化学离子对再生水滴灌灌水器堵塞的影响

郝锋珍，李久生，王 珍，栗岩峰(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引 言

利用再生水进行灌溉已成为解决目前水资源短缺的一个重要途径[1]。由于滴灌能有效避免再生水与作物及人体的直接接触，被认为是再生水灌溉的最适宜方式[2]。滴灌系统运行过程中灌水器堵塞是影响滴灌系统运行安全及寿命的主要问题，了解滴灌系统中堵塞物质的形成机制对预防和处理滴灌系统灌水器的堵塞具有重要意义。按照形成机制分类，灌水器堵塞过程可以分为物理、化学、生物堵塞3类[3]。物理堵塞主要是水中的无机或有机悬浮物，如砂、藻类、水生动植物等；化学堵塞主要由钙、镁、铁、锰中的一种或几种离子引起[4]。当水源中含有较多的Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4等离子时，离子之间相互反应生成沉淀导致滴头堵塞[5-9]；与此同时，低浓度的铁(0.2 mg/kg)便会导致细菌繁殖[10,11]，在微生物的作用下，Fe3+与溶解性有机质结合形成更为稳定的沉淀物而引发滴头堵塞[12]。生物堵塞指水中的生物(包括藻类、浮游动物、细菌黏质等)在微灌系统中生长和繁殖，造成管道面积减小，引起灌水器堵塞。国内外有关滴灌系统堵塞的研究较多，但大多针对地下水或地表水灌溉条件下的堵塞情况进行研究。再生水较地下水中含有更多的藻类、微生物及盐分离子，堵塞机制更为复杂，更易引起灌水器的堵塞[10,13-15]。已有部分学者开展了再生水灌溉条件下滴灌系统堵塞过程及机理研究。Adin[2]等发现颗粒物是堵塞物质的主要组成部分，但并不是引起堵塞的启动因素；Taylor[16]等研究发现再生水滴灌堵塞主要为有机物和细菌形成的微生物絮团不断吸附颗粒物所致；Li[17]借助现代分子生物学技术，发现再生水滴灌堵塞物质为复杂的生物膜结构；Liu[7]等对再生水和地下水进行滴灌试验，结果表明灌水器堵塞以化学堵塞为主。综上，再生水灌溉条件下堵塞过程和机制并不十分明晰，且以往研究往往针对单一堵塞过程进行研究，而较少考虑不同堵塞过程之间相互作用对灌水器堵塞的影响。

随着再生水资源的广泛应用，再生水滴灌条件下灌水器堵塞机制和过程的研究显得至关重要。因此，本试验选取不同灌溉水源(二级处理再生水、地下水)，研究了不同离子(Fe2+、Ca2+)对灌水器流量变化及堵塞物质生物膜成分的影响，为探明滴灌系统堵塞发生过程及机理提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置与处理设置

试验在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验基地遮雨棚内进行。试验包括4个供水系统，均配置水箱(300 L)、加压泵(流量3 m3/h，扬程20 m)、两级过滤器(叠片式过滤器120目+网式过滤器120目)、压力表(量程0.4 MPa)(图1为单个供水系统示意图)。选取内镶贴片式灌水器及单翼迷宫式灌水器各2种，0.1 MPa压力下标称流量为1.1～1.8 L/h，不同灌水器流量及特征参数见表1。试验开始前按照GB17187-1997[18]测定灌水器流量-压力关系和制造偏差，结果也列于表1。选取Fe2+、Ca2+加入浓度及灌水水质(二级处理再生水和地下水)作为试验因素，按照不同Fe2+、Ca2+加入浓度和灌水水质共设置7个处理(表2)。与设置处理数目相对应，每个处理使用独立的供水系统，每种灌水器设置3个重复，每个重复安装1条长10 m毛管，滴头间距为30 cm，每条滴灌带包括33个滴头。在毛管下方安装PVC集水槽并设置一定坡度，使得滴头出流的水通过集水槽回流到水箱内，形成循环水系统(图1)。

图1 单个供水系统堵塞试验装置示意图Fig.1 Layout of the experimental platforms of one water supply system

表1 灌水器流量及特征参数Tab.1 Characteristics of the emitters used in the experiments

注：流量-压力关系：q=kHx，q为流量，L/h；k为流量系数；x为流量指数；H为工作压力，MPa。

表2 堵塞试验设计Tab.2 Experiments scheme

由于试验台仅满足4组试验同时运行，因此本研究共分2个阶段进行，第一阶段运行第1～3组试验(2015年6月5日至7月11日)，第二阶段运行第4～7组试验(2015年7月25日至9月4日)。两个阶段均为每天灌水12 h(8∶00～20∶00)，系统累计运行时间为360 h。试验期间一般每天清洗1次灌水器，但当过滤器上下游压力差明显增大时，立即对过滤器进行清洗。试验过程中系统进口压力保持为0.1 MPa，及时向水箱中补充水，以弥补由于蒸发、水滴飞溅、流量测定等损耗的水量。试验期间未对系统进行清洗。

1.2 流量测定

为监测灌水器流量变化过程，每隔6 d测试1次灌水器流量。运行过程中，在每条滴灌带上以60 cm为间距选择18个灌水器进行标记，确保每次流量测定选择的灌水器相同，每次流量测定历时为10 min，用精度为0.1 g的电子天平(上海Scout Pro便携式电子天平)称量水重，然后换算成灌水器流量。

选择平均灌水器流量百分数(Dra)作为评价灌水器堵塞的指标[19]：

(1)

1.3 灌水器生物膜测定

1.3.1干重测试

试验结束后取堵塞灌水器样品，用精度0.000 1 g的电子天平(Sartorius，BS224S)称重，然后装入自封袋中，加入适量去离子水，用超声波清洗器(KQ5200E型)清洗7 min，取出后放入烘箱中，在60 ℃温度下烘干10 min，再称取烘干后的重量，所得的原始重量和经过振荡脱膜、烘干后的重量之差即为生物膜的干重。

1.3.2胞外多聚物(EPS)测试

试验结束后取堵塞灌水器样品，用小刀小心剥开灌水器，放入自封袋中，加适量去离子水，放在功率为600 kW的超声波清洗仪中振荡清洗30 min，将所得到的生物膜悬浮液用于胞外多聚物测试。灌水器内部附生生物膜中胞外聚合物的含量主要考虑胞外多糖和胞外蛋白的含量，胞外多糖采用苯酚-硫酸法测定，胞外蛋白采用Lowry法测定。

1.4 水质监测

试验用再生水为北京市黄村污水处理厂的二级处理污水，地下水为试验站的井水。为了跟踪再生水的水质变化，试验过程中约每2周从再生水水箱内取样1次，测试水质指标，地下水的水质指标仅在试验开始时测定1次。再生水和地下水水质指标及其对灌水器的潜在危害程度列于表3。再生水中总悬浮物和总铁含量对灌水器堵塞的危险程度为中等，pH及细菌总数对灌水器堵塞的危险程度为严重；地下水中总悬浮物、总铁及细菌总数对灌水器堵塞的危险程度为轻微，pH对灌水器堵塞的危险程度为中等。

2 结果与分析

2.1 灌水器平均流量百分数变化

图2给出了地下水灌溉条件下不同化学离子处理平均流量百分数变化。系统运行初期，各处理灌水器平均流量百分数差异不大。系统运行0～240 h内，各处理滴头流量下降过程较均匀，240 h后急剧下降，且单翼迷宫式滴头(E3、E4)较内镶贴片式滴头(E1、E2)流量下降幅度大。

表3 试验用再生水和地下水水质指标及其对灌水器堵塞的危害程度Tab.3 Water quality parameters and clogging hazards of the sewage effluent and the groundwater used in the experiments

注：[1]根据Nakayama和Bucks(1991年)划分。

与地下水不加化学离子组(G0)相比，地下水加Fe2+处理(G1.5)在试验运行初期滴头平均流量百分数较小，说明其流量降低程度较G0组大，当系统运行一段时间之后呈现相反规律，这可能是因为Fe2+加入初期氧化速率较高，在滴灌系统中形成的堵塞物质结构较为稳定，而后期随着Fe2+氧化速率的降低，生成堵塞物质粒径增大而结构稳定性变差造成的[20]。在试验运行期间，地下水同时加Fe2+、Ca2+处理(G1.5+150)灌水器流量下降幅度最大。系统运行结束后，G1.5+150处理平均灌水器流量百分数为26%～77%，G1.5处理平均灌水器流量百分数为79%～98%，表明地下水滴灌条件下灌水器堵塞风险随着离子浓度的升高而显著增加。

图3给出了再生水滴灌条件下不同化学离子处理平均流量百分数变化。对比再生水加Fe2+处理(R1.5)和再生水不加化学离子处理(R0)可知，0～180 h内，Dra(R1.5)

注：E1为内镶贴片式1.1 L/h灌水器，E2为内镶贴片式1.6 L/h灌水器，E3为单翼迷宫1.38 L/h灌水器，E4为单翼迷宫1.8 L/h灌水器图2 地下水不同化学离子处理平均流量百分数变化Fig.2 Temporal changes of mean discharge ratio for groundwater

图3 再生水不同化学离子处理平均流量百分数变化Fig.3 Temporal changes of mean discharge ratio for reclaimed wastewater

不同离子浓度系统运行360 h后的平均流量百分数对比结果见表4。与地下水相比，再生水灌溉极显著地降低了灌水器平均流量百分数，以灌水器E1为例，R1.5处理平均灌水器流量百分数(Dra=62%)比G1.5处理(Dra=98%)低37%；单翼迷宫灌水器较内镶贴片式灌水器显著降低了灌水器平均流量百分数，以R1.5+100处理为例，系统运行360 h后单翼迷宫灌水器Dra均值为51%，内镶贴片式灌水器Dra为81%；离子浓度对灌水器平均流量百分数达到极显著影响水平。

2.2 堵塞物质分析

2.2.1胞外多聚物(EPS)

EPS是微生物生长过程中分泌的黏性物质，微生物数量及其分泌的胞外多聚物含量是生物膜生长的基础，直接影响着灌水器内部附生生物膜的生长及灌水器内部堵塞物质的累积情况[15]。化学离子各处理组灌水器内部附生生物膜黏性EPS含量测试结果如图4所示。向地下水中加入化学离子后，灌水器内部附生生物膜黏性EPS含量增加。地下水加Fe2+处理(G1.5)EPS含量均值较地下水不加化学离子处理(G0)高116%。本试验中平均水温为26 ℃，适合铁细菌的生长繁殖[21]。铁细菌吸收水体中的Fe2+促进自身生长并氧化为Fe3+，形成不溶物进而造成滴头堵塞。单翼迷宫式滴头(E3、E4)EPS增加幅度较内镶贴片式滴头大，这说明较长的灌水器流道有可能增加细菌附着的表面积，进而促使EPS含量增加，并会进一步增加脱落的生物膜进入灌水器流道后被吸附截留产生堵塞的风险。地下水同时加Fe2+、Ca2+处理(G1.5+150)与地下水不加化学离子处理(G0)相比，EPS含量增加了29%，增幅明显小于G1.5处理组。

再生水各处理EPS含量见图4(b)。与地下水各处理组EPS含量结果一致，向再生水中加入化学离子后，附生生物膜黏性EPS含量增加，与再生水不加化学离子组R0黏性EPS均值相比，R1.5、R100、R1.5+100处理分别增加了52%、67%和11%。同一处理不同灌水器EPS含量，与地下水处理结果不一致，未出现迷宫式灌水器EPS大于内镶贴片式灌水器的现象。

表4 系统运行360 h不同离子浓度平均流量百分数对比Tab.4 Comparison of the average mean discharge ratio at the end of the experiment

注：①离子浓度及灌水器分别对地下水及再生水不同化学离子处理进行方差分析；水质对G0及R0处理进行方差分析。②相同字母表示在α=0.05水平上不显著；*和**分别表示在α=0.05和α=0.01水平上显著；×表示系统运行360 h后灌水器仅有一个重复，未进行显著性分析。

注：E1为内镶贴片式1.1 L/h灌水器，E2为内镶贴片式1.6 L/h灌水器，E3为单翼迷宫1.38 L/h灌水器，下同。图4 化学离子处理灌水器内部附生生物膜黏性EPS含量Fig.4 Biofilms EPS content for different ion schemes

2.2.2微生物活性

微生物活性(MA)是指单位生物膜上附着微生物的代谢强度及生长速度，为黏性EPS含量及固体颗粒物含量的比值[22]。图5给出了不同处理微生物活性值。地下水加Fe2+处理(G1.5)MA均值高于地下水不加化学离子组G0，说明处理组毛管内的附生生物膜处于不断的生长、脱落、附着、再生长的过程，增加了微生物的活性。同时，Fe2+促进了灌溉水中微生物的生长，微生物代谢能力强，黏性EPS含量较高，增加了灌水器堵塞的风险。地下水同时加Fe2+、Ca2+处理(G1.5+150)MA明显小于对照组G0，且保持在较低水平。黏性EPS含量较低，生物膜脱落进入灌水器流道进而引起堵塞的风险较低。

注：E1为内镶贴片式1.1 L/h灌水器，E2为内镶贴片式1.6 L/h灌水器，E3为单翼迷宫1.38 L/h灌水器，E4为单翼迷宫1.8 L/h灌水器图5 化学离子处理灌水器内部微生物活性(E代表灌水器)Fig.5 Microbial activity of biofilms for different ion schemes

图5(b)是再生水各处理微生物活性。向再生水中加入化学离子后，R1.5、R100、R1.5+100与R0处理组相比，微生物活性均值分别增加了45%、-2%、5%。再生水中加入Fe2+促进了附生生物膜的生长过程，增加了微生物活性；处理R1.5+100微生物活性有小幅增加；处理R100，微生物活性降低，向水体中加入Ca2+可能会导致灌水器生物堵塞的风险降低，增加化学堵塞风险。

2.2.3生物膜干重

生物膜干重(SD)是灌水器样品经超声波清洗仪清洗前后的重量差。化学离子各处理组灌水器内附生生物膜干重测试结果如图6所示。处理组G1.5、G1.5+150的生物膜干重分别高出G0对照组20%和151%。地下水不同离子浓度处理组生物膜干重表现为SD(G1.5+150)>SD(G1.5)>SD(G0)，与灌水器堵塞规律不完全一致。与R0处理组相比，R1.5、R100、R1.5+100处理生物膜干重均值增加了9%、46%、9%，这与地下水处理结果一致，向水体中加入化学离子会增加生物膜干重。

图6 化学离子各处理灌水器附生生物膜干重Fig.6 Biofilms solid particles for different ion schemes

地下水对照G0处理灌水器流道中发现白色固体物质，可能是形成了碳酸钙沉淀导致滴头化学堵塞；地下水加Fe2+处理(G1.5)与对照组G0相比，EPS、微生物活性及生物膜干重均增加，说明加入的Fe2+刺激了地下水中铁细菌的生长繁殖，铁细菌将二价铁氧化为三价铁不溶物，增加了灌溉水生物化学堵塞的风险；地下水加Fe2+、Ca2+处理(G1.5+150)的黏性EPS及生物膜干重均值较对照组G0高，但是微生物活性低于G0处理，说明向地下水中同时加入Fe2+、Ca2+后增加了灌水器化学堵塞的风险。

再生水加Ca2+处理(R100)黏性EPS及生物膜干重较R0高，但是微生物活性低，向再生水中加入Ca2+后增加了灌水器化学堵塞的风险；再生水加Fe2+处理(R1.5)及再生水同时加Fe2+、Ca2+处理(R1.5+100)与R0相比，EPS含量、微生物活性及生物膜干重均有增加，说明向再生水中加入Fe2+或同时加入Fe2+、Ca2+会同时增加灌水器生物化学堵塞的风险。

3 结 语

本文选择不同结构(内镶贴片和单翼迷宫)和流量(1.1～1.8 L/h)的4种灌水器，向二级再生水及地下水中加入Fe2+、Ca2+，测定不同水质滴灌试验的灌水器平均流量百分数及堵塞物质组分，评价化学离子对地下水和再生水滴灌条件下灌水器堵塞的影响，主要结论如下。

(1)灌水器堵塞与水质、灌水历时及灌水器种类有关。再生水灌溉较地下水更易引起灌水器堵塞的发生；灌水器平均流量百分数随着灌水历时的增加不断下降；单翼迷宫式灌水器较内镶贴片式灌水器更易引起灌水器堵塞。

(2)向水中加入化学离子，生物膜干重及黏性EPS含量增加，生物膜的形成过程和结构稳定性随之改变。较地下水对照组相比，地下水化学离子处理EPS及生物膜干重增加了29%～116%和20%～151%；再生水加入化学离子后，EPS及干重增加幅度为11%～67%和9%～46%。

(3)Fe2+使微生物活性保持较高水平，增大了灌水器发生生物化学堵塞的风险；Ca2+在一定程度上削弱了微生物的影响，增大了灌水器发生化学堵塞的风险；向水中同时加入Fe2+、Ca2+，地下水及再生水规律不一致，Fe2+、Ca2+增加地下水发生化学堵塞的概率，而Fe2+、Ca2+增加了再生水发生生物堵塞的风险。

再生水滴灌灌水器的堵塞机制十分复杂，本文对不同堵塞过程相互作用对灌水器堵塞的影响进行了研究。堵塞机制的研究对于预防和处理滴灌系统灌水器的堵塞具有重要意义，向系统注入氯或酸等化学处理措施对灌水器堵塞的影响及其最优化模式需进一步研究。

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