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。     

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。     

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。     

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。     

再生水加氯对滴灌系统堵塞及番茄产量与氮素吸收的影响

加氯处理是防止再生水滴灌系统生物和化学堵塞的常用方法,但有关加氯处理对作物生长影响的研究尚不充分。通过在日光温室内的田间试验,研究了加氯浓度和加氯频率对再生水滴灌灌水器堵塞特性、番茄产量和品质的影响;建立了土壤硝态氮含量随土壤电导率、含水率和温度变化的多元回归模型,分析了加氯处理对根区土壤硝态氮变化动态和氮素吸收的影响。结果表明,加氯处理能够有效防止再生水滴灌引起的灌水器流量降低;再生水滴灌增加了硝态氮在土壤表层（15 cm深度）的累积,促进了作物对氮素的吸收;加氯处理使植株吸氮量明显降低,加剧了硝态氮在土壤表层的累积,累积量随着加氯浓度和加氯频率的增大而增大;再生水滴灌的番茄产量略高于地下水滴灌,而再生水加氯处理会使产量有所降低;再生水滴灌使番茄口感指标（可溶性糖和水溶性总酸）显著提高、营养指标（Vc含量和可溶性固形物）显著降低,加氯处理能够有效缓解营养指标的降低趋势。采用浓度低于50 mg/L、频率低于两周1次的加氯处理对作物的氮素吸收有一定的抑制作用,但不会对作物生长造成明显不利影响。     

滴灌灌水器内颗粒物运动特性的数字粒子图像测速

明确灌水器内部水流和颗粒物运动特性是解决灌水器堵塞问题的关键。但由于灌水器结构复杂、流道狭小、外观不透明性,测试其内部临界尺度流体流动情况难度很大。目前还鲜见有灌水器内部水沙两相流动全场测试的研究报道。因此,该文提出了一种灌水器简化模型和一种流道透明模型加工方法,并应用改进的数字粒子图像测速(DPIV,digital particle image velocimetry)测试系统可视化了灌水器内部流动特征和颗粒的运动特性,结果表明:灌水器内部流动为紊流状态,灌水器工作压力升高并未改变灌水器内部流动形态、涡的分布位置、流线密集程度以及颗粒物跟随性;相同工作压力条件下,颗粒物最大速度随着颗粒粒径的增大而减小,但不同粒径颗粒物流线及涡量分布趋势较为一致;在中心区和近壁区颗粒物跟随性均随粒径的增加而减小。研究可为灌水器内部固-液两相流动分析及抗堵塞设计提供理论依据。     

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。     

加氯处理对再生水滴灌系统灌水器堵塞及性能的影响

选取有压力补偿功能和无压力补偿功能,标称流量1.0～2.6 L/h的6种灌水器,研究了加氯间隔1～4周、系统余氯质量浓度2.5～10 mg/L对二级处理再生水滴灌系统灌水器堵塞和系统均匀性的影响,以便确定加氯处理最优运行方式。系统采用每天灌溉12 h的运行方式,累计运行84 d（1 008 h）。结果表明,加氯处理可有效地减轻灌水器堵塞,使滴灌系统保持均匀系数大于90%的良好性能,流量小于1.38 L/h的灌水器效果更为明显。尽管控制系统余氯浓度2.5、5.0和10.0 mg/L均可以杀死再生水中99.9%的细菌,但加氯间隔1周和2周处理减轻堵塞使系统保持良好性能的效果优于加氯间隔4周的处理。从保持滴灌系统性能良好的角度出发,建议采用低浓度高频率的加氯处理运行方式。     

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。     

地下滴灌灌水器堵塞研究

地下滴灌(SDI)是一种高效的节水灌溉技术，但系统易于堵塞，堵塞问题成为影响地下滴灌成败的关键。通过对运行8年的地下滴灌系统堵塞的实地调查，迷宫式、微管式和孔口式等3类型的灌水器均有不同程度的堵塞，堵塞率分别达到16.67%、25%和63.89%。分析3类型灌水器的堵塞状况，引起地下滴灌堵塞的主要原因是进入系统的微粒在流道壁的附着和发育。为此，提出加强过滤、定时冲洗和改变滴头流道设计等解决地下滴灌堵塞的建议。     

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。     

再生水滴灌系统滴头抗堵塞性能试验研究

为了得到再生水灌溉对滴灌流量的影响规律及滴头抗堵塞性能,该文通过试验对再生水灌溉条件下11种不同滴头流道的流量变化进行了研究.结果表明:再生水灌溉条件下滴头流量的降幅与流道长度、流道截面积呈现正相关关系,具有反冲洗功能的滴头可以有效防止堵塞.田间试验表明,再生水处理滴头流量与地下水处理相比明显下降,流道沉积物富集是导致滴头流量衰减的主要原因.建议再生水滴灌系统选择具有反冲洗功能的滴头或者滴头流道较短、流道截面积较小的滴头,可有效降低堵塞的发生,为再生水灌溉系统科学选型与配套提供依据.     

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。     

再生水滴灌对滴头堵塞的影响

研究以再生水（二级处理出水）为灌溉水源时,3种滴头（单翼迷宫式滴头、内镶式滴头和压力补偿孔口式滴头）的流量、灌水均匀度和堵塞的变化过程及规律,并和自来水灌溉条件下的结果进行对比,分析了滴头堵塞的主要原因。研究结果显示：再生水灌溉条件下3种滴头的流量和灌水均匀度都要明显小于自来水条件下的结果,其中单翼迷宫式滴头的流量和灌水均匀度下降最大,而压力补偿孔口式滴头的变化最小。水质和滴头内沉淀物质的分析显示,化学沉淀（主要成分为CaCO3和MgCO3）是引起滴头堵塞的主要方式,滴头流量小、流道尺寸小和流态指数偏高也增加了滴头堵塞的风险。建议实际中利用再生水灌溉的滴灌系统,可选用压力补偿孔口式滴头。     

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。     

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。     

减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定

为探究引黄滴灌区水肥一体化灌溉过程中毛管冲洗周期对滴头堵塞风险的影响,该研究分别对浑水和浑水+尿素滴灌后不同毛管冲洗周期(3、5、7、10 d)对滴灌滴头堵塞的控制效果进行了研究。结果表明:毛管冲洗周期对滴头相对流量有极显著影响,在浑水滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高14.29%～47.77%(P0.05),在浑水+尿素滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高12.89%～126.67%(P0.05)。按照毛管冲洗对滴头流量的保持能力可将滴灌系统运行为3个阶段:冲洗钝感期、冲洗敏感期和冲洗无效期,首次冲洗应在冲洗钝感期结束前进行。宁夏中卫段黄河水浑水滴灌和浑水+尿素滴灌后的首次冲洗应该分别在第2灌水和第9次灌水后进行,适宜的毛管冲洗周期分别为5和7 d。研究结果可为宁夏中卫段黄河水滴灌区采取适宜的抗堵塞措施提供参考。