再生水滴灌下生物膜对滴头堵塞诱发机理及其控制模式研究

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1、分类号：S275.6单位代码：10019密级：公开学号：B06100483学位论文再生水滴灌下生物膜对滴头堵塞诱发机理及其控制模式研究InducingMechanismofBiofilmonDripperCloggingunderReclaimedWastewaterIrrigationanditsAnti-cloggingControlMode研究生：闫大壮指导教师：杨培岭教授申请学位门类级别：工学博士专业名称：农业水土工程研究方向：灌溉排水理论与新技术所在院（部）：水利与土木工程学院2010年6月

2、本文研究的资助项目1.国家自然科学基金项目“分形流道流态特征机理及典型滴灌灌水器构建研究”（50379053）2.国家自然科学基金项目“滴头迷宫流道内固-液两相湍流特征及抗堵塞设计理论研究”（50609029）3.国家自然科学基金项目“再生水滴灌条件下灌水器堵塞诱发机理及其可控模式研究”（50779068）主要符号表A——T-RFLP片段i的相对面积ia——锯齿间距，mCU——滴水均匀系数CD——曳力系数D——流道深度，mDra——滴头相对流量Dr——滴头流量下降程度d——水力直径，mdp——颗粒粒径

3、，mdp——颗粒平均粒径，mFD——流体对颗粒的曳力，NF、F、F——在液-固两相流计算中，为悬浮物对液流的反作用力。xyzf——流道的摩阻系数G——平均速度引起的湍动能的产生项；k2g——重力加速度，m/sH——滴头的工作压力，mh——流道锯齿高度，mK——流量系数，与几何尺寸有关d22k——湍动能，m/sL——流道长度，mmp——颗粒的质量N——T-RFLP图谱的总面积n——受测滴头数量n——散布指数pn——第i片段的图谱面积ip——流体的压力,Paq——滴头流量，L/hq——随机选取的第i个滴头

4、的流量，L/hiqnew——滴头额定流量，L/hq——滴头平均流量的平均绝对偏差，L/h；q——滴头的平均流量，L/hR——雷诺数，无量纲eRep——颗粒雷诺数u——流体流速；u——流速在x方向的分量；uf——流体相速度，是流体的平均速度和湍流脉动速度之和v——流速在y方向的分量W——流道宽度，mw——流速在z方向的分量x——流态指数，无量纲Y——直径大于d的颗粒的质量百分比dpup——颗粒速度3——流体的密度，kg/mp3—颗粒密度，kg/m——运动黏滞系数，m2/st——湍动粘度，Pa

5、sij——时均转动速率张量——湍动耗散率，m2/s3k——耗散率对应的Prandtl数；——湍动能对应的Prandtl数；2——流体动力粘度，N·s/m——滴灌管管径，m摘要灌水器的堵塞一直是长期困扰滴灌技术发展的严重问题，也是滴灌事业发展的瓶颈，而再生水的广泛应用对于滴灌的抗堵塞能力提出了更高的要求。再生水水质成分复杂，微生物、藻类种群繁多，菌体在流道边壁处极易附着并逐渐形成粘性生物膜，加剧了堵塞的可能性。本文通过数值模拟与室内试验测试相结合的方法，利用计算流体力学（CFD）、环境样

6、品电子扫描显微镜（ESEM）以及末端限制性酶切片段多态性（T-RFLP）等理论技术开展了再生水滴灌灌水器中生物膜提取与测量方法、生物膜在滴头流道内的累积特征及其对堵塞的诱发机制、生物膜形成的合理控制方法等研究，主要的研究内容和成果包括：综合应用PLFA、ESEM、T-RFLP等现代生物学技术手段，提出了再生水滴灌灌水器中生物膜提取及定量表征方法。再生水滴灌条件下，对于典型滴头的抗堵塞性能、滴头堵塞沉积物以及生物膜形态结构与多态性特征进行系统性的研究，各类滴头流量下降都发生在温度转折之后；流道内生物膜膜

7、量的累积过程呈一定的波动并受流道结构影响显著，磷脂脂肪酸14:0,16:0,18:1ω,18:0为流道内主要生物量脂肪酸。生物量和胞外多聚糖累积曲线表明，为有效的提高抗堵塞效率，加氯、冲洗等抗堵塞方式需要滴头发生堵塞之前施用。通过ESEM图像分析得到菌体和其胞外多聚物组成的坚实的、复杂的三维结构构成了流道内沉积物的主要组成。本试验条件下的TRFs片段36、42、64、191、197、203、213、217、290所代表的微生物为北京市再生水滴灌下流道内富集生物膜中的优势微生物。CFD数值模拟的结果揭示

8、了锯齿型流道内水流运动与能量耗散之间的相关关系。优化流道边界结构，可以大幅度提高边界流速，有效的去除生物膜，提高灌水器的抗堵塞性能。以滴头流道尺度下颗粒随流性分析为基础，采用离散相模型对于流道内固-液两相流动进行数值试验，结果表明：随流性较差的较大颗粒（0.075-0.1mm）和粒径很小的颗粒（<0.03mm）不能很好的随主流运动，分布在流道中锯齿的背水面，流道内的齿型结构的背水面为主要的堵塞隐患区域，也是主要的生物膜滋生区域。冲洗条件下的滴头的流量变化