水磁化处理对水肥溶液中黏性颗粒絮凝沉降的影响

赵雪,王照熙,张文倩,吕畅,牛文全

水磁化处理对水肥溶液中黏性颗粒絮凝沉降的影响

赵雪1,2,王照熙1,2,张文倩1,2,吕畅1,2,牛文全1,3,4*

（1.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；4.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

【】探究水磁化处理对富含黏性颗粒水肥溶液絮凝沉降过程的影响。配置5种质量浓度的高岭土悬浮液（0.5、1.0、1.5、3.0、5.0 g/L）和3种质量浓度（0.25、0.5 g/L和0.75 g/L）的硫酸钾、尿素、复合肥混合液共14种，分别在4种不同磁化强度（W0：0 T、W1：0.2 T、W2：0.4 T和W3：0.6 T）下，测定4 h内沉降量筒底端10 cm高处的浊度、中值沉速、沉降泥沙机械组成、水样zeta电位、pH值、电导率和黏滞系数等的变化。与未磁化处理相比，磁化后黏性颗粒的絮凝作用有所增强、沉降速率加快（<0.01）；磁化强度为0.4 T（W2）时，黏性颗粒的絮凝作用最强，沉降泥沙的中值粒径比未磁化处理最高可增加14.7%，其黏粒占比最高可减少25.0%，zeta电位最高可降低68.7%。当水中加入不同肥料时，磁化对沉降泥沙中值粒径、黏粒占比和水样zeta电位值的影响不同，施加硫酸钾肥时磁化的影响效果最大，施加尿素时的影响效果最小。灌溉水磁化处理可显著促进黏性颗粒的絮凝作用和沉降速率，建议用磁化水灌溉或者输水时，应定期冲洗管网系统，排除管网中的沉降泥沙。

磁化；絮凝；沉降；黏性颗粒；肥料

0 引言

【研究意义】滴灌是目前干旱缺水地区最有效的灌溉方式之一，但灌水器堵塞问题会直接影响灌水均匀度，甚至使整个滴灌系统失效[1-2]。根据水质可将灌水器堵塞类型分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种[3-5]，其中物理堵塞最为明显，颗粒的絮凝与沉降是造成灌水器物理堵塞的直接原因[6]。多年来，黄河流域的宁夏、内蒙古等地段和新疆等地区受高含沙水流影响，严重制约着滴灌技术的应用，而此流段泥沙量较高且细微粒量比例较大[7]。黏性泥沙极小的粒径使其具有较强的电化学性质，一定条件下会碰撞黏结形成泥沙絮团[8-10]，从而加剧滴头堵塞。研究滴灌水源流经磁场后水中黏性颗粒絮凝沉降过程的变化规律，对滴灌管网系统的管理和滴头堵塞的防治有重要意义。【研究进展】磁化后水分子间氢键断裂，水分子由团簇状变成单个极性水分子[11]，水中溶解氧量提高4～6 mg/L，溶解度提高20%～70%，水的电导率至少提高2%，澄清速度提高20%～90%[12]，水的性质发生改变。磁化后水中游离的离子内能增加[13]，碰撞概率增大，从而会影响黏性颗粒的絮凝沉降过程。李建军等[14]研究表明，磁化处理减小了固体颗粒表面水化膜厚度和zeta电位值，从而加速了其絮凝沉降作用。王新民等[15]研究发现磁化处理可以加速全尾砂料浆（SiO2量56.18%，Al2O3量6.53%）沉降。汪虎等[16]研究发现，磁化絮凝技术使得浸出液中的固体悬浮物快速沉降。磁化水灌溉可促进植物生长、提高植物根系活力，改变盐渍化土壤中水盐的分布、减少土壤盐分、增强土壤保水能力[17-21]。磁处理水技术在促进土壤脱盐、提高植物耐盐性和土壤养分有效性、促进植物生长等方面具有广泛的作用效果[22-24]。【切入点】磁化水应用已经引起广泛的关注，但目前关于磁化对农业生产领域的研究多集中在作物与土壤中，将磁化与水肥一体化滴灌过程中的絮凝沉降过程相结合的研究较少。【拟解决的关键问题】本文探讨了4种磁化强度下，14种不同高岭土量和肥料质量浓度组合的黏性颗粒絮凝沉降的变化规律，为磁化水肥一体化滴灌系统的滴头堵塞防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验于2020年9月23日—11月27日在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区灌溉水力学大厅内进行室内温度（20±0.5）℃。张庆河等[25]指出絮凝的临界粒径为0.01～0.03 mm，故本试验选用白陶土煅烧水洗高岭土粉，具有高度分散性的白色粉末状物质，高岭土粒径级配见图1。

图1 试验用高岭土粒径级配

试验选用3种可溶性肥料：尿素（分子式CO(NH2)2极易溶于水的半透明无杂质固体颗粒）；硫酸钾（K2O≥52%）；复合肥（白色颗粒极易溶于水N-P2O5-K2O为19-19-19）。

试验用磁化器选用包头磁性材料有限公司生产的磁化强度分别为0、0.2、0.4、0.6 T的永久性磁体。

磁化循环装置由PVC输水管道（外径32 mm，内径26 mm）、磁化器、搅拌桶（10 L）、自吸式水泵（额定流量4 m3/h）和自动搅拌机(额定转速500 r/min)组成，见图2。

1.自吸式水泵；2.磁化器；3.自动搅拌机；4.搅拌桶

滴灌管网中水流平均速度为0.1～1.2 m/s[26]，经计算本试验输水管路中水流流速约为0.5 m/s，与实际滴灌管网流速相符。

1.2 试验设计

试验1：根据实地考察，宁夏黄河水引水渠口含沙量在0.6～1.1 g/L之间[27]，为增加试验效果，本试验配置5种高岭土质量浓度分别为0.5、1.0、1.5、3.0 g/L和5.0 g/L，分别记为S1、S2、S3、S4、S5与4种磁化强度进行全组合试验，共20个处理，每个处理共计4次重复。

试验2：以试验1中位泥沙质量浓度为依据，将泥沙质量浓度固定为1.5 g/L，选择3种肥料：硫酸钾（K）、尿素（N）和复合肥（F），各设置3种肥料质量浓度，分别为0.25、0.5 g/L和0.75 g/L，并分别记为K1、K2、K3、N1、N2、N2、F1、F2、F3，与4种磁化强度（包含对照组）进行全组合试验，共36个处理，每个处理共计4次重复。

1.3 试验方法

采用水质检测仪（意大利哈纳HI5522）测量不同磁化循环时间后沉降桶表层位置处水的电导率，重复测试3次。测得初始电导率为835.6 μS/cm，每间隔5 min时，测水样电导率值并计算电导率在相同间隔时间内的变化率即电导率变化率，图3为不同磁化循环时间水的电导率变化率。磁化循环时间为15 min时，水的电导率变化率最大，故本试验确定的磁化循环时间为15 min。试验用水泵循环流量为4 m3/h，故循环15 min时，水样大约被磁化100次。

图3 不同磁化处理循环时间后电导率变化率

将试验用肥料、高岭土与水混合均匀以配置试验用水样，其中尿素与复合肥为全溶于水，硫酸钾为52%溶于水，故配置硫酸钾悬浮液时，将肥料倒入水中，搅拌均匀，静置后取上清液作为试验水样（上清液浓度为0.25、0.5 g/L和0.75 g/L）。采用磁化循环装置，将配置好的水样置于10 L搅拌桶内，循环磁化15 min，循环过程中，采用自动搅拌机持续性对试验水样进行搅拌，以减小颗粒物提前絮凝产生的误差。考虑到水循环过程中的进水、出水、搅拌等过程会对水动力学条件产生影响，故本试验将未磁化处理组也重复相同的循环操作，以减小水动力学条件不同所带来的误差。循环处理后，取1 000 mL水样放置于量筒（高30 cm，内径6.5 cm，1 000 mL玻璃量筒）静置，进行絮凝沉降测试。水经磁化处理后，试验测得约6 h内其性质会保持稳定[28]。故本试验分别在静置0、5、10、15、30、60、90、120 min和240 min时，采用移液管法在距量筒底1/3处取10 mL水样，置于浊度仪（奥立龙AQ3700）中，测量悬液浊度，每组试验重复4次。沉降试验过程中，从搅拌桶中取适量水样置于乌氏黏度计（合肥申谊玻璃制品有限公司）中测量黏滞系数，并用水质测试仪（意大利哈纳HI5522）测量悬液温度、电导率和pH值等。待沉降4 h后，将沉降底泥倒入锡纸碗中，置于105 ℃烘箱（上海森信实验仪器有限公司）内烘干，12 h后取出底泥，装入自封袋，用MS2000型激光分析粒度仪（马尔文公司APA2000）测量絮凝沉降泥沙的机械组成，并分析其中值粒径和黏粒占比等，用场发射扫描电镜（日本日立公司）观测仪观测沉降泥沙微观结构。

为减小测量含沙量时的操作及仪器误差，本试验用悬液浊度代替相对含沙量。试验开始前，配置不同相对含沙量的泥沙悬浊液，并测定其浊度与相对含沙量的对应关系，每组处理均测试9组以进行拟合，每次测试共计3次重复。浊度和相对含沙量的对应关系见表1。二者呈显著线性关系。

表1 浊度与相对含沙量对应关系

注 **代表<0.01。

计算中值沉速来反映泥沙沉降速度[29]，即根据各水深处含沙量为初始含沙量50%的沉降历时平均值0.5得到的沉速50，可表示为：

式中：为取样深度（cm）；0.5为泥沙量达到初始量50%时所用时间（min）。

用Omni型纳米粒度电位分析仪（美国布鲁克海文仪器公司）测量水样zeta电位值。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0软件ANOVA法进行显著性分析及方差分析（<0.05）。采用Orign 2020软件线性拟合浊度与相对含沙量的关系，采用MATLAB2016软件“5次多项式拟合”拟合泥沙相对质量浓度与沉降时间曲线的关系确定中值沉速。采用Origin 2020软件绘制图形。

2 结果与分析

2.1 磁化对水样性质的影响

2.1.1 水质指标

表2为磁化后水样pH值、电导率和黏滞系数的变化情况。磁化后水样的pH值、电导率、黏滞系数较未磁化处理相比均有不同程度的增加，其中磁化对电导率的影响达到极显著水平（<0.01），对黏滞系数的影响达到显著水平（<0.05）。磁化后水样pH值、电导率和黏滞系数较未磁化处理相比增幅分别为：0.2%～3.3%、0.2%～16.8%和0.9%～16.7%。未施肥时，水样pH值随高岭土质量浓度的增加而增加，电导率和黏滞系数随高岭土质量浓度的改变无显著变化趋势；施加硫酸钾肥和复合肥时，水中离子浓度增加，水样电导率呈明显的增加趋势，较未施肥相比平均增幅分别为165.7%和43.2%，且随施肥质量浓度的升高，变幅逐渐增大；由于尿素为分子态，施加尿素后，水样电导率和黏滞系数无明显改变，但pH值有所增加，增幅范围为2.2%～2.8%。不同处理下，水样pH值和电导率均随磁化强度的增加呈先增后减趋势，磁化强度为0.4 T（W2）时，水样pH值和电导率的增幅最大分别为3.3%和16.8%，磁化强度为0.6T（W3）时，水样黏滞系数的增幅最大为16.7%。

2.1.2 zeta电位

zeta电位是对悬液体系中颗粒之间相互排斥或吸引力强度的度量，zeta电位绝对值越低，越倾向于凝聚，反之倾向于分散[30]。磁化后黏性颗粒zeta电位绝对值减小（图4），基本随磁化强度的增加呈先减后增的趋势。磁化强度为0.4 T（W2）时，zeta电位绝对值最小，较未磁化相比平均变化率为52.0%，此时悬液体系中黏性颗粒最倾向于凝聚。磁化对不同处理下水样zeta电位值的影响效果不同，硫酸钾肥处理下，磁化后水样zeta电位值的降幅最大，为8.8%～68.7%，复合肥和未施肥处理下，磁化对水样zeta电位的影响效果相近，变化率平均值分别为35.6%和31.6%，施加尿素时，磁化对水样zeta值的影响效果最小，变化率为20.5%～39.4%。

表2 磁化条件下不同浑水水样性质

注 表中不同小写字母表示同行处理间差异显著（<0.05），下同。

图4 磁化强度对不同混合液zeta电位的影响

2.2 磁化强度对黏性颗粒间絮凝作用的影响

2.2.1 沉降泥沙粒径

1）黏粒占比

Mehta等[31]认为黏性泥沙和非黏性泥沙的分界粒径可取为20 μm，因此本文将用沉降4 h后底泥中黏性泥沙与非黏性泥沙的比值即黏粒占比来表示不同处理后底泥粒径机械组成情况。

由图5可知，磁化强度、施肥特性对黏粒占比的影响达到了极显著水平（<0.01），二者间的交互作用对黏粒占比的影响达到了显著水平（<0.05）。

磁化后沉降泥沙黏粒占比减小，即絮凝作用加强，当磁化强度为0.4 T（W2）时，黏粒占比最小。磁化对沉降泥沙黏粒占比的影响随泥沙质量浓度的增加呈增大趋势，泥沙质量浓度为5 g/L（S5）时，磁化对黏粒占比的影响最大，黏粒占比由1.52降至1.14，降低了25.0%。

图5 磁化强度对不同浑水沉降后沉降泥沙黏粒占比影响

不同施肥条件下磁化对沉降泥沙黏粒占比的影响不同，施加硫酸钾肥时，磁化对沉降泥沙黏粒占比的影响效果最大，其平均值由1.70减小到1.55降低了8.8%，且磁化作用效果随硫酸钾质量浓度的增加而增加，如当磁化强度为0.4 T（W2）时，磁化对0.75 g/L的硫酸钾悬液（K3）的作用比0.25 g/L（K1）的硫酸钾悬液的作用增加4.2%；施加复合肥和尿素时，磁化后沉降泥沙的黏粒占比值较未磁化相比分别降低了7.6%和4.6%，且磁化的作用效果随复合肥和尿素质量浓度的改变无明显变化趋势。

2）中值粒径

表3为磁化强度对不同浑水沉降泥沙中值粒径的影响。磁化强度、泥沙质量浓度和肥料类型对沉降4 h后沉降泥沙中值粒径的影响均达到了极显著水平（<0.01）。

由表3可知，磁化后沉降泥沙中值粒径增加，未施肥时，中值粒径平均值由14.72 μm增大到15.68 μm，增加了6.5%，施肥后，沉降泥沙中值粒径增幅为0.7%～14.7%。不同处理下，沉降泥沙的中值粒径增幅均在磁化强度为0.4 T（W2）时最大，未施肥时，平均增幅为9.4%，施肥处理后，沉降泥沙中值粒径增幅最高可达14.7%。肥料类型及质量浓度对沉降泥沙中值粒径大小的影响不同，未磁化时，硫酸钾悬液沉降泥沙的中值粒径最大，平均为14.84 μm，复合肥悬液最小，平均为13.97 μm，磁化后，硫酸钾肥与复合肥悬液沉降泥沙中值粒径增幅平均值分别为7.6%和6.2%，且磁化对沉降泥沙中值粒径的影响效果随硫酸钾质量浓度的增加而增加，随复合肥质量浓度的增加而减小，随尿素质量浓度的增减无明显变化趋势，磁化后，不同质量浓度尿素处理下的平均变幅为5.1%。

表3 不同磁化强度下不同浑水沉降泥沙中值粒径

2.2.2 沉降泥沙微观形貌

磁化后沉降泥沙微观形貌有所改变。磁化强度为0.4 T（W2），泥沙质量浓度为1.5 g/L（S3），肥料质量浓度为0.75 g/L时，沉降泥沙微观结构的扫描电镜观测结果（2.00 K倍）见图6。未磁化组颗粒整体较为分散，颗粒大小不一，大颗粒周围游离着许多小颗粒结构。磁化后微观颗粒整体间距变大，单颗粒结构的尺度变大，形成较多致密堆积体，呈较大团块结构，且颗粒周围存在多层絮状结构咬合在堆积体外侧。

图6 磁化处理对沉降泥沙微观形态结构的影响

2.3 磁化强度对黏性颗粒沉降过程的影响

2.3.1 磁化强度对未施肥的泥沙悬浮液沉降过程的影响

图7为磁化强度对泥沙悬浮液沉降过程的影响。沉降初期泥沙相对质量浓度急剧下降，为快速沉降阶段，中后期泥沙相对质量浓度平缓下降，为缓慢沉降阶段。随着泥沙质量浓度的升高，快速沉降阶段与缓慢沉降阶段的临界点提前。泥沙质量浓度越高，沉降240 min后，泥沙相对质量浓度越低。

磁化强度对黏性颗粒沉降过程的影响随泥沙质量浓度和沉降时间而改变。除泥沙质量浓度为0.5 g/L时，磁化均加速沉降，沉降4 h时，泥沙相对质量浓度较未磁化处理减少10.0%～27.8%。磁化强度为0.4 T（W2）时对泥沙悬液沉降过程的加剧作用最大，相同沉降时间的泥沙相对质量浓度较未磁化处理相比最高下降29.3%。

图7 磁化强度对泥沙悬液中黏性颗粒沉降过程的影响

表4为磁化强度对黏性颗粒中值沉速的影响。磁化强度、泥沙质量浓度及二者间的交互作用对中值沉速的影响达到了极显著水平（<0.01）。

表4 磁化强度对未施肥的泥沙悬液中黏性颗粒中值沉速的影响

泥沙质量浓度越高，中值沉速越大。磁化后黏性颗粒沉降过程的中值沉速平均值由0.744 8 cm/min增至0.865 8 cm/min，增加了16.2%，说明磁化后黏性颗粒沉速加快。磁化对黏性颗粒沉降时中值沉速的影响效果随磁化强度的增加呈先增后减的趋势，磁化强度为0.4 T（W2）时，对黏性颗粒中值沉速的影响达到最大，其平均值比非磁化处理增加了23.9%。

2.3.2 磁化强度对肥沙混合液中黏性颗粒沉降过程的影响

表5为磁化强度对肥沙混合液中黏性颗粒中值沉速的影响。磁化强度和施肥特性及二者交互作用对中值沉速的影响均达到极显著水平（<0.01）。

表5 磁化强度对肥沙混合液中黏性颗粒中值沉速的影响

磁化加快了黏性颗粒的中值沉速，磁化强度为0.4 T（W2）时，对硫酸钾悬液黏性颗粒的加速作用最大，其中值沉速为0.435 2 cm/min，比未磁化处理增加了67.58%。磁化对不同肥沙混合液的影响不同，对硫酸钾悬液中值沉速的影响效果最大，复合肥次之，尿素的最小，磁化后其中值沉速最高增幅分别为67.6%、52.5%和40.1%。

图8为磁化后肥沙混合液中黏性颗粒的沉降过程曲线。磁化对黏性颗粒沉降过程有一定的加速作用，且沉降时间越长，磁化加速沉降的效果越显著。硫酸钾悬液中，磁化强度为0.4 T（W2）时，磁化作用效果最显著，磁化后降幅最大为20.29%；尿素与复合肥悬液中，不同磁化强度间差异不显著。磁化对黏性颗粒沉降过程的加速作用随硫酸钾质量浓度升高而增加，随复合肥质量浓度升高而减小，随尿素质量浓度改变无明显差异。

3 讨论

磁化显著加强了水中黏性颗粒的絮凝沉降（<0.05）。导致絮凝的直接动力是颗粒间的碰撞[32-33]，当富含黏性颗粒的泥沙悬浮液经过磁化处理后，磁场对粒子做功，增大了粒子内能[13]，增加了悬浮液中离子的流动性和扩散迁移率，使粒子更活跃，碰撞概率增加。泥沙絮凝作用的强弱由颗粒间的碰撞频率以及碰撞后的黏结概率决定[34]。磁化可减小黏性颗粒间的静电斥力，从而降低颗粒表面的水化膜作用[13]，水化斥力降低，离子更倾向于吸引和凝结。

絮团在水中的沉降速度，取决于絮团受力状况，絮团向下的重力、向上的浮力和阻力与絮团的密度、比表面积、悬浮液黏滞系数及温度等有关。磁化处理使水的pH值增大，电导率升高，zeta电位值降低[35-36]，本试验亦得出相似结果。本试验发现磁化后浑水黏滞系数增加，谢蔚等[13]认为黏滞系数的增减始终存在争议，这可能是由于磁化对不同粒径的泥沙颗粒的作用效果不同导致，还需要进一步验证。此外，浑水zeta电位的降低可反映悬浮液更倾向于凝聚，而电导率的增加加强了黏性颗粒的絮凝作用。但pH值和黏滞系数的增加，会阻碍絮凝作用与沉降速率，使磁化处理对黏性颗粒絮凝沉降过程的影响更为复杂。本试验观测到磁化后絮团致密性增强，密度加大。因此，絮团沉降速度加快。一般来说，絮团密度越大或絮团直径越大，沉速越快，但研究表明，絮团有效密度与絮团大小呈幂函数关系，且幂指数为负值[37-38]，絮团尺度越大，密度反而越小，而幂指数又与水环境和受力历史等密切相关[25]，二者表现出明显负相关趋势。磁化处理后溶液密度稍有减小，且磁化强度越大密度越小[39]，悬浮液密度变小，则絮团相对密度变大，故沉速加快。

水肥一体化过程会一定程度上增加灌溉水质的复杂程度，进而加速灌水器堵塞过程[40]。试验发现磁化的效果随硫酸钾质量浓度的增加而增加，这是因为硫酸钾属强电解质溶液[41-42]，当悬液中加入电解质后，电解质的阳离子能中和泥沙颗粒表面的负电荷，减小泥沙颗粒表面双电层厚度，降低泥沙颗粒之间的电荷斥力，增加泥沙颗粒碰撞后的黏结机会[43]，当磁场作用于硫酸钾悬液时，会使水中离子更为活跃，且离子浓度越大，磁化效果越强。尿素分子以氢键连接，具有疏水性，泥沙颗粒间不容易团聚[44-48]，当尿素溶液流经磁场后，可能会破坏尿素分子间的氢键结构，减弱其疏水性能。且磁化后尿素溶液的电导率增加，zeta电位绝对值减小，故磁化后黏性颗粒在尿素悬浮液中更易聚集。本试验所用复合肥为氨基酸螯合态，高钾型，随着施肥质量浓度升高，悬浮液中离子浓度增大，螯合剂与重金属配位作用强，络合了肥液中的重金属等离子，并在泥沙颗粒间形成胶团，导致泥沙的团聚[49]，当低质量浓度复合肥通过磁场后，磁场对其阳离子产生影响，随着复合肥质量浓度升高，胶团趋于稳定，磁场对胶团破坏能力较小，故随着复合肥质量浓度升高磁化作用效果减小。

本试验发现磁化强度越大，磁化的作用效果并非越好。这是因为随着磁场的增强，水系统呈周期性变化[50]。不同磁化强度对灌溉水性质的改变程度不同，如刘芳玲等[51]发现磁场强度对水表面张力系数的影响存在多个“谷”值，呈波动变化。王全九等[20]研究发现，磁化强度为0.4 T时土壤累积入渗量最大、入渗用时最短，磁电一体活化水的含水率、脱盐率、盐分淋洗效率达到最大，含盐量和土壤滞留盐分浓度最低，这与本试验研究结果基本一致。徐莉等[52]发现不同磁化强度下盐渍化土壤的脱盐效果不同，且不同试验对象适宜的最佳磁化强度有所差异，对最佳磁感应强度的确定今后还需进一步深入探究。

此外，泥沙絮凝沉降受颗粒物质量浓度的影响，黏性颗粒质量浓度越高，颗粒间相互碰撞凝结形成絮团的概率越大，其絮凝作用越强，沉降速度越大。磁化对不同质量浓度黏性颗粒的絮凝沉降过程虽均有加速趋势，但不同质量浓度间加速程度并无显著性差异。

综上，灌溉水磁化后可增强悬浮颗粒的沉降，如果能够适当应用，则会减少进入滴头流道泥沙的数量，降低滴头堵塞。但由于磁化处理增强沉降，故管网系统中泥沙的沉降量会增多，建议定期冲洗灌溉管网，提高灌溉系统的效能。

但本试验磁化强度及肥料质量浓度梯度设置较少，并未考虑到磁化处理的滞后效应等因素，将来还需进一步研究综合考虑磁化强度、磁化时间、磁化处理滞后效应的影响。

4 结论

1）磁化处理可以增强黏性颗粒的絮凝作用，加快黏性泥沙沉降。

2）随着磁化强度增大，黏性颗粒絮凝作用呈先增后减的趋势，本试验发现磁化强度为0.4 T时，对黏性颗粒絮凝沉降的影响效果最显著。

3）黏性颗粒沉降速度随颗粒物质量浓度的增加而增加，不同黏性颗粒质量浓度下，磁化对沉降的加速效果无显著差异。

4）肥料类型不同，浑水磁化对黏性颗粒沉降的加速程度不同，施加硫酸钾肥时，磁化的加速作用最大，复合肥次之，尿素最小，其中值沉速比未磁化处理分别最高增加67.6%、52.5%和40.1%。磁化的作用效果随硫酸钾浓度增加而增加，随复合肥质量浓度升高而减小，基本不受尿素质量浓度的影响。

5）利用磁化水滴灌时，应充分考虑磁化加剧黏性颗粒沉降的特点，合理制定抗堵塞管理措施。

[1] LIU H J, HUANG G H. Laboratory experiment on drip emitter clogging with fresh water and treated sewage effluent[J]. Agricultural Water Management, 2008, 96(5): 745-756.

[2] PEIY, LI Y, LIU Y, et al. Eight emitters clogging characteristics and its suitability under on-site reclaimed water drip irrigation[J]. Irrigation Science, 2014, 32(2): 141-157.

[3] BUCKS D A, NAKAYAMA F S, GILBER R G. Trickle irrigation water quality and preventive maintenance[J]. Agricultural Water Management, 1979, 2(2): 149-162.

[4] 刘燕芳. 硬水滴灌灌水器堵塞特性和机理研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018.

LIU Yanfang. Characteristics and mechanism of emitter clogging in drip irrigation with hard water[D]. Yangling: Northwest Sci-tech University of Agriculture and Forestry, 2018.

[5] 李云开, 周博, 杨培岭. 滴灌系统灌水器堵塞机理与控制方法研究进展[J]. 水利学报, 2018, 49(1): 103-114.

LI Yunkai, ZHOU Bo, YANG Peiling. Research advances in drip irrigation emitterclog gingmechanism and controlling methods[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(1): 103-114.

[6] 牛文全, 刘璐. 浑水特性与水温对滴头抗堵塞性能的影响[J]. 农业机械学报, 2012, 43(3): 39-45.

NIU Wenquan, LIU Lu. Influences of sediment concentration and water temperature of muddy wateron emitter clogging[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2012, 43(3): 39-45.

[7] 于健, 史吉刚, 李玮, 等. 引黄灌区规模化发展滴灌投资与效益[J].节水灌溉, 2020(9): 12-15.

YU Jian, SHI Jigang, LI Wei, et al. Investment and benef it of scale development of drip irrigation in Yellow River irrigation area[J]. Water Saving Irrigation, 2020(9): 12-15.

[8] VERNEY R, LAFITE R, BRUN-COTTAN J C, et al. Behavior of a floc population during a tidal cycle: Laboratory experiments and numerical modelling[J]. Continental Shelf Research, 2011. 31(10): S64-S83.

[9] 方红卫, 尚倩倩, 赵慧明, 等. 泥沙颗粒生长生物膜后沉降的试验研究- H沉降速度计算[J]. 水利学报, 2012, 43(4): 386-391.

FANG Hongwei, SHANG Qianqian, ZHAO Huiming, et al. Experimental study on sedimentation of sediment particles after biofilm growth-H sedimentation velocity calculation[J] Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(4): 386-391.

[10] 柴朝晖, 方红卫, 姚仕明, 等. 黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究[J]. 水利学报, 2016, 47(12): 1 540-1 547.

CHAI Zhaohui, FANG Hongwei, YAO Shiming, et al. A model for the flocculation-settling-resuspension process of cohesivesediment[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(12): 1 540-1 547.

[11] 王洪波, 王成福, 吴旭, 等. 磁化水滴灌对土壤盐分及玉米产量品质的影响[J]. 土壤, 2018, 50(4): 762-768.

WANG Hongbo, WANG Chengfu, WU Xu, et al. Effects of drip irrigation with different magnetic water on soil salinity, maize yield and quality [J]. Soil, 2018, 50(4): 762-768.

[12] 王克宁, 杨兴中. 磁化技术在水处理方面的应用[J]. 北方环境, 2000(1): 42-43.

WANG Kening, YANG Xingzhong. Application of magnetization technology in water treatment[J]. Northern Environment, 2000(1): 42-43.

[13] 谢蔚. 高浊度矿物污水的预磁化-磁絮凝沉降机理研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2019.

XIE Wei. Pre-magnetization-magnetic flocculation sedimentation mechanism of highturbidity mineral wastewater[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2019.

[14] 李建军, 乔尚元, 朱金波, 等. 煤泥水磁化改性及磁化-絮凝沉降研究[J]. 洁净煤技术, 2015,21(4):1-4, 11.

LI Jianjun, QIAO Shangyuan, ZHU Jinbo, et al. Magnetization modification and pre-magnetization flocculation and sedimentation of slime water[J]. Clean Coal Technology, 2015, 21(4): 1-4, 11.

[15] 王新民, 柯愈贤, 张钦礼, 等. 磁化处理全尾砂料浆沉降规律及其参数优化[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(4): 803-808.

WANG Xinmin, KE Yuxian, ZHANG Qinli, et al. Settling law and parameter optimization of magnetized full tailing slurry[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2017, 46(4): 803-808.

[16] 汪虎, 左恒, 陈超. 磁化絮凝技术去除钒浸出液中固体悬浮物试验研究[J]. 中国资源综合利用, 2020, 38(6): 20-22.

WANG Hu, ZUO Heng, CHEN Chao. Experimental study on removal of solid suspended matter in vanadium leachate by magnetic flocculation[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2020, 38(6): 20-22.

[17] 王晓帆, 吴勇, 张钟莉莉, 等. 不同水源磁化处理对生菜光合和矿质元素及产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(3): 40-47.

WANG Xiaofan, WU Yong, ZHANG Zhonglili, et al. Effects of magnetization irrigation on photosynthesis, mineral elements and yield of lettuce vary with water sources[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 40-47.

[18] ZHOU B B, YANG L, CHEN X P, et al. Effect of magnetic water irrigation on the improvement of salinized soil and cotton growth in Xinjiang[J]. Agricultural Water Management, 2021, 248.

[19] 王艳会, 孙昊蔚, 卫朝辉, 等. 活化水对小麦生长及根系活力的影响[J]. 华北农学报, 2021, 36(1): 124-133.

WANG Yanhui, SUN Haowei, WEI Zhaohui, et al. Effects of activated wateron growthand root activity of wheat[J]. North China Agricultural Journal, 2021, 36(1): 124-133.

[20] 王全九, 李宗昱, 张继红, 等. 磁化强度对磁电一体活化水土壤水盐运移特征的影响[J]. 农业机械学报, 2020, 51(8): 278-284.

WANG Quanjiu, LI Zongyu, ZHANG Jihong, et al. Effect of magnetization intensity on characteristics of soil water and salt transport in magnetization-de-electronic activation water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2020, 51(8): 278-284.

[21] 张莹莹, 宋妮, 单志杰, 等. 磁化水灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(6): 60-66.

ZHANG Yingying, SONG Ni, SHAN Zhijie, et al. Effects of magnetic treatment of irrigation water on yield and water use efficiency of winter wheat[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(6): 60-66.

[22] SHIMOKAWA S, YOKONO T, MIZUNO T, et al. Effect of far-infrared light irradiation on water as observed by X-ray diffraction measurements[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(4): 545-547.

[23] MAHESHWARI B L, GREWAL H S. Magnetic treatment of irrigation water: Its effects on vegetable crop yield and water productivity[J]. Agricultural Water Management, 2009, 96(8): 1 229-1 236.

[24] VASHISTH A, NAGARAJANS. Effect on germination and early growth characteristics in sunflower (Helianthus annuus) seeds exposed to static magnetic field[J]. Journal of Plant Physiology, 2010, 167(2): 149-l56.

[25] 张庆河, 王殿志, 吴永胜, 等. 粘性泥沙絮凝现象研究述评(1):絮凝机理与絮团特性[J]. 海洋通报, 2001(6): 80-90.

ZHANG Qinghe, WANG Dianzhi, WU Yongsheng, et al. A review of the research on viscous sediment flocculation (1): Flocculation mechanism and floc characteristics[J]. Ocean Bulletin, 2001(6): 80-90.

[26] 喻黎明. 滴灌灌水器水力特性及抗堵塞研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2009.

YU Liming. Study on hydraulic characteristics and anti-clogging of drip irrigation emitters[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2009.

[27] 张文倩, 牛文全, 李学凯, 等. 减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定[J]. 农业工程学报, 2019, 35(7): 70-77.

ZHANG Wenqian, NIU Wenquan, LI Xuekai, et al. Determination of first lateral flushing time and period to mitigate risk of emitter clogging in drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(7): 70-77.

[28] 韩建伟, 李永明. 磁化水的物理化学性质及机理初探[J]. 才智, 2009(28): 47.

HAN Jianwei, LI Yongming. The physical and chemical properties and mechanism of magnetized water[J]. Caizhi, 2009(28):47.

[29] 陈洪松, 邵明安. NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响[J]. 水利学报, 2002, 33(8): 63-67.

CHEN Hongsong, SHAO Ming’an. Effect of NaCl concentration on dynamic model of fines sediment flocculation and settling in still water[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2002, 33(8): 63-67.

[30] 刘洋, 张珊慧, 陈武, 等. 聚硅酸盐絮凝剂絮凝处理含油废水机理[J]. 长江大学学报(自然科学版), 2017, 14(1): 17-21, 84.

LIU Yang, ZHANG Shanhui, CHEN Wu, et al. The mechanism of polysilicate flocculant flocculation to treat oily waste water[J]. Journal of Yangtze University (Natural Science Edition), 2017, 14(1): 17-21, 84.

[31] MEHTA A J, LEE S C. Problems in linking the threshold condition for the transport of cohesionless and cohesive sediment grain[J]. Coastal Res, 1993, 10(1):170-177.

[32] 蒋国俊, 姚炎明, 唐子文. 长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析[J]. 海洋学报, 2002, 24 (4): 51-57.

JIANG Guojun, YAO Yanming, TANG Ziwen. Analysis of influencing factors of fine sediment flocculation and settlement in the Yangtze River Estuary[J]. Journal of Oceanology, 2002, 24 (4): 51-57.

[33] 金鹰, 王义刚, 李宇. 长江口粘性细颗粒泥沙絮凝试验研究[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2002, 30 (3): 61-63.

JIN Ying, WANG Yigang, LI Yu. The analysis for influencing factors of fine sediment flocculation in the Changjiang Estuary[J] Journal of Hohai University (Natural Science Edition), 2002, 30(3): 61-63.

[34] 郭超, 何青. 黏性泥沙絮凝研究综述与展望[J]. 泥沙研究, 2021, 46(2): 66-73.

GUO Chao, HE Qing. Review of the research on cohesive sediment flocculation[J]. Sediment Research, 2021, 46(2): 66-73.

[35] 张景艳, 冉家琪, 高大强, 等. 磁化水理化性质以及阻垢特性的研究[J].甘肃科学学报, 2021, 33(4): 13-19.

ZHANG Jingyan, RAN Jiaqi, GAO Daqiang, et al. Study on the physical and chemical properties and scale inhibition properties of magnetized water[J]. Journal of Gansu Sciences, 2021, 33(4): 13-19.

[36] 向军, 周文波, 熊玮, 等. 磁化处理对微细粒赤铁矿浮选的影响与机理研究[J]. 金属矿山, 2020(8): 76-82.

XIANG Jun, ZHOU Wenbo, XIONG Wei, et al. Study on the Effect and Mechanism of Magnetization on Fine Grain Hematite Flotation[J]. Metal Mine, 2020(8): 76-82.

[37] GIBBS R J. Estuarine flocs: their size, settling velocity, and density[J]. Journal of Gcophysical Resarch Oceans, 1985, 90(C2): 3 249-3 251.

[38] ALLDREDGE A, GOTSCHALK C. Insitu scttling behaviour of marinc snow[J]. Limnology and Oceanography, 1988, 33: 339-351.

[39] 朱元保, 颜流水, 曹祉祥, 等. 磁化水的物理化学性能[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 1999(1): 22-26, 33.

ZHU Yuanbao, YAN Liushui, CAO Zhixiang, et al. Physical and chemical properties of magnetized water[J]. Journal of Hunan University (Natural Science Edition), 1999(1): 22-26, 33.

[40] 杨晓奇, 王珍, 刘宏权, 等. 微咸水滴灌条件下氮磷肥协同施入对灌水器堵塞的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(7): 68-76.

YANG Xiaoqi, WANG Zhen, LIU Hongquan, et al. Effect of phosphorus and nitrogen fertigation on clogging in drip emitters applying saline water[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(7): 68-76.

[41] 巴拉诺夫, 考列尼科夫. 钾肥及其施用[M]. 王统正, 译. 北京: 科学技术出版社,1957(1) :43-56.

BARANOV, KOLENIKOV. Potash fertilizer and its application[M]. WANG Tongzheng, translated. Beijing: Science and Technology Press, 1957(1): 43-56.

[42] 薛仲卿, 胡双启, 曹雄. 硫酸钾对高浓度硝酸铵溶液热安全性的影响[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2015, 36(5): 549-552.

XUE Zhongqing, HU Shuangqi, CAO Xiong. The effect of potassium sulfate on the thermal safety of high-concentration ammonium nitrate solution[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2015, 36(5): 549-552.

[43] 柴朝晖, 方红卫, 王茜, 等. 水流和电解质对黏性泥沙絮凝沉降影响试验[J]. 水科学进展, 2017, 28(2): 285-292.

CHAI Zhaohui, FANG Hongwei, WANG Qian, et al. Effect of flow and electrolyte on the flocculation-settling of cohesive sedimen[J]. Advances in Water Science, 2017, 28(2): 285-292.

[44] 张建合. 疏水凝胶及疏水相互作用研究进展[J]. 信阳师范学院学报(自然科学版), 2004(2): 237-243.

ZHANG Jianhe. Research progress of hydrophobic gel and hydrophobic interaction[J]. Journal of Xinyang Normal University (Natural Science Edition), 2004(2): 237-243.

[45] 王镜和. 含无机盐和尿素的直链烷基苯磺酸钠浓溶液的粘度性质[J].高等学校化学学报, 1995(2): 287-289.

WANG Jinghe. Viscosity Properties of Concentrated Sodium Linear Alkylbenzene Sulfonate Solution Containing Inorganic Salt and Urea[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 1995(2): 287-289.

[46] RUPLRY J A. The effect of urea and amides upon water structure[J]. The Journal of Chinese Universities, 1995, 16(2): 287-289.

[47] PASUPATI M, ASHOKA R. The effect of urea on micelle formation and hydrophobic bonding[J]. Journal of Physical Chemistry, 1963, 67(1): 190-192.

[48] 官雅辉, 牛文全, 刘璐, 等. 肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响[J]. 农业工程学报, 2018, 34(1): 78-84.

GUAN Yahui, NIU Wenquan, LIU Lu, et al. Effects of fertilizer type and concentration on sediment transport capacity of dripperin drip fertigation with muddy water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(1): 78 -84.

[49] 官雅辉. 肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响[D]. 杨凌: 中国科学院大学, 2018.

GUAN Yahui. Effect of fertilizer type and concentration on sediment transport capacity of dripper in drip fertigation with muddy water[D]. Yangling: University of Chinese Academy of Sciences, 2018.

[50] 杨明, 刘伟, 徐革联. 磁化对水的性质影响的研究[J]. 化工时刊, 2007, 4(6):14-17.

YANG Ming, LIU Wei, XU Gelian. Study on the influence of magnetization on the properties of water[J]. Chemical Industry Times，2007, 4(6): 14-17.

[51] 刘芳玲, 蒋佩琳. 磁场处理条件与水的表面张力关系的研究[J]. 四川师范大学学报(自然科学版)，1997(5): 128-132.

LIU Fangling, JIANG Peilin. Research on the relationship between magnetic field treatment conditions and water surface tension[J]. Journal of Sichuan Normal University (Natural Science Edition), 1997(5): 128-132.

[52] 徐莉, 唐金, 陈淑英. 不同磁化水处理下盐渍化土壤脱盐效果研究[J]. 干旱地区农业研究, 2019, 37(5): 211-217.

XU Li, TANG Jin, CHEN Shuying. Effects of different magnetized-water treatments on soil desalinization[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2019, 37(5): 211-217.

The Efficacy of Magnetization in Enhancing Flocculation and Sedimentation of Clay Particles

ZHAO Xue1,2, WANG Zhaoxi1,2, ZHANG Wenqian1,2, LYU Chang1,2, NIU Wenquan1,3,4*

(1. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;4. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

】Sedimentation and particle clogging is a phenomenon often occurring in irrigation pipe networks. The purpose of this paper is to investigate the feasibility and efficacy of magnetization on enhancing particle flocculation so as to alleviate sedimentation.【】We used suspension of kaolin clay at concentration of 0.5, 1, 1.5, 3 and 5 g/L as the testing particles, and mixed them with potassium sulfate at concentration of 0.25 g/L, urea at 0.5 g/L and compounded fertilizer at 0.75 g/L. Each solution was magnetized at strength at 0.2 T (W1), 0.4 T (W2) and 0.6 T (W3), respectively, with non-magnetization taken as the control (CK). We then let the suspension to settle in a cylinder, during which we measured the turbidity and median sedimentation velocity at the height of 10 cm, as well as the change in sedimentation composition, zeta potential, pH, conductivity and viscosity of the sample.【】Compared with CK, magnetization enhanced flocculation of the kaolin particles and increased its sedimentation as a result (<0.01). When the magnetization intensity was 0.4 T, the flocculation of the particles peaked and it associated sedimentation maximized. Compared with CK, magnetization also increased the median particle size by 14.7%, reduced the proportion of clay particles by 25.0% and the zeta potential by 68.7%. The efficacy of magnetization on the median size of the sediments, proportion of the clay particles and the zeta potential all varied with fertilizer application, with the impact maximizing after potassium sulfate was applied and minimizing when urea was applied.【】Magnetizing irrigation water can significantly promote flocculation and sedimentation of clay particles; it can be used to alleviate clogging of irrigation pipe network by colloids and fine particles.

magnetization; flocculation; sedimentation, clay particles; fertilizer

2021-07-14

国家自然科学基金项目（52079112，51679205）；山东省重大创新工程项目（2020CXGC010808）

赵雪（1997-），女。硕士研究生，主要从事灌溉排水新技术的研究。E-mail: zhaoxueer1016@163.com

牛文全（1971-），男。研究员，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: nwq@nwafu.edu.cn

1672 - 3317（2022）03 - 0114 - 11

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021300

赵雪, 王照熙, 张文倩, 等. 水磁化处理对水肥溶液中黏性颗粒絮凝沉降的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 114-124.

ZHAO Xue, WANG Zhaoxi, ZHANG Wenqian, et al. The Efficacy of Magnetization in Enhancing Flocculation and Sedimentation of Clay Particles[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 114-124.

责任编辑：白芳芳