CN102658246A

CN102658246A - 一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器

Info

Publication number: CN102658246A
Application number: CN2012101667329A
Authority: CN
Inventors: 李云开; 孙昊苏; 冯吉; 徐飞鹏
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: CN102658246B

Abstract

本发明涉及一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：它包括设置在滴灌管内的滴头本体，滴头本体的轴向两侧的最外端均设置有一端部粘合面，两个端部粘合面内侧的滴头本体上均设置有一圈出水口；两出水口之间的滴头本体上径向间隔设置有两组流道，每组流道均包括若干条轴向设置且相互连通的曲直蜿蜒的流道，滴头本体的一端、两组流道与出水口之间间隔设置有两个进水口，两个进水口上均设置有一拦污栅，两组流道分别对应连接一个进水口；滴头本体的表面、两组流道之间均轴向设置有一缓流区，两个缓流区的内部均交错设置有若干挡水部件，两个缓流区在径向一侧分别对应连通一组流道，两个缓流区在轴向两端分别对应与相应端的出水口相连通。

Description

一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器

技术领域

本发明涉及一种灌水器，特别是关于一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器。

背景技术

众所周知，我国水资源紧缺，已经成为我国经济等各项发展的重要制约因素。污水经过适当净化工艺处理后再生循环利用已经成为解决水资源紧缺及污染问题的最有效途径之一，不仅具有可观的社会效益，而且具有巨大的环境效益和经济效益，已经成为各国解决水问题的必选方法。再生水目前已经成为全球范围内的一种稳定、可靠、经济的水源，具有不受气候影响、就地可取、不与临近地区争水、保证率高、稳定可靠等优点。若按照再生水回用率30%和50%计算，可替代的水资源量分别为230亿m³和650亿m³。再生水可在农业灌溉中得到广泛应用，大量的研究证实，滴灌是再生水灌溉最适宜的方式，有着精量可控、人为因素干扰少、减少气溶胶漂移等优点，并且能最大限度地利用再生水中的营养物质，而将再生水的污染风险降到最低。但是，灌水器流道的尺寸一般为0.5～1.2mm，极易被水中的悬浮颗粒物、化学沉积物、微生物等污物堵塞而导致整个系统的报废，灌水器堵塞已成为滴灌技术推广应用中的关键性障碍问题。

国内外众多学者针对滴灌灌水器堵塞问题进行了大量的开发研究，开发了多种高抗堵塞灌水器。如：中国农业科学院农田灌溉研究所高胜国等（公开号：CN202077453U）公开的抗堵塞滴灌灌水器，该灌水器具有自冲洗和自动升压去堵塞的自我修复功能，结构简单，耐久性好，适用于地下灌溉和膜下灌溉，但不能实现自清洗。杨凌秦川节水灌溉设备工程有限公司王蒙等（公开号：CN201871438U）公开了一种内镶圆柱滴灌管，在滴水过程中可将残留在流道内的菌类和泥沙完全的冲洗掉，保证了滴灌管的滴水均匀性，但对抵抗因引用再生水滴灌，在管壁生成的生物膜引起的堵塞现象效果不明显。这些发明之所以未能较好的解决堵塞问题，共性原因在于对堵塞的机理未能充分理解。经过针对再生水滴灌堵塞机理进行系统研究后，发现生物堵塞与附生生物膜的形成有着密切关系。再生水中富含各种悬浮物、溶解盐、化学沉淀、有机物、微生物等杂质，水流与灌水器流道边壁接触后，自由移动的菌群细胞落在流道表面，并在范德华力、静电和疏水相互作用、氢键偶极矩、色散力等理化作用力控制下，逐渐成群的聚集，形成可逆性黏附，菌群分泌大量具有黏合作用的细胞聚合物，将微生物与管壁紧密联系在一起，这使得再生水滴灌系统堵塞过程、机理变得更为复杂，发生堵塞风险也大大增加。

国内外已有结果显示再生水滴灌系统灌水器堵塞与生物膜的形成有着密切的关系。生物膜的形成过程是微生物在附着、生长、脱落以及衰亡等过程综合作用的结果，生物膜的脱落主要有两种形式，一是生物膜自生生长所需营养物质的传递、新微生物的繁殖受限，引起生物膜内部胞外多聚物减少而引起粘性力降低；二是在外界的影响下生物膜脱落，流速、湍流度（雷诺数）、剪切力等水流运动特征对生物膜的生长与脱落有着重要的影响。虽然生物膜形态、结构的研究已经受到了水污染控制等众多领域的关注，但有关再生水滴灌系统介质表面生物膜的研究仅有零星报道，但这些研究结果已经表明生物膜的形成和生长很可能是诱发灌水器堵塞的关键因素。再生水滴灌条件下，如何控制滴灌系统中生物膜的生长对滴灌灌水器堵塞规律的影响是目前再生水滴灌技术推广应用的关键和难点问题。因此，研究、开发一种再生水滴灌专用抗生物堵塞地表滴灌管成为当务之急。最为重要的是，对再生水这种特殊水质需要同时控制其与管壁接触处生物膜的形成，才能从根本上解决灌水器堵塞问题，因此，开发适宜再生水滴灌，有效抵抗因生物膜形成的堵塞，能实现自清洗的地表滴灌管已成为目前急需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于再生水滴灌，能够有效抵抗生物膜形成的堵塞，实现自清洗的地表滴灌专用灌水器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：它包括设置在滴灌管内的滴头本体，所述滴头本体的轴向两侧的最外端均设置有一端部粘合面，两个所述端部粘合面内侧的所述滴头本体上均设置有一圈出水口；两所述出水口之间的所述滴头本体上径向间隔设置有两组流道，每组所述流道均包括若干条轴向设置且相互连通的曲直蜿蜒的流道，所述滴头本体的一端、两组所述流道与所述出水口之间间隔设置有两个进水口，两个所述进水口上均设置有一拦污栅，两组所述流道分别对应连接一个所述进水口；所述滴头本体的表面、两组所述流道之间均轴向设置有一缓流区，两个所述缓流区的内部均交错设置有若干挡水部件，两个所述缓流区在径向一侧分别对应连通一组所述流道，两个所述缓流区在轴向两端分别对应与相应端的所述出水口相连通。

两组所述流道中的各条流道均包括若干向上凸起结构和若干向下凸起结构，所述向上凸起结构和所述向下凸起结构交替间隔设置，且相互连通，相邻两条流道之间均通过一个外侧凸起结构连通；每组所述流道中，沿水流流动方向，每条流道的各个凸起结构的第一个拐角处均设置有一个绕流柱；各个所述绕流柱设置的拐角处的流道边壁为圆弧过渡，而每条流道的每个凸起结构上，均有一条直径大于所述圆弧过渡的圆弧形优化边壁。

所述圆弧过渡的半径为0.45～0.7mm，所述圆弧形优化边壁的半径为0.9～1.4mm；所述绕流柱的高度为1.0mm，所述绕流柱的形式为直径是0.2～0.5mm的圆柱体或者边长是0.2～0.6mm的三角形柱体。

所述滴头本体采用壳聚糖纤维与聚乙烯按重量比1:7混合制备而成。

所述滴头本体的内径为13.8mm，外径为16.0mm；所述滴头本体管壁表面的粗糙度在1.0μm以下；所述滴头本体的两个所述端部粘合面的宽度均为1.0mm；两个所述出水口的宽度均为6.0mm，深度均为1.0mm；两组所述流道均包括4～6条依次连通的流道，单条流道的宽度为0.9～1.4mm，深度为1.0mm；两个所述进水口的宽度均为2.5mm；所述拦污栅中的各个栅条均为长方体形，长度为2.5mm，宽度为0.4mm，厚度为1.0mm，相邻栅条之间的间隔为0.4mm；两个所述缓流区的径向宽度均为3.0mm，所述挡水部件为长方体形，长度为2.0mm，宽度为0.7mm，厚度为1.0mm，相邻两所述挡水部件之间的间隔为2.1mm。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用抗堵塞的迷宫流道设计和圆弧边界优化形式，实现了全紊流设计，大大增强了灌水器内部水流运动的湍流度，使得灌水器消能效率及水流对颗粒物的携带能力得到明显提高；与此同时，流道内水流运动的水力剪切力以及近壁面流速明显增加，生物膜的脱落加速，阻碍生物膜的形成与生长。2、本发明在灌水器内部生物膜生长最快的局部低速区内设置绕流柱，水流流经绕流柱，可在绕流柱两侧形成交替的、有规律的漩涡列，利用卡门涡街原理可形成局部动态水压，增强流道的自清洗能力，促进生物膜的剥落。3、本发明灌水器流道内局部低速区内的绕流柱采用均匀布置，当流体通过所有绕流柱时，由于卡门涡街的形成，造成灌水器内水扰动加剧，所有绕流柱后形成漩涡的频率相同时即可发生共振，阻碍生物膜的附着，并且明显加速了生物膜的脱落。4、本发明迷宫流道聚乙烯制备过程中，按一定比例混入壳聚糖菌剂，在灌水器的整个工作过程中能够缓慢释放，持续、有效地抑制生物膜的生成，加速生物膜的分解，并导致生物膜大范围的剥落，明显减轻生物膜对灌水器堵塞的影响。本发明在再生水滴灌条件下，能够解决滴灌系统中生物膜的生长严重引起滴灌灌水器堵塞的问题，且具有自清洗能力，可广泛用于再生水的地表滴灌过程中。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图

图2是本发明缓流区局部示意图

图3是本发明流道局部平面示意图

图4是本发明进水口局部示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括滴头本体1，滴头本体1的内径为13.8mm，外径为16.0mm；滴头本体1的管壁表面的粗糙度在1.0μm以下。滴头本体1轴向两侧的最外端均设置有一端部粘合面2，滴头本体1设置在滴灌管内，两个端部粘合面2用于将滴头本体1与滴灌管的内壁进行衔接，两个端部粘合面2的宽度均为1.0mm；两个端部粘合面2内侧的滴头本体1上均设置有一圈出水口3；两个出水口3的宽度均为6.0mm，深度均为1.0mm；两出水口3之间的滴头本体1上间隔设置有两组流道4，两组流道4对称设置在滴头本体1的径向两侧，每组流道4都包括4～6条轴向设置的曲直蜿蜒的流道，每组流道4中的各条流道依次连通，形成一条整体流道。单条流道的宽度为0.9～1.4mm，深度为1.0mm；相邻两条流道之间的壁面也是滴头本体1与滴灌管内壁衔接的粘合面5，该粘合面5的尺寸视每组流道4内单条流道的条数而定；滴头本体1的一端、两组流道4与出水口3之间间隔设置有两个进水口6，两个进水口6的结构相同，宽度均为2.5mm，两个进水口6上均设置有一拦污栅7，拦污栅7中的各个栅条均为长方体形，长度为2.5mm，宽度为0.4mm，厚度为1.0mm，相邻栅条之间的间隔为0.4mm；两组流道4分别对应连接一个进水口6。滴头本体1表面、两组流道4之间均轴向设置有一缓流区8，两个缓流区8的径向宽度均为3.0mm，两个缓流区8的内部均交错设置有若干挡水部件9，挡水部件9为近似长方体形，长度为2.0mm，宽度为0.7mm，厚度平均为1.0mm，相邻挡水部件9之间的间隔为2.1mm。两个缓流区8在径向一侧分别对应连通一组流道4，两个缓流区8在轴向两端分别对应与相应端的出水口3相连通。

如图3、图4所示，两组流道4为迷宫式流道，两组流道4中的各条流道均包括若干向上凸起结构41和若干向下凸起结构42，向上凸起结构41和向下凸起结构42交替间隔设置，且相互连通，相邻两条流道之间通过一个外侧凸起结构43连通。每组流道4中，从进水口6进入的水，沿流道流动，水流流动方向中，每条流道的各个凸起结构的第一个拐角处均设置有一个绕流柱44。各个绕流柱44设置的拐角处的流道边壁为小圆弧过渡45，绕流柱44的中心点与其所在位置处对应的小圆弧过渡45的圆心重合，小圆弧过渡45处一般为低速区。而每条流道的每个凸起结构上，均有一条大圆弧形优化边壁46，大圆弧形优化边壁46处一般为高速区。小圆弧过渡45的半径为0.45～0.7mm，大圆弧形优化边壁46的半径为0.9～1.4mm。低速区的流速一般为0.1～0.4m/s，高速区的流速一般为0.75～2m/s。绕流柱44的高度为1.0mm，形式可以为流线型柱体，如圆柱体，直径为0.2～0.5mm，也可以为非流线型柱体，如三角形柱体，边长为0.2～0.6mm。

本发明滴头本体1的材料为壳聚糖纤维与聚乙烯按重量比1:7混合制备而成。壳聚糖纤维为抑制生物膜形成的菌剂，具体制备方法如下：按重量百分比含量取壳聚糖4.0%、氢氧化锂（LiOH）5.0%、氢氧化钠（NaOH）2.5%、尿素（CO(NH₂)₂）8.0%、丙三醇（CH₂OH-CHOH-CH₂OH）1.5%，其余为水；将上述组分充分混合溶胀，制备壳聚糖纺丝溶液；采用湿法纺丝进行纺丝，在凝固浴中凝固沉析生成初纤维，再经过水洗拉伸、干燥，得到力学性能较高的壳聚糖纤维，在聚乙烯制备过程中添加。

本发明灌水器的设置方法及灌水器内的水流流动过程为：

1）滴头本体1通过粘合面设置在滴灌管内。

2）灌水器的整体工作压力15.0kpa，再生水从进水口6进入，经过拦污栅7，拦截并去除再生水中的部分颗粒物，对再生水进行初步净化，减少生成生物膜的物质基础后，进入滴头本体1。

3）经初步净化后的再生水流入迷宫式的两组流道4内，水流运动湍流度大大增强，消能效率、水力剪切力及颗粒物的输移能力明显提高，严重干扰生物膜的吸附-脱落动态平衡过程，进一步阻碍生物膜的形成。

4）再生水流经大圆弧形优化边壁46，近壁面流速和流道边界对水流的连续扰动明显增加，抑制生物膜的形成，水流流经均匀分布的绕流柱44产生卡门涡街和共振，加速生物膜的剥落。

5）流道中混入的壳聚糖菌剂，在灌水器工作整个过程中缓慢释放，持续、有效地抑制生物膜的生成，加速生物膜的分解，并导致生物膜大范围的剥落。

6）整个流道迷宫式的流道设计，实现了流道的全紊流，流道中水流的压能被充分消耗，流态指数随之降低。经过流道一系列的处理后，再生水流入缓流区8，由于挡水部件9的阻碍作用，水流能量大幅降低，相对不稳定的水流经消能后平缓的流入出水口3，最终流出滴灌管，进入田间进行灌溉。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：它包括设置在滴灌管内的滴头本体，所述滴头本体的轴向两侧的最外端均设置有一端部粘合面，两个所述端部粘合面内侧的所述滴头本体上均设置有一圈出水口；两所述出水口之间的所述滴头本体上径向间隔设置有两组流道，每组所述流道均包括若干条轴向设置且相互连通的曲直蜿蜒的流道，所述滴头本体的一端、两组所述流道与所述出水口之间间隔设置有两个进水口，两个所述进水口上均设置有一拦污栅，两组所述流道分别对应连接一个所述进水口；所述滴头本体的表面、两组所述流道之间均轴向设置有一缓流区，两个所述缓流区的内部均交错设置有若干挡水部件，两个所述缓流区在径向一侧分别对应连通一组所述流道，两个所述缓流区在轴向两端分别对应与相应端的所述出水口相连通。

2.如权利要求1所述的一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：两组所述流道中的各条流道均包括若干向上凸起结构和若干向下凸起结构，所述向上凸起结构和所述向下凸起结构交替间隔设置，且相互连通，相邻两条流道之间均通过一个外侧凸起结构连通；每组所述流道中，沿水流流动方向，每条流道的各个凸起结构的第一个拐角处均设置有一个绕流柱；各个所述绕流柱设置的拐角处的流道边壁为圆弧过渡，而每条流道的每个凸起结构上，均有一条直径大于所述圆弧过渡的圆弧形优化边壁。

3.如权利要求2所述的一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：所述圆弧过渡的半径为0.45～0.7mm，所述圆弧形优化边壁的半径为0.9～1.4mm；所述绕流柱的高度为1.0mm，所述绕流柱的形式为直径是0.2～0.5mm的圆柱体或者边长是0.2～0.6mm的三角形柱体。

4.如权利要求1或2或3所述的一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：所述滴头本体采用壳聚糖纤维与聚乙烯按重量比1:7混合制备而成。

5.如权利要求1或2或3所述的一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：所述滴头本体的内径为13.8mm，外径为16.0mm；所述滴头本体管壁表面的粗糙度在1.0μm以下；所述滴头本体的两个所述端部粘合面的宽度均为1.0mm；两个所述出水口的宽度均为6.0mm，深度均为1.0mm；两组所述流道均包括4～6条依次连通的流道，单条流道的宽度为0.9～1.4mm，深度为1.0mm；两个所述进水口的宽度均为2.5mm；所述拦污栅中的各个栅条均为长方体形，长度为2.5mm，宽度为0.4mm，厚度为1.0mm，相邻栅条之间的间隔为0.4mm；两个所述缓流区的径向宽度均为3.0mm，所述挡水部件为长方体形，长度为2.0mm，宽度为0.7mm，厚度为1.0mm，相邻两所述挡水部件之间的间隔为2.1mm。

6.如权利要求4所述的一种自清洗抗生物膜堵塞的地表滴灌专用灌水器，其特征在于：所述滴头本体的内径为13.8mm，外径为16.0mm；所述滴头本体管壁表面的粗糙度在1.0μm以下；所述滴头本体的两个所述端部粘合面的宽度均为1.0mm；两个所述出水口的宽度均为6.0mm，深度均为1.0mm；两组所述流道均包括4～6条依次连通的流道，单条流道的宽度为0.9～1.4mm，深度为1.0mm；两个所述进水口的宽度均为2.5mm；所述拦污栅中的各个栅条均为长方体形，长度为2.5mm，宽度为0.4mm，厚度为1.0mm，相邻栅条之间的间隔为0.4mm；两个所述缓流区的径向宽度均为3.0mm，所述挡水部件为长方体形，长度为2.0mm，宽度为0.7mm，厚度为1.0mm，相邻两所述挡水部件之间的间隔为2.1mm。