沼液滴灌抗堵塞研究進展

仇學峰， 王紹新， 王建東*， 王海濤，3， 孫越超

(1.中國農業(yè)科學院 農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081; 2.京藍科技股份有限公司， 北京 100015； 3.中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院， 北京 100083； 4.河北工程大學 水利水電學院， 河北 邯鄲 056000)

中國是養(yǎng)殖大國。2017年畜禽糞污排泄總量就達38億t[1]，一旦處理不當，將會造成水體富營養(yǎng)化、氨揮發(fā)、病原體傳播等二次污染[2-3]。近年來，習近平總書記提出的“兩山理論”高度彰顯了國家對生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重視，養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞污的高效清潔處理關乎到國家鄉(xiāng)村振興和美麗鄉(xiāng)村建設的重要戰(zhàn)略布局。我國農業(yè)的集約化程度尚處于起步階段，無法像歐洲等國將畜禽糞污集中還田處理[4]，如何高效、清潔、經濟地處理畜禽廢棄物就成為限制農業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的關鍵瓶頸。

沼液作為畜禽糞污資源主要的體現(xiàn)形式之一，被視為畜禽糞污處理的難點[4]。目前沼液的處理方式主要包括工藝性達標處理、自然生態(tài)凈化和資源化利用[5]。近年來，越來越多的學者指出，沼液營養(yǎng)豐富，處理得當可成為可再生能源生產的寶貴資源和農業(yè)養(yǎng)分來源[6-7]。不僅可以提升作物品質和產量[8]，還有助于改善土壤結構[9]，增加生物活性物質[10]。因此，與達標處理和生態(tài)凈化相比，沼液的資源化利用不僅響應了我國化肥減量增效和有機肥替代化肥的號召，也為解決畜禽糞污的超負荷堆積問題提出了變廢為寶的新思路。

現(xiàn)狀下，國內沼液還田施用方式較為粗放[11]，沼液多伴隨傳統(tǒng)的漫灌方式進行還田利用，這種方式不僅會導致面源污染、養(yǎng)分淋失和土壤鹽化板結等風險，而且需要花費大量運輸成本。國外的有關經驗表明，結合農田高效灌溉管網及其工程設施，實現(xiàn)沼液、清水和其他肥料混合下的水肥一體化技術運行，是實現(xiàn)沼液高效還田利用的重要途徑。滴灌作為省工高效、精量可控的灌水方式，是沼液實現(xiàn)還田高效利用過程中最具潛力的技術和工程載體[12]。然而由于沼液中復雜的成分組成，灌水器堵塞問題是制約沼液滴灌技術推廣應用的瓶頸，及時分析沼液滴灌技術的優(yōu)勢性，并總結分析沼液滴灌系統(tǒng)抗堵塞研究亟需關注的方面，有助于進一步明晰沼液滴灌存在的技術難點，找準沼液滴灌技術研究的切入點，促進沼液滴灌技術科學高效的推廣應用。

1 沼液滴灌技術優(yōu)勢性分析

1.1 沼液滴灌符合我國集約化、規(guī)?；F(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展方向

我國的農田還處于由散戶經營向合作社經營轉變的階段[2]，但歐洲國家，如丹麥、奧地利、德國等都已經完成了農業(yè)現(xiàn)代化的轉型，在處理畜禽糞污的問題上，不需要過多的考慮沼液高成本的儲存和運輸?shù)葐栴}[13]。滴灌是適應我國農業(yè)集約化、規(guī)?；l(fā)展的重要技術，單個滴灌系統(tǒng)可以控制600～1500畝農田，最大可達數(shù)萬畝[14]。多年的應用經驗表明，滴灌技術具有明顯的節(jié)水增產、省工高效和精量可控等優(yōu)勢，伴隨著我國農業(yè)集約化和規(guī)?；洜I管理的發(fā)展趨勢，借助滴灌技術實施沼液還田將有廣闊的推廣與應用前景。

1.2 沼液滴灌是解決沼液大量過剩的重要技術和工程載體

目前，沼液還田施用方式主要是葉面噴施和根施，雖然很多學者通過葉面噴施的方式實現(xiàn)了作物高產穩(wěn)產，甚至增加了經濟收益，但考慮沼液中病原體的傳播風險，認為噴施的施用方式存在一定風險；在根施方式中，包括沼液穴貯、與無機肥配施、與秸稈配施、作為無土栽培營養(yǎng)液等，作用方式多通過“水肥穴”或作為基肥施用[15]。作為基肥根施雖能消耗一部分沼液，但使用時間過于集中，很難解決養(yǎng)殖場沼液大量過剩的矛盾，滴灌可以實現(xiàn)水、沼液以及其它肥料的水肥一體化應用，通過合理的預處理、水肥匹配模式，結合安全的系統(tǒng)運行管護模式，可適時適量地將沼液肥高效施入田間。

1.3 沼液滴灌可減少沼液中病原體的傳播

沼液中含有對人體和動物健康構成威脅的致病菌[16]，如沙門氏菌、李斯特菌、大腸桿菌、彎曲桿菌、梭狀芽孢桿菌和耶爾森氏菌。這些細菌都是人畜共患病原體，且大多來自患病動物的糞便和尿液，其中，沙門氏菌是最有可能通過動物糞便和污水污泥在環(huán)境中傳播的病原體之一[17]。相比地面灌水方式，滴灌可以減少病原體在空中的傳播，從而最大限度地減少病原體與人類和動物的直接接觸[18]。此外，沼液還可作為抑菌劑應用于農田病蟲害防治，新鮮牛沼液對番茄灰霉病菌、番茄早疫病菌、辣椒疫病菌、辣椒綿腐病菌、黃瓜炭疽病菌以及茄子灰霉病菌均表現(xiàn)出較強的抑制作用[19]。

1.4 沼液滴灌在實際應用中呈現(xiàn)良好效益

沼液營養(yǎng)成分豐富、可做速效養(yǎng)分供作物吸收利用[20]。隋好林[21]等研究了沼液滴灌對日光溫室番茄和土壤理化性狀的影響，12～14 t·0.0667hm-2的沼液處理下番茄的產量和單果重分別提高了20.7%、18.4%，番茄的部分品質也有所提升。且土壤中堿解氮含量提高了25.4%，速效磷含量提高了13.4%，速效鉀、有機質的含量分別提高了 49.6%和30.7%；沼液滴灌還增加了土壤放線菌和真菌數(shù)量，降低了土壤中細菌的數(shù)量。劉鵬翔[22]等研究發(fā)現(xiàn)在沙化土壤中應用沼液滴灌系統(tǒng)使獼猴桃水肥利用效率提高63%，生產成本降低42%，經濟效益提高45%以上，降低了生產費用和勞動強度，具有較好的經濟效益。

總體而言，從資源節(jié)約型社會、農業(yè)規(guī)?；途G色循環(huán)發(fā)展等國家發(fā)展需求出發(fā)，沼液滴灌技術都將具有顯著的優(yōu)勢和推廣應用前景，也必將是養(yǎng)殖業(yè)糞污資源化高效利用的重要實現(xiàn)途徑和技術載體。

2 沼液滴灌抗堵塞研究需重點關注的方面

2.1 沼液滴灌預處理與物理堵塞控制方法研究

滴灌系統(tǒng)能否持久運行與水源的水質狀況密不可分，相比傳統(tǒng)水肥一體化滴灌技術，沼液進入滴灌系統(tǒng)之前，需要進行嚴格的預處理和過濾措施。目前，圍繞沼液滴灌物理堵塞控制方法的研究還未形成系統(tǒng)的成果，學者大多通過深度預處理的方法來降低沼液進入滴灌系統(tǒng)后造成灌水器堵塞的概率，常見的沼液預處理方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗物理堵塞時的優(yōu)點及局限性如表1所示。這些方法主要包括臭氧氧化、真空紫外線光降解處理[23]、電場預處理[24]、絮凝和曝氣[25]等，這些處理措施能夠顯著降低沼液化學需氧量和濁度，進而減少沼液有機物和懸浮物的含量。一些學者建立了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞預測模型，并提出影響堵塞因素的主次順序[26]。有些學者通過電磁場[3]、微納米氣泡[27]控制沼液滴灌系統(tǒng)物理堵塞的發(fā)生，取得了較為顯著的效果。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)，已堵塞的沼液滴灌系統(tǒng)經過長時間擱置，又出現(xiàn)水力性能恢復如初的現(xiàn)象[28]，但針對灌溉停歇周期對沼液滴灌系統(tǒng)水力性能恢復的影響依然鮮有定量報道。

針對沼液滴灌物理堵塞控制方法的研究方向，未來的研究亟需聚焦如下方面：物理堵塞類物質形成過程及隨毛管沖洗遷移沉降機理；沼液預處理措施和過濾器組合模式下沼液滴灌系統(tǒng)抗堵塞性能提升機理與調控機制；不同停歇周期及毛管末端沖洗對滴灌系統(tǒng)抗物理堵塞性能恢復的影響等。

表1 沼液預處理方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗物理堵塞的優(yōu)點及局限性

2.2 沼液滴灌化學堵塞控制方法研究

沼液的堿性環(huán)境為很多化學堵塞物的形成提供了有利條件，極易形成二氧化硅、硅酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽等無機化合物[34]。此外，沼液濃度較大時，滴灌系統(tǒng)更易發(fā)生堵塞，原因在于沼液中多數(shù)陽離子與帶負電的懸浮物結合形成更大的絮狀團聚體[24]。目前主要通過pH值為5.5～6.0的酸液沖洗達到緩解化學堵塞物形成或加速其分解的作用，同時，絮狀團聚體的含水率較高，加酸處理能夠促進絮狀團聚體的脫水過程[35]，從而降低團聚體內部粘附性。但加酸處理對沼液絮狀團聚體的脫水程度以及配合毛管沖洗的運行效果有待研究。有學者通過微納米氣泡[27]控制的方式能夠顯著降低化學堵塞物質的含量，但作用機理尚不明晰。此外，沼液滴灌系統(tǒng)化學堵塞物的形成過程也尚不明確?；瘜W堵塞控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗化學堵塞時的優(yōu)點及局限性如表2所示，對于沼液滴灌系統(tǒng)而言，相關方法的實施技術參數(shù)需要進一步明晰。

表2 化學堵塞控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗化學堵塞的優(yōu)點及局限性

針對沼液滴灌堿性條件容易生成化學堵塞物的特點，未來的研究亟需聚焦如下方面：化學堵塞物質在沼液滴灌系統(tǒng)中的形成過程；加酸處理對化學堵塞物生成與降解變化過程的影響機理；加酸處理對沼液絮狀團聚體脫水性能及其粘附性變化過程的影響；化學處理配合毛管末端沖洗對堵塞物質的運移情況以及對滴灌系統(tǒng)水力性能維護的影響等。

2.3 沼液滴灌微生物菌群控制方法研究

沼液中微生物菌群極易黏附在滴灌系統(tǒng)中，并從沼液中不斷吸收營養(yǎng)物質，同時會黏附沼液中其它物理、化學雜質，形成更加復雜的堵塞物質，此外，部分微生物會隨滴灌系統(tǒng)水力作用向下游繼續(xù)擴散[36]，造成滴灌系統(tǒng)更大范圍堵塞。微生物菌群控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗生物堵塞時的優(yōu)點及局限性如表3所示，一些學者的研究結果發(fā)現(xiàn)，通過在沼液滴灌系統(tǒng)中培養(yǎng)拮抗菌群可達到控制滴灌系統(tǒng)生物堵塞的效果[37]，也有些學者通過電磁場[34]、微納米氣泡[27]控制的措施干擾胞外聚合物的分泌，進而影響沼液微生物的黏附過程，較好的實現(xiàn)了對生物堵塞的控制。再生水滴灌系統(tǒng)采取加入酸液和氯液的方式破壞胞外聚合物的生長實現(xiàn)對生物堵塞的控制[38]，但在沼液滴灌系統(tǒng)中，加酸加氯對微生物生長及對團聚體的作用機理尚未明晰，且關于加酸加氯處理對緩解沼液滴灌生物堵塞效果的研究還鮮有報道。此外，在材料改性方面，有學者提出引入超疏水涂層的方法減少微生物在滴灌系統(tǒng)中的附著[33]，但相關定型產品及其性能測試結果未見有報道。

圍繞沼液滴灌系統(tǒng)緩解或控制生物堵塞的研究方向，未來的研究亟需聚焦如下方面：沼液滴灌系統(tǒng)優(yōu)勢菌群時空變化特征及不同菌群間粘附性特征差異；加酸加氯處理對沼液滴灌系統(tǒng)團聚類堵塞物質的破壞機理及對滴灌帶管壁及流道內粘附性沼液脫落的作用機制；改性材料抑制微生物附著管壁的作用機理等。

表3 微生物菌群控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗生物堵塞的優(yōu)點及局限性

2.4 沼液滴灌系統(tǒng)高效抗堵專用產品研發(fā)

相比傳統(tǒng)灌溉水源，沼液和清水混配后的水質成分較為復雜，且沼液每次隨水滴灌時吸入量較大，常規(guī)的滴灌設備在一定程度上很難滿足沼液滴灌系統(tǒng)的正常運行。關乎沼液滴灌系統(tǒng)高效運行的關鍵設備包括施肥裝置、過濾裝置、灌水器和尾部沖洗裝置等。有些學者針對沼液易引起堵塞的特點，提出了實現(xiàn)粘稠分離的自清洗智能過濾設備，能夠滿足滴灌的用水要求[40]，但仍需一定過濾周期，無法實現(xiàn)實時在線過濾。針對沼液滴灌系統(tǒng)每次灌水施肥過程中較大沼液吸入量的需求(沼液與清水的配比一般處于1∶5～1∶10)，研發(fā)具有大吸肥量性能的施肥裝置也極為迫切。此外，對于沼液滴灌系統(tǒng)而言，如何解決自動定期沖洗的問題也尤為重要，沼液滴灌系統(tǒng)中的堵塞物需要通過定期沖洗的方式排出[41]，現(xiàn)有尾部沖洗閥大多不能配合滴灌系統(tǒng)在任意時間實現(xiàn)毛管自動沖洗，且成本較高，多為國外產品。

針對沼液滴灌系統(tǒng)極為特殊的灌溉水質成分，亟需研發(fā)沼液滴灌系統(tǒng)高效抗堵專用產品，重點應聚焦于高效自清潔功能的沼液滴灌專用過濾器、大吸肥量經濟型文丘里施肥器及施肥機系統(tǒng)、大流量高抗堵滴灌灌水器、毛管末端自動沖洗閥等產品。

3 小結

從以上文獻綜述結果分析來看，沼液滴灌技術是養(yǎng)殖業(yè)糞污資源化高效利用的重要實現(xiàn)途徑和技術載體，具有廣闊的應用前景。能否有效解決沼液滴灌下灌水器的堵塞問題是沼液滴灌技術能否成功推廣應用的關鍵，現(xiàn)有灌水器堵塞控制方法的研究成果主要針對高含沙水、再生水和其它常規(guī)水源，未見系統(tǒng)性關于沼液滴灌系統(tǒng)堵塞控制方法，尤其在生物堵塞方面，目前還未見較為系統(tǒng)和詳實的堵塞機理方面的報道。沼液成分復雜，沼液中胞外聚合物與懸浮物之間的作用機理以及對滴灌系統(tǒng)堵塞的影響尚不清晰。此外，現(xiàn)有灌水器、過濾器等滴灌關鍵設備較難滿足沼液滴灌系統(tǒng)的工作需求，研發(fā)沼液滴灌高抗堵專用系列產品極為迫切。通過相關文獻的分析和總結，剖析了沼液滴灌系統(tǒng)在物理堵塞、化學堵塞以及生物堵塞控制方法研究與沼液滴灌專用產品研發(fā)等方面的研發(fā)現(xiàn)狀和不足，提出了沼液滴灌系統(tǒng)抗堵塞機理研究和專用產品研發(fā)亟需重點關注的方面，相關結論可為沼液滴灌技術與產品研發(fā)提供一定參考和借鑒。但總體而言，沼液滴灌技術在我國還處于探索和起步階段，圍繞沼液滴灌灌水器堵塞控制方法研究、專用設備研發(fā)、系統(tǒng)安全高效運行管護技術模式等還需要開展大量的科學研究，以最終支撐沼液作為有機液態(tài)肥實現(xiàn)資源化高效還田利用。