再生水滴灌系统灌水器堵塞的微生物学机理及控制方法研究

滴灌因其精量、可控而被认为是再生水最安全、可靠的灌溉方式,然而再生水中含有大量的颗粒物、营养盐分、有机物、微生物等物质使得灌水器堵塞机理变得更为复杂,堵塞风险也大幅度增加。该文在对灌水器堵塞物质-生物膜结构、组分变化特征进行分析,基于生物膜组分:干物质量(DW)、磷脂脂肪酸(PLFAs)和胞外聚合物(EPS)含量与灌水器堵塞程度之间显著的"S型曲线"关系明确了生物膜形成是诱发灌水器堵塞的根本原因。灌水器堵塞过程中表现为:再生水中微生物首先在滴灌系统毛管内部固定形成生物膜,并不断摄取、消耗水中的底物和营养物进行新陈代谢,分泌大量的胞外多聚物,并依靠胞外多聚物的黏性不断吸附微生物及固体悬浮颗粒物而引起生物膜不断形成、生长与脱落以及堵塞沉积物的不断聚集,而最终导致灌水器堵塞。从流道结构形式与几何参数、水体颗粒物特性、近壁面流动剪切力、灌溉水质以及灌水频率五个方面阐述生物膜的形成机制及影响因素。并分别从灌水器流道结构优化(增强流道自清洗能力,促进生物膜脱落)、抗菌材料开发(抑制微生物附着)、化学加氯、微生物拮抗与生长群体响应、微纳米气杀菌等多个角度出发提出了以生物膜形成为靶向目标的灌水器堵塞控制技术体系。最后从滴灌灌水器内部附生生物膜的水动力学-微生物学耦合作用机制研究、滴灌灌水器堵塞预报的综合模拟模型构建及灌水器设计参数合理阈值确定、协同考虑灌水器堵塞清除效应与土壤质量健康长期可持续发展的堵塞控制模式建立三个方面出发提出了再生水滴灌系统灌水器堵塞控制领域未来急需解决的问题。     

纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理

沼液中含有大量的微生物、盐分离子与固体颗粒物等致垢物质,极易导致沼液滴灌系统灌水器物理-生物-化学复合堵塞,纳米气泡凭借其比表面积大、表面带负电荷、吸附性能高等特点,有望成为一种协同控制沼液灌溉系统复合型污垢的可靠方法。该研究旨在探究纳米气泡（Nanobubbles,NBs）对沼液滴灌系统灌水器复合型堵塞的缓解效应,明确NBs对灌水器附生生物污垢、化学沉淀和颗粒污垢的控制效果。将无NBs水和饱和NBs水进行不同体积配比,配置了3种NBs浓度的灌溉水：对照组（无NBs水）、饱和NBs水（全部为NBs水）、半NBs水（体积比1∶1）,分别对3种内镶片式灌水器开展试验。结果表明：与对照组相比,NBs有效地缓解了灌水器堵塞,系统运行末期3种类型灌水器内部堵塞物质的干质量分别降低了22%～49%、18%～41%和25%～47%,而滴灌系统的相对平均流量和克里斯琴森均匀系数整体提高了15%～44%和26%～48%。NBs有效地控制了灌水器附生的生物污垢、化学沉淀和颗粒污垢形成,使得堵塞污垢中胞外聚合物的含量降低了29%～53%,碳酸盐、磷酸盐等化学沉淀的含量降低了52%～75%,而颗粒污垢的总量降低了35%～68%。相比而言,饱和NBs水处理比半NBs水处理下污垢的干质量减少了21%,建议在沼液滴灌工程中采用饱和NBs的方式来缓解灌水器堵塞。该研究证明了NBs是一种有效且生态友好型的防灌水器复合堵塞技术,有助于沼液滴灌技术的进一步推广。     

射流三通产生的高频压力脉冲对迷宫流道灌水器堵塞的影响

滴头堵塞是滴灌技术发展的主要障碍。为了分析75 kPa射流三通入口压力下形成的压力脉动对迷宫流道灌水器堵塞的影响。该研究以3个压力（恒定压力，射流三通左侧和右侧的脉动压力），采用因素组合，进行了滴灌系统迷宫流道灌水器堵塞试验研究，最后确定射流三通产生的高频压力脉冲与稳压对平均相对流量（Dra）和克里斯琴森均匀性系数（CU）的影响。结果表明，射流三通组的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数分别比普通三通组高10.8%～14.8%和21.1%～44.9%。3种浑水浓度下（0.5，1.0和1.5 g/L），对于普通三通组，在第16、11和7次灌溉运行之后，平均相对流量降低到74%，这被认为灌水器处于严重堵塞的状态。但是，对于射流三通左和右侧组，分别在第18、16、14、13、11和10次运行后，平均相对流量仍高于75%。高泥沙沉积物浓度（1.5 g/L）的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数与低和中泥沙沉积物浓度（0.5和1.0 g/L）的有显着差异（P<0.01）。高浓度（1.5 g/L）时堵塞的可能性迅速增加，但此浓度下射流三通较普通三通依然具有抗堵塞性能。总之，射流三通产生的高频压力脉冲具有稳定的防堵塞性能。建议使用射流三通代替滴灌系统中的普通三通，以防止灌水器堵塞。     

沼液滴灌系统灌水器堵塞模型构建及系统参数优化

在沼液滴灌工程实际生产应用中,为有效预防灌水器发生堵塞,提高沼液滴灌系统运行的可靠性,该文以实际沼气工程发酵剩余的沼液为试验样本,从满足作物生长需求、合理调控系统运行模式的角度出发,以沼液滴灌系统水肥配比、灌水压力、滴头流量为影响因素,以灌水器的平均相对流量和首次发生堵塞的时间为试验指标进行试验研究,建立了沼液滴灌系统灌水器堵塞预测模型。试验采用响应曲面法,利用Design-Expert8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素对沼液滴灌系统灌水器堵塞影响的数学模型,对所建立的数学模型进行了试验性验证。试验分析结果表明:水肥配比、灌水压力和滴头流量对沼液滴灌系统灌水器平均相对流量和首次发生堵塞时间的影响都是显著的,且影响主次顺序均为:滴头流量>水肥配比>灌水压力。在较大的水肥配比和滴头流量条件下,平均相对流量最大,首次发生堵塞时间最长;当灌水压力取适当的中间值时,灌水器抗堵塞性能较好。响应曲面法优化后获得的最佳综合堵塞模型指标为:水肥配比为3:1,灌水压力为0.14 MPa,滴头流量为12 L/h,在该条件下,平均相对流量为0.83,堵塞时间为55 h。经试验验证,实测值与模型理论值的平均相对误差小于4%,表明模型预测效果良好,能够较为准确地预测灌水器堵塞风险和首次发生堵塞的时间。     

细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器堵塞的影响

为探明细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器抗堵塞性能的影响,该文以内镶片式斜齿形迷宫流道灌水器为研究对象,应用类短周期堵塞测验方法对8种粒径小于0.1 mm的泥沙颗粒进行浑水测试。在此基础上,分析了泥沙粒径和含沙量对灌水器堵塞的影响,探讨引起灌水器发生堵塞时的敏感粒径范围与含沙量水平。试验结果表明:对于粒径小于0.1 mm的细小颗粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,当浑水含沙量水平大于1.25 g/L时,影响尤其显著,呈正相关关系;粒径对堵塞的影响并不是单调的递增或递减,堵塞发生的敏感粒径范围在0.03～0.04 mm之间。试验结果有助于进一步提高含沙水源滴灌的应用水平。     

肥料种类与浓度对灌水器堵塞特征的影响及防堵策略

为降低堵塞风险,延长灌溉系统使用寿命,提高灌溉施肥均匀度,研究通过3种滴灌带（管）水肥一体化长周期堵塞试验,测试尿素、硫酸钾、氯化钾、磷酸一铵、磷酸二铵在不同浓度（0、0.4、0.8、1.0、1.2 g/L）滴灌时各灌水器堵塞性能,结合场发射扫描电镜、EDS表面能谱分析和X射线衍射仪等物质分析方法,探究肥料种类及浓度对灌水器堵塞及堵塞物质累积的影响,并揭示水肥一体化滴灌灌水器化学堵塞形成过程。结果显示：不同肥料种类、浓度对迷宫灌水器造成的影响不同。随着浓度增加,尿素灌溉下侧翼迷宫滴灌带相对流量下降速率加快,存在堵塞风险;磷酸二铵灌溉下,发生明显堵塞;片状滴灌带相对平均流量和灌溉均匀系数随灌水次数增加而降低,且降幅随肥液浓度增大而增大。堵塞物干质量都随着灌水次数的增加而增加,与灌水器的相对流量和灌溉均匀系数随着灌水次数的增加而降低的趋势吻合。随着肥液浓度的升高,水流剪切力对堵塞物质影响越小。因此,磷酸二铵的施肥浓度以不超过1.2 g/L为宜。研究可为控制滴灌系统化学堵塞、延长灌水器使用寿命提供依据。     

加氯及毛管冲洗控制再生水滴灌系统灌水器堵塞

再生水滴灌系统中灌水器生物堵塞与其内部堵塞物质-附生生物膜的形成、生长有着密切关系,加氯配合毛管冲洗既可以借助加氯杀菌抑制微生物生长,又可以利用毛管冲洗的剪切力作用而促进毛管内部堵塞物质的脱落而冲出系统外部,有望成为一种控制灌水器内部生物膜形成与堵塞的有效措施。为此,借助周期循环式活性污泥法(cyclic activated sludge system,CASS)工艺污水处理厂现场再生水滴灌系统灌水器堵塞试验,研究毛管冲洗、加氯、加氯配合毛管冲洗3种模式对再生水滴灌系统灌水器堵塞控制效果。研究发现加氯配合毛管冲洗可有效降低灌水器内附生生物膜中微生物的数量,较单独的毛管冲洗、加氯以及未进行任何处理条件下微生物磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acids,PLFAs)含量分别降低了52.2%、44.2%、73.2%,微生物分泌的黏性胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)含量也分别降低了约28.0%、22.9%、63.9%,在微生物及其分泌的黏性多聚物的共同作用下,使得灌水器内部堵塞物质总量分别降低了47.4%、43.1%、69.1%,进而使得灌水器相对平均流量和灌水均匀度最高分别提升了40.0%、53.0%,灌水均匀度(coefficient of uniformity,CU)达到了70%以上。同时表明在推迟加氯起始时间后(即灌水器相对平均流量(discharge ratio variation,Dra)降至80%开始加氯),加氯仍可以达到满意的堵塞控制效果。但加氯配合毛管冲洗也会显著增加微生物活性,分别提升了36.5%、29.0%、15.7%,这也使得对灌水器堵塞的恢复效果逐渐降低。     

红壤粒径肥料浓度和灌溉方式对不同灌水器堵塞的影响

为探究水肥一体化灌溉过程中造成灌水器堵塞的影响因素,采用3个肥料浓度、3个红壤粒径段和2种灌溉方式,进行3种灌水器的堵塞试验,测定有效灌水次数。结果表明:1)红壤粒径越大越易造成流量可调灌水器堵塞。存在造成内镶贴片式滴灌带堵塞的敏感粒径段,范围0.0385~0.074 mm的红壤粒径容易造成灌水器堵塞;2)肥料浓度≤0.6 g/L时,肥料浓度加速灌水器堵塞显著。肥料浓度0.6 g/L,肥料浓度加速灌水器堵塞的效果较小;3)8孔流量可调灌水器在根区渗灌条件下更容易发生堵塞;而灌溉方式对于2孔流量可调灌水器和内镶贴片式滴灌带堵塞的影响差异不明显。4)浑水施肥条件下,内镶贴片式滴灌带的抗堵塞性能最好,其次是2孔流量可调灌水器,8孔流量可调灌水器的抗堵塞性能最差。该文为水肥一体化技术在云南红壤土中的应用提供理论依据。     

边缝式迷宫滴灌带灌水器流道内泥沙沉积影响因素分析

为研究灌水器流道内泥沙颗粒淤积特性的影响因素，进一步降低物理堵塞发生的风险，该研究配置不同浓度（1.8、2.8、3.8 g/L）和不同粒径（0 $\leqslant $ d < 0.054 mm、0.054 mm $\leqslant $ d < 0.075 mm、0.075 mm $\leqslant $ d < 0.1 mm）的含沙水，进行全组合间歇滴灌堵塞试验，对含沙水灌溉下灌水器泥沙沉积特性进行分析并对灌水器内流态进行数值模拟研究。结果表明：灌溉结束后，经由边缝式迷宫灌水器输出的泥沙中，黏粒与砂粒比例下降，粉粒比例上升，即灌水器弯曲流道对小于0.002 mm和大于0.05 mm粒径的泥沙具有明显阻滞作用，流道内堵塞的泥沙集中在0.054～0.1 mm的中大粒径范围内。灌水器流道内部流线在主流区呈波浪状前进，主流区水流流速大于近壁区，中部转角处流速均偏大。沙粒易受上转角和下转角处产生的漩涡影响而沉降集中在漩涡中心及背水面。滞留在漩涡区内的泥沙颗粒是引起灌水器堵塞的主要因素。为减少灌水器堵塞风险，在设计优化时宜考虑减少直角、锐角区域以减少漩涡区的形成。     

基于含沙量等值线的迷宫流道结构抗堵塞设计与模拟

以提高迷宫流道灌水器的抗堵塞能力为目的,以齿型流道结构的灌水器为主要研究对象,首先应用计算流体力学（computational fluid dynamics）二相流模拟方法分析了迷宫流道灌水器的水力性能,重点模拟了含沙量在流道内的分布规律,提出了以较小的含沙量等值线为流道边界对流道进行优化设计的方法,通过对2次优化后的流道结构进行二相流数值模拟,发现优化后流道的含沙量分布较原型流道的含沙量分布更加均匀,大量固体颗粒集中在进出口附近流道单元壁面的现象基本消除,流道优化设计后灌水器的抗堵塞性能得到显著改善。其次,对优化结果进行了标准化设计,制作了原型与标准化模型片式滴头,生产了测试滴灌带。最后,分别对2种滴头进行了水力性能测试与抗堵塞试验,验证了数值模拟结果。结果表明：以较小的含沙量等值线作为流道基本边界进行流道抗堵塞优化设计与标准化设计获得的流道,保持了原型流道的优良水力性能,改善了抗堵塞性能,使用寿命是原型的2倍。     

滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响

为探明滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响规律及堵塞机理,该文选取不同硬度水源和2种滴头(内镶圆柱式、内镶贴片式)进行滴灌试验,研究滴头的流量变化和堵塞规律,并用场发射扫描电镜技术观测了滴头内堵塞物的结构及成分。结果显示:硬水滴灌条件下,2种滴头的平均相对流量随着滴灌运行时间的增加呈均匀下降趋势,且水质越硬下降越明显;硬水滴灌会造成滴头堵塞,且水质越硬堵塞程度越严重。但同一硬度水源处理下,2种滴头的平均相对流量和堵塞程度基本一致。堵塞的滴头在毛管的前1/3段、中1/3段、后1/3段都有分布。堵塞物质分析显示,Ca CO3沉淀导致的化学堵塞是滴头堵塞的主要原因。研究结果为滴灌技术在灌溉水质较硬地区的推广使用提供参考。     

地下滴灌专用滴头的研制及初步应用

介绍一种既具有防负压堵塞性能又具备较佳压力补偿性能的地下滴灌专用滴头的设计思路和结构，通过室内试验，对滴头的防负压性、出流均匀性及压力—流量补偿关系等进行测试，并在田间进行实际应用考核。结果表明，这种滴头的结构不仅可以有效地防止因系统负压引起的滴头流道堵塞，同时滴头自身还具有良好的水力学性能。与传统的枣树穴灌方法对比，采用地下滴灌技术可节水约42%，增产26%，节水增产效果显著。     

施肥对浑水灌溉滴头堵塞的加速作用

为探究水肥一体化灌溉过程中,施肥对滴头堵塞的影响,分别配置了4个施肥浓度(0,0.4,0.6和1.2 g/L),3种泥沙级配,进行浑水间歇灌水堵塞试验,并用场发射扫描电镜分析了堵塞物的结构与成分。结果表明:施肥对于迷宫滴头堵塞具有明显的加速作用,施肥浓度越大,加速堵塞效果越明显,当施肥1.2 g/L时,3种级配浑水的有效灌水次数比未施肥的对照处理分别下降了36.4%,77.8%和78.8%;当施肥0.4 g/L时,有效灌水次数分别下降9.1%、33.3%和14.3%,施肥浓度≤0.4 g/L时,加速滴头堵塞的效果较小。浑水中增加化肥增强了水体中泥沙颗粒间的絮凝作用,促进了稳定而致密团聚体的形成,这是施肥加速滴头堵塞的主要原因;施肥后堵塞物表面结构复杂程度增加,堆积体间隙减小,堵塞以完全堵塞为主。该试验结果为水肥一体化滴灌技术推广提供理论依据。     

滴头堵塞程度分级和评价及堵塞风险预测方法

为了准确监测滴头的堵塞状态，预测滴头堵塞程度的发展变化趋势。该研究基于模糊综合评价法，以相对流量变化量、灌水均匀度变化量为评价指标，用熵权法和三角形隶属度函数计算各评价指标权重和隶属度，建立了滴头堵塞综合评价指标（Evaluation Index，EI），利用灰色GM(1,1)预测模型预测滴头堵塞程度随灌水时间的变化情况。结果表明：滴头堵塞是一个随灌水时间增加而波动渐进的过程，滴头堵塞过程可分为波动平稳阶段和快速发展阶段2个过程，不同滴头的堵塞过程具有一致性规律，不同灌水时间的EI值间具有很好的相关性，可以根据前期试验数据预测滴头后期堵塞程度的变化趋势；提出了基于EI的滴头堵塞程度5级分级标准和方法，建立了基于5次测试灌水数据的滴头堵塞风险灰色GM(1,1)预测方法，可以预测不同滴头未来不同灌水时间后的滴头堵塞状态，对7种滴头堵塞程度的预测结果准确率为85.7%。该方法为滴头抗堵塞能力评价以及滴灌工程抗堵塞预防措施的配置提供了理论依据。     

再生水滴灌灌水器附生生物膜生长对堵塞的影响

再生水滴灌灌水器堵塞与其内部附生生物膜的形成和生长密切相关,但是生物膜的生长过程对灌水器堵塞加深的影响机制至今还罕有报道。基于此,该文测试了系统累积运行540 h后7种不同堵塞程度灌水器出流及附生生物膜关键组分,并分析灌水器堵塞加深对生物膜组分增长的敏感性。结果表明:灌水器堵塞程度随着附生生物膜组分的增长而加深,两者存在显著的"S型曲线"相关关系(R20.92),呈现出"敏感-微敏感-极度敏感"变化趋势。生物膜固体颗粒物和磷脂脂肪酸含量变化可以极好地刻画这种敏感性的变化过程,说明水源颗粒物和微生物同时是再生水滴灌灌水器堵塞的关键诱发因素。该文的研究可为揭示再生水滴灌灌水器堵塞诱发机理及其推广提供理论依据。     

不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞特征

为确定硬水滴灌条件下影响灌水器堵塞的主要特征参数,研究6种灌水器在硬水滴灌条件下的平均相对流量和堵塞率的变化规律,通过有序回归方法分析影响灌水器堵塞的特征参数,灌水结束后解剖并观察灌水器内的堵塞情况。结果表明:硬水滴灌条件下6种灌水器的平均相对流量均发生了不同程度的下降,其中灌水器E1和E6因具有较大的过流截面尺寸而表现出了较好的抗堵塞性能;SPSS回归分析显示,显著影响灌水器的抗堵塞性能(P0.01)的特征参数为灌水器内过流截面宽W和深H中的最小者min(W,H),且灌水器发生堵塞所需要的时间与min(W,H)成正相关关系;解剖灌水器发现,堵塞主要发生在灌水器内具有min(W,H)的截面处。建议硬水滴灌时选择内部过流截面尺寸较大的灌水器,且灌水器内部应避免易引发固体颗粒沉积附着的截面形状和过流结构。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。