纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理.pdf

第 38 卷 第 14 期 农 业 工 程 学 报 Vol 38 No 14 2022 年 7月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul 2022 79 纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理 谭思源 1 2 沈 岩 1 2 刘雁征 3 王逍遥 1 肖 洋 1 2 李云开 1 2 1 中国农业大学水利与土木工程学院 北京 100083 2 农业节水与水资源教育部工程研究中心 北京 100083 3 北京农业职 业学院机电工程学院 北京 102208 摘 要 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 有无 NBs 的混配液体积相 同 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 关键词 纳米 气泡 灌溉 沼液 滴灌 复合污垢 灌水器堵塞 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 14 010 中图分类号 S275 6 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2022 14 0079 09 谭思源 沈岩 刘雁征 等 纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理 J 农业工程学报 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 中国畜禽养殖量 消费量均居世界第一 1 但却产生 了大量的养殖废污 2 为实现粪污无害化处理及能源化利 用 沼气工程应运而生 同时产生了大量的沼液 然而 沼液的不当管理也会导致污染物淋溶至水体和土壤 3 沼 液回用农田灌溉是一种 变废为宝 的处理方式 采用 这种形式不仅可以缓解沼液不当处置引发的污染问题 且沼液中的营养元素可以提升农作物的产量和品质 4 5 滴灌因其精量 可控等特性被认为是沼液等劣质水灌溉 最可靠的方式 它可以有效避免沼液中有害物质的地表 径流和深层渗漏 降低沼液中病原体与作物 人体接触 传播的健康风险 6 并能缓解沼液中大量盐分导致的根区 盐分胁迫水平 7 然而 沼液中含有的大量微生物 盐分 离子和颗粒物等致垢物质极易引发滴灌系统灌水器堵 收稿日期 2022 04 01 修订日期 2022 06 10 基金项目 国家自然科学基金项目 51790531 北京农业职业学院科技创 新项目 XY YF 20 14 作者简介 谭思源 研究方向为滴灌灌水器堵塞机理与控制 Email 422091369 通信作者 李云开 教授 博士生导师 研究方向为精量高效滴灌装备原 理 设计及应用 Email yunkai 塞 已成为制约沼液滴灌技术应用和推广的关键障碍 针对沼液滴灌系统灌水器堵塞的机理和缓解研究尚 处于起步阶段 陈红等 8 开展了沼液滴灌系统灌水器堵塞 行为的研究 建议选择大流量的灌水器 优化沼液和清 水的配比来防止灌水器堵塞 Xiao 等 9 探索了水磁化处 理方法对于防止沼液滴灌系统灌水器堵塞的适宜性 发 现水磁化能够控制沼液中的生物污垢和化学沉淀 但对 颗粒污垢的控制效应较差 并且水磁化后期对堵塞的缓 解效果有所降低 目前对于沼液滴灌系统灌水器堵塞还 缺乏针对性 有效性的控制方法 这主要是由于沼液中 的成分复杂 多样 在滴灌灌水器中呈现出复杂的物理 生物 化学复合型堵塞 8 10 加剧了灌水器堵塞的控制难 度 诸如传统加酸 加氯等化学方法虽然普遍被用于灌 水器堵塞控制 11 但是往往只针对单一的堵塞污垢 例 如 加酸局限于控制堵塞 对于复合型堵塞污垢的控制效 果不佳 且极易引发土壤和作物安全风险 因此 亟待寻 求一种清洁 高效的沼液滴灌系统物理 生物 化学复合型 堵塞控制技术 纳米气泡 Nanobubbles NBs 是一种绿色的污垢 控制技术 具体而言 纳米气泡指的是平均直径小于 200 nm 的气泡 12 与普通气泡相比 NBs 具有比表面积 大 表面带负电荷 吸附性能高等特点 NBs 加气滴灌 农业工程学报 http www tcsae org 2022 年 80 已被证明可以提升西瓜 甜瓜 番茄等作物的产量和品 质 13 14 能够解决常规加气灌溉的气泡贮存时间短的问 题 NBs 在破碎过程中会产生具有强氧化活性的羟基自 由基 可以灭杀水中的微生物 15 NBs 还会加速水中有 机物的降解 减缓蛋白质污垢在介质表面的吸附 16 此 外 NBs 已被应用于膜处理表面碳酸钙沉淀的控制 17 这些研究表明 NBs 对多种类型的污垢控制都可能是有效 的 因此 NBs 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 进而形成一种集灌水器堵塞控制 作物增产提质相结合的有效技术 然而 目前 NBs 对滴 灌系统内污垢的控制效应尚不明确 为此 本文开展了 2 种纳米气泡浓度下沼液滴灌灌 水器抗堵塞的试验 旨在 1 探究 NBs 对沼液滴灌系统 灌水器复合型堵塞的控制效应 2 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 以期为 沼液滴灌技术的应用和推广提供支撑 1 材料与方法 1 1 供试材料 试验采用的沼液取自北京某猪场养殖场 为降低灌 水器堵塞风险 沼液首先在沉淀池中采用 0 85 和 0 25 mm 孔径筛网进行过滤 以去除沼液中大量的颗粒物 为满 足农田灌溉水质的要求 并进一步降低沼液中的颗粒物 和盐分含量 将预沉淀池的沼液与当地地下水按照体积 比 1 8 进行混配 混配后混配液理化性质如表 1 所示 混配液经叠片过滤器 0 12 mm 再次过滤后流入 NBs 发生装置 夏之春 中国 XZCP K 1 5 连续运行 4 h 后用于制备含有饱和 NBs 的水体 即 NBs 混配液 所 产生的饱和纳米气泡水的粒径及浓度利用纳米颗粒跟踪 分析 制造商 Marlern 英国 型号 NanoSight NS300 进行测试 结果如图 1 所示 所制备的 NBs 平均粒径为 101 0 nm 总浓度 3 73 10 7 个 mL 表 1 沼液与地下水混配液的的水质参数 Table 1 Water quality parameters of the mixture of biogas slurry and groundwater 水质参数 Water quality parameters 数值 Values pH 值 pH Value 7 2 0 2 微生物浓度 Microbial concentration cfu mL 1 3 616 7 110 碳酸钙 Calcium carbonate mg L 1 561 3 23 6 总氮 Total Nitrogen TN mg L 1 165 4 7 总磷 Total Phosphorus TP mg L 1 7 2 0 2 总有机碳 Total Organic Carbon TOC mg L 1 226 4 5 化学需氧量 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 电导率 Electrical Conductivity EC mS cm 1 3 4 0 1 氧化还原电位 Oxidation reduction Potential ORP mV 81 4 表面张力 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 图中 2 条线代表仪器两次循环测试的结果 线上数值为粒径值 Note Two lines in figure represent results of two loop tests by the instrument Values one the lines are particle size 图 1 试验用饱和纳米气泡的粒径和浓度分布 Fig 1 Particle size and concentration distribution of saturated Nanobubbles used in the experiment 试验选用 3 种常用内镶贴片式灌水器 分别以 E1 E2 E3 表示 来自甘肃亚盛亚美特有限公司 灌水器 的结构参数如表 2 所示 表 2 灌水器特征参数 Table 2 Characteristic parameters of emitters 流道几何参数 Flow path geometry parameters mm 灌水器 Emitters 流量 Flow rate L h 1 长 Length 宽 Wide 深 Depth 流量系数 Discharge coefficient K d 流态指 数 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 试验方案 基于无 NBs 的混配液与有 NBs 的混配液的体积 配 置了 3 种不同浓度的 NBs 对照组 全部为无 NBs 的混 配液 O 0 1 饱和 NBs 液 全部为有 NBs 的混配液 O 1 0 半 NBs 液 有无 NBs 的混配液体积比相同 O 1 1 根据 NBs 的浓度和灌水器类型 E1 E2 E3 试验共 设置 9 个处理 沼液滴灌系统灌水器堵塞的 NBs 缓解试验在中国农业 大学北京通州实验站连栋温室内进行 试验所用抗堵塞测 试平台如图 2 所示 经 NBs 发生装置处理后水体流入滴灌 毛管 对照组中无 NBs 毛管长 26 m 每根滴灌带上有 82 个灌水器 上方布置 E1 E2 和 E3 每种灌水器各 1 根滴 灌带用于灌水器流量的连续测定 下方布置 3 层滴灌带用 于取样 E1 E2 和 E3 灌水器各 1 层 每层包括 8 根用于 灌水器内部堵塞物质的提取 系统采用分层调压布置 滴 灌带毛管入口处的压力为 0 1 MPa 所有的滴灌带布置在 长 宽 高分别为 26 1 2 1 m 的铁支架上 架子前设有 3 个储水槽 分别储存 3 种浓度的 NBs 水体 储水槽中的 水由水泵 电压 220 V 扬程 35 m 流量 15 m 3 s 抽送 经过调压阀门和压力表 量程 0 6 MPa 精度 0 02 MPa 进 入滴灌毛管 并由灌水器滴出 系统每天运行 10 h 08 00 第 14 期 谭思源等 纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理 81 18 00 累计运行 900 h 共运行 90 d 1 地下水水箱 2 沼液沉淀池 3 筛网 孔径 0 85 mm 4 筛网 孔径 0 25 mm 5 截止阀 6 自吸泵 7 地下水与沼液混合池 8 自吸泵 9 截止阀 10 组合式叠片过滤器 11 纳气泡发生器 12 阀门 13 压力表 14 水表 15 灌水器 16 红色小桶 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 图 2 试验装置示意图 Fig 2 Schematic of experimental set up 1 3 测试方法 1 3 1 灌水器流量及堵塞特性评估 在试验系统运行 112 5 225 337 5 450 562 5 675 787 5 900 h 时 利用自行研发的智能式滴灌抗堵 塞测试平台对灌水器进行流量测定 测试时开启流量测 试功能 将 5 min 内流经灌水器内的水盛在灌水器下方的 红色小桶中 并由传感器精准测试出流量 在电脑中自 动生成的 Excel 表中自动读取每个灌水器的流量 对每个 灌水器的流量独立测定 3 次 得到的灌水器流量数据用 于计算相对平均流量 Average discharge variation rate Dra 和克里斯琴森均匀系数 Christiansen coefficient of uniity CU 计算式如下 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 为第 i 个滴灌灌水器的实测流量 L h q 20 为滴灌 灌水器的额定流量 20 L h n 为毛管滴灌灌水器 总数量 q 为灌水器校正流量平均值 L h 1 3 2 灌水器堵塞物质干质量测试 在系统运行 112 5 225 337 5 450 562 5 675 787 5 900 h 对灌水器采样 从滴灌带首 中 尾段共取 15 个灌 水器 并将灌水器放在烘箱内以 60 烘干至恒质量 用精 密电子天平 10 4 g 测得灌水器和污垢的总质量 DW 1 然后使用毛刷与去离子水清洗灌水器 并在超声波清洁仪 中震荡清洗 10 min 清除堵塞污垢后 将灌水器放在烘箱 中继续烘干至恒质量 得到总质量 DW 2 DW 1 与 DW 2 的质量之差即为灌水器堵塞污垢的干质量 1 3 3 灌水器内堵塞污垢胞外聚合物测试 灌水器内胞外聚合物通过测定胞外多糖 Extracellular Polysaccharides PS 与胞外蛋白 Extracellular Proteins PN 的含量来确定胞外聚合物 Extracellular Polymeric Substances EPS 的总量 分别 采用苯酚 硫酸法 19 与 Lowry 等 20 的方法测定 PS 和 PN 的含量 在 4 个时间节点进行采样 225 450 675 和 900 h 进行 3 次重复测定 1 3 4 灌水器内堵塞污垢矿物成分测试 将灌水器中的堵塞污垢提取在无菌管中并使用冷冻 干燥机 Kuansons FD A10N 中国 进行干燥 干燥 后的样品采用 X 射线衍射仪 Bruker D8 Advance Karlsruhe 进行测试 来获得多晶衍射图形和堵塞物质的 矿物组成 测试的节点和和重复数与 EPS 测试中相同 1 3 5 灌水器堵塞污垢表观形貌 采用扫描电镜 日立 SU3500 对堵塞物质的形貌 进行测试 由于灌水器间堵塞污垢形貌差异较小 选择 系统末期的 E1 灌水器进行表征 1 4 数据处理 采用 Excel 软件对试验数据进行统计与绘图 采用 SPSS22 0 进行统计分析 采用单因素方差分析判定灌水 器堵塞物质的干质量 胞外聚合物含量 矿物含量是否 存在显著性差异 显著性水平为 0 05 结构方程模型是 一种基于变量的协方差矩阵来分析变量之间关系的一种 统计方法 是多元数据分析的重要工具 21 22 AMOS 软 件被用来进行结构方程模型的计算 以量化 NBs 对沼液 滴灌系统附生复合污垢的直接和间接缓解路径 2 结果与分析 2 1 NBs 对灌水器水力性能的影响 灌水器的 Dra 和 CU 的动态变化如图 3 所示 NBs 有效 地缓解了 3 种类型灌水器堵塞 且对 3 种灌水器的堵塞缓解 效果并未存在明显的差异 因此 汇总不同 NBs 下 3 种类 型灌水器的 Dra 和 CU 如图 4 所示 与无 NBs 添加的 O 0 1 相比 拟合斜率为 1 NBs 处理下灌水器 Dra 和 CU 分别 整体提高了 15 44 和 26 48 此外 高 NBs 浓度的 缓解效果较低浓度更好 O 1 0 处理比 O 1 1 处理的 Dra 和 CU 分别提高了 29 和 22 2 2 NBs 对污垢干质量和形貌的影响 3 种灌水器内污垢干质量变化如图 5 所示 随着系统 的运行 沼液滴灌灌水器污垢干质量随时间连续增加 试验结束时灌水器内污垢干质量为 16 5 32 8 mg cm 2 3 种 NBs 处理之间的污垢干质量存在显著 P 0 05 差异 与 O 0 1 处理 CK 相比 NBs 处理中使 E1 E2 和 E3 中系统末期 900 h 堵塞物质的干质量分别降低了 22 49 18 41 和 25 47 表明 NBs 对 3 种灌水器 抗堵效果相当 整体上来看 灌水器内污垢干质量显著降 低了 31 52 图 5d 此外 与 O 1 1 相比 O 1 0 处 理条件下灌水器内污垢干质量显著降低了 21 高浓度 NBs 下灌水器抗堵塞效果较好 堵塞污垢的扫描电镜形 貌如图 6 所示 可以看出沼液滴灌系统中 3 种 NBs 浓度 农业工程学报 http www tcsae org 2022 年 82 处理下的污垢形貌存在明显差异 对照组中堵塞污垢较 为致密 而随着 NBs 浓度的增加 污垢变得更加松散 这与 NBs 的物理剪切作用有关 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 分别表示对照组 无 NBs 水 饱和 NBs 水 全部 为 NBs 水 半 NBs 水 饱和 NBs 水与无 NBs 水体积比 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 图 3 灌水器相对平均流量及克里斯琴均匀系数的变化 Fig 3 Variations of average discharge variation rate Dra and christiansen Coefficient of Uniity CU a Dra b CU 图 4 纳米气泡对灌水器水力性能影响 Fig 4 Effects of nanobubbles on hydraulic perance of emitters 2 3 NBs 对污垢中胞外聚合物的影响 与干质量结果类似 污垢中胞外聚合物 EPS 的含 量随系统运行时间增加均呈现上升趋势 图 7 3 种 NBs 浓度处理之间的 EPS 含量存在显著 P 0 05 差异 与对 照组 O 0 1 相比 NBs 处理使得 EPS 含量显著降低了 29 53 同时 NBs 对 EPS 的抑制效果随浓度增加而增大 与 O 1 1 处理相比 O 1 0 的 EPS 含量降低了 34 73 与污垢干质量规律类似 3 种灌水器内 EPS 含量同样表现 O 0 1 处理条件下最大 O 1 0 处理条件下最小的规律 此外 发现 NBs 对 EPS 的抑制能力随时间有所减弱 在 225 450 675 900 h 时 O 1 0 较 O 0 1 处理使 EPS 含量分别降低了 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 灌水器干质量拟合 d Fitness of dry weight of the emitter 图 5 NBs 对灌水器堵塞污垢干质量影响 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 图 6 扫描电子显微镜显示的污垢形貌 Fig 6 Fouling morphology revealed by scanning electron microscope 第 14 期 谭思源等 纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理 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 不同小写字母代表处理间存在显著的差异 P 0 05 Note Different letters represent significant differences among treatments 图 7 灌水器堵塞物质胞外聚合物含量变化 Fig 7 Variations of Extracellular Polymeric Substances EPS 2 4 NBs 对污垢中矿物组分的影响 X 射线衍射图谱结果表明 灌水器内附生污垢包含 6 种矿物 表 3 以 E1 为例 分别是 石英 绿泥石 钙长石 白云石 方解石和羟基磷灰石 其中 石英 白云石 绿泥石 钙长石 方解石和羟基磷灰石含量占 矿物总量的 11 21 11 15 4 8 0 4 28 38 和 27 35 颗粒污垢 石英 绿泥石 钙长石 化学沉淀 白云石 方解石 羟基磷灰石 分别占比 19 28 和 72 81 整体来看 与对照 组相比 NBs 处理中颗粒污垢的占比较高 而化学沉淀 的比例相对较低 灌水器附生污垢中各种矿物成分含量动态变化如 图 8 所示 3 种 NBs 浓度处理间各类颗粒污垢的含量存 在显著 P 0 05 差异 与 O 0 1 处理相比 NBs 处理使 得颗粒污垢的总量降低了 35 68 而石英 绿泥石的 含量分别显著 P 0 05 降低了 28 68 56 76 此外 NBs 的浓度越高对颗粒污垢的控制效果越好 与 O 1 1 处理相比 O 1 0 处理中的颗粒污垢的总量降低了 4 59 3 种 NBs 处理中化学沉淀的含量也存在显著 P 0 05 差异 与 O 0 1 处理相比 NBs 处理使得化学沉 淀的总量降低了 52 75 而白云石 方解石 羟基磷 灰石的含量分别显著 P 0 05 降低了 12 65 20 65 和 25 72 同时 NBs 的浓度越高对化学沉淀的 缓解效果越好 与 O 1 1 处理相比 O 1 0 的化学沉淀的总 量降低了 26 64 表 3 灌水器内堵塞污垢矿物组成 Table 3 Composition of clogged dirt minerals in the filler 石英 Quartz 绿泥石 Chlorite 钙长石 Anorthite 白云石 Dolomite 方解石 Calcite 羟基磷灰石 Hydroxyapatite 运行时间 Running time h 处理 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 缓解灌水器堵塞的路径 采用结构方程模型分析 Structural Equation Model 来量化 NBs 对沼液滴灌系统复合污垢及灌水器水力性能 Dra 表征 的直接和间接作用路径 结果如图 9 所示 由 于颗粒污垢均是硅酸盐 性质较为接近且极其稳定 在此 将其看成一类 结果表明 NBs 通过直接作用显著 P 0 05 降低了灌水器附生方解石 硅酸盐 羟基磷灰 石和 EPS的的含量 路径系数 分别为 0 54 0 45 0 33 0 35 以方解石最强 而对白云石的直接影响并不显著 同时 方解石 硅酸盐 羟基磷灰石和白云石的含量显著 P 0 05 影响了灌水器的 Dra 路径系数 分别为 0 43 0 45 0 27 0 25 而 EPS 对灌水器 Dra 的影响并不显著 同时 各类污垢间存在显著的交互关系 如 EPS 和方解石 白云石之间具有显著的正向相关性 路径系数 处于 0 46 0 52 硅酸盐与羟基磷灰石 白云石之间同样有着较强 的相关性 因此 NBs 主要是通过直接降低化学沉淀 方 解石 羟基磷灰石 和颗粒污垢 硅酸盐 的含量 缓解 了灌水器堵塞 而 NBs 虽然也显著降低了生物污垢中 EPS 的含量 但却并不直接对 Dra 产生影响 主要是通过影响 EPS 和其他两类污垢的共线性关系来缓解灌水器堵塞 农业工程学报 http www tcsae org 2022 年 84 E1 E2 E3 E1 E2 E3 a 石英 a Quartz b 绿泥石 b Chlorite E1 E2 E3 E1 E2 E3 c 钙长石 c Anorthite d 白云石 d Dolomite E1 E2 E3 E1 E2 E3 e 方解石 e Calcite f 羟基磷灰石 f Hydroxyapatite 图 8 灌水器内各类矿物成分含量随时间变化 Fig 8 Changes in the content of various mineral components in the emitter with time 注 P 0 05 数字为标准化后的路径系数 正数和负数分别表示正相关 和负相关 Note P 0 05 The number is the normalized path coefficient positive and negative numbers indicate positive and negative correlations respectively 图 9 结构方程模型分析结果 Fig 9 Results by structural equation model 3 讨 论 本研究表明 NBs 有效地缓解了沼液滴灌系统灌水器 物理 生物 化学复合污垢的形成 作为生物污垢中的最 主要成分即 EPS NBs 显著降低了附生污垢中 EPS 的含 量 通常 EPS 可以附着在灌水器流道壁面充当黏合剂 进而继续吸附水源中的固体悬浮颗粒和盐分离子 加速 生物污垢和化学沉淀的形成 23 25 因此 NBs 对 EPS 的 缓解是实现沼液滴灌系统复合污垢缓解中非常关键的一 环 而 EPS 的形成主要由微生物所分泌的 这表明 NBs 可能缓解了微生物的总量或抑制了微生物活性 从而减 少微生物分泌 EPS NBs 对微生物的缓解作用主要来源 于羟基自由基 OH 这是 NBs 在破碎时产生的一种 活性物质 其氧化电位可达 2 80 eV 具有极强的氧化性 可以直接灭杀水中的微生物 此外 OH 可与水中的有 机质发生快速的链式反应 26 降低水中支持微生物生长 的有机质含量 进而抑制微生物的代谢过程 26 27 因此 NBs 的应用实现了对生物污垢堵塞的缓解作用 而相比 O 1 1 处理 O 1 0 处理具有更好的 EPS 控制效果 这可能 是由于高浓度的 NBs 往往意味着沼液中产生了更多的羟 基自由基 进而提高了生物污垢的控制效果 28 NBs 也降低附生污垢中化学沉淀的形成 包括碳酸 钙和羟基磷灰石 有研究表明 NBs 在膜介质中实现化学 沉淀缓解是降低了膜介质表面的浓度极化 29 然而 与 膜介质不同 灌水器塑料表面并不存在浓度极化现象 因此必存在其他的作用过程 一般来说 化学晶体的形 成包含 3 个过程 即成核阶段 稳定阶段和生长阶段 阻垢剂可以通过螯合 分散 晶体畸变和阈值效应共 4 种方式防止晶体形成 一种可能性的解释是 NBs 表面本 身带负电荷 可充当阳离子螯合剂 吸引 Ca 2 Mg 2 等 第 14 期 谭思源等 纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理 85 易于致垢的阳离子在气泡的表面 30 降低了阳离子与阴 离子的接触概率 从而抑制了碳酸盐和磷酸盐的形成 另一方面 当有带电离子的 NBs 被输送到污垢表面的晶 体时 NBs 扩散层周围的不稳定电荷可以被放置在晶体 表面 这种电荷转移可引起晶体的悬浮效应和晶体间的 互斥 导致晶体发生分散效应 进而也会抑制化学沉淀 的形成 NBs 应用也减缓了颗粒污垢在灌水器内部的沉积 进而减缓了灌水器物理堵塞 这与 NBs 加速颗粒的沉降 和絮凝 降低水体中的颗粒物含量有关 31 32 例如 Liu 等 33 比较了纳米气泡气浮工艺与传统气泡气浮工艺对印 染废水的预处理效果 发现纳米气泡气浮工艺能够减少 絮凝剂的投加量并加快颗粒物预处理的速率 很多研究 表明 NBs 能够形成促进粒子聚集的气桥来促进颗粒物 的絮凝作用 从而去除水体中的颗粒物 33 34 因此 NBs 的应用可以加速沼液中颗粒物在预沉淀池中的沉积 减 少进入到灌水器毛管的颗粒物含量 从而减缓了颗粒污 垢形成 本文 O 1 0 处理对颗粒污垢控制效果高于 O 1 1 处 理 这可能主要是因为高浓度的 NBs 对颗粒物的沉降和 絮凝效果越强导致 本文结果表明 NBs 能有效地减少沼液滴灌系统灌水 器附生污垢 进而减缓了灌水器生物 化学 物理复合堵 塞 然而 NBs 是否适宜在沼液滴灌工程中应用 还需 要与传统的加酸 加氯灌水器抗堵塞技术进行比对 首 先 相比于加酸 加氯技术 NBs 对生物污垢 化学沉 淀和颗粒污垢均具有良好的控制效果较好 而化学处理 仅仅针对单一类型的污垢 例如加酸主要对化学沉淀有 效 而加氯主要用于生物污垢的控制 此外 加酸 加 氯技术很容易产生有毒副产品 极易引发土壤污染和作 物减产 且具有人类接触风险 而 NBs 则是一种更环保 更安全的污垢控制技术 并且利用 NBs 加气滴灌已被证 实可以提高作物的产量和土壤肥力 13 14 总体而言 鉴 于 NBs 对复合污垢缓解的有效性 生态友好性和安全性 本研究认为 NBs 可作为一种有效的防灌水器堵塞复合污 垢方法 有助于沼液等劣质水滴灌技术的进一步推广和 应用 4 结 论 本文基于 3 种纳米气泡 Nanobubbles NBs 浓度 的灌溉水对 3 种内镶片式灌水器开展了堵塞试验 研究 采用纳米气泡技术缓解沼液滴灌系统灌水器复合堵塞的 可行性及效果 结果表明 1 NBs 处理有效地缓解了沼液滴灌系统灌水器堵塞 与对照组相比 NBs 使沼液滴灌系统的相对平均流量和 克里斯琴均匀系数分别提升了 15 44 和 26 48 而堵塞物质的干质量降低了 31 52 2 2 种浓度的 NBs 均有效缓解了沼液滴灌系统灌水 器堵塞 而高浓度的 NBs 效果更好 与半 NBs 液 O 1 1 处理相比饱和 NBs 液 O 1 0 处理的相对平均流量和克里斯 琴森均匀系数分别提高 29 和 22 堵塞物污垢干质量 降低了 21 3 NBs 对生物污垢 化学沉淀 颗粒污垢均有控制 效果 NBs 处理使得胞外聚合物 化学沉淀和颗粒污垢 的总量分别降低了 29 53 52 75 和 35 68 其中石英 绿泥石 白云石 方解石 羟基磷灰石的含 量分别降低了 28 68 56 76 12 65 20 65 和 25 72 参 考 文 献 1 周文兵 靳渝鄂 肖乃东 沼液