí akumulátorem. Skleníkový prostor s produkční jednotkou se podle požadavků na produkci rostlin s výhodou osvětluje pomocí LED světelných zdrojů v denním nebo nočním provozu. Kaly z čištěných odpadních vod se mohou použít jako zdroj hnojiv a iontů pro pěstování rostlin.

Produkční jednotka zahrnuje vertikální systém hydroponického nebo aeroponického pěstování plodin v mobilních nebo stacionárních regálech.

Způsob podle tohoto vynálezu s výhodou využívá kysličníku uhličitého CO₂, který vzniká při procesech čištění, k urychlení fotosyntézy rostlin. Využívá současně teplo z odpadních vod, které se odebírá z vyčištěné vody pomocí tepelných čerpadel a následně se využívá k vytápění skleníkového prostoru nad čistírnou. Tato kombinovaná produkční jednotka pomocí fotovoltaických článků a vhodně zvolených akumulátorů umožňuje dostatečnou intenzitu osvětlení pomocí LED lamp i v nočním provozu a zejména pak využívá vlhkost z prostředí nad čistírnou a zpracované odpadní kaly Qako hnojivo) a vodu k zavlažování, čímž se docilují výrazně lepší pěstební výsledky s lepší ekonomickou efektivností. Řešení podle vynálezu umožňuje synergické využití CO₂ vznikajícího při biotechnologickém rozkladu znečišťujících látek k posílení fotosyntézy, ale také využití kyslíku uvolňovaného fotosyntézou rostlin, který obsahuje prostředí skleníku, odkud prostřednictvím dmychadel se vhání zpět do aeračního rozvodu čistírny jako stlačený vzduch s vyšším obsahem kyslíku. Je prokázáno, že zvýšení parciálního tlaku kyslíku v aktivačních systémech zvyšuje biologickou aktivitu mikroorganizmů podílejících se na biologickém čištění vody. To má svůj pozitivní dopad na ekonomiku provozu čistíren, ale zejména na minimalizaci uvolňování skleníkových plynů do atmosféry a systém jako celek při snížení závislosti produkce rostlin a plodin na klimatických poměrech a sezónních výkyvech. Vytápění skleníkového prostoru pomocí využití nízkopotenciálního tepla z vyčištěné vody a výměníku tepelných čerpadel snižuje náklady na produkci plodin a zvyšuje rozpustnost O₂ ve vyčištěné vodě (nižší teplota představuje vyšší rozpustnost O₂ ve vodě).

V podstatě jde o dvou komponentní technologický systém, v jehož spodní části se zpracovávají odpadní vody a vznikající kaly a ve vrchní jedno či vícepodlažní části se pěstují plodiny, přičemž hlavním cílem je využit synergismus z rozkladu organické hmoty obsažené ve vodě, kdy vzniká CO2 a tento CO2 je pak pomocí rostlin a fotosyntetických procesů vracen jako 02 k posílení procesu čištění vody. Dále se využívá odpadní nízkopotenciální teplo vody, sluneční světlo a fotovoltaické články a akumulátory, ale také vyčištěná voda k zavlažování a odpadni kaly jako zdroj hnojiv a iontů. Snižuje se odpad, náklady na čištění vody a na výrobu čerstvých potravin, a zejména se snižuje tak zvaná uhlíková stopa pro dopravu. Potraviny jsou u zákazníka vždy čerstvé a vždy s vysokou nutriční a vitamínovou hodnotou, bez mražení a závislosti na vzdálené dopravě, což zvláště v severských zemích a v zimních podmínkách je velký problém. Zde je výroba doslova “přes ulici” a sklízí se několik hodin před konzumací, bez závislosti na klimatických podmínkách regionu.

Zvláště je kladen důraz na dodržení všech hygienických podmínek, takže vzduch v systému se filtruje, všechny prostory jsou klimatizovány a odpady jsou striktně odděleny od produkčního prostoru, kde je dodržována maximální hygiena. Všechny důležité procesy jsou řízené počítačem a jsou automatizované.

Objasnění výkresů

Na připojených obrázcích jsou zobrazeny příklady provedení předloženého vynálezu. Na obr. 1 a 2 je celkový pohled na systém kombinovaného zpracování odpadních vod doplněný o produkční jednotku pěstování rostlin. Na obr. 3 je zobrazen vnitřní prostor systému s výměnou CO2 a 02 mezi produkční jednotkou a čističkou odpadních vod.

Na obr. 4 až 6 je zobrazena produkční jednotka s vertikálním systémem pěstování plodin. Na obr. 7 a 8 je pohled na systém kombinovaného zpracování odpadních vod s produkční jednotkou, s fotovoltaickou napájecí soustavou. Na obr. 9 jsou znázorněny základní konvenční systémy hydroponického pěstování plodin. Na obr. 10 jsou znázorněny příklady mobilních vertikálních systémů pěstování rostlin, na obr. 11 stacionárních systémů pěstování rostlin. Na obr. 12 je schematické uspořádání produkční jednotky pěstování plodin, s příklady těchto plodin.

Příklady uskutečnění vynálezu

Uspořádání systému pro zpracování odpadních vod a jejich využití pro zemědělskou produkci spočívá v kombinaci vysoce efektivních biotechnologických metod čištění odpadních vod, které se odehrává v integrálním biotechnologickém reaktoru, systém je doplněn o intenzivní produkční jednotku k pěstování rostlin, květin, plodin a podobně. Tato jednotka s výhodou využívá C0₂, který vzniká při procesech čištění k urychlení fotosyntézy rostlin, využívá teplo z odpadních vod, které se odebírá z vyčištěné vody pomocí tepelných čerpadel a následně se využívá k vytápění skleníkového prostoru nad čistírnou. Tato kombinovaná jednotka pomocí fotovoltaických článků a vhodně zvolených akumulátorů umožňuje dostatečnou intenzitu osvětlení pomocí LED lamp i v nočním provozu a zejména pak využívá vlhkost z prostředí nad čistírnou a zpracované odpadní kaly jako hnojivo a vodu k zavlažování, čímž se docilují výrazně lepší pěstební výsledky s výrazně lepší ekonomickou efektivností.

~4~ .:.. . ·..·...

Způsob čistění odpadních vod s výhodou strukturu vertikálního farmaření, jehož cílem je zavést strategii soběstačného ziskového systému při řízení čistění odpadních vod. Systém poskytuje místní, čerstvé plodiny pro městskou populaci jako alternativu k současnému globalizovanému modelu postavenému na dodávkách potravin. Hlavním výstupem systému jsou plodiny prodávané na místním trhu.

Studie vývoje populace ukazují, že počet lidí stále roste a v roce 2050 dosáhne 9 miliard. Díky urbanizaci bude většina (více než 60 %) lidí žít ve velkých městech, kde nebude dostatek potravin. Jako v jiných odvětvích ani tady nebude dostatek místa pro jejich výrobu. Tato situace vede k hledání nových cest výroby většího množství potravin při vyšší efektivitě a dobré kvalitě na menší ploše. Vertikální farmaření je známá metoda, jak vyrábět více potravin v jakýchkoliv klimatických podmínkách při vysoké kvalitě a v dostatečném množství. Tato metoda spočívá v pěstování potravin v halách nebo věžích, kdy na stejné ploše lze vypěstovat až 10Okrát více potravin než při běžném farmaření. Systém využívá vertikální stohování regálů a lze jej vybudovat na jakémkoliv místě, nezávisle na klimatických podmínkách.

Kombinace čističky odpadních vod a vertikálního farmaření je nový způsob spojení čistění odpadních vod s výrobou velkého množství výživných a kvalitních čerstvých potravin po celý rok, bez nutnosti spoléhat se na zkušené odborníky, příznivé počasí, vysokou úrodnost půdy, a bez vysoké spotřeby vody. Vedlejší produkty čistění odpadních vod představují potřebné vstupy pro vytvoření známého klimatického prostředí jako ve skleníku (aeroponie, hydroponie), zajišťujícího základní potřeby, jako jsou světlo, teplo, živiny, vzduch a oxid uhličitý. Díky nové technologii osvětlení LED klesají i nároky na elektrickou energii, nutnou pro zajištění dostatečného osvětlení plodin. Kromě toho může systematické pěstování, zaměřené na snižování spotřeby energie a materiálů, využívat výsledky současných výzkumů, např. efektivní pyrolýza, sekvence žaluzií (stínidel), systém plnění atd.

Chytré technologie zabudované do systému podle tohoto vynálezu nabízejí řadu výhod, například :

• Stabilní a spolehlivá vegetační období umožňující komerčním pěstitelům bezpečně se zavazovat k dodržování plánů dodávek a smluvních podmínek. Neexistují žádné „sezónní plodiny“ ani ztráty úrody.

• Zcela uzavřené prostředí s regulací klimatických podmínek odstraňuje vlivy vnějšího prostředí, například choroby nebo útoky škůdců.

• Minimální spotřeba energie při maximálním růstu plodin. Počítačem řízené vlnové délky pro fotosyntézu v souladu s fází růstu rovněž přispívají k minimální spotřebě energie a optimálním výnosům.

• Možnost využívání zelené energie a zbavení se traktorů, zavodňovacích čerpadel a dalších zahradnických zařízení poháněných fosilními palivy.

• Snížení spotřeby vody ve srovnání s tradičním farmařením na polích.

• Díky kompletně uzavřenému systému odpadá závislost na zeměpisné poloze.

• Větší plocha pro pěstování, než u jednoúrovňových hydroponických nebo skleníkových systémů. Kompaktní design umožňuje zakládat cenově dostupné farmy v průmyslových oblastech, městských skladech i jiných nízkonákladových a většinou nevyužívaných lokalitách, které by si nikdo dříve nespojoval s vysoce kvalitními a vysoce výnosnými zemědělskými aktivitami.

• Dosažení více sklizní za rok než u tradičního zemědělství nebo jiných metod farmaření. Zde roste široká škála druhů plodin v prostředí řízeném počítačem s rozsáhlou databází, který reguluje a udržuje optimální podmínky pro růst jednotlivých specifických druhů plodin.

• Ziskovost v komerčním zahradnictví vyžaduje schopnost dodávat stabilně cenově dostupné plodiny při optimálních podmínkách od klíčení po sklizeň.

• Požadavky na optimální růst díky plně integrovanému počítačovému řídicímu systému. Hodnoty teploty a vlhkosti jsou monitorovány a udržovány v optimálním rozsahu pro každou pěstovanou plodinu. U skladových instalací se může dodávat CO2, který dále zrychluje růst plodin a zvyšuje výnosy.

• Maximální rychlost růstu je dosahována díky systému osvětlení s nízkoenergetickými LED, které vyzařují světlo ve speciální části spektra, které plodiny využívají v různých fázích růstu. To je naprogramováno v počítačovém řídicím systému. To vše má podstatný vliv na rychlost růstu a výnosy rostlin.

Platforma pěstování plodin a rostlinné výroby • Volba plodiny a návrh platformy růstu plodin určují vstupy a výstupy vertikálních farem. Návrh kultivační plochy se provádí pro získání odhadu celkové produkce čerstvé biomasy a celkového množství nepoživatelné odpadní biomasy.

• Ve vertikálních farmách lze pěstovat většinu zeleniny a ovoce, které jsou nyní dostupné na trhu. Ekonomika vertikálního farmářství navíc podporuje pěstování plodin s krátkým vegetačním obdobím, např. salát, jahody, byliny nebo špenát. Je rovněž nutné zvažovat plochu potřebnou pro objem výroby jednotlivých plodin.

• Podle zvolené plodiny je nutné navrhnout výšku a šířku pěstování pro zajištění vhodných podmínek pro efektivní pěstování. Každá plodina má odlišné požadavky na vzdálenost řádků, produkce a zisk z jednoho metru čtverečního proto nemohou být obdobné.

• Například vzdálenost kořenů salátu se pohybuje od 20 do 30 cm. Podobně u rajských jablek by měly být 1 až 4 rostliny na metr čtvereční. Z těchto důvodů přesné stanovení druhů rostlin určuje maximální oblast pro kořenové systémy, objem výroby a hospodářské zisky.

• Vertikální farmaření může být navrženo jako hydroponické nebo aeroponické, s přívodem vody, živin k plodinám a kořenům. U hydroponického systému (DWC, NFT nebo BBC) roste kořenový systém v roztocích živin a minerálů nebo v inertním médiu. Kořenový systém aeroponií je postřikován mlhou z minerálních roztoků dodávaných potrubím.

• K materiálům používaným ve vertikálním farmaření pro klíčení a růst, patří například lisovaná rašelina, kokosová vlákna nebo skelná vata u hydroponických systémů. Zatímco během růstové fáze mohou být rostliny umístěny na paletách bez použití inertních materiálů (aeroponický systém), ve fázi klíčení je vhodné používat tyto materiály pro snazší manipulaci a vyztužení kořenů. Stejně tak rostliny s většími plody musí mít správný kořenový systém, který zajistí stabilitu rostliny.

Platformy růstu plodin se volí podle potřeb plodin a zvoleného systému. V tabulce níže jsou uvedeny některé příklady vzdáleností řádků a výnosy na metr čtvereční při tradičním pěstování.

Plodiny	Vzdálenost kořenů [m]	Plocha kořenů [m²]	Počet rostlin na [m²]	2 Vynos na m [kg]	Výnos na rostlinu [kg]
Zelí	0,5 x 0,5	0,25	4	3,2-8,5	2
Mrkev	0,2 x 0,05	0,01	100	3-4,6	0,05
Salát	0,25 x 0,20	0,05	20	1,5 - 2,8	0,15
Papriky	0,4 x 0,7	0,28	4	1-3,8	0,793
Hrách	0,2 x 0,05	0,01	100	1-1,4	0,113
Ředkvičky	0,15 x 0,05	0,0075	133	3,4-4	0,01
Špenát	0,5 x 0,5	0,25	4	0,9-1,1	0,5
Jahody	0,25 x 0,20	0,05	20	1-1,8	0,227
Rajčata	0,5 x 0,7	0,35	3	3-4,5	3,6
Brambory	0,3 x 0,3	0,09	11	3-5,4	0,795

Díky vertikálnímu uspořádání může být výnos na metr čtvereční mnohonásobně vyšší. Nejnovější studie naznačují až 100násobné výnosy ve srovnání s tradičním farmařením.

Pěstební palety mohou být navrženy jako stacionární nebo mobilní pro snadnou sklizeň. Plody z vyšších úrovní se sklízejí pomocí žebříku. V případě mobilních palet lze plody sklízet pohodlně ze země.

Systém pěstování plodin v regálech

Systém pěstování plodin v regálech je jedním z nejvyužívanějších hydroponických nebo aeroponických systémů vertikálního pěstování. Počet koryt je vypočítán podle výšky rostlin včetně kořenového systému.

Jedno pěstební koryto je tvořeno třemi hlavními oblastmi: pěstební paleta (prostor pro kořenový systém), prostor pro rostliny a prostor pro osvětlovací LED. Prostor pro kořenový systém se pohybuje od 0,15 m pro jahody po 0,4 m pro brambory. Obecně menší prostor pro kořeny znamená větší a produktivnější nadzemní část plodin. Rostliny s podzemními plody vyžadují vyšší palety pro správný vývin plodů. Prostor pro rostlinu je závislý na zvolené plodině a určuje počet koryt na jednotku délky ve svislém směru. Kromě toho stavební výška definuje počet koryt na jeden pěstební systém. Zatímco objem výroby roste s počtem poryt na metr čtvereční zastavěné plochy, sklizeň plodin se stává obtížnější. Pokud je systém regálů vyšší než 2 metry, sklizeň musí být prováděna ze servisní plošiny.

Plodina	Výška zóny výhonků[m]	Zóna výhonků [m]	Celková výška rostliny [m]	Výška kanálu [m]
Zelí	0,35	0,15	0,5	0,6
Mrkev	0,20	0,3	0,5	0,7
Salát	0,25	0,15	0,4	0,5
Hrách	0,5	0,2	0,7	1
Papriky	0,4	0,2	0,6	0,75
Ředkvičky	0,2	0,3	0,5	0,6
Špenát	0,25	0,15	0,4	0,5
Jahody	0,25	0,15	0,4	0,5
Rajčata	0,4	0,2	0,6	0,75
Brambory	0,65	0,4	1,05	1,5

Tabulka výše obsahuje základní parametry pro návrh pěstování plodin. Díky konstrukci osvětlení používané při vertikálním farmaření může být vzdálenost osvětlení od rostlin menší než 0,5 metru.

Věž ve tvaru A

Věže ve tvaru A jsou vhodné pro plodiny s výškou porostu do 0,5 m, například jahody, ředkev, salát nebo baby špenát. Věže pro vertikální pěstování se dodávají v uspořádání s výškou 3 m, 6 m a 9 m a půdorysem 6 metrů čtverečních.

Každá věž je tvořena 12 až 36 patry pěstebních koryt, která se otáčejí okolo hliníkového rámu věže rychlostí 1 mm za sekundu pro zajištění rovnoměrného osvětlení slunečním zářením, dostatečného proudění vzduchu a zavlažování všech rostlin.

Tento hydroponický systém je zavlažován mikropostřikem, nebo může být voda dodávána přímo k pěstebním korytům. Rotační zařízení nevyžaduje elektromotor, aleje poháněno jedinečným vodním systémem na bázi gravitace, který spotřebuje jeden litr vody přiváděné z nadzemní nádrže dešťové vody.

Plodiny	Konfigurace Avěže[m]	Plocha palety [m]	Vzdálenost kořenů [m]	Plocha kořenů [m]	Rostliny na paletu
Mrkev	2,88 x 0,306	0,88128	0,2 x 0,05	0,01	114
Salát	2,88 x 0,306	0,88128	0,25 x 0,20	0,05	24
Ředkvičky	2,88 x 0,306	0,88128	0,15x0,05	0,0075	118
Špenát	2,88 x 0,306	0,88128	0,5 x 0,5	0,25	6
Jahody	2,88 x 0,306	0,88128	0,25 x 0,20	0,05	20

Systém Omega Garden (zahrady Omega)

Pro pěstování plodin, které nemají velké plody, může být vhodný i systém Omega Garden. V tomto systému lze snadno pěstovat řadu druhů bylin s výbornými výsledky. Většina druhů bylin pro sběr listů nebo poupat se snadno přizpůsobuje podmínkám výživy, osvětlení a pěstování systému Omega Garden. Zejména u těchto druhů bylo dosaženo obrovských výnosů na vegetační období: bazalka, máta, řimbaba, majoránka, tymián nebo dobromysl. Salát je další potravinou, u které byly prokázány vynikající výsledky při pěstování s využitím systému Omega Garden. Listové odrůdy salátu dosahují nejlepších výsledků a vykazují velké objemy. Hlávkové saláty rovněž dosahují dobrých výsledků, ale hlávky mohou být více listnaté než při tradičním pěstování v důsledku otáčení zahrad.

Systém Omega Garden může obsahovat 80 rostlin na rotační válec s centrálním přídavným osvětlením. Jeden omega válec zabírá pouze 0,6 metru čtverečního podlahové plochy. Tento hydroponický systém používá pro pěstování košíčky zavlažované minerálním roztokem.

Plodiny	Rostliny na systém	Podlahová plocha [m]
Máta	80	0,6
Řimbaba
Majoránka
Tymián
Oregano
Salát

Osvětlení

Jednou z nejdůležitějších potřeb rostlin je jejich osvětlení. Rostliny, které trpí nedostatkem světla, jsou dlouhé a tenké v důsledku snahy dosáhnout světla. Osvětlení vertikální farmy zajišťuje slunce nebo jiné zdroje v závislosti na klimatických podmínkách, výšce budovy a požadovaném objemu výroby. Pokud je sluneční svit dostatečný pro potřeby rostlin, umělé osvětlení slouží pouze jako doplňkový zdroj světla. V zimním období nebo při zatažené obloze se používá osvětlení zářivkami nebo LED. Osvětlení pomocí LED má vyšší účinnost než osvětlení zářivkami při vytváření vhodných podmínek pro pěstování plodin. Tyto moduly lze nastavit pro specifické vlnové délky podle zvolené plodiny.

Úkolem osvětlení je zajistit dostatečné množství světla a tepla pro všechny rostliny. Hlavním cílem je dosáhnout rovnoměrného osvětlení v horizontální rovině, ovšem vertikální uspořádání osvětlení podporuje efektivní růst vyšších rostlin, například rajčat.

Osvětlení shora

Vnitřní osvětlení (jedna nebo dvě řady)

Díky tepelně optimalizované konstrukci je na rostliny vyzařováno pouze velmi malé množství tepla. Vzdálenost LED od rostlin tak může být menší pro efektivnější využití prostoru. U nové generace světelných zdrojů LED je rovněž menší tepelné vyzařování, takže vstupní výkon na daný fotonový tok je nižší a to zajišťuje téměř nulové ztráty světla. Světlo emitující diody LED nové generace dosahují přibližně pětinásobné životnosti než běžné světelné zdroje. Jmenovitá životnost LED modulu je 50 000 hodin při 70% účinnosti počátečního fotonového toku (zaručovaných 25 000 hodin při fotosyntetickém fotonovém toku 90 %).

Vyšší objem výroby je rovněž závislý na době osvětlení systému. Pro většinu rostlin je postačující osvětlení v délce 12-16 hodin při fotonovém toku 200 - 300 pmol/m². Počet LED je závislý na požadovaném objemu výroby, ploše pěstebních koryt a zvolených plodinách.

Podle fytochromů a vegetační fáze se používá červené a modré světlo poskytované panely LED o šířce cca 4-5 cm.

Pro zajištění delší životnosti a zabránění poškození panelů LED je velmi důležité jejich chlazení. Obecně je 50 - 80 % energie přeměněno na teplo při zanedbatelném ohřevu vzduchu, proto je nutné celý systém chladit.

V následující tabulce jsou uvedeny fotonové toky a počty hodin osvětlení potřebné pro různé druhy rostlin.

Plodiny	Denní světlo [h]	PPF [ pmol/m 2. s]
Zelí	12	196,8
Mrkev	16	196,8
Salát	16	196,8
Papriky	12	277,8 ____
Hrách	12	312,5
Ředkvičky	16	196,8
Špenát	16	196,8
Jahody	12	254,6
Rajčata	12	312,5
Brambory	12	324,1

Požadavky na teplotu

Teplota je jedním z nejdůležitějších parametrů, který je nutné nastavit podle zvolené plodiny pro vysokou efektivitu výroby. Správné teploty je dosaženo využitím odpadního tepla z výstupní vody a tepelným čerpadlem.

Kombinovaný systém zajišťuje konstantní teplotu v létě i v zimě, kdy venkovní teplota klesne.

Plodina	Teplota během dne ’C	Teplota během noci °C
Zelí	25
Mrkev	17
Salát	23

Spotřeba živin, vody a oxidu uhličitého

Dodávka živin a vody je závislá na zvoleném hydroponickém nebo aeroponickém systému. Pěstování plodin formou vertikálního farmaření je nejpřesnější pěstební metodou, která poskytuje vysokou efektivitu výroby. Tato pěstební metoda vyžaduje pravidelnou analýzu vody na základě změn obsahu živin.

Upravená voda je vedlejším produktem čistírny odpadních vod. Je přiváděná v rozprášené nebo kapénkové formě přímo ke kořenům v inertní hmotě.

Při pěstování rostlin hraje nejdůležitější roli v zachování zdraví rostlin 17 základních živin. Všechny rostliny musí mít dostatečný příjem všech živin pro dosahování optimálních výnosů. Podle zákona minima platí, že pokud se v systému nedostává jedné nebo více živin, výnosy budou nižší, i pokud je ostatních živin dostatečné množství. Výnosy mohou být sníženy prvkem s nejnižší dodávkou, který je tak klíčovou živinou potřebnou pro vzrůst plodiny. Navíc mají různé odrůdy během růstu odlišné požadavky na množství dodávaných živin. Základní prvky jsou přijímány a zabudovávány v různých množstvích podle fáze růstu nebo kvetení.

Makroelementární živiny, jako fosfor, dusík nebo draslík, jsou nezbytné pro fotosyntézu, dělení buněk a tvorbu plodů. Hlavní prvky jsou dodávány formou kapalného hnojivá naředěného ve správném poměru.

Spotřeba vody a oxidu uhličitého je pokryta produkty čistírny odpadních vod a recyklací v systému. Správné množství vody s obsahem živin je dodáváno čerpadlem do míchací nádrže a odtud trubkami k paletám hydroponického systému.

Plodina	Denní absorpce CO2 [g/g]	Vstřebání vody na čerstvou biomasu [g/g]	Produkce plodin omezená kysličníkem uhličitým CO₂[tuny/ rok]
Zelí	0,12	21,45	437,01
Mrkev	0,17	13,14	609,69
Salát	0,08	12,77	281,68
Hrách	0,26	14,20	953,80
Papriky	0,12	10,02	448,77
Ředkvičky	0,11	12,07	405,89
Špenát	0,13	22,05	486,55
Jahody	0,16	5,49	571,62
Rajčata	0,12	9,20	439,18
Brambory	0,23	14,73	844,23

Systém řízení vzduchu zajišťuje větrání a cirkulaci vzduchu, při které se odloučí většina vypařené vody. Pro zvýšení produkce plodin je potrubím rozváděný oxid uhličitý z vyvíjecí nádrže. Rostliny spotřebují 0,1 - 0,3 g CO₂ na gram čerstvé biomasy.

Kromě produkce oxidu uhličitého obsahuje tento vzduch vodní páru, metan, H2S, merkaptany, dimetylsulfid a čpavek ve formě těkavých organických sloučenin. Aby nedošlo ke kontaminaci plodin, je nutné vzduch čistit pomocí biologických filtrů, které zbavují vzduch znečisťujících látek a obohacují jej o oxid uhličitý. Biologické filtry pracují na principu biovrstvy, která pokrývá částečky použitého materiálu a náplně. Těkavé znečisťující látky jsou rozkládány za přítomnosti kyslíku ve vlhké biovrstvě a jsou metabolizovány aerobním procesem působením mikroorganizmů.

Míchací nádrž je navíc vybavena pH metry, snímači obsahu živin a hladinovým snímačem, které jsou připojeny k počítači a zajišťují stálou kvalitu podmínek v systému. Pro dodávku správného množství oxidu uhličitého se koncentrace CO₂ měří pomocí snímačů TĚSTO.

Teplo a elektrická energie

Tepelné čerpadlo a soustava chlazení

Fotovoltaické články a soubor akumulátorů dávají energii pro regulaci teploty a soustavy vytápění a chlazení. Systém vytápění využívá tepelné čerpadlo voda/voda, které přenáší teplo z výstupní vody. Toto teplo je rovněž používáno pro vytápění. Chladicí soustava, je-li nutná v letním období, bude používat uzavřený systém voda/voda. Základem však je, že fotovoltaický systém a akumulace energie v nové generaci efektivních akumulátorů dodávají el. energii pro celý systém. Použité tepelné čerpadlo CIAT je typu voda/voda, je určené jako zdroj tepla. Oběhové čerpadlo primárního a sekundárního okruhu je instalované na vstupu jednotky tepelného čerpadla. Přenos tepla od panelů LED na okolní vzduch je zanedbatelný. Veškeré teplo z osvětlovacích LED je předáváno do chladicí soustavy. Chlazení budovy, pokud je v letním období nutné, je zajištěno chladicí soustavou voda/voda. Tato jednotka je uzavřená a předává teplo výstupní vodě.

Fotovoltaická napájecí soustava

Na krytých částech vertikální farmy a střeše budovy i vedle ní jsou instalovány solární panely pro zajištění energetické spotřeby technologických zařízení a osvětlovacích LED. Prosklená střecha je částečně pokryta skleněnými solárními panely, které zachycují sluneční záření ve své struktuře.

Fotovoltaickou napájecí soustavu tvoří solární panely, invertory DC/AC a AC/DC, měnič a hlavní nástěnná akumulátorová baterie. Solární panely jsou umístěné na střeše a mění sluneční záření na elektrickou energii.

DC/AC a AC/DC převodníky řídí průtok elektrického proudu. Nová technologie průhledných solárních panelů umožňuje instalaci nad schodištěm nebo na bočních stěnách budovy jako okna a snížení intenzity vnitřního osvětlení.

Fotovoltaický modul	Výkonr [Wp]	Cena [Kč]	Vzdálen ost	Plocha [m²]	Množst ví	Výkon [kWp]
ECO line eco line 60/230 - 250W	250	4800	0,992 x 1,640	50 + 60	60	15
SunForte PM096B00 (320 ~ 330 Wp)	330	8269	1,046 x 1,559	250 +200	260	85

Energetické zpracování kalu a odpadní biomasy

Kal odváděný z čističky odpadních vod (WWTP) a odpadní biomasa se používají jako hlavní zdroj pro recyklaci energie s využitím pyrolytické jednotky a kogenerační jednotky. Zde dochází k dalšímu zpracování, při kterém je nutné snížit obsah vlhkosti o cca 60 %.

Pyrolytická jednotka bude umístěná samostatně v blízkosti výstupu kalu.

Horký vzduch pro vysoušení kalu a biomasy se získává pomocí tepelného čerpadla, které odvádí teplo z výstupní vody proudící do nádrže.

Návrh vertikální farmy

Farma v tomto příkladu provedení se nachází v mírném pásmu a teploty se v letním období pohybují v rozsahu +20 °C - +30 °C. Podnební pásmo určuje rostlinnou výrobu. Dovoz ovoce a zeleniny, případně pěstování ve sklenících jsou jediné možnosti, jak zajistit čerstvé plodiny v zimních měsících.

Čistička odpadních vod s vertikální farmou je jedinečný projekt čistění odpadních vod spojeného s pěstováním různých druhů plodin. Vertikální farma se nachází v prvním patře na kruhové ploše 855 čtverečních metrů. Podle potřeb obyvatel lze volit různé plodiny a na základě toho je možné rozdělit plochu na zóny s rozdílným mikroklimatem, speciálními podmínkami osvětlení, spotřeby vody a živin a nároky na soustavy vytápění a chlazení.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob intenzivního pěstování rostlin v produkční jednotce, vyznačující se tím, že pro urychlení fotosyntézy rostlin se produkční jednotka napojuje k integrálnímu biotechnologickému reaktoru pro čištění odpadních vod, se synergickým využitím kysličníku uhličitého CO2, vznikajícího při biotechnologickém rozkladu znečišťujících látek, a současně se využívá kyslíku 02 uvolňovaného fotosyntézou rostlin, který se z vnitřního skleníkového prostoru, ve kterém je situována produkční jednotka, vhání jako stlačený vzduch s vyšším obsahem kyslíku 02 zpět do aeračního prostoru reaktoru, čímž se zvyšuje biologická aktivita mikroorganismů podílejících se na biologickém čištění odpadní vody.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se současně využívá odpadní teplo z odpadních vod, které se odebírá z vyčištěné vody pomocí tepelných čerpadel a následně se využívá k vytápění skleníkového prostoru nad biotechnologickým reaktorem.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že tepelná čerpadla se pro akumulaci elektrické energie vyráběné fotovoltaickými panely pohánějí akumulátorem.
4. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že skleníkový prostor s produkční jednotkou se podle požadavků na produkci rostlin osvětluje pomocí LED světelných zdrojů v denním nebo nočním provozu.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kaly z čištěných odpadních vod se použijí jako zdroj hnojiv a iontů pro pěstování rostlin.
6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že produkční jednotka zahrnuje vertikální systém hydroponického nebo aeroponického pěstování plodin v mobilních nebo stacionárních regálech.