大田滴灌用網式過濾器濾網堵塞成因分析

楊洪飛，宗全利，劉貞姬，王柏林

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

滴灌等農業節水灌溉技術可以使水資源得到高效的利用，高效的利用率意味著節余的水能灌溉更多的農作物，增產增收效果明顯。在我國新疆等西北地區干旱缺水，滴灌等節水灌溉技術的應用更顯得迫切和必要。隨著西部大開發戰略的深入開展和“一帶一路”發展戰略的穩步實施，大量資金的投入加快了滴灌節水技術的引進、創新與推廣速度，近年來西北地區農業耕種面積也因滴灌技術的推廣而大幅增加。2006年，新疆生產建設兵團應用高新節水灌溉面積已達53 萬hm2[1]，2011年突破66 萬hm2[2]，2015年達到104 萬hm2[3]。隨著節水基礎工程建設的不斷推進，原本因干旱缺水而無法耕種的荒地得到合理的開發，原本產量很低的農田產量逐年提高，西北地區進入了農業發展的黃金時期。

然而滴灌水源(如井水、河渠水、雨水、庫塘水)都含有不同程度地污物和雜質，即使是水質良好的井水，也會含有少量的固體顆粒和一些化學沉淀物。對于新疆地區來說，80%以上的灌溉水源為地面水源，它們因含有大量的泥沙極容易造成灌水設備堵塞，嚴重降低滴灌系統的使用壽命。對于滴灌系統的堵塞問題，可以通過改善水質的方法來解決[4]。因此，在保證滴灌系統正常工作的前提下，對灌溉水源中的泥沙等雜質進行凈化(過濾處理)顯得尤為重要。過濾器則是清除水流中各種雜質，保證整個滴灌系統正常運行的核心設備[5,6]。其中網式過濾器具有過濾效率高、自動化程度高、過濾裝置和反清洗的機械結構可靠等優點，在我國規模最大的新疆生產建設兵團大田滴灌系統中應用最廣泛。

但是，網式過濾器在實際應用過程中也存在一些問題。如：水源沒有進行前部粗過濾直接進入過濾器或者前部粗過濾設置太過簡單使過濾器負擔過重，造成過濾器堵塞；人工設置電子控制系統不合理出現連續清洗或者不清洗的狀況，造成系統水量損失過多或者堵塞現象加劇等。分析可知，網式過濾器在實際應用過程中出現的問題歸根結底主要還是濾網堵塞的問題。濾網堵塞造成過濾效率降低，過濾質量下降，嚴重的會造成濾網變形[7]。網式過濾器濾網堵塞問題也隨著滴灌系統的推廣而更加顯現，探求網式過濾器濾網堵塞的成因是解決網式過濾器堵塞問題的最佳渠道。

1 網式過濾器過濾機理及濾網堵塞成因研究現狀

1.1 濾網過濾機理

過濾是利用過濾介質將固體和液體分離的單元操作，是固液分離的組成部分[8]。它利用過濾介質或者多孔膜截留液體中的難溶顆粒。網式過濾器濾網過濾的機理為：濾網以自身網孔大小為基準，阻擋超過自身孔隙尺度的固體顆粒而允許小于自身孔隙尺度的顆粒通過或者形成濾餅阻止更小顆粒通過，以防超過允許流通范圍的雜質堵塞系統中滴灌帶等設備，從而保證整個系統正常運轉。

濾網過濾的機制分為介質過濾和濾餅過濾，其中介質過濾又分為表面過濾與深層過濾。根據過濾過程時間的先后順序，濾網過濾分為2個不同階段：介質過濾階段和濾餅過濾階段[8]。

介質過濾是根據自身網孔大小確定阻擋顆粒大小，過濾介質的孔徑要小于液體中固體粒子的粒徑，起著篩網的篩析作用。一般發生在過濾開始的階段。濾餅過濾也是以本身濾網作為過濾介質，但過濾介質只是起著支撐濾餅的作用，過濾介質的孔徑不一定要小于最小顆粒的粒徑。過濾開始時，部分小顆粒可以進入甚至穿過介質的小孔，但很快即由顆粒的架橋作用使介質的孔徑縮小形成有效的阻擋。被截留在介質表面的顆粒形成稱為濾餅的濾渣層，透過濾餅層的則是凈化了的濾液。濾餅形成后，真正起過濾作用的是濾餅本身，因此稱為濾餅過濾。

介質過濾和濾餅過濾2個過程構成了濾網過濾的整個過程。在濾網過濾的整個過程中，介質過濾和濾餅過濾沒有嚴格的界限。由于各種原因，雜質顆粒或者有機物分布不均，兩種過濾方式可同時進行濾網過濾。

徐新陽等詳細介紹了濾餅過濾過程中各物理量的計算公式、計算機模擬程序的設計，為濾餅過濾過程的研究提供了一種新的研究方法[9]；付海明等認為，過濾介質在運行工作時，隨過濾時間的增加，粉塵顆粒會逐漸在過濾介質中產生沉積形成濾餅，過濾介質中孔隙逐漸被粉塵顆粒阻塞，過濾介質的捕集效率和運行阻力隨時間產生較大的變化[10]；Schmidt認為，在介質過濾過程中，雜質顆粒積累形成濾餅，過濾器的特性受到濾餅本身結構特征的影響，這些結構特征包括粒徑大小分布、粒子電荷、內聚特性等，隨著過濾時間增加，流動阻力和壓降增加，而且壓降變化不是線性變化的[11]。文棋、鄭傳祥對自清洗過濾器的過濾機理進行了研究，著重研究過濾介質和過濾所形成的濾餅處的壓降，得到了工業用全自動自清洗過濾器的透過度和孔隙度兩個參數值[12]；鄧忠等以顆粒雜質堵塞微灌系統的時空變化過程為研究對象，研究了微灌灌水器堵塞的機理與形成過程，詳細闡述了灌水器堵塞的類型及其關系和堵塞規律，并針對不同類型的過濾器過濾機理進行了分析，最后提出了微灌過濾技術發展及過濾設備存在的問題和建議[13]；景有海通過試驗研究表明，過濾池的過濾機理并非是機械篩濾，而是濾料對水中的懸浮顆粒的吸附過程，這就涉及2個過程：①水中懸浮顆粒向濾料的遷移過程；②遷移到濾料表面的懸浮顆粒被濾料表面的吸附過程[14]。宗全利等對滴灌用自清洗網式過濾器排污壓差進行了計算，并給出了80目和120目過濾器最佳排污壓差值[15]。

1.2 濾網堵塞成因研究現狀

國內外對過濾器濾網堵塞的研究較少且主要集中于過濾器濾網壓降的試驗研究等方面。例如：董文楚分析了過濾與堵塞的規律，即過濾時表層堵塞比下層嚴重，隨著過濾運行時間的延續，濾層堵塞由表層逐漸向下層推移，根據反沖洗試驗結果，提出了最佳反沖洗強度和最佳膨脹率，并對反沖洗效果進行了實際驗證，為正確設計農用砂石過濾器提供了設計依據[16]；涂攀峰等對水溶肥中水不溶物含量對滴灌施肥系統過濾器堵塞的影響進行了研究，結果表明，以膨潤土為填充料的供試肥料(膨潤土肥料)和凹凸棒土為填充料的供試肥料(凹凸棒土肥料)，在水不溶物質量分數為2%以上時43 min內均可使過濾器濾網兩端的壓差達到0.05 MPa，并最終使過濾器完全堵塞[17]；楊國華等對雙層濾料過濾床的壓降特性進行了研究，得到了床層總壓降、沙層和膨脹珍珠巖層的壓降特性[18]；姚培等對輸油管路網式過濾器濾網進行了壓降的實驗研究，通過實驗確定了濾網開孔率β和雷諾數Re對水頭損失系數ξ的具體影響[19]；李逢春和王象文對深井過濾器堵塞原因與機理進行分析研究，并提出防止堵塞的措施及堵塞后的整治辦法[20]。

國外，Zeier等分別對6種粒徑、2種含沙量和1種粒徑、8種含沙量針對不同孔徑的濾網進行了過濾試驗，提出了反映網式過濾器堵塞的方程，并根據相關實驗數據繪圖判定過濾器在不同條件下的性能[21]；Adin和Alon指出濾網堵塞是滴灌用網式過濾器存在的一個主要問題，他們采用含有大量有機物的水源為前提，以濾網孔徑、過濾速度和有機物含量為研究變量分析濾網堵塞機理，發現濾網堵塞率取決于濾網孔徑、過濾速度和有機物含量等變量，計算出評估過濾器過濾性能的過濾指數和濾餅阻力[22]。Juanico等對灌溉用水庫水源中雜質對過濾器堵塞性能的影響進行研究中發現，過濾器堵塞是由混合的浮游生物和懸浮顆粒的積聚造成的，隨著進水流量的增加，堵塞程度加劇，這種現象主要是由較大的海藻和浮游生物造成，懸浮顆粒的積聚造成堵塞的影響較小[23]；通過分析可知，現有研究成果中對過濾器濾網堵塞成因的理論研究不多，特別是網式過濾器濾網堵塞成因的分析與對策未做具體的研究。

2 大田滴灌中網式過濾器濾網堵塞成因分析

根據實際調研發現，以新疆為代表的西北地區網式過濾器濾網堵塞成因復雜。經過在新疆克拉瑪依烏爾禾區、和什托洛蓋市以及北屯市等地實地調研，得到網式過濾器濾網堵塞的主要原因如下。

2.1 水源雜質多

新疆地區屬于西北內陸，基本無大江大河，水源大部分來自于冰川融水。水流具有季節性，并且含沙量大[24]。有些灌溉水源絮類、植物殘骸以及有機物等眾多，影響過濾器的正常進行，容易造成濾網堵塞。圖1給出了新疆某團場首部沉淀池中懸浮物和有機物等雜質情況，從圖1可以看出，在灌溉季節，前池水表面漂浮著很多柳絮、植物殘骸等雜質；水體中也有很多蚊蠅等浮游生物，這些都會造成過濾首部的嚴重堵塞。

有機物對網式過濾器濾網堵塞的影響很大，主要來源于供水水源、河渠水輸運過程中和滋生于灌溉季節供水管道中。一般有機物雜質數量的多少主要取決于水源，如額爾齊斯河水在流動過程中會生長很多藻類，浮游生物等，開敞式靜水塘壩或水池中也會滋長大量藻類及浮游生物，產生大量有機生物遺體。這些雜質會進入濾網過濾系統，不斷在濾網上匯集，形成濾餅層，隨著時間的推移雜質累積堵塞濾網，如圖2(a)所示。微生物也是引起濾網堵塞的一個重要因素。經常出現的微生物主要含鐵和硫離子，含鐵的微生物是由可溶解的亞鐵離子氧化而成，黏附在濾網表層，形成一種稱作赭石的沉積物，會很快堵塞過濾器濾網。硫化物是一種白色或黃色的黏稠纖維沉積物，其表面會吸附很多其他雜質。

圖1 新疆生產建設兵團某團場灌溉首部水源雜質

無機物對濾網的堵塞起到主要作用，無機雜質(如沙子、碎石等)由于其粒徑過大無法通過過濾器濾網，累積在濾網內表面，隨著濾網層上無機雜質的積累最終引起濾網堵塞，如圖2(b)所示。有時，懸浮于水中的黏土粒也會聚集成大的顆粒堵塞過濾器濾網。過濾系統啟動后，帶有雜質的水開始以恒定的體積流率進入過濾網區，不管是有機雜質還是無機雜質，只要是固體顆粒都被截留在過濾網面上，隨著時間的推移，累積貢獻形成濾餅，過濾水穿過濾餅和過濾介質(即濾網)被輸送到灌區大田，而雜質集聚在濾網上，使濾網堵塞無法過水，濾網的過濾功能徹底失效。

圖2 網式過濾器運行中的濾網堵塞

根據現場調查得到：水中雜質越多，顆粒越粗，濾網堵塞所用的時間越短，造成堵塞現象就越嚴重；不同水質造成不同狀況的堵塞，水中雜質越多，網式過濾器濾網越容易堵塞；水源成分中，有機質含量所占比例越高濾網越容易堵塞；無機質含量所占比例越高越容易清洗。濾網堵塞情況與水源雜質含量有直接的關系。過濾器濾網的反清洗過程較為復雜，實際中應用最廣泛的方法是自動反沖洗。但這種方法不能有效的解決過濾器堵塞的難題，尤其是對于有機物含量較多的雜質，清洗效果較差，最有效的方法是在這些雜質進入過濾器之前進行預處理。例如，在渠道水進入過濾器中間環節加建重力沉砂池，對水中的雜質進行沉降，經過重力沉沙過濾池對泥沙的處理，出池泥沙含量顯著降低[25]；在各沉淀池之間加建多層濾網設備，濾網目數逐級增加，提前進行逐級過濾，減少雜質進入過濾器的幾率，為網式過濾器濾網減輕負擔，延緩過濾器堵塞。根據新疆地區的調查發現，在泵的入口增加了圓形濾網的滴灌首部，可以有效地防止絮類和藻類等進入過濾器，大大減輕了過濾器的堵塞，這為絮類和藻類等雜質較多的水源地的過濾器濾網防堵塞方法提供了一種借鑒。

2.2 濾網類型設計問題

網式過濾器濾網按形狀可分為：矩形、圓形、楔形、環形等類型。目數從8～800不等(可按要求定制加工)。根據新疆地區調研得出，實際中的網式過濾器濾網類型主要為矩形濾網和楔形濾網，如圖3所示。

圖3 網式過濾器濾網類型

矩形濾網[見圖3(a)]一般是有經線和緯線按一定規律上下交錯而織成的，圖示為平紋組織。這種組織最為致密，可以獲得清潔的濾液。但它的孔隙容易堵塞，當固體雜質小于濾網孔隙時，固體雜質可以從濾網孔隙中過去，不會對濾網產生堵塞現象，但當固體雜質尺寸與矩形濾網尺寸相當或者大于矩形濾網尺寸時，那么雜質會留在濾網孔隙中，雜質會很難清洗。當矩形濾網形成濾餅時，不管是人工清洗還是自動清洗，濾餅難剝離。圖4給出了濾網長時間被雜質堵塞的情況。從圖4可以看出，使用過的濾網，即使經常進行自動清洗，也都會不同程度地被污物雜質卡住，有的甚至會有一半以上網孔被堵塞而清洗不下來，即便用人工鋼刷清洗也非常困難。此外，水中的霉菌、細菌、藻類及其他的浮游生物都會引起濾網的堵塞，生物的滋生在低流速下更加嚴重，加快了濾網堵塞的速度，增加了濾網清洗的難度。它的矩形結構特點使其具有較差的穩定性，也容易引起濾網變形，濾網變形嚴重將會大大降低濾網的過濾效果。由于以上種種不利因素，矩形濾網正逐漸被替代。

圖4 網式過濾器濾網長時間被堵塞情況

楔形濾網[見圖3(b)]在實際應用中變得更加廣泛。楔形濾網材質一般為不銹鋼、蒙乃爾合金、鋁合金及鎳、鈦等特殊合金，強度大，負荷能力強，使用壽命長效率也高。濾網的設計有利于過濾掉水中的雜質且結實耐用。濾網有較好的支撐，不會引起濾網的變形，過濾效果較好，濾網材質的選擇較好，臨界壓差較高，減少了清洗的次數。過濾精度高，壓力損失小。因為三維的孔隙率很高，所以納污能力提高。由于它的材質較硬，過濾過程中濾網目數與當地水質狀況不協調將會使過濾器停止工作，無法達到過濾的效果。如新疆生產建設兵團和什托洛蓋一八四團一連使用的過濾器濾網太密，而他們的水中有機物與含沙量較高，造成過濾器無法正常進行過濾工作。由于過濾過程中濾網兩邊的較大的壓差作用(超過過濾器規定的額定壓差)會使過濾器濾網嚴重堵塞，這種堵塞很難清洗，因為濾網類型為楔形，外寬內窄，大顆粒在較大壓差下會卡在濾網縫隙中，沖洗的時候很難將雜質徹底清洗掉。此時，只能人工清洗，耗時耗力。因此，在使用楔形濾網時，要因地制宜，根據不同地區的水質特點選擇不同目數的過濾器，按時間間隔進行清洗時要選擇合適的過濾時間，按壓差進行清洗時也應設置適合的壓差。

2.3 清洗設計不夠完善

調查發現，過濾器濾網清洗設計不夠完善也是導致過濾器堵塞的一個重要原因。過濾器濾網清洗分為人工清洗和自動反清洗兩種。人工清洗是根據實際濾網堵塞狀況對濾網進行的操作。不用考慮時間和水質，當濾網沒有堵塞時，不用進行相關操作，當濾網堵塞程度超過實供水需求時進行拆卸清洗濾網。這種清洗方法基本不會加重過濾器堵塞程度。人工清洗雖然能夠根據實際狀況決定是否進行濾網清洗，但也存在操作復雜的弊端。

自動反清洗最主要的優點是利用水壓自我操作、自我清洗，且清洗時不停止過濾，自動化程度高，壓力損失小，不必進行人工清除濾渣。目前，為了過濾系統更加的方便快捷，濾網清洗基本上都是自動反清洗。自動反清洗分為按時間間隔進行清洗和按壓差進行清洗。以時間為控制參數進行的清洗，即人為設定每隔一定時間清洗一次，不考慮過濾器是否有必要清洗。但要實現自清洗自動控制，僅依照時間次序方法可能達不到徹底清洗目的，而且容易導致重復浪費，而以壓差作為控制參數就能合理地解決這個問題，即用濾網過濾產生的壓差作為控制預設參數，當壓差達到預設值時，輸出自清洗信號，實現自動清洗。兩種清洗方式都存在一個問題：因為自動過濾的兩種方式都不是實時操作，過濾過程中由于較大的壓力作用使雜質鑲入濾網內，而在清洗過程中無法將雜質排除，從而影響后面的過濾過程。通過調查發現，自動反清洗過程中對沙石的清洗效果較好，但對浮游生物、藻類、絮類等雜質的清洗效果不理想。建立沉淀池和攔污網進行前期的粗過濾可以有效降低過濾器負擔，減輕過濾器濾網堵塞的程度，保證過濾器正常工作。

2.4 水肥一體化對濾網的影響

圖5 網式過濾器濾網表面形成水垢情況

將施肥這一環節增加到節水灌溉系統中是一個重大的創新，水肥一體化節約了大量的人力成本和經濟成本。現行的施肥器是將化肥溶解均勻后加入過濾器前端，流經過濾器濾網與各級管道進入大田作物。但在利用滴灌等節水灌溉系統施肥的過程中，化肥會不可避免地在濾網上產生積垢而逐漸造成濾網堵塞。因此，化學雜質是引起濾網堵塞的隱形因素。通常水體中含大量Ca、Mg、Mn等礦物質，積垢主要是在溫度、壓力、pH值適宜的條件下，各種微生物、碳酸鹽與礦物質相互作用形成沉淀物附著在濾網表面引起的。因為新疆的土地和水源的堿性程度比較高，水中礦物質含量比較多，而農業滴灌用化肥也多呈堿性，在灌溉施肥過程中，農業化肥溶解進入過濾器，使過濾器內水的pH值升高。pH越高，水中的堿性越強，水中化合物析出形成沉淀(碳酸鈣等)凝結在濾網上，形成水垢。另一方面，水中的Fe3+在微生物的作用下與OH-形成Fe(OH)3難溶物。圖5給出了水垢對濾網堵塞的情況，從圖5可以看出，濾網的堵塞程度比較嚴重，濾網因化肥、各種微生物、碳酸鹽與礦物質相互作用發生的生物化學作用使濾網表面銹蝕及難溶物析出，形成水垢(沉淀物)。濾網表面形成的水垢無法在自清洗過程中被清洗掉，時間越長積累越多，濾網因過水面積減小而影響過濾器的正常運行。

減少濾網堵塞就是如何更好地處理濾網上的積垢或者減少積垢在濾網表面形成的條件，針對濾網積垢的現象，可以考慮在水中添加一些酸性物質與水中的堿性中和，使凝結在濾網上的難溶物溶解，減少形成難溶物的條件。這種方法雖然效果明顯，但是成本較高。把施肥設備安裝在過濾器后端不失是一個好辦法。這樣，攪拌均勻的化肥不經過過濾器濾網，濾網不會因化學雜質而結垢，可以大大降低濾網堵塞的可能性。然而，這會增加滴灌帶的負擔，為防止滴灌帶堵塞，需要根據當地實際情況調整滴灌帶的孔徑大小，還要對化肥的攪拌嚴格執行相應的標準。在新疆實際的生產中，滴灌帶使用期限一般是一年，在使用過程中一般不會造成堵塞。

3 結 語

水源高含沙量以及大量存在的絮類、植物殘骸等有機物是造成濾網堵塞的主要原因；濾網類型設計與選擇暴露出來的缺陷是造成濾網堵塞的根本原因；水肥一體化對濾網的化學影響是導致濾網堵塞的次要原因。各種原因相互配合共同作用造成濾網的堵塞。濾網優良的過濾性能必然會引起濾網的堵塞。只有通過盡可能地利用濾網優良的過濾性能的同時降低濾網堵塞的幾率或者延緩濾網堵塞所用時間才能更好地服務新疆乃至西北地區的農業發展。

(1)對于水源雜質太多造成濾網容易堵塞的難題，在應用自動反沖洗的同時，在渠道水進入過濾器中間環節加建多個沉淀池與濾網過濾設施，延緩過濾器堵塞。

(2)對于濾網類型設計不同，因其缺陷造成的濾網堵塞，應在使用過程中根據不同環境選擇不同濾網類型，楔形濾網因其多種優點而應更好的應用推廣，但在使用楔形濾網時，也要因地制宜，根據不同地區的水質特點選擇不同目數的濾網。

(3)對于過濾器濾網清洗設計不夠完善引起堵塞的問題，要根據不同水質特點進行合理的操作設計，按時間間隔進行清洗時要選擇合適的過濾時間，按壓差進行清洗時也應設置適合的壓差。

(4)對于水肥一體化對濾網的化學作用造成的濾網堵塞，不考慮成本的條件下可以在水中添加酸性物質與水中的堿性中和，使凝結在濾網上的難溶物溶解，減少形成難溶物的條件，對于大片農田可以考慮把施肥設備安裝在過濾器后端，降低濾網堵塞的可能性。

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