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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水流近壁面水力剪切力对滴灌系统碳酸钙污垢的影响

针对目前水动力学条件对滴灌系统碳酸钙污垢形成的影响及适宜的污垢控制阈值尚不明确的问题,该研究对不同近壁面水力剪切力(0～0.70 Pa)下的滴灌系统附着碳酸钙污垢总量、晶相组成及表观形貌进行了分析。结果表明：不同剪切力显著(P<0.05)影响了碳酸钙污垢的形成,随着剪切力的增大碳酸钙污垢的总量呈现先增高后降低的趋势,最大碳酸钙污垢形成量的剪切力为(0.42±0.02)Pa。剪切力较低(0～0.42 Pa)时,随着剪切力的增大碳酸钙晶体的尺寸逐渐变大,Ca²⁺和CO₃^2-的碰撞几率增加且晶体成核效率提高,使得碳酸钙污垢总量呈现增加趋势;剪切力较高(0.42～0.70 Pa)时,随着剪切力的增大碳酸钙晶体大小逐渐减小,且晶体由于高剪切力的作用发生破碎和脱落,使得碳酸钙污垢总量呈现下降趋势。建议灌水器流道近壁面水力剪切力控制在0～0.24 Pa和0.65～0.70 Pa,以减少碳酸钙污垢的形成。该研究结果可为高抗堵塞灌水器的研发以及劣质水滴灌技术的应用和推广提供支撑。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。