微纳米加气对再生水滴灌灌水器堵塞的影响

董聪慧,李浩,李瑞,孙浩,韩启彪*,李辉

(1. 中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室/农业农村部节水灌溉工程重点实验室,河南 新乡 453002;2. 中国农业科学院研究生院,北京 100081)

再生水(中水)是指废水或雨水经过适当的处理,水质达到一定标准,可以满足某种使用要求的水[1].国内外已有大量有关再生水灌溉的研究报道[2-4].使用再生水灌溉可提高水资源循环利用率,缓解用水压力.目前,滴灌被认为是使用再生水灌溉较安全、有效的方式之一[5-6],然而再生水中含有大量有机污染物、化学离子、藻类及微生物等,会增加滴灌灌水器堵塞风险[7-9],影响滴灌系统的安全运行.灌水器堵塞已然是制约再生水滴灌技术推广应用的难点之一.

向灌溉水源中加气,能够向作物的根区输送水分和氧气,可解除土壤的缺氧状态,进而改善土壤环境、提高作物的产量及品质[10-12].最常见的加气方式有空气压缩机加气、文丘里加气等[13-15].滴灌管道内的气液两相流动是一个复杂的过程,TORABI等[16]研究发现加气装置产生的气泡如果体积较大,容易融合、破裂和逸出,导致滴灌带中气体含量分布不均匀,进而影响滴灌系统的水力性能.LI等[17]通过可视化试验,认为小气泡增大了气液界面面积,有助于降低其上升速度,增大气体滞留时间.微纳米气泡以其体积小、比表面积大、上升速度慢、自身增压溶解等特有的理化性质[18],为加气滴灌技术提供了新的加气方式.AHMED等[19]研究发现微纳米加气滴灌技术不仅能够提升作物产量及品质,而且有助于减少化肥生产和使用过程中对环境的伤害.

同时,向灌溉水源中加气可对灌水器的堵塞规律产生影响.牛文全等[20]研究了浑水滴灌过程中加气对滴头堵塞的影响,认为加气和泥沙颗粒对滴头堵塞具有统计学意义.张二信[21]通过短周期堵塞试验测试,发现加气对流道淤积物影响显著,且加气对滴头堵塞的影响与滴头结构密切相关.李浩[22]研究了加气滴灌系统内部流动特征、管网水肥气空间分布与灌水器堵塞的关系规律等,认为微纳米加气可有效抑制灌水器堵塞的发展进程,且有利于滴灌系统保持良好的均匀性.郭庆等[23]研究了4种不同流道结构内镶贴片式滴头的流量变化和堵塞规律,认为加气灌溉时,应选用进口面积较大的滴头,且滴头宜布置在毛管顶部,可避免毛管内淤积堵塞.以上研究表明,微纳米加气技术有望成为协同控制再生水滴灌系统安全高效运行与改善土壤环境、作物增产保质的有效手段.

目前对微纳米加气滴灌技术的研究重点主要聚焦于作物增产保质和土壤环境改善方面,而对滴灌系统的影响研究相对较少.文中通过试验,选用4种不同类型的灌水器,对微纳米加气条件下再生水滴灌时灌水器堵塞的动态发展过程进行研究,进一步明确微纳米加气对再生水滴灌系统性能的影响效果,为再生水滴灌和加气滴灌技术的发展提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在中国农业科学院农田灌溉研究所喷微灌实验大厅进行,灌溉水源为再生水.选用内镶贴片式滴灌带(压力补偿)、内镶贴片式滴灌带(非压力补偿)、内镶圆柱状滴灌管(非压力补偿)、管上式滴头(压力补偿)共4种灌水器,分别记为E1,E2,E3,E4,各灌水器的结构参数和性能指标如表1所示,表中d为间距,p为额定压力,q为额定流量,k为流量系数,m为流态指数,Cv为变异系数.

表1 试验用灌水器结构参数和性能指标

试验用再生水取自河南省新乡市骆驼湾污水处理厂的二级出水,每2～3 d取水1次,在供给滴灌系统前存储在水箱中.再生水加气、不加气处理分别用UA,A表示.

定期对水箱中水样理化指标进行测试,各取其平均值,结果如表2所示.其中pH值、溶解性总固体TDS值、电导率EC值、水温Tw采用HANNA笔式pH/TDS/EC/温度测定仪测试,化学需氧量COD值采用“重铬酸盐法”测得,生物需氧量BOD值采用“五日生化需氧量的测定稀释与接种法”测得,各金属离子质量浓度值采用电感耦合等离子体发射光谱仪测得,全盐量采用“HJ/T 51—1999重量法”测得,碳酸盐、重碳酸盐采用“酸碱指示剂滴定法”测得,硫酸盐采用“离子色谱法”测得,细菌总数Nb采用“平皿计数法”测得,总氮采用“碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法”测得,总磷采用“钼酸铵分光光度法”测得[24].pH值、TDS值、EC值每日测量1次,其余指标分别在试验运行的第20,40,100天测定.

表2 试验用再生水水质

1.2 试验设计及装置

试验针对4种灌水器设置加气、不加气2个处理,分别在2个相同的试验平台上进行,每个试验平台尺寸规格为10.0 m×1.0 m×1.4 m(长×宽×高),均由3层铁支架焊接而成,作为3组重复.滴灌管(带)布置在上面,每层安装4条(即E1,E2,E3,E4各1条,长10.0 m).

试验装置如图1所示,主要设备及仪器包括2个串联水箱(容积分别为120 L和200 L)、变频水泵(扬程35 m,流量2.5 m3/h,功率400 W)、叠片式过滤器(BALDR)、微纳米气泡发生器(上海众净环保科技有限公司,气泡粒径100 nm～10 μm)、精密电子压力表(上海汝翊仪表,0.4级,量程0.25 MPa)、阀门等.

图1 试验装置

试验于2021年11月开始,2022年3月底结束,滴灌系统每日运行10 h(8:00—18:00),总运行时长1 000 h.每日系统运行前清洗过滤器.试验过程中,平台收集试验时从灌水器中流出的水,使其回归到各自的水箱,循环使用.为弥补蒸发、水滴飞溅等原因造成的水量损失,每天在试验开始前向水箱补充水至固定水位处.每层滴灌管(带)的工作压力由精密电子压力表监测,通过阀门调节压力,使其保持在100 kPa.

1.3 测定项目及方法

为了监测灌水器堵塞过程,自试验开始,每4 d测定一次灌水器流量.测定时,首先使系统在额定压力下稳定运行10 min,然后每隔5 s依次在灌水器正下方放置集水杯,10 min后按照放置顺序和时间间隔,依次取出放置雨量筒,读取水量.为进一步减小测试误差,每条滴灌管(带)均进行3次重复,取3次的平均值作为该层的最终流量值.

1.4 评价指标

采用平均流量比Dra定量表征灌水器的堵塞程度,即

(1)

当Dra≤75%时,可认为该灌水器发生了堵塞[25],文中采用此标准划分灌水器的堵塞等级.定义灌水器流量占初始流量的95%以上为未堵塞,75%～95%为轻微堵塞,50%～75%为一般堵塞,20%～50%为严重堵塞,20%以下为完全堵塞.

采用克里斯琴森均匀系数Cu和统计均匀系数Us评价灌水器堵塞对滴灌系统均匀性的影响,计算式分别为

(2)

(3)

式中:Sq为所有取样灌水器流量的标准差.

ASAE标准EP 458规定:Us为80%～90%时,评价系统性能为“优”;Us为60%～80%时,评价系统性能为“合格”;Us小于60%时,评价系统性能为“不合格”.

1.5 数据处理

试验数据采用Excel进行整理,采用Excel和Origin进行图表绘制.

2 结果与分析

2.1 微纳米加气对灌水器流量的影响

图2为4种灌水器在试验周期内平均流量比Dra随时间的变化曲线.

图2 各类型灌水器不同处理下平均流量比Dra随时间的变化

由图2可以看出:微纳米加气条件下,4种灌水器平均流量比Dra减小幅度均明显小于不加气处理,运行时间越长,差异越显著,尤其是600 h后;加气处理下,4种灌水器的Dra值均小于75%,即认为它们都发生了不同程度的堵塞,其中E1和E3发生了严重堵塞;加气处理下,E1,E2,E3,E4的Dra值分别降低至60.7%,87.7%,58.7%,80.7%,即E1和E3发生了一般堵塞,E2和E4只发生了轻微堵塞,没有出现严重堵塞的滴灌管(带);相较于不加气处理,加气处理下,试验结束时4种灌水器的Dra值分别提高了16.2%,24.4%,18.2%和22.1%,可见微纳米加气对再生水滴灌灌水器堵塞有较为显著的抑制作用,能够提高灌水器的抗堵塞性能.

不同类型灌水器的堵塞过程也有差异,无论是加气处理组还是不加气处理组,E2的Dra值下降最小,E3的Dra值下降最大.从下降趋势来看,E2的Dra曲线最为平缓,E4的Dra曲线较平缓,E1和E3的Dra曲线下降趋势十分明显,这表明灌水器E2的堵塞过程发生缓慢.

表3给出了4种灌水器在Dra值下降至75%时滴灌系统的运行时间.

表3 不同灌水器Dra=75%的滴灌系统持续运行时间

由表3可以看出:微纳米加气明显延长了滴灌系统正常运行的时间,E1,E3的正常工作时间分别增加了约31.0%和29.0%;系统运行1 000 h试验结束时,加气处理下的E2,E4处于轻微堵塞状态,Dra值仍保持在75%以上,运行结束时E2的Dra值最高,为87.7%;不同类型灌水器能够正常运行的时间有较大差异,按运行时间从长到短依次为E2,E4,E3,E1.

从试验结果看,在额定流量和间距相同条件下,加气对内镶贴片式滴灌带(无压力补偿功能)和管上式滴头的堵塞程度减缓作用效果更显著.

2.2 微纳米加气对灌水器堵塞规律的影响

为研究沿滴灌带方向不同位置处灌水器发生堵塞的动态变化,分析灌水器堵塞的发展过程,绘制不同位置处各灌水器取样点流量比(单个灌水器观测流量与试验前所测该种灌水器流量的平均值之比)的动态变化热图,如图3,4所示.图中横坐标z表示沿滴灌管(带)方向不同位置的灌水器滴头编号,每根滴灌管(带)上灌水器间距均为0.5 m,滴灌管(带)长10.0 m,灌水器各为20个;纵坐标t表示试验运行时间,总时长1 000 h.

图3 不加气处理下滴灌管(带)不同位置处流量比动态变化热图

图4 加气处理下滴灌管(带)不同位置处流量比动态变化热图

由图3,4可以看出:加气处理组灌水器发生堵塞的时间迟于不加气处理组,且总体堵塞程度较轻;将各滴灌管(带)分为前、中、后3段,可发现不加气处理下发生堵塞的滴头多集中于滴灌管(带)前段,说明在不加气滴灌系统中,滴灌带前段更容易发生堵塞;加气处理下,堵塞滴头在滴灌管(带)各分段均有可能分布,说明加气使得灌水器堵塞位置分布更为均匀.

2.3 微纳米加气对滴灌系统性能的影响

灌水器堵塞对系统性能的影响直接表现为系统的灌水均匀性下降,文中采用克里斯琴森均匀系数Cu和统计均匀系数Us评价其影响程度.2种处理下不同类型灌水器的Cu和Us随运行时间的变化如图5所示.

图5 均匀系数随运行时间的变化曲线

由图5可以看出,与平均流量比Dra的变化过程相似,Cu值和Us值均随时间而减小;加气处理下,相同类型灌水器的均匀系数(Cu和Us)一直维持较好,直到试验结束,Us值下降幅度依然较小,E2和E4的Us值分别为89.4%和85.7%,系统性能仍评价为“优”,E1和E3的Us值略低于80%,分别为78.8%和74.1%;不加气处理下,各灌水器Us值下降明显,E1,E2,E3,E4的Us值分别为45.2%,60.1%,46.3%和56.4%,系统性能均评价为“不合格”,已不适合继续使用,说明再生水滴灌时微纳米加气处理对灌水器系统性能有积极影响;在相同条件下,灌水器类型的差异对均匀系数变化速度的影响不同,在4种灌水器类型中,灌水器E1的均匀系数下降最快且幅度最大,而E2的均匀系数变化最小.

3 讨 论

针对滴灌灌水器的堵塞问题,许多学者进行了大量研究,分析了灌水器堵塞的发生机理,总结了多种灌水器堵塞控制技术.目前,常用的防止堵塞主要包括加氯[26-27]、调节水流流速[28-29]、调节灌水频率[30]、微生物拮抗[33-34]、光催化[35]等.从灌水器类型角度看,李浩[22]认为无压力补偿的灌水器具有较好的抗堵塞性能,而DEHGHANISANIJ等[26]、CARARO等[36]认为再生水滴灌时带有压力补偿功能的灌水器更不容易发生堵塞,周博[37]认为贴片式灌水器抗堵塞能力整体优于圆柱形灌水器.

文中通过灌水器堵塞试验评估了微纳米加气对再生水滴灌灌水器堵塞规律的影响,试验选用4种不同类型的滴灌带,在不加气条件下,认为内镶贴片式滴灌带(有压力补偿功能)和管上式滴头的抗堵塞性能较好,内镶贴片式滴灌带(无压力补偿功能)和内镶圆柱状滴灌管抗堵塞性能较差,而加气增大了这种差异,除了进一步提高所有灌水器的抗堵塞性外,加气对抗堵塞性能好的E2和E4作用效果更显著,使得试验结束时其Dra值上升幅度更大,且堵塞发生的时间更靠后.与再生水不加气处理相比,加气处理下4种灌水器的Dra值均有所提高,加气也明显延长了系统正常运行的时间.加气对灌水器堵塞的影响与滴头结构密切相关,具体表现为加气后不同灌水器发生堵塞的时间以及堵塞程度存在差异.

关于加气对滴灌系统均匀性的影响,学者们有不同的看法.BHATTARAI等[38]认为相较于大气泡,小气泡更有助于维持滴灌带水气分布的平衡,能促进水气的均匀出流.雷宏军等[39]则认为滴灌带单向传输时,加气降低了滴灌系统均匀性,而添加活性剂对水气传输过程中微气泡的存在和溶解氧的保持有重要作用.本试验认为微纳米加气有助于再生水滴灌系统保持良好的均匀性,可有效延长再生水滴灌系统的运行时长.

4 结 论

1) 采用微纳米加气处理可显著延缓灌水器堵塞发展进程,平均流量比Dra值和正常运行时长均优于不加气处理.加气处理下,试验结束时4种灌水器(E1,E2,E3和E4)的Dra值分别比不加气处理提高了16.2%,24.4%,18.2%和22.1%;加气处理下,E1和E3的正常工作时间增加了约31.0%和29.0%,系统运行1 000 h试验结束时,加气处理的E2和E4仍处于轻微堵塞.

2) 加气使得灌水器堵塞位置分布更为均匀.不加气滴灌系统中,滴灌带前段更容易发生堵塞,而加气处理下,堵塞滴头在滴灌管(带)各分段均有可能分布.

3) 微纳米加气显著提高了再生水滴灌系统运行的均匀性,使得堵塞分布更加均匀,对提高滴灌系统的Cu和Us值有积极作用,各灌水器加气处理下的均匀系数(Cu和Us)一直维持较好.

4) 加气对不同类型灌水器的影响效果不同,对自身抗堵塞性能较好的灌水器作用更明显,使得其抗堵塞性能更优.