Comparison between surface and subsurface drip irrigation systems using effluents

Abstract

Els sistemes de reg per degoteig es consideren com un mètode apropiat per a la reutilització d’aigües regenerades, ja que disminueixen els riscos sanitaris. No obstant això, el problema més important en l’aplicació dels efluents en els sistemes de reg localitzat és l’obturació dels filtres i degoters, el que disminueix la uniformitat de distribució del aigua. L’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral va ser comparar el comportament hidràulic d’un sistema de reg per degoteig superficial (DI) i un d’enterrat (SDI) aplicant un efluent terciari amb tres freqüències de rentat dels laterals (sense rentat, un rentat al final de cada temporada de reg i un rentat mensual) amb dos tipus d’emissors (autocompensant i no autocompensant). Altres objectius han estat investigar la influència de la qualitat de l’efluent en el procés de filtració i calcular la pèrdua de càrrega i la durada dels cicles de filtració en el filtre de sorra mitjançant l’anàlisi dimensional. Els resultats van demostrar que la durada del cicle de filtració va dependre principalment de la qualitat de l’efluent aplicat i del diàmetre efectiu de la sorra utilitzada. També es va constatar que l’eficàcia del procés de filtració va ser deguda al diàmetre efectiu de la sorra del filtre i que quan menor va ser el diàmetre efectiu de la sorra utilitzada, més eficaç va ser la filtració. L’anàlisi dimensional va ajudar a desenvolupar un model matemàtic per a descriure la pèrdua de càrrega en el filtre amb un alt coeficient de determinació ajustat i una bona distribució del residus. A més, es va trobar que el cabal del lateral va dependre significativament del tipus de degoter, sistema de reg, la temporada de reg i la freqüència de neteja. En el sistema de DI, el cabal de l’emissor no autocompensant es va incrementar significativament durant l’experiment a causa d’un desgast de l’emissor i es va disminuir significativament en el sistema de SDI degut a l’obturació del degoters. El cabal del degoter autocompensant va augmentar durant l’experiment en els sistemes de DI i SDI. També es va observar que la causa principal de l’obturació de l’emissor en el sistema de DI va ser el desenvolupament de biofilm, mentre que en el SDI es va correspondre a una combinació de factors biològics i físics. Finalment, es va trobar que rentar els laterals una sola vegada al final de cada temporada de reg va ser la millor opció de maneig per assolir la major eficiència de distribució de l’aigua després de 1620 h de reg, tant en DI com SDI.

Los sistemas de riego por goteo se consideran como un método apropiado para la reutilización de aguas regeneradas, ya que disminuyen los riesgos sanitarios. Sin embargo, el problema más importante en la aplicación de los efluentes en sistemas de riego localizado es la obturación tanto de filtros como de goteros, lo que disminuye la uniformidad de distribución del agua. El objetivo principal de esta tesis doctoral es comparar el comportamiento de un sistema de riego por goteo superficial (DI) y otro enterrado (SDI) aplicando un efluente terciario con tres frecuencias de lavado de los laterales (sin lavado, un lavado al final de cada temporada de riego y otro mensual) con dos tipos de emisores (autocompensante y no autocompensante). Otros objetivos fueron investigar la influencia de la calidad del efluente en el proceso de filtración y calcular la pérdida de carga y la duración de los ciclos de filtración en filtro de arena mediante el análisis dimensional. Los resultados demostraron que la duración del ciclo de filtración dependió principalmente de la calidad del efluente aplicado y del diámetro efectivo de la arena utilizada. También se constató que la eficacia del proceso de filtración fue debida al diámetro efectivo de la arena del filtro, pues cuanto menor era el diámetro efectivo de la arena utilizada, más eficaz fue la filtración. El análisis dimensional ayudó a desarrollar un modelo matemático para describir la pérdida de carga en el filtro con un alto coeficiente de determinación ajustado y una buena distribución de los residuos. Además, se encontró que el caudal del lateral dependió significativamente del tipo del gotero, sistema de riego, temporada de riego y la frecuencia del lavado. En el sistema de DI, el caudal del emisor no autocompensante se incrementó significativamente durante el experimento debido a un deterioro del gotero y se disminuyó significativamente por culpa de la elevada porcentaje de los emisores obturados. El caudal del gotero autocompensante aumentó durante el experimento en los sistemas de DI y SDI. También se observó que la causa principal de la obturación del emisor en el sistema de DI fue el desarrollo de un biofilm, mientras que el de SDI se correspondió a una combinación de factores biológicos y físicos. Sin embargo, se encontró que lavar los laterales una sola vez al final de cada temporada de riego fue la mejor opción de manejo para lograr la mayor eficiencia de distribución del agua después de 1620 h de riego tanto en el sistema de riego por goteo superficial como en el enterrado.

Microirrigation is considered as an appropriate method for reclaimed wastewater reuse because it diminishes the health risks. However, the most important problem when applying reclaimed effluents in microirrigation systems is emitter and filter clogging, which lead to low system distribution uniformity. The main target of this PhD dissertation is to compare the performance of a surface (DI) and a subsurface (SDI) drip irrigation systems when applying a tertiary treated effluent under three flushing frequency (no flushing, seasonal flushing and monthly flushing) using two emitter types (pressure and non-pressure compensating). In addition, the study aimed to investigate the influence of effluent quality on the sand filtration process. Another purpose was to compute head loss across the sand media filter and time between backwashing in a sand filter media through dimensional analysis. The results revealed that sand filtration cycle duration depended mainly on the applied effluent quality and sand filter effective diameter. It was also found that the effectiveness of filtration process was significantly due to sand effective diameter, being the smaller the effective diameter the more effective the filtration process. The dimensional analysis helped to develop a mathematical model to calculate head loss across sand filter with a high adjusted coefficient of determination and a good distribution of residuals. Besides, it was found that lateral flow rates depended significantly on emitter type, irrigation system, irrigation season and flushing frequency. In DI system, lateral flow of the non-pressure compensating emitter was significantly increased throughout the experimental time due to emitter failure and significantly decreased in SDI one due to the elevated percentage of clogged emitters. The pressure compensating emitter lateral flow was increased during the experiment for DI and SDI systems. The study, as well, showed that emitter clogging in DI system was primarily due to biological factors and in the SDI one was due to a combination of biological and physical factors. However, it was found that the seasonal flushing frequency was the best management practice for achieving the highest system distribution uniformity after 1620 h of irrigation for both DI and SDI systems.