无机吸附剂处理黄河水滴灌抗堵塞试验研究

杨少东，屈忠义,2*，张伟锋，李哲，

丁艳宏1，贾咏霖1，樊琴4

(1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018； 2. 内蒙古农业大学寒旱区灌溉排水研究所，内蒙古 呼和浩特 010018； 3. 佑景天(北京)国际水环境研究中心有限公司，北京 100080； 4. 内蒙古临河黄河国家湿地公园管理中心，内蒙古 巴彦淖尔市 015000)

沿黄地区大部分属于资源型缺水区，水资源的地理分布与农业、工业分布极不均衡，近年来随着沿黄灌溉区域社会经济快速发展，使本就处于干旱与半干旱的沿黄灌溉区域农业用水与其他用水矛盾日益突出，极大影响了引黄灌区作为国家重要粮油生产基地的主体地位.

滴灌作为目前农田灌溉最为节水的现代化精量灌溉技术[1]，使用黄河水进行滴灌，可有效缓解沿黄灌区的用水矛盾.黄河水中含沙量较高，直接使用进行滴灌时，滴头堵塞一直是难以有效解决的问题.即便在水质较好且具有完整的过滤措施下，依然有部分滴头发生堵塞[2].随着水资源日益短缺，如何使用高含沙水(浑水)[3-4]、再生水[5-6]等进行滴灌已经成为目前的主要研究方向.LI等[5]研究指出引黄滴灌过程中，诱发滴灌系统堵塞的主要原因依然是黄河泥沙颗粒物.孙贯芳等[7]研究指出使用过滤后的黄河水进行滴灌，整个滴灌系统的运行管理可通过系统平均相对流量判断系统均匀度，进而了解系统堵塞状况.NIU等[4]研究指出当泥沙粒径小于0.1 mm时，影响流道堵塞的首要因素为流道内工作压力，其次为泥沙粒径.LIU等[8]研究指出使用再生水进行滴灌，灌水器堵塞大多由化学沉淀引起.

目前过滤黄河水进行滴灌的主要设备为砂石过滤器、网式过滤器、沉淀池等[9-11]；大部分研究工作从沉淀池的优化设计、不同过滤器之间的组配以及整个系统的优化运行等多途径，控制灌水器的堵塞，取得了一定价值的成果.但引黄滴灌过程中，由于配套的各种过滤措施成本较高、施工时间较长、占地面积过多，泥沙过滤不完全造成滴灌带堵塞等因素，严重制约了引黄滴灌的发展.因此，文中通过配置不同含沙量的水质，经过“水梦”无机吸附剂综合处理装置絮凝沉淀后，监测水质的变化，之后模拟不同种类滴灌带的系统流量变化规律以及系统克里斯琴森均匀度系数的变化规律，旨在为引黄滴灌过程中不同含沙量下过滤模式的最优化提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验在内蒙古巴彦淖尔市九庄基地进行，试验装置如图1所示，由潜水泵、“水梦”过滤综合处理装置、流量表、0.25 MPa精密压力表等组成.黄河水由潜水泵从黄河总干渠抽入蓄水池，再经水泵抽入“水梦”过滤综合处理装置；“水梦”吸附剂(粉状)放置于投料器中(投料器由电动机驱动，可控制投料速度及投料量)，通过搅拌器充分混合絮凝，经过过滤栅、沉淀箱、蓄水桶，再经过干支管及辅管进入滴灌带；滴灌带平行布置，每根滴灌带长25 m.

图1 试验装置示意图

试验设置3种灌水水源和2种滴灌带条件下测试灌水均匀性，总计6个处理，每个处理设置3个重复.3种灌水水源处理组：① 低含沙水滴灌处理组，采用黄河水原水进行滴灌，泥沙含量为0.1 kg/m3，简记为H1；② 中等含沙水滴灌处理组，取黄河沉积泥沙加入蓄水池，调节水中泥沙含量为5 kg/m3，简记为H2；③ 高含沙水滴灌处理组，加沙处理同中等含沙处理组，加沙调节水中泥沙含量为15 kg/ m3，简记为H3.2种滴灌带：① 由NETAFIM公司生产的内镶贴片式滴灌带，记作N；② 由瑞盛公司生产的贴片式滴灌带，记作R.滴灌带具体参数见表1，表中Q，d，l分别为滴灌带的额定流量、管径、滴头间距.

表1 试验用滴灌带性能参数

Tab.1 Performance parameters of drip irrigation tape for experiment

处理滴灌带Q/(L·h-1)d/mml/mH1N,H2N,H3NNETAFIM1.6016.20.3H1R,H2R,H3R瑞盛1.7516.00.4

通过前期室内试验准备，选择采用佑景天(北京)国际水环境研究中心有限公司提供的“水梦”CS-001型吸附剂，为乳白色粉末，无味，其主要成分为高岭土、杭锦2号土等，pH值为7.“水梦”CS-001吸附剂是一种新型的在处理净化水质过程中不产生二次污染的环保型无机絮凝剂，主要通过浮游悬浊物的粒子间电位降低及离子交换功能(阳离子、阴离子)，由分子间的吸引力而凝聚悬浮物.不同含沙量条件下的使用药量，根据前期室内试验测试确定的黄河水泥沙含量与“水梦”吸附剂使用量呈现的线性关系y=0.010 3-0.003 6x，且依据实际情况微调使用量.运行中，由潜水泵将黄河水吸入蓄水池再由水泵抽入“水梦”过滤综合处理装置内，投料机根据设置好的投放药品速度投药，搅拌器保证水源的均匀性.

1.2 试验方法

1) 首先用清水作为水源，调节闸阀使压力表读数为0.1 MPa，使系统运行480 min.当系统运行450 min后开始，从滴灌带入水口每隔3 m选择1个滴头，共计9个滴头，收集每个滴头水量到集水容器(小水桶)中，用秒表记录集水时间，收集时间不少于10 min.

2) 调节“水梦”过滤综合处理装置药品投入量，使用3个含沙水处理组H1，H2和H3分别对2种滴灌带(灌水器)进行试验，每个处理组每天开机480 min(开机时间为9:00—17: 00)；当系统运行450 min后开始，在同一取样位置(与清水流量收集位置相同)处开始收集流量，方法同清水测试.系统在自然条件下静置7 d后再进行重复灌水试验，总共进行8次灌水试验，另加1次清水标定试验.灌水量和运行次数基本相当于当地田间灌水量和灌水次数.

1.3 评价指标与数据分析方法

系统相对平均流量Qr指在额定压力下，每次试验同一滴灌带平均流量Qa与清水测试流量Q0的比值，即

Qr=Qa/Q0.

(1)

滴灌均匀度采用克理斯琴森均匀系数(Christiansen Uniformity)CU表示，计算公式为

(2)

2 结果及分析

2.1 水质分析

表2为3种含沙滴灌处理水源在经过“水梦”综合处理装置前后的水质变化情况，表中TN，TP，φCOD，φBOD分别为总氮、总磷、COD，BOD的体积质量，ZD为浊度.

表2 3种水源处理前后水质

Tab.2 Water quality of three water mixtures before and after treatment

处理TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)φCOD/(mg·L-1)φBOD/(mg·L-1)ZD/NTUpHH1处理前1.41c0.07d10.1c2.2c 82.5c7.6ab处理后1.10d0.05e6.1e1.2e4.2c7.1bH2处理前1.78b0.12b14.9b2.4c4 105.0b7.8ab处理后1.36c0.07d7.4d1.5d35.7c7.5abH3处理前2.47a0.18a19.3a4.6a12 180.0a7.9a处理后1.81b0.09c9.5c3.1b83.1c7.4ab

注: 同一列中不同字母表示在0.05水平下差异具有统计学意义

从表2中可以看出随着水中泥沙含量增加，水质中各项指标都有不同的变化， 3个处理前总氮、总磷、COD，BOD、浊度数据差异具有统计学意义，投入相应药剂处理后的水质状况良好.低含沙滴灌处理组(H1)中，总氮、总磷的去除率分别为22.0%，29.0%；COD，BOD的去除率为40.0%，45.0%.中等含沙滴灌处理组(H2)中，总氮、总磷的去除率为23.0%，42.0%；COD，BOD的去除率为50.0%，37.0%.高含沙滴灌处理组(H3)中，总氮、总磷的去除率为26.7%，50.0%；COD，BOD的去除率为51.0%，33.0%.处理H1，H2，H3的浊度分别降低了94.9%，99.1%，99.3%.

由于泥沙颗粒上有较为广阔的微界面，所以会附着许多污染物[12].泥沙含量增加的同时，滴灌带堵塞的概率也相应增加.滴灌带不仅有泥沙的物理堵塞，也包括泥沙携带的各种有机物从而给微生物创造了良好的生存条件[13].由表2可知，随着水中添加泥沙的含量增加，试验所用水源中各项指标都有较大的变化.试验所用3种水源中水体浊度最高达到12 180 NTU，依据BUCKS等确立的滴灌系统堵塞状况评价水质标准,在该浊度下直接进行滴灌，滴灌系统将很快被泥沙等堵塞[14].

3种水质经过“水梦”综合处理装置处理后，各项指标均有不同程度下降，基本可以达到滴灌用水水质标准.其中处理H1，H2，H3的浊度分别降低了94.9%，99.1%，99.3%.随着处理后3种水源的总氮、总磷等下降，因此也不同程度地降低了滴灌带生物堵塞的风险.吴泽广等[15]研究表明水质中含沙量为1.25～1.50 kg/m3时，灌水器堵塞的概率会急剧增大.3种水质经过处理后，浊度、含沙量降低明显，远低于1.25～1.50 kg/m3.日常滴灌所用水质中，氮、磷等元素含量较少，原灌溉水中微量氮、磷元素对于作物的生长影响还有待深入研究.经“水梦”综合处理装置处理后，过滤后的黄河水通过施肥罐、过滤装置，进入滴灌带.

2.2 灌水器沿程流量

系统运行过程中，滴头的沿程流量变化规律如图2所示，图中q为滴头流量.整个试验周期中，各个处理的滴头流量都有不同程度的降幅.图中曲线1—9分别为清水标定以及8次灌水的滴头流量沿程变化.

图2 滴灌带不同位置滴头流量

低含沙量水质(H1)经过“水梦”综合装置的处理后进入滴灌平台，前几次灌水，各滴头流量下降不明显，在之后的灌水中，同一观测点的流量有了小范围的回升，然后下降直到试验结束.处理H1N，H1R的滴灌带前段观测点0—2，滴头流量从第1次灌水到第9次，平均下降6.7%；中段观测点3—5，滴头流量平均下降10.3%；末段观测点6—8，滴头流量平均下降12.3%；H1N和H1R较标定流量分别降低9.7%，10.0%.整个运行过程流量变化平缓，2种类型滴灌带在低含沙水质下流量降幅较低，变化趋势较一致，具有良好的抗堵塞性能.

中等含沙量下，处理H2N在经过前6次灌水试验后，滴灌带中段(观测点4—6)和末段(观测点7—8)处流量下降较为明显，其中末端在第7次灌水到第9次，滴头流量平均降低31%；H2N和H2R的整体流量较标定流量分别降低16%，15%.滴头流量都有所降低，整体发生轻微堵塞.

高含沙水质H3N下运行到第7次灌水时，滴头流量出现比较严重的下降，平均流量下降34%；系统平均流量低于70%，滴灌系统发生堵塞.第9次灌水后某段观测点7和点8完全堵塞，流量降至0.H2N经过前7次灌水流量降低幅度均匀，到第8次灌水时系统平均流量降低到70%以下，发生堵塞.

由于在高含沙量水质下，经“水梦”吸附剂处理后，水质含沙量及有机物等含量明显降低，但是本身污染物含量较大，滴灌带末端压力较小，故滴头堵塞随设备运行时间增加而进一步加剧.大部分研究表明，滴灌带的堵塞是一个反复过程直到完全堵塞.沿滴灌带长度方向流量逐步减小，流量完全降低到0的灌水器基本发生在滴灌带的末端.由于滴灌带内的流量随滴灌带长度增加而等间距分流，流量和速度均逐渐减小，水流逐渐趋缓，尤其在滴灌带尾部，流速非常低，水质杂质类似于在静水中沉降，从而增大了堵塞灌水器的可能性.除此之外，整个试验过程中并没有对滴灌带进行反冲洗，因此也增大了滴灌带尾部灌水器堵塞的可能性.相关高含沙下滴灌堵塞研究结果表明，在实际使用过程中，即使经过良好过滤措施后进行滴灌，依然会有粒径小于0.1 mm的泥沙颗粒进入滴头，导致至少1/3的滴头在多次使用过后造成堵塞尤其滴灌后半段的滴头[16-17].

2.3 均匀度和系统相对平均流量

图3为不同处理的均匀度变化情况，图4为不同处理的系统相对平均流量变化情况，图中j为灌水次数.

图3 不同处理均匀度

图4 不同处理系统相对平均流量

Fig.4 Relative average flow rate of systems in diffe-rent treatments

如图3所示，随着灌水次数增加，滴头堵塞会使得灌水均匀性变差，各处理的均匀度均随灌水次数增加而整体呈下降趋势；在整个试验周期也发生一些波动，且都在均匀度为80%左右迅速下降.试验前几次灌水，各滴头流量下降平缓；之后的灌水过后，滴头流量有了小范围回升，然后直线下降.灌水次数为0—8次时，相同滴灌带不同含沙量处理的均匀度，按处理排序由大到小均为H1，H2，H3，平均分别为94.94，93.26，84.48.处理NH1，NH2和RH1，RH2的均匀度变化缓慢.处理NH3和RH3的均匀度分别在运行次数超过6和7次后小于80%，达到堵塞标准，且灌水次数大于6次后NH3的均匀度显著小于RH3的.

由图4可知，不同处理的滴灌带系统相对平均流量均在低于75%时，快速下降.系统相对平均流量按处理排序从大到小表现为RH1，NH1，RH2，NH2，RH3，NH3；第5次灌水后，RH2的平均相对流量均高于NH1和NH2的.高含沙水质情况下，灌水器相对平均流量和灌水均匀度变化过程的波动性及降低幅度明显强于低含沙和地下水滴灌情况.因为高含沙水质虽然经过“水梦”综合处理装置的过滤，但是水质中仍然含有少量有机污染物质，随着滴灌系统运行，增大了堵塞灌水器的概率.

经过“水梦”综合处理装置过滤的高含沙水质、中等含沙水质、低含沙水质，2种滴灌带前期均表现出良好的灌水均匀性；在高含沙情况下，经过前5次灌水，2种滴灌带均匀度才发生了明显下降.滴灌平台试验受条件所限，在实际运行过程中可加装过滤网，对进入滴灌带的水质进行再次过滤，经过充分的过滤措施，也可降低滴灌带的堵塞风险[18].

3 结 论

1) 经“水梦”综合过滤设备处理后，对不同含沙量下水体中的浊度及各类污染物指标有明显的降低或去除净化作用，浊度平均降低了97.8%.

2) 经“水梦”综合过滤设备处理后，不同含沙量水质下，综合考虑2种滴灌带灌水均匀度及其灌水平均流量降低程度，实际使用过程中推荐使用管径更大的由NETAFIM公司生产的内镶贴片式滴灌带.不同季节黄河水泥沙含量差异明显，但某一季节泥沙含量相对稳定，实际使用过程中先期测定灌溉水质中含沙量等指标，依据黄河泥沙含量与吸附剂使用量的线性关系，确定吸附剂使用量，进行不同水质处理.

3) 在研究引黄滴灌过滤方式时，应该综合考虑引黄过滤成本、设施便捷性和过滤效果等，低、中等含沙量水质情况下，加入吸附剂处理效果良好，滴灌带能够良好运行.高含沙量水质下，应该继续加装过滤装置，进行二次过滤，达到灌溉水质标准.