再生水滴灌條件下灌水器生物堵塞的研究概況

董聰慧，韓啟彪，劉偉寧，李浩，孫浩，李輝

再生水滴灌條件下灌水器生物堵塞的研究概況

董聰慧1,2，韓啟彪1*，劉偉寧3，李浩1，孫浩1，李輝1

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；3.新鄉(xiāng)市牧野區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 新鄉(xiāng) 453002）

滴灌是再生水灌溉中比較可靠的灌溉技術(shù)之一，能有效降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。再生水滴灌時灌水器易發(fā)生堵塞，進(jìn)而影響滴灌系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，開展再生水滴灌條件下的灌水器堵塞研究是非常有必要的。本文在廣泛搜集并分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對目前國內(nèi)外再生水滴灌條件下灌水器生物堵塞的研究概況進(jìn)行了歸納總結(jié)。系統(tǒng)闡述了再生水滴灌條件下的灌水器堵塞原因，探究了生物堵塞的發(fā)生機(jī)理，總結(jié)了再生水滴灌系統(tǒng)灌水器防治生物堵塞的措施。最后，探討了未來發(fā)展趨勢。作為灌水器堵塞的主要類型之一，生物堵塞可以通過加氯、調(diào)節(jié)流速和滴灌頻率等方式緩解，具體措施還應(yīng)與實(shí)際情況相結(jié)合。

滴灌；再生水；灌水器；堵塞

0 引 言

【研究意義】近年來，我國用水效率得到了一定提升，用水結(jié)構(gòu)也在不斷優(yōu)化[1]，尤其是噴微灌技術(shù)的不斷推廣緩解了我國農(nóng)業(yè)水資源緊缺的局面。然而，人多水少、水資源時空分布不均始終是我國的基本國情，水資源形勢依舊嚴(yán)峻。再生水是指廢水或雨水通過適當(dāng)?shù)奶幚恚渌|(zhì)達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足某種使用需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有益應(yīng)用的水[2]。世界范圍內(nèi)，利用再生水灌溉的歷史由來已久，以色列[3]、美國[4-5]等國家的再生水灌溉技術(shù)起步較早、發(fā)展快速，目前居于世界前列。大力發(fā)展再生水灌溉，可實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用，緩解我國水資源供需矛盾，推動灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。【研究進(jìn)展】然而，再生水中往往含有顆粒雜質(zhì)、化學(xué)離子、藻類、微生物、有機(jī)污染物等有害物質(zhì)，這些組分之間會發(fā)生動態(tài)的相互作用，一定程度上增加了滴灌灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)[6]。為促進(jìn)再生水滴灌技術(shù)的推廣和應(yīng)用，再生水滴灌條件下灌水器的堵塞問題一直是滴灌技術(shù)研究者關(guān)注的重點(diǎn)之一，研究人員系統(tǒng)分析了滴灌灌水器中堵塞物質(zhì)的形成機(jī)理，探尋灌水器抗堵塞的途徑，希望通過技術(shù)措施避免灌水器的堵塞問題?！厩腥朦c(diǎn)】生物堵塞是再生水滴灌條件下灌水器堵塞的主要原因之一?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在此背景下，本文對再生水滴灌條件下灌水器生物堵塞的相關(guān)研究進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并對未來的研究進(jìn)行了展望，以期進(jìn)一步豐富和發(fā)展再生水滴灌技術(shù)理論，為緩解灌水器堵塞問題提供參考。

1 再生水滴灌灌水器生物堵塞機(jī)理研究

灌水器堵塞狀況因灌溉水源而異。藻類和細(xì)菌的生長是使用地表水滴灌時灌水器堵塞的主要問題，藻類的有機(jī)殘留物通常小到足以通過灌溉系統(tǒng)的過濾器，使用地表水滴灌時，化學(xué)沉淀相對較少。地下水中通常含有大量礦物質(zhì)，這些礦物質(zhì)往往會沉淀并形成水垢。使用淺井水滴灌時堵塞問題多與細(xì)菌有關(guān)，而化學(xué)沉淀在深井中更加常見[7]。

再生水與地表水、地下水有所區(qū)別，屬于人工處理后的水。依據(jù)堵塞機(jī)制，再生水滴灌灌水器堵塞可分為物理、化學(xué)和生物堵塞3類[8-11]，這與其他水源條件下灌水器堵塞分類基本相同，但使用再生水進(jìn)行滴灌時灌水器的堵塞程度往往會比使用其他水質(zhì)更嚴(yán)重。

物理堵塞指的是水中懸浮顆粒造成的堵塞，再生水中帶有的泥沙、塑料碎末、油污等物質(zhì)均有可能造成灌水器的物理堵塞[12-13]。與地表水及地下水相比，再生水中Mg2+、Ca2+等金屬離子，HCO3-、CO32-、SO42-等鹽分離子的量明顯更高，這些離子之間可能會發(fā)生相互作用，生成的化學(xué)沉淀會導(dǎo)致灌水器堵塞[14-16]。再生水富含氮（N）、磷（P）、鉀（K）等營養(yǎng)物質(zhì)。一方面，這些可供作物生長利用的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素有助于提高糧食產(chǎn)量[17-19]；另一方面，過量養(yǎng)分易形成化學(xué)沉淀，造成灌水器堵塞。生物堵塞是再生水滴灌中最常見的灌水器堵塞形式之一，主要是指再生水中的藻類、浮游動物、細(xì)菌等生物在滴灌系統(tǒng)中不斷生長和繁殖，從而引起灌水器堵塞。生物堵塞往往與化學(xué)堵塞關(guān)系密切。有報(bào)道指出，即使水源中鐵濃度較低，也會引起灌水器內(nèi)細(xì)菌增殖[20-21]，在微生物的作用下，F(xiàn)e3+與灌溉水源中的有機(jī)質(zhì)會發(fā)生結(jié)合，形成更加穩(wěn)定的沉淀物，使灌水器堵塞[22]。Dosoretz等[23]總結(jié)了4種再生水引起灌溉設(shè)備堵塞的機(jī)制：①懸浮固體顆粒物堵塞狹窄的流道；②當(dāng)可溶性鹽的濃度高于飽和產(chǎn)物時，化學(xué)沉淀導(dǎo)致結(jié)垢；③可溶性或膠體有機(jī)大分子疏水相互作用引起的吸附；④生物膜的形成和藻類的生長。由此可以看出，使用再生水作為灌溉水源時灌水器的堵塞機(jī)制比較復(fù)雜，往往牽扯到物理、化學(xué)、生物層面的協(xié)同作用。

研究表明，再生水滴灌條件下的灌水器堵塞與生物膜的形成和生長密切相關(guān)[24-25]。李云開等[26]對灌水器堵塞生物膜結(jié)構(gòu)、組分變化特征進(jìn)行了分析，得到了干物質(zhì)量（）、磷脂脂肪酸（）和胞外聚合物（）量與灌水器堵塞程度之間的“S形”曲線關(guān)系，得出生物膜的形成是誘發(fā)灌水器堵塞的根本原因之一。

灌水器中生物膜的形成主要受微生物附著、生長、脫落以及衰亡等過程的綜合影響[27-28]。微生物隨灌溉水進(jìn)入毛管后，會在灌水器內(nèi)形成生物膜；同時，微生物不斷新陳代謝，分泌具有粘附性的，可吸附越來越多的微生物和固體懸浮物，導(dǎo)致生物膜不斷生長，生物膜即使脫落仍可在灌水器流道內(nèi)聚集為沉積物，導(dǎo)致灌水器堵塞。是一組廣泛的聚合物，以細(xì)胞外黏液的形式釋放，高度附著在細(xì)胞表面或細(xì)胞周圍，這使得在微生物聚集體相互作用中扮演了重要角色[29]?？梢圆东@懸浮顆粒，進(jìn)而構(gòu)建出穩(wěn)定的三維基質(zhì)結(jié)構(gòu)，為微生物細(xì)胞提供穩(wěn)定的環(huán)境和對各種消毒措施的抵抗力，使得生物膜一旦建立就很難被消除。

Gamri等[30]使用人工合成廢水開展了室內(nèi)滴灌試驗(yàn)，系統(tǒng)裝置的過濾精度為10 μm，COD質(zhì)量濃度200 mg/L。室內(nèi)3種滴頭生物記錄試驗(yàn)結(jié)果表明，3種滴頭內(nèi)均形成了由生物膜組成的沉淀物，與非壓力補(bǔ)償式滴頭相比，壓力補(bǔ)償式滴頭似乎對堵塞更為敏感，生物量的增長可能始于流速較低地區(qū)，然后逐步擴(kuò)展到所有流動路徑表面。生物膜的形成與水流速度呈正相關(guān)，營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移在生物膜的生長中起主要作用[31]。

Zhou等[32]開展了再生水滴灌試驗(yàn)，采用微生物學(xué)檢測方法，研究了7種滴頭的生物膜附著特性，并分析了生物膜組分與滴頭堵塞的定量關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著再生水滴灌系統(tǒng)運(yùn)行時間的不斷增加，附著在滴頭上的生物膜干質(zhì)量以及磷脂脂肪酸逐漸增加，在不同時期增長速率呈“快-慢-快-慢”的趨勢，滴頭的相對流量（）和均勻度（）則隨著、的增加呈線性下降趨勢，與此同時，隨著細(xì)胞外多糖（）、細(xì)胞外蛋白（）和細(xì)胞外聚合物（）的增加，和呈線性下降趨勢。在生物膜中的多樣性較低，但量較高的生物膜堵塞程度較高。

2 再生水滴灌灌水器抗堵塞技術(shù)研究

2.1 通過改變微生物群落降低灌水器生物堵塞風(fēng)險(xiǎn)

Zhou等[33]在北京市昌平區(qū)北七家污水處理廠進(jìn)行了再生水滴灌試驗(yàn)。試驗(yàn)水源為經(jīng)循環(huán)活性污泥系統(tǒng)（CASS）處理后的再生水，采用了4種非壓力補(bǔ)償式滴灌帶和5種非壓力補(bǔ)償式圓柱狀滴灌帶。以生物膜中的為灌水器內(nèi)微生物群落的標(biāo)志物，研究了滴灌灌水器內(nèi)微生物群落的動態(tài)變化及其對堵塞過程的影響。結(jié)果表明，微生物群落在灌水器堵塞過程中起著重要作用，通過生物方法可有效地控制灌水器堵塞；假單胞菌16∶0是生物膜中最關(guān)鍵的細(xì)菌，可以利用拮抗原理找出拮抗細(xì)菌，然后得到其接種物，接種物用于再生水，則生物堵塞灌水器可在一定程度上恢復(fù)到出流狀態(tài)。

2.2 再生水滴灌中加氯緩解灌水器的生物堵塞

控制微生物的生長可以有效緩解生物堵塞。氯的強(qiáng)氧化作用可以有效抑制微生物的生長繁殖甚至去除水中的微生物，防止生物膜的形成，從而有效減少堵塞，因此加氯被廣泛用于防治灌水器的生物堵塞[34-37]，同時加氯也是控制微生物活動最經(jīng)濟(jì)的處理方法[38]。早在1992年，以色列學(xué)者Ravina等[39]就發(fā)現(xiàn)通過定期加氯處理可以確保污水滴灌系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行。為了確定適宜的加氯方式，Song等[40]采用CASS對再生水進(jìn)行二次處理后進(jìn)行滴灌試驗(yàn)，考察了3種常用灌水器的堵塞過程，并研究了灌水器堵塞物中微生物的動態(tài)變化。結(jié)果表明，生物膜組分與滴頭堵塞程度呈線性關(guān)系，抑制微生物生長是控制滴頭堵塞最有效的方法之一，低濃度、長時間的加氯處理對再生水滴灌下的灌水器堵塞的控制效果最好。宋鵬等[41]在污水處理廠利用循環(huán)活性污泥法工藝，開展了再生水滴灌灌水器堵塞試驗(yàn)，研究了沖洗毛管、加氯、加氯結(jié)合沖洗毛管3種技術(shù)對灌水器抗堵塞效果的影響。結(jié)果表明加氯措施配合毛管沖洗，既能通過加氯抑制灌水器中微生物生長，又能利用毛管沖洗促進(jìn)灌水器內(nèi)部的堵塞物質(zhì)脫落并被沖刷出灌水系統(tǒng)，加氯措施配合毛管沖洗是控制灌水器內(nèi)部生物膜形成與防生物堵塞的有效措施。

加氯是常見的處理灌水器堵塞的方法，然而加氯處理是否能使土壤中養(yǎng)分不均衡從而影響作物的生長和產(chǎn)量，或者是否會對土壤造成污染，也是需要考慮的一個重要問題。栗巖峰[42]開展了田間滴灌試驗(yàn)，評估加氯對灌水器堵塞和土壤養(yǎng)分的影響。結(jié)果表明，再生水滴灌時，加氯可有效防止灌水器堵塞。同時加氯使植株吸氮量顯著降低，進(jìn)一步加劇了硝態(tài)氮在土壤表層的累積；加氯處理濃度低于50 mg/L、頻率低于2周1次時，會對作物氮素吸收產(chǎn)生一定的抑制作用，且不會對作物生長造成明顯的不利影響。

2.3 通過調(diào)節(jié)流速減緩灌水器側(cè)壁生物膜生長

生物膜的形成是一個動態(tài)過程，在附著、生長、分離和衰變過程中具有不同的方式，導(dǎo)致生物膜的表面形貌特征復(fù)雜。在最初的快速生長階段之后，附著在再生水滴灌系統(tǒng)分支中的生物膜的生長逐漸達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，之后生物膜與滴灌管系統(tǒng)分離，然后沉積在灌水器中，從而導(dǎo)致灌水器堵塞?？偠灾嗨鲀?nèi)的水動力特性是生物堵塞的重要影響因素，不同滴頭流道邊界的水力特性會影響生物膜的空間結(jié)構(gòu)和微生物的積累。多數(shù)研究結(jié)果表明，流體速度通過改變剪切力、濁度和營養(yǎng)物運(yùn)輸來影響生物膜的生長[43-48]。Li等[49]和李貴兵等[50]認(rèn)為流體速度和生物膜厚度之間存在單峰關(guān)系，且生物膜平均厚度與流速的關(guān)系符合指數(shù)規(guī)律。干管和分干管中的流速通常較大，生物膜生長困難；相比之下，支管管徑較小，且水流速度由前到后不斷減小，生物膜生長更容易從滴灌系統(tǒng)中脫離，當(dāng)使用再生水滴灌時，應(yīng)對支管的這些區(qū)域進(jìn)行定期沖洗。生物膜的形成及發(fā)展過程與管徑大小有關(guān)，Oliver等[51]的研究印證了這一觀點(diǎn)，與具有較長入口段和窄間距翅片的滴頭相比，配備較短入口段和寬間距翅片的滴頭具有更好的抗堵塞性能，流量較大的灌水器在系統(tǒng)中受到更大的剪切力，表現(xiàn)出更好的抗堵塞性能。

2.4 通過調(diào)節(jié)滴灌頻率降低灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)

滴灌頻率對作物生長、土壤水分、養(yǎng)分和鹽分的遷移過程有重要影響。一些研究證明，不同的灌溉頻率會明顯改變作物產(chǎn)量和水分利用效率（）[52-53]。以往研究多關(guān)注灌溉頻率與作物產(chǎn)量和品質(zhì)之間的相關(guān)性，較少考慮其對滴灌系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。關(guān)于不同灌溉頻率對滴灌滴頭堵塞程度和灌水器內(nèi)部生物膜生長的影響的報(bào)道并不多見。

Zhou等[54]以無壓力補(bǔ)償?shù)闹鶢畹晤^為研究對象，開展了不同滴灌頻率下灌水器堵塞試驗(yàn)。結(jié)果表明，滴灌頻率越高，和的波動期越短，嚴(yán)重堵塞和完全堵塞的滴頭數(shù)量隨著滴灌間隔的縮短而增加。滴頭堵塞通常首先發(fā)生在側(cè)向末端，然后向中部和首部轉(zhuǎn)移。低頻灌水處理下滴頭堵塞發(fā)生的時間較早，但高頻灌水處理下滴頭的整體堵塞程度較嚴(yán)重，選用合適的灌溉頻率對控制滴頭堵塞有明顯作用。

3 討 論

圍繞再生水滴灌下灌水器的生物堵塞問題，研究者們開展了廣泛的研究，分析了再生水滴灌灌水器生物堵塞的發(fā)生機(jī)理，同時也總結(jié)了多種灌水器抗堵塞技術(shù)。盡管如此，目前研究尚存在較多不足。由于涉及學(xué)科交叉及試驗(yàn)測試費(fèi)用昂貴等問題，目前對灌水器內(nèi)微生物群落的研究報(bào)道不多，在未來可深入研究微生物群落變化對灌水器生物堵塞的影響，進(jìn)一步引入更精密的方法，如高通量測序檢測方法，對整個堵塞過程中微生物群落的變化進(jìn)行更全面、更詳細(xì)的分析。在研究加氯對灌水器生物堵塞的影響時，加氯技術(shù)對不同再生水處理工藝和不同類型滴頭的適用性需要進(jìn)一步研究，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤環(huán)境健康等的潛在影響和風(fēng)險(xiǎn)也需要進(jìn)一步研究。在研究滴頭流速對再生水滴灌系統(tǒng)側(cè)壁生物膜生長和表面形貌的影響時，有必要綜合運(yùn)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)分析側(cè)支生物膜內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)，研究短、中、長期側(cè)支生物膜內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。在研究滴灌頻率對再生水滴頭堵塞的影響時，使用不同區(qū)域或不同處理工藝的再生水，同樣的滴灌頻率對滴頭堵塞的影響是否相同仍有待研究，同時應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合作物試驗(yàn)，設(shè)置更多的灌溉頻率梯度，以獲得更精準(zhǔn)的再生水滴灌頻率。

近年來，滴灌水肥氣熱集成技術(shù)得到了快速發(fā)展，滴灌施肥、滴灌加氣和灌熱等技術(shù)不斷得到推廣應(yīng)用，這些滴灌集成技術(shù)對根系土壤環(huán)境的優(yōu)化、作物產(chǎn)量品質(zhì)的提高等有重要影響。如果將來再生水滴灌時運(yùn)用這些集成技術(shù)，屆時灌水器堵塞規(guī)律出現(xiàn)何種變化仍值得關(guān)注。

再生水滴灌時，灌水器堵塞嚴(yán)重影響著滴灌系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。因此，探明灌水器堵塞機(jī)理，構(gòu)建適宜的灌水器防堵塞技術(shù)體系，對再生水滴灌技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。未來建議進(jìn)一步融合灌排工程學(xué)、生物學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)學(xué)科知識，運(yùn)用現(xiàn)代化的測試分析方法，不斷強(qiáng)化灌水器生物堵塞方面的研究，保障滴灌系統(tǒng)安全運(yùn)行，促進(jìn)再生水滴灌技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié) 論

1）再生水滴灌時，生物膜的形成是誘發(fā)灌水器堵塞的根本原因之一。生物膜的形成主要受到微生物附著、生長、脫落以及衰亡等過程的綜合作用，一旦形成很難消除。

2）建議利用拮抗原理找出拮抗細(xì)菌，進(jìn)而改變灌水器內(nèi)微生物群落，降低灌水器生物堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3）加氯是常見的處理灌水器堵塞的方法，但向再生水中加氯對作物和土壤的影響需進(jìn)一步研究。

4）再生水滴灌時選用合適的流速和滴灌頻率可以有效降低灌水器堵塞。

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Biological Clogging of Emitters in Drip Irrigation Using Reclaimed Water: A Review

DONG Conghui1,2, HAN Qibiao1*, LIU Weining3, LI Hao1, SUN Hao1, LI Hui1

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water-saving Agriculture of Henan Province/Key Laboratory of Water-saving Irrigation Engineering, Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China;2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3. Xinxiang Muye District Agriculture and Rural Bureau, Xinxiang 453002, China)

Drip irrigation has been increasingly used not only for watering cash crops but also for stable crops in water-scarcity regions. One common problem in drip irrigation is emitter clogging, especially when using reclaimed water which is rich in nutrients and microbes. This paper reviews the recent development in biological clogging of the emitters, including its cause and mitigation. It is based on literature review of the extensive publications over the past decades. We review the current research situation both nationally and internationally and outline the cause of the clogging when using reclaimed water for irrigation, especially the underlying mechanisms. We also review the measures for anti-clogging the emitters. From these, we discuss the potential development in this area, including remediation of biological clogging using chlorination, adjusting flow rate and drip irrigation frequency, and the applications of these specific measures to different regions and situations.

drip irrigation; reclaimed water; emitter; clogging

1672 - 3317（2023）01 - 0106 - 06

S49

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021336

董聰慧, 韓啟彪, 劉偉寧, 等. 再生水滴灌條件下灌水器生物堵塞的研究概況[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(1): 106-111.

DONG Conghui, HAN Qibiao, LIU Weining, et al. Biological Clogging of Emitters in Drip Irrigation Using Reclaimed Water: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(1): 106-111.

2021-07-10

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（ASTIP202102）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（202102110279）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)院級統(tǒng)籌項(xiàng)目（Y2021YJ07，Y2022XK12）

董聰慧（1997-），女。碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備方面的研究。E-mail: Dongconghui111@163.com

韓啟彪（1984-），男。副研究員，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備方面的研究。E-mail: hanqibiao@caas.cn

責(zé)任編輯：韓 洋