納米氣泡對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的防堵塞效應(yīng)與機(jī)理.pdf

第 38 卷 第 14 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 38 No 14 2022 年 7月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul 2022 79 納米氣泡對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的防堵塞效應(yīng)與機(jī)理 譚思源 1 2 沈 巖 1 2 劉雁征 3 王逍遙 1 肖 洋 1 2 李云開 1 2 1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 北京 100083 2 農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源教育部工程研究中心 北京 100083 3 北京農(nóng)業(yè)職 業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 北京 102208 摘 要 沼液中含有大量的微生物 鹽分離子與固體顆粒物等致垢物質(zhì) 極易導(dǎo)致沼液滴灌系統(tǒng)灌水器物理 生物 化學(xué) 復(fù)合堵塞 納米氣泡憑借其比表面積大 表面帶負(fù)電荷 吸附性能高等特點(diǎn) 有望成為一種協(xié)同控制沼液灌溉系統(tǒng)復(fù)合 型污垢的可靠方法 該研究旨在探究納米氣泡 Nanobubbles NBs 對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器復(fù)合型堵塞的緩解效應(yīng) 明 確 NBs 對(duì)灌水器附生生物污垢 化學(xué)沉淀和顆粒污垢的控制效果 將無(wú) NBs 水和飽和 NBs 水進(jìn)行不同體積配比 配置 了 3 種 NBs 濃度的灌溉水 對(duì)照組 無(wú) NBs 水 飽和 NBs 水 全部為 NBs 水 半 NBs 水 有無(wú) NBs 的混配液體積相 同 分別對(duì) 3 種內(nèi)鑲片式灌水器開展試驗(yàn) 結(jié)果表明 與對(duì)照組相比 NBs 有效地緩解了灌水器堵塞 系統(tǒng)運(yùn)行末期 3 種類型灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)的干質(zhì)量分別降低了 22 49 18 41 和 25 47 而滴灌系統(tǒng)的相對(duì)平均流量和克 里斯琴森均勻系數(shù)整體提高了 15 44 和 26 48 NBs 有效地控制了灌水器附生的生物污垢 化學(xué)沉淀和顆粒污 垢形成 使得堵塞污垢中胞外聚合物的含量降低了 29 53 碳酸鹽 磷酸鹽等化學(xué)沉淀的含量降低了 52 75 而顆粒污垢的總量降低了 35 68 相比而言 飽和 NBs 水處理比半 NBs 水處理下污垢的干質(zhì)量減少了 21 建議在 沼液滴灌工程中采用飽和 NBs 的方式來(lái)緩解灌水器堵塞 該研究證明了 NBs 是一種有效且生態(tài)友好型的防灌水器復(fù)合堵 塞技術(shù) 有助于沼液滴灌技術(shù)的進(jìn)一步推廣 關(guān)鍵詞 納米 氣泡 灌溉 沼液 滴灌 復(fù)合污垢 灌水器堵塞 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 14 010 中圖分類號(hào) S275 6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2022 14 0079 09 譚思源 沈巖 劉雁征 等 納米氣泡對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的防堵塞效應(yīng)與機(jī)理 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2022 38 14 79 87 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 14 010 http www tcsae org Tan Siyuan Shen Yan Liu Yanzheng et al Effects and mechanism of using Nanobubble to inhibit biofouling and scaling in biogas slurry drip irrigation emitters J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 14 79 87 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 14 010 http www tcsae org 0 引 言 中國(guó)畜禽養(yǎng)殖量 消費(fèi)量均居世界第一 1 但卻產(chǎn)生 了大量的養(yǎng)殖廢污 2 為實(shí)現(xiàn)糞污無(wú)害化處理及能源化利 用 沼氣工程應(yīng)運(yùn)而生 同時(shí)產(chǎn)生了大量的沼液 然而 沼液的不當(dāng)管理也會(huì)導(dǎo)致污染物淋溶至水體和土壤 3 沼 液回用農(nóng)田灌溉是一種 變廢為寶 的處理方式 采用 這種形式不僅可以緩解沼液不當(dāng)處置引發(fā)的污染問(wèn)題 且沼液中的營(yíng)養(yǎng)元素可以提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì) 4 5 滴灌因其精量 可控等特性被認(rèn)為是沼液等劣質(zhì)水灌溉 最可靠的方式 它可以有效避免沼液中有害物質(zhì)的地表 徑流和深層滲漏 降低沼液中病原體與作物 人體接觸 傳播的健康風(fēng)險(xiǎn) 6 并能緩解沼液中大量鹽分導(dǎo)致的根區(qū) 鹽分脅迫水平 7 然而 沼液中含有的大量微生物 鹽分 離子和顆粒物等致垢物質(zhì)極易引發(fā)滴灌系統(tǒng)灌水器堵 收稿日期 2022 04 01 修訂日期 2022 06 10 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51790531 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院科技創(chuàng) 新項(xiàng)目 XY YF 20 14 作者簡(jiǎn)介 譚思源 研究方向?yàn)榈喂喙嗨鞫氯麢C(jī)理與控制 Email 422091369 通信作者 李云開 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向?yàn)榫扛咝У喂嘌b備原 理 設(shè)計(jì)及應(yīng)用 Email yunkai 塞 已成為制約沼液滴灌技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵障礙 針對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的機(jī)理和緩解研究尚 處于起步階段 陳紅等 8 開展了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞 行為的研究 建議選擇大流量的灌水器 優(yōu)化沼液和清 水的配比來(lái)防止灌水器堵塞 Xiao 等 9 探索了水磁化處 理方法對(duì)于防止沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的適宜性 發(fā) 現(xiàn)水磁化能夠控制沼液中的生物污垢和化學(xué)沉淀 但對(duì) 顆粒污垢的控制效應(yīng)較差 并且水磁化后期對(duì)堵塞的緩 解效果有所降低 目前對(duì)于沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞還 缺乏針對(duì)性 有效性的控制方法 這主要是由于沼液中 的成分復(fù)雜 多樣 在滴灌灌水器中呈現(xiàn)出復(fù)雜的物理 生物 化學(xué)復(fù)合型堵塞 8 10 加劇了灌水器堵塞的控制難 度 諸如傳統(tǒng)加酸 加氯等化學(xué)方法雖然普遍被用于灌 水器堵塞控制 11 但是往往只針對(duì)單一的堵塞污垢 例 如 加酸局限于控制堵塞 對(duì)于復(fù)合型堵塞污垢的控制效 果不佳 且極易引發(fā)土壤和作物安全風(fēng)險(xiǎn) 因此 亟待尋 求一種清潔 高效的沼液滴灌系統(tǒng)物理 生物 化學(xué)復(fù)合型 堵塞控制技術(shù) 納米氣泡 Nanobubbles NBs 是一種綠色的污垢 控制技術(shù) 具體而言 納米氣泡指的是平均直徑小于 200 nm 的氣泡 12 與普通氣泡相比 NBs 具有比表面積 大 表面帶負(fù)電荷 吸附性能高等特點(diǎn) NBs 加氣滴灌 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022 年 80 已被證明可以提升西瓜 甜瓜 番茄等作物的產(chǎn)量和品 質(zhì) 13 14 能夠解決常規(guī)加氣灌溉的氣泡貯存時(shí)間短的問(wèn) 題 NBs 在破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化活性的羥基自 由基 可以滅殺水中的微生物 15 NBs 還會(huì)加速水中有 機(jī)物的降解 減緩蛋白質(zhì)污垢在介質(zhì)表面的吸附 16 此 外 NBs 已被應(yīng)用于膜處理表面碳酸鈣沉淀的控制 17 這些研究表明 NBs 對(duì)多種類型的污垢控制都可能是有效 的 因此 NBs 有望成為一種協(xié)同控制沼液灌溉系統(tǒng)復(fù) 合型污垢的可靠方法 進(jìn)而形成一種集灌水器堵塞控制 作物增產(chǎn)提質(zhì)相結(jié)合的有效技術(shù) 然而 目前 NBs 對(duì)滴 灌系統(tǒng)內(nèi)污垢的控制效應(yīng)尚不明確 為此 本文開展了 2 種納米氣泡濃度下沼液滴灌灌 水器抗堵塞的試驗(yàn) 旨在 1 探究 NBs 對(duì)沼液滴灌系統(tǒng) 灌水器復(fù)合型堵塞的控制效應(yīng) 2 明確 NBs 對(duì)灌水器附 生生物污垢 化學(xué)沉淀和顆粒污垢的控制效果 以期為 沼液滴灌技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供支撐 1 材料與方法 1 1 供試材料 試驗(yàn)采用的沼液取自北京某豬場(chǎng)養(yǎng)殖場(chǎng) 為降低灌 水器堵塞風(fēng)險(xiǎn) 沼液首先在沉淀池中采用 0 85 和 0 25 mm 孔徑篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾 以去除沼液中大量的顆粒物 為滿 足農(nóng)田灌溉水質(zhì)的要求 并進(jìn)一步降低沼液中的顆粒物 和鹽分含量 將預(yù)沉淀池的沼液與當(dāng)?shù)氐叵滤凑阵w積 比 1 8 進(jìn)行混配 混配后混配液理化性質(zhì)如表 1 所示 混配液經(jīng)疊片過(guò)濾器 0 12 mm 再次過(guò)濾后流入 NBs 發(fā)生裝置 夏之春 中國(guó) XZCP K 1 5 連續(xù)運(yùn)行 4 h 后用于制備含有飽和 NBs 的水體 即 NBs 混配液 所 產(chǎn)生的飽和納米氣泡水的粒徑及濃度利用納米顆粒跟蹤 分析 制造商 Marlern 英國(guó) 型號(hào) NanoSight NS300 進(jìn)行測(cè)試 結(jié)果如圖 1 所示 所制備的 NBs 平均粒徑為 101 0 nm 總濃度 3 73 10 7 個(gè) mL 表 1 沼液與地下水混配液的的水質(zhì)參數(shù) Table 1 Water quality parameters of the mixture of biogas slurry and groundwater 水質(zhì)參數(shù) Water quality parameters 數(shù)值 Values pH 值 pH Value 7 2 0 2 微生物濃度 Microbial concentration cfu mL 1 3 616 7 110 碳酸鈣 Calcium carbonate mg L 1 561 3 23 6 總氮 Total Nitrogen TN mg L 1 165 4 7 總磷 Total Phosphorus TP mg L 1 7 2 0 2 總有機(jī)碳 Total Organic Carbon TOC mg L 1 226 4 5 化學(xué)需氧量 Chemical Oxygen Demand COD mg L 1 1 080 5 43 2 生物需氧量 Biological Oxygen Demand BOD mg L 1 90 4 3 6 電導(dǎo)率 Electrical Conductivity EC mS cm 1 3 4 0 1 氧化還原電位 Oxidation reduction Potential ORP mV 81 4 表面張力 Surface Tension ST mN m 1 25 9 0 8 HCO 3 mg L 1 1 330 58 9 PO 4 3 mg L 1 20 2 1 1 Ca 2 mg L 1 79 9 4 Mg 2 mg L 1 86 3 8 Fe 3 mg L 1 1 88 0 2 注 圖中 2 條線代表儀器兩次循環(huán)測(cè)試的結(jié)果 線上數(shù)值為粒徑值 Note Two lines in figure represent results of two loop tests by the instrument Values one the lines are particle size 圖 1 試驗(yàn)用飽和納米氣泡的粒徑和濃度分布 Fig 1 Particle size and concentration distribution of saturated Nanobubbles used in the experiment 試驗(yàn)選用 3 種常用內(nèi)鑲貼片式灌水器 分別以 E1 E2 E3 表示 來(lái)自甘肅亞盛亞美特有限公司 灌水器 的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 2 所示 表 2 灌水器特征參數(shù) Table 2 Characteristic parameters of emitters 流道幾何參數(shù) Flow path geometry parameters mm 灌水器 Emitters 流量 Flow rate L h 1 長(zhǎng) Length 寬 Wide 深 Depth 流量系數(shù) Discharge coefficient K d 流態(tài)指 數(shù) Flow index x E1 1 40 47 0 0 56 0 55 4 5 0 51 E2 1 75 51 0 0 64 0 58 5 7 0 51 E3 2 00 24 5 0 61 0 60 8 2 0 61 1 2 試驗(yàn)方案 基于無(wú) NBs 的混配液與有 NBs 的混配液的體積 配 置了 3 種不同濃度的 NBs 對(duì)照組 全部為無(wú) NBs 的混 配液 O 0 1 飽和 NBs 液 全部為有 NBs 的混配液 O 1 0 半 NBs 液 有無(wú) NBs 的混配液體積比相同 O 1 1 根據(jù) NBs 的濃度和灌水器類型 E1 E2 E3 試驗(yàn)共 設(shè)置 9 個(gè)處理 沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的 NBs 緩解試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè) 大學(xué)北京通州實(shí)驗(yàn)站連棟溫室內(nèi)進(jìn)行 試驗(yàn)所用抗堵塞測(cè) 試平臺(tái)如圖 2 所示 經(jīng) NBs 發(fā)生裝置處理后水體流入滴灌 毛管 對(duì)照組中無(wú) NBs 毛管長(zhǎng) 26 m 每根滴灌帶上有 82 個(gè)灌水器 上方布置 E1 E2 和 E3 每種灌水器各 1 根滴 灌帶用于灌水器流量的連續(xù)測(cè)定 下方布置 3 層滴灌帶用 于取樣 E1 E2 和 E3 灌水器各 1 層 每層包括 8 根用于 灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)的提取 系統(tǒng)采用分層調(diào)壓布置 滴 灌帶毛管入口處的壓力為 0 1 MPa 所有的滴灌帶布置在 長(zhǎng) 寬 高分別為 26 1 2 1 m 的鐵支架上 架子前設(shè)有 3 個(gè)儲(chǔ)水槽 分別儲(chǔ)存 3 種濃度的 NBs 水體 儲(chǔ)水槽中的 水由水泵 電壓 220 V 揚(yáng)程 35 m 流量 15 m 3 s 抽送 經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥門和壓力表 量程 0 6 MPa 精度 0 02 MPa 進(jìn) 入滴灌毛管 并由灌水器滴出 系統(tǒng)每天運(yùn)行 10 h 08 00 第 14 期 譚思源等 納米氣泡對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的防堵塞效應(yīng)與機(jī)理 81 18 00 累計(jì)運(yùn)行 900 h 共運(yùn)行 90 d 1 地下水水箱 2 沼液沉淀池 3 篩網(wǎng) 孔徑 0 85 mm 4 篩網(wǎng) 孔徑 0 25 mm 5 截止閥 6 自吸泵 7 地下水與沼液混合池 8 自吸泵 9 截止閥 10 組合式疊片過(guò)濾器 11 納氣泡發(fā)生器 12 閥門 13 壓力表 14 水表 15 灌水器 16 紅色小桶 17 灌水器流道 1 Groundwater tank 2 Biogas slurry sedimentation tank 3 Screen Aperture of 0 85 mm 4 Screen Aperture of 0 25 mm 5 Globe valve 6 Self priming pump 7 Groundwater and biogas slurry mixing tank 8 Self priming pump 9 Globe valve 10 Combined laminated filter 11 Nano bubble generator 12 Valve 13 Pressure gauge 14 Water meter 15 Irrigator 16 Red small bucket 17 Emitter channel 圖 2 試驗(yàn)裝置示意圖 Fig 2 Schematic of experimental set up 1 3 測(cè)試方法 1 3 1 灌水器流量及堵塞特性評(píng)估 在試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行 112 5 225 337 5 450 562 5 675 787 5 900 h 時(shí) 利用自行研發(fā)的智能式滴灌抗堵 塞測(cè)試平臺(tái)對(duì)灌水器進(jìn)行流量測(cè)定 測(cè)試時(shí)開啟流量測(cè) 試功能 將 5 min 內(nèi)流經(jīng)灌水器內(nèi)的水盛在灌水器下方的 紅色小桶中 并由傳感器精準(zhǔn)測(cè)試出流量 在電腦中自 動(dòng)生成的 Excel 表中自動(dòng)讀取每個(gè)灌水器的流量 對(duì)每個(gè) 灌水器的流量獨(dú)立測(cè)定 3 次 得到的灌水器流量數(shù)據(jù)用 于計(jì)算相對(duì)平均流量 Average discharge variation rate Dra 和克里斯琴森均勻系數(shù) Christiansen coefficient of uniformity CU 計(jì)算式如下 18 1 20 Dra 100 n i i q nq 1 1 CU 1 100 n i i qq nq 2 式中 q i 為第 i 個(gè)滴灌灌水器的實(shí)測(cè)流量 L h q 20 為滴灌 灌水器的額定流量 20 L h n 為毛管滴灌灌水器 總數(shù)量 q 為灌水器校正流量平均值 L h 1 3 2 灌水器堵塞物質(zhì)干質(zhì)量測(cè)試 在系統(tǒng)運(yùn)行 112 5 225 337 5 450 562 5 675 787 5 900 h 對(duì)灌水器采樣 從滴灌帶首 中 尾段共取 15 個(gè)灌 水器 并將灌水器放在烘箱內(nèi)以 60 烘干至恒質(zhì)量 用精 密電子天平 10 4 g 測(cè)得灌水器和污垢的總質(zhì)量 DW 1 然后使用毛刷與去離子水清洗灌水器 并在超聲波清潔儀 中震蕩清洗 10 min 清除堵塞污垢后 將灌水器放在烘箱 中繼續(xù)烘干至恒質(zhì)量 得到總質(zhì)量 DW 2 DW 1 與 DW 2 的質(zhì)量之差即為灌水器堵塞污垢的干質(zhì)量 1 3 3 灌水器內(nèi)堵塞污垢胞外聚合物測(cè)試 灌水器內(nèi)胞外聚合物通過(guò)測(cè)定胞外多糖 Extracellular Polysaccharides PS 與胞外蛋白 Extracellular Proteins PN 的含量來(lái)確定胞外聚合物 Extracellular Polymeric Substances EPS 的總量 分別 采用苯酚 硫酸法 19 與 Lowry 等 20 的方法測(cè)定 PS 和 PN 的含量 在 4 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣 225 450 675 和 900 h 進(jìn)行 3 次重復(fù)測(cè)定 1 3 4 灌水器內(nèi)堵塞污垢礦物成分測(cè)試 將灌水器中的堵塞污垢提取在無(wú)菌管中并使用冷凍 干燥機(jī) Kuansons FD A10N 中國(guó) 進(jìn)行干燥 干燥 后的樣品采用 X 射線衍射儀 Bruker D8 Advance Karlsruhe 進(jìn)行測(cè)試 來(lái)獲得多晶衍射圖形和堵塞物質(zhì)的 礦物組成 測(cè)試的節(jié)點(diǎn)和和重復(fù)數(shù)與 EPS 測(cè)試中相同 1 3 5 灌水器堵塞污垢表觀形貌 采用掃描電鏡 日立 SU3500 對(duì)堵塞物質(zhì)的形貌 進(jìn)行測(cè)試 由于灌水器間堵塞污垢形貌差異較小 選擇 系統(tǒng)末期的 E1 灌水器進(jìn)行表征 1 4 數(shù)據(jù)處理 采用 Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與繪圖 采用 SPSS22 0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 采用單因素方差分析判定灌水 器堵塞物質(zhì)的干質(zhì)量 胞外聚合物含量 礦物含量是否 存在顯著性差異 顯著性水平為 0 05 結(jié)構(gòu)方程模型是 一種基于變量的協(xié)方差矩陣來(lái)分析變量之間關(guān)系的一種 統(tǒng)計(jì)方法 是多元數(shù)據(jù)分析的重要工具 21 22 AMOS 軟 件被用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型的計(jì)算 以量化 NBs 對(duì)沼液 滴灌系統(tǒng)附生復(fù)合污垢的直接和間接緩解路徑 2 結(jié)果與分析 2 1 NBs 對(duì)灌水器水力性能的影響 灌水器的 Dra 和 CU 的動(dòng)態(tài)變化如圖 3 所示 NBs 有效 地緩解了 3 種類型灌水器堵塞 且對(duì) 3 種灌水器的堵塞緩解 效果并未存在明顯的差異 因此 匯總不同 NBs 下 3 種類 型灌水器的 Dra 和 CU 如圖 4 所示 與無(wú) NBs 添加的 O 0 1 相比 擬合斜率為 1 NBs 處理下灌水器 Dra 和 CU 分別 整體提高了 15 44 和 26 48 此外 高 NBs 濃度的 緩解效果較低濃度更好 O 1 0 處理比 O 1 1 處理的 Dra 和 CU 分別提高了 29 和 22 2 2 NBs 對(duì)污垢干質(zhì)量和形貌的影響 3 種灌水器內(nèi)污垢干質(zhì)量變化如圖 5 所示 隨著系統(tǒng) 的運(yùn)行 沼液滴灌灌水器污垢干質(zhì)量隨時(shí)間連續(xù)增加 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)灌水器內(nèi)污垢干質(zhì)量為 16 5 32 8 mg cm 2 3 種 NBs 處理之間的污垢干質(zhì)量存在顯著 P 0 05 差異 與 O 0 1 處理 CK 相比 NBs 處理中使 E1 E2 和 E3 中系統(tǒng)末期 900 h 堵塞物質(zhì)的干質(zhì)量分別降低了 22 49 18 41 和 25 47 表明 NBs 對(duì) 3 種灌水器 抗堵效果相當(dāng) 整體上來(lái)看 灌水器內(nèi)污垢干質(zhì)量顯著降 低了 31 52 圖 5d 此外 與 O 1 1 相比 O 1 0 處 理?xiàng)l件下灌水器內(nèi)污垢干質(zhì)量顯著降低了 21 高濃度 NBs 下灌水器抗堵塞效果較好 堵塞污垢的掃描電鏡形 貌如圖 6 所示 可以看出沼液滴灌系統(tǒng)中 3 種 NBs 濃度 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022 年 82 處理下的污垢形貌存在明顯差異 對(duì)照組中堵塞污垢較 為致密 而隨著 NBs 濃度的增加 污垢變得更加松散 這與 NBs 的物理剪切作用有關(guān) a E1 灌水器 a E1 emitter b E2 灌水器 b E2 emitter c E3 灌水器 c E3 emitter d E1 灌水器 d E1 emitter e E2 灌水器 e E2 emitter f E3 灌水器 f E3 emitter 注 O 0 1 O 1 0 O 1 1 分別表示對(duì)照組 無(wú) NBs 水 飽和 NBs 水 全部 為 NBs 水 半 NBs 水 飽和 NBs 水與無(wú) NBs 水體積比 1 1 下同 Note O 0 1 O 1 0 O 1 1 represent the control group water without NBs saturated NBs water all NBs water and half NBs water volume ratio of saturated NBs water to NBs free water is 1 1 respectively same as below 圖 3 灌水器相對(duì)平均流量及克里斯琴均勻系數(shù)的變化 Fig 3 Variations of average discharge variation rate Dra and christiansen Coefficient of Uniformity CU a Dra b CU 圖 4 納米氣泡對(duì)灌水器水力性能影響 Fig 4 Effects of nanobubbles on hydraulic performance of emitters 2 3 NBs 對(duì)污垢中胞外聚合物的影響 與干質(zhì)量結(jié)果類似 污垢中胞外聚合物 EPS 的含 量隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加均呈現(xiàn)上升趨勢(shì) 圖 7 3 種 NBs 濃度處理之間的 EPS 含量存在顯著 P 0 05 差異 與對(duì) 照組 O 0 1 相比 NBs 處理使得 EPS 含量顯著降低了 29 53 同時(shí) NBs 對(duì) EPS 的抑制效果隨濃度增加而增大 與 O 1 1 處理相比 O 1 0 的 EPS 含量降低了 34 73 與污垢干質(zhì)量規(guī)律類似 3 種灌水器內(nèi) EPS 含量同樣表現(xiàn) O 0 1 處理?xiàng)l件下最大 O 1 0 處理?xiàng)l件下最小的規(guī)律 此外 發(fā)現(xiàn) NBs 對(duì) EPS 的抑制能力隨時(shí)間有所減弱 在 225 450 675 900 h 時(shí) O 1 0 較 O 0 1 處理使 EPS 含量分別降低了 64 78 61 64 59 62 和 54 58 a E1 灌水器 a E1 emitter b E2 灌水器 b E2 emitter c E3 灌水器 c E3 emitter d 灌水器干質(zhì)量擬合 d Fitness of dry weight of the emitter 圖 5 NBs 對(duì)灌水器堵塞污垢干質(zhì)量影響 Fig 5 Effects of NBs on the dry weights of the clogging of the emitters a O 0 1 b O 1 1 c O 1 0 圖 6 掃描電子顯微鏡顯示的污垢形貌 Fig 6 Fouling morphology revealed by scanning electron microscope 第 14 期 譚思源等 納米氣泡對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的防堵塞效應(yīng)與機(jī)理 83 a E1灌水器 a E1 emitter b E2 灌水器 b E2 emitter c E3 灌水器 c E3 emitter 注 不同小寫字母代表處理間存在顯著的差異 P 0 05 Note Different letters represent significant differences among treatments 圖 7 灌水器堵塞物質(zhì)胞外聚合物含量變化 Fig 7 Variations of Extracellular Polymeric Substances EPS 2 4 NBs 對(duì)污垢中礦物組分的影響 X 射線衍射圖譜結(jié)果表明 灌水器內(nèi)附生污垢包含 6 種礦物 表 3 以 E1 為例 分別是 石英 綠泥石 鈣長(zhǎng)石 白云石 方解石和羥基磷灰石 其中 石英 白云石 綠泥石 鈣長(zhǎng)石 方解石和羥基磷灰石含量占 礦物總量的 11 21 11 15 4 8 0 4 28 38 和 27 35 顆粒污垢 石英 綠泥石 鈣長(zhǎng)石 化學(xué)沉淀 白云石 方解石 羥基磷灰石 分別占比 19 28 和 72 81 整體來(lái)看 與對(duì)照 組相比 NBs 處理中顆粒污垢的占比較高 而化學(xué)沉淀 的比例相對(duì)較低 灌水器附生污垢中各種礦物成分含量動(dòng)態(tài)變化如 圖 8 所示 3 種 NBs 濃度處理間各類顆粒污垢的含量存 在顯著 P 0 05 差異 與 O 0 1 處理相比 NBs 處理使 得顆粒污垢的總量降低了 35 68 而石英 綠泥石的 含量分別顯著 P 0 05 降低了 28 68 56 76 此外 NBs 的濃度越高對(duì)顆粒污垢的控制效果越好 與 O 1 1 處理相比 O 1 0 處理中的顆粒污垢的總量降低了 4 59 3 種 NBs 處理中化學(xué)沉淀的含量也存在顯著 P 0 05 差異 與 O 0 1 處理相比 NBs 處理使得化學(xué)沉 淀的總量降低了 52 75 而白云石 方解石 羥基磷 灰石的含量分別顯著 P 0 05 降低了 12 65 20 65 和 25 72 同時(shí) NBs 的濃度越高對(duì)化學(xué)沉淀的 緩解效果越好 與 O 1 1 處理相比 O 1 0 的化學(xué)沉淀的總 量降低了 26 64 表 3 灌水器內(nèi)堵塞污垢礦物組成 Table 3 Composition of clogged dirt minerals in the filler 石英 Quartz 綠泥石 Chlorite 鈣長(zhǎng)石 Anorthite 白云石 Dolomite 方解石 Calcite 羥基磷灰石 Hydroxyapatite 運(yùn)行時(shí)間 Running time h 處理 Treatments 含量 Content mg cm 2 占比 Proportion 含量 Content mg cm 2 占比 Proportion 含量 Content mg cm 2 占比 Proportion 含量 Content mg cm 2 占比 Proportion 含量 Content mg cm 2 占比 Proportion 含量 Content mg cm 2 占比 Proportion O 0 1 0 51 14 0 20 5 0 01 0 0 48 13 1 45 38 1 12 30 O 1 1 0 38 17 0 09 4 0 08 4 0 27 12 0 73 33 0 68 30 225 O 1 0 0 34 21 0 09 5 0 03 2 0 18 12 0 51 32 0 45 28 O 0 1 1 05 11 0 72 8 0 01 0 1 40 15 2 83 31 3 16 35 O 1 1 0 79 16 0 17 4 0 13 3 0 69 14 1 52 31 1 56 32 450 O 1 0 0 69 18 0 26 7 0 06 2 0 41 11 1 06 28 1 30 34 O 0 1 2 03 15 0 90 6 0 01 0 1 99 14 5 25 38 3 80 27 O 1 1 1 72 20 0 47 5 0 27 3 1 16 13 2 42 28 2 68 31 675 O 1 0 1 17 19 0 30 5 0 09 1 0 78 13 1 82 30 1 84 31 O 0 1 2 60 15 1 04 6 0 01 0 2 55 15 5 88 35 4 94 29 O 1 1 1 95 16 0 53 4 0 43 4 1 22 10 4 00 34 3 72 31 900 O 1 0 1 63 20 0 31 4 0 06 1 0 89 11 2 72 34 2 35 29 2 5 NBs 緩解灌水器堵塞的路徑 采用結(jié)構(gòu)方程模型分析 Structural Equation Model 來(lái)量化 NBs 對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)復(fù)合污垢及灌水器水力性能 Dra 表征 的直接和間接作用路徑 結(jié)果如圖 9 所示 由 于顆粒污垢均是硅酸鹽 性質(zhì)較為接近且極其穩(wěn)定 在此 將其看成一類 結(jié)果表明 NBs 通過(guò)直接作用顯著 P 0 05 降低了灌水器附生方解石 硅酸鹽 羥基磷灰 石和 EPS的的含量 路徑系數(shù) 分別為 0 54 0 45 0 33 0 35 以方解石最強(qiáng) 而對(duì)白云石的直接影響并不顯著 同時(shí) 方解石 硅酸鹽 羥基磷灰石和白云石的含量顯著 P 0 05 影響了灌水器的 Dra 路徑系數(shù) 分別為 0 43 0 45 0 27 0 25 而 EPS 對(duì)灌水器 Dra 的影響并不顯著 同時(shí) 各類污垢間存在顯著的交互關(guān)系 如 EPS 和方解石 白云石之間具有顯著的正向相關(guān)性 路徑系數(shù) 處于 0 46 0 52 硅酸鹽與羥基磷灰石 白云石之間同樣有著較強(qiáng) 的相關(guān)性 因此 NBs 主要是通過(guò)直接降低化學(xué)沉淀 方 解石 羥基磷灰石 和顆粒污垢 硅酸鹽 的含量 緩解 了灌水器堵塞 而 NBs 雖然也顯著降低了生物污垢中 EPS 的含量 但卻并不直接對(duì) Dra 產(chǎn)生影響 主要是通過(guò)影響 EPS 和其他兩類污垢的共線性關(guān)系來(lái)緩解灌水器堵塞 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022 年 84 E1 E2 E3 E1 E2 E3 a 石英 a Quartz b 綠泥石 b Chlorite E1 E2 E3 E1 E2 E3 c 鈣長(zhǎng)石 c Anorthite d 白云石 d Dolomite E1 E2 E3 E1 E2 E3 e 方解石 e Calcite f 羥基磷灰石 f Hydroxyapatite 圖 8 灌水器內(nèi)各類礦物成分含量隨時(shí)間變化 Fig 8 Changes in the content of various mineral components in the emitter with time 注 P 0 05 數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)化后的路徑系數(shù) 正數(shù)和負(fù)數(shù)分別表示正相關(guān) 和負(fù)相關(guān) Note P 0 05 The number is the normalized path coefficient positive and negative numbers indicate positive and negative correlations respectively 圖 9 結(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果 Fig 9 Results by structural equation model 3 討 論 本研究表明 NBs 有效地緩解了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器 物理 生物 化學(xué)復(fù)合污垢的形成 作為生物污垢中的最 主要成分即 EPS NBs 顯著降低了附生污垢中 EPS 的含 量 通常 EPS 可以附著在灌水器流道壁面充當(dāng)黏合劑 進(jìn)而繼續(xù)吸附水源中的固體懸浮顆粒和鹽分離子 加速 生物污垢和化學(xué)沉淀的形成 23 25 因此 NBs 對(duì) EPS 的 緩解是實(shí)現(xiàn)沼液滴灌系統(tǒng)復(fù)合污垢緩解中非常關(guān)鍵的一 環(huán) 而 EPS 的形成主要由微生物所分泌的 這表明 NBs 可能緩解了微生物的總量或抑制了微生物活性 從而減 少微生物分泌 EPS NBs 對(duì)微生物的緩解作用主要來(lái)源 于羥基自由基 OH 這是 NBs 在破碎時(shí)產(chǎn)生的一種 活性物質(zhì) 其氧化電位可達(dá) 2 80 eV 具有極強(qiáng)的氧化性 可以直接滅殺水中的微生物 此外 OH 可與水中的有 機(jī)質(zhì)發(fā)生快速的鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 26 降低水中支持微生物生長(zhǎng) 的有機(jī)質(zhì)含量 進(jìn)而抑制微生物的代謝過(guò)程 26 27 因此 NBs 的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物污垢堵塞的緩解作用 而相比 O 1 1 處理 O 1 0 處理具有更好的 EPS 控制效果 這可能 是由于高濃度的 NBs 往往意味著沼液中產(chǎn)生了更多的羥 基自由基 進(jìn)而提高了生物污垢的控制效果 28 NBs 也降低附生污垢中化學(xué)沉淀的形成 包括碳酸 鈣和羥基磷灰石 有研究表明 NBs 在膜介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)化學(xué) 沉淀緩解是降低了膜介質(zhì)表面的濃度極化 29 然而 與 膜介質(zhì)不同 灌水器塑料表面并不存在濃度極化現(xiàn)象 因此必存在其他的作用過(guò)程 一般來(lái)說(shuō) 化學(xué)晶體的形 成包含 3 個(gè)過(guò)程 即成核階段 穩(wěn)定階段和生長(zhǎng)階段 阻垢劑可以通過(guò)螯合 分散 晶體畸變和閾值效應(yīng)共 4 種方式防止晶體形成 一種可能性的解釋是 NBs 表面本 身帶負(fù)電荷 可充當(dāng)陽(yáng)離子螯合劑 吸引 Ca 2 Mg 2 等 第 14 期 譚思源等 納米氣泡對(duì)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的防堵塞效應(yīng)與機(jī)理 85 易于致垢的陽(yáng)離子在氣泡的表面 30 降低了陽(yáng)離子與陰 離子的接觸概率 從而抑制了碳酸鹽和磷酸鹽的形成 另一方面 當(dāng)有帶電離子的 NBs 被輸送到污垢表面的晶 體時(shí) NBs 擴(kuò)散層周圍的不穩(wěn)定電荷可以被放置在晶體 表面 這種電荷轉(zhuǎn)移可引起晶體的懸浮效應(yīng)和晶體間的 互斥 導(dǎo)致晶體發(fā)生分散效應(yīng) 進(jìn)而也會(huì)抑制化學(xué)沉淀 的形成 NBs 應(yīng)用也減緩了顆粒污垢在灌水器內(nèi)部的沉積 進(jìn)而減緩了灌水器物理堵塞 這與 NBs 加速顆粒的沉降 和絮凝 降低水體中的顆粒物含量有關(guān) 31 32 例如 Liu 等 33 比較了納米氣泡氣浮工藝與傳統(tǒng)氣泡氣浮工藝對(duì)印 染廢水的預(yù)處理效果 發(fā)現(xiàn)納米氣泡氣浮工藝能夠減少 絮凝劑的投加量并加快顆粒物預(yù)處理的速率 很多研究 表明 NBs 能夠形成促進(jìn)粒子聚集的氣橋來(lái)促進(jìn)顆粒物 的絮凝作用 從而去除水體中的顆粒物 33 34 因此 NBs 的應(yīng)用可以加速沼液中顆粒物在預(yù)沉淀池中的沉積 減 少進(jìn)入到灌水器毛管的顆粒物含量 從而減緩了顆粒污 垢形成 本文 O 1 0 處理對(duì)顆粒污垢控制效果高于 O 1 1 處 理 這可能主要是因?yàn)楦邼舛鹊?NBs 對(duì)顆粒物的沉降和 絮凝效果越強(qiáng)導(dǎo)致 本文結(jié)果表明 NBs 能有效地減少沼液滴灌系統(tǒng)灌水 器附生污垢 進(jìn)而減緩了灌水器生物 化學(xué) 物理復(fù)合堵 塞 然而 NBs 是否適宜在沼液滴灌工程中應(yīng)用 還需 要與傳統(tǒng)的加酸 加氯灌水器抗堵塞技術(shù)進(jìn)行比對(duì) 首 先 相比于加酸 加氯技術(shù) NBs 對(duì)生物污垢 化學(xué)沉 淀和顆粒污垢均具有良好的控制效果較好 而化學(xué)處理 僅僅針對(duì)單一類型的污垢 例如加酸主要對(duì)化學(xué)沉淀有 效 而加氯主要用于生物污垢的控制 此外 加酸 加 氯技術(shù)很容易產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品 極易引發(fā)土壤污染和作 物減產(chǎn) 且具有人類接觸風(fēng)險(xiǎn) 而 NBs 則是一種更環(huán)保 更安全的污垢控制技術(shù) 并且利用 NBs 加氣滴灌已被證 實(shí)可以提高作物的產(chǎn)量和土壤肥力 13 14 總體而言 鑒 于 NBs 對(duì)復(fù)合污垢緩解的有效性 生態(tài)友好性和安全性 本研究認(rèn)為 NBs 可作為一種有效的防灌水器堵塞復(fù)合污 垢方法 有助于沼液等劣質(zhì)水滴灌技術(shù)的進(jìn)一步推廣和 應(yīng)用 4 結(jié) 論 本文基于 3 種納米氣泡 Nanobubbles NBs 濃度 的灌溉水對(duì) 3 種內(nèi)鑲片式灌水器開展了堵塞試驗(yàn) 研究 采用納米氣泡技術(shù)緩解沼液滴灌系統(tǒng)灌水器復(fù)合堵塞的 可行性及效果 結(jié)果表明 1 NBs 處理有效地緩解了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞 與對(duì)照組相比 NBs 使沼液滴灌系統(tǒng)的相對(duì)平均流量和 克里斯琴均勻系數(shù)分別提升了 15 44 和 26 48 而堵塞物質(zhì)的干質(zhì)量降低了 31 52 2 2 種濃度的 NBs 均有效緩解了沼液滴灌系統(tǒng)灌水 器堵塞 而高濃度的 NBs 效果更好 與半 NBs 液 O 1 1 處理相比飽和 NBs 液 O 1 0 處理的相對(duì)平均流量和克里斯 琴森均勻系數(shù)分別提高 29 和 22 堵塞物污垢干質(zhì)量 降低了 21 3 NBs 對(duì)生物污垢 化學(xué)沉淀 顆粒污垢均有控制 效果 NBs 處理使得胞外聚合物 化學(xué)沉淀和顆粒污垢 的總量分別降低了 29 53 52 75 和 35 68 其中石英 綠泥石 白云石 方解石 羥基磷灰石的含 量分別降低了 28 68 56 76 12 65 20 65 和 25 72 參 考 文 獻(xiàn) 1 周文兵 靳渝鄂 肖乃東 沼液