综述：微纳米气泡水曝气对滴灌系统滴头堵塞及均匀性的作用

本综述系统探讨了微纳米气泡（MNB）曝气技术在滴灌系统（DIS）中的应用，重点分析了其对滴头堵塞的抑制机制（物理冲刷、化学结晶抑制及生物调控三重抗堵塞机制）及系统均匀性的提升效果。文章归纳了MNB生成技术、滴头堵塞类型（物理/化学/生物/复合堵塞）及抗堵塞性能评价指标（如相对流量Dra、均匀系数Cu），并指出MNB技术通过提高溶解氧（DO）、促进土壤微生物活性、优化水肥气（WFG）耦合输送，显著提升作物产量和资源利用效率，同时提出未来需加强长期田间试验和智能化抗堵塞技术研发。

　　

微纳米气泡技术概述

微纳米气泡（MNB）技术通过生成直径小于100μm的气泡（纳米气泡<1μm，微米气泡1–100μm），具备高比表面积、长滞留时间、高气体溶解效率及负表面电荷等特性，可有效穿透狭窄空间并与污染物/生物膜相互作用。其生成设备包括文丘里注射器、空气压缩机和专用MNB发生器，通过溶解气体释放法形成乳白色气-水混合物，广泛应用于农业灌溉、水处理及环境修复等领域。

滴头堵塞类型与机制

滴头堵塞是滴灌系统（DIS）的核心问题，主要分为四类：

1. 1.

   物理堵塞：由悬浮颗粒（泥沙、有机物、塑料碎片）直接阻塞流道，粒径敏感范围0.03–0.10mm，高浊度水源（>1.25g/L）风险显著。

2. 2.

   化学堵塞：水中可溶物质（Ca²⁺/Mg²⁺/HCO₃^?）在pH>7.5或高硬度（>300mg/L）条件下形成碳酸盐/磷酸盐沉淀，盐水灌溉（电导率>4.0dS/m）和尿素施肥加剧此过程。

3. 3.

   生物堵塞：微生物（藻类、细菌）及其胞外聚合物（EPS）形成生物膜，黏附颗粒并阻塞流道，常见于再生水（TWW）灌溉系统。

4. 4.

   复合堵塞：多因素协同作用，如沉积物-生物膜结合或化学沉淀-微生物共聚，需综合防控策略。

MNB抗堵塞作用机制

MNB技术通过三重机制延缓滴头堵塞：

1. 1.

   物理减阻：MNBs负电荷表面吸附悬浮颗粒，降低水流摩擦阻力，加速杂质运移；但高泥沙水源（如黄河水）可能因湍流促进细颗粒絮凝，增加入口堵塞风险。

2. 2.

   化学抑制：MNBs表面电荷排斥Ca²⁺/Mg²⁺离子，延缓CaCO₃/SiO₂沉淀形成，沉积物结构更破碎易清除。

3. 3.

   生物调控：提升溶解氧（DO）浓度，抑制厌氧菌（如Nitrospirae），促进好氧菌（Firmicutes/Actinobacteria），减少EPS分泌及生物膜稳定性，替代化学杀菌剂。

对系统均匀性的影响

MNB曝气显著改善滴灌系统均匀性：

• •

  水流分布：在0.1MPa工作压力下，MNBs的减阻效应优化气-液两相流黏度密度，延缓沿滴灌带的流量衰减，使堵塞分布更均匀（Dra提升16.2–45.0%，Cu提升24.0–47.0%）。

• •

  水肥气耦合：MNBs捕获肥料颗粒并稳定输送，实现水、肥、氧（WFG）空间分布一致性，提升作物吸收效率。

• •

  溶解氧稳定性：MNB发生器产生的气泡DO保持率高，长距离输送后仍维持超饱和状态，优于文丘里曝气。

应用效益与局限性

农业效益：

• •

  提高土壤通气孔隙度和酶活性，促进根系生长及养分吸收（玉米增产29.21–41.08%，生菜增产60%）。

• •

  减少农药使用量及温室气体排放（N₂O降低20–28%），提升水分利用效率（WUE）达20%。

• •

  经济收益显著（甜瓜净收入年增34.3%），但需平衡设备成本（MNB发生器约1720美元/台）与资源节约效益。

局限性：

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  高细颗粒水源中可能加速絮凝沉积，非压力补偿式滴头更易受影响。

• •

  长期田间数据缺乏，标准化评价方法尚未建立。

未来研究方向

需重点开展以下工作：

1. 1.

   结合显微成像与计算流体力学（CFD）模拟MNBs与堵塞物的微观动态相互作用。

2. 2.

   优化滴头结构及运行参数（压力/进气量），适配不同水质（盐水/再生水/高泥沙水）。

3. 3.

   开发多气源MNB技术、智能冲洗系统及绿色阻垢剂，构建自适应抗堵塞技术体系。

4. 4.

   开展全生命周期效益评估，推动技术规模化应用。

微纳米气泡曝气技术通过多机制协同提升滴灌系统抗堵塞能力与资源利用效率，是迈向精准农业和可持续水资源管理的重要创新。