不同濾網條件的微壓過濾沖洗池過濾性能研究

楊圓坤，陶洪飛，馬合木江·艾合買提，李 巧，楊文新，姜有為，魏建群，李 莎

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治 重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；3.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250013)

1 研究背景

微灌是一種高效節水灌溉技術，能顯著提高農業灌溉用水效率[1-2]。但微灌系統中灌水器的流道尺寸微小，且有向更小尺寸發展的趨勢，水源中的污物雜質極易造成灌水器的堵塞[3]，過濾器則是能有效清除灌溉水中的各種雜質、保證灌溉水源水質的關鍵設備[4]。其中，網式過濾器是當前微灌系統中應用最廣泛的過濾器之一，國內外許多學者對其過濾性能和水頭損失進行了深入研究，Adin等[5]認為有機物的堵塞是影響濾網過濾性能的主要原因，濾餅顆粒的粒徑范圍為10～60 μm；李強強等[6]通過試驗計算出臥式自清洗網式過濾器的排污時間為15～30 s；喻黎明等[7]給出了降低Y型網式沖洗難度的優化方案；Duran-Ros等[8]指出網式過濾器自動沖洗時的水頭損失超過5 m；宗全利等[9-10]分別通過數值模擬和物理試驗的方法探究了自清洗網式過濾器堵塞不均，清洗不易的原因；阿力甫江·阿不里米提等[11-13]研究了魚雷網式過濾器清水和渾水水頭損失，在流量為300 m3/h下，分別達到了0.58和4.00 m，并對過濾器進行了數值模擬，得出濾網的堵塞存在不均勻現象；Duran-Ros等[14]和Demir等[15]對微灌過濾器的水頭損失進行了研究，并運用量綱分析得出了污水灌溉的過濾器水頭損失公式；王新坤等[16]應用數值模擬研究了微灌用網式過濾器的水力特性，并在清水25 m3/h流量下，將過濾器的水頭損失從1.49 m降低至0.45 m。網式過濾器工作時采用封閉結構，其內部過濾是一個十分復雜的過程，要改善其水力性能存在一定困難。因此，有學者提出將傳統單一過濾器進行組合[17-19]，但由于連接管道和篩網過濾器外殼等影響，產生的渾水水頭損失可達9 m[18]，且存在構造復雜[20]、不易操作的問題[21]。

針對上述泵后強壓過濾器存在的能耗高、投資大、濾網不易清洗[10,22-23]等問題，新疆農業大學陶洪飛等[24]創新提出了一種節能環保的泵前過濾沖洗措施，即微壓過濾沖洗池，并獲得國家知識產權局授權的發明專利證書(專利號為：ZL 201610063409.70)。其具有適應性強、過濾效率高、投資少、安裝維護簡便等諸多優勢，特別適合在多泥沙河流條件下進行微灌的地區(如新疆地區)。微壓是指沉沙池中產生的自然水頭，實際工程中一般為20～100 cm，此次試驗裝置的工作水頭在10～45 cm。目前，已在新疆地區示范推廣微壓過濾沖洗池7座(采用的核心過濾元件均為柔性的腈綸材質濾網)，控制灌溉面積約9 100 hm2，每座平均控制面積1 300 hm2，種植的農作物為棉花、打瓜和食葵。微壓過濾沖洗池運行情況良好，該技術深受當地農民用水服務專業合作社和老百姓的歡迎。

現已通過室內試驗模型探討了微壓過濾沖洗池的污物處理能力[25]和排污方式[26]，但尚未對其核心過濾元件濾網的材質進行對比研究。因此本文開展了微壓過濾沖洗池在采用腈綸和不銹鋼兩種不同材質濾網下的渾水試驗，從而獲得過濾性能最佳的濾網，以期為微壓過濾沖洗池的深入研究提供參考。

2 試驗系統與方法

2.1 試驗系統

本試驗在新疆農業大學農業水利工程實驗室內進行。試驗選用腈綸和不銹鋼兩種材質的過濾網，所取的孔徑和面積相同，分別為0.180 mm及100 480 mm2，為保證兩種濾網的連接方式一致，將濾網的兩端分別固定在微壓過濾沖洗池兩端的連接管和排污閥上。試驗系統如圖1所示。

圖1 微壓過濾沖洗池試驗系統示意圖

試驗裝置系統由渾水池、水箱(代替沉沙池)、微壓過濾沖洗池、過流管道、控制閥、攪水泵及吸水泵等構成。水箱及微壓過濾沖洗池均采用透明亞克力板制作，水箱的長、寬、高依次為500、300、650 mm；微壓過濾沖洗池的結構尺寸在長度、寬度、高度方向上分別為500、300、450 mm。進水管、回水管、連接管、出水管的直徑分別為50、50、75、75 mm。

2.2 試驗方法

試驗過程中，室溫在28～31℃之內，水溫基本恒定在23.4 ℃左右，整個試驗在同種沙樣和同一循環系統條件下進行。經前期清水測試，確定了微壓過濾沖洗池的流量范圍為2～10 m3/h，取3、4、5、6、7 m3/h作為此次的試驗流量。

2.2.1 渾水試驗 在過濾過程中，渾水中的泥沙會隨過濾時間的增長不斷在濾網上黏附積聚，堵塞濾網，水箱水深會隨之增加，所以將渾水試驗分為定含沙量和定流量2種情況，共計18組試驗。定含沙量試驗是在含沙量基本相同(S=0.66 kg/m3)條件下，通過調節回水閥，使每組試驗流量達到設計流量。試驗中，用手持式超聲波流量計測流量，待水箱水位及出水管流量穩定(開機運行30 s)后，每隔一段時間，需要利用鋼尺量測水箱中的水深，并用容量1 000 ml的燒杯取水箱及微壓過濾沖洗池中的水樣待測。定流量試驗是在保持流量一定(Q=5 m3/h)、通過向渾水池(注入0.3 m3清水)內分別加入0.15、0.30、0.45、0.60、0.75 kg的泥沙改變含沙量的條件下，量測水箱水深、過濾時間及進水管和出水管的含沙量，利用烘干法測得水箱中的含沙量為0.36、0.46、0.66、0.96、1.17 kg/m3。

為保證工況一致，不銹鋼和腈綸濾網的渾水試驗均采用同一沙樣，泥沙顆粒級配曲線如圖2所示。泥沙的中值粒徑D50為0.142 mm，其中，大于濾網孔徑(0.180 mm)的泥沙占比30%左右。

圖2 泥沙粒徑級配圖

2.2.2 試驗步驟 試驗開始前，向渾水池中注入足量的清水，按設計的含沙量加入泥沙，開啟攪水泵，使渾水池中的泥沙和水充分混合。試驗過程中，啟動吸水泵將攪拌均勻的渾水抽入水箱，可以手動調節回水閥來控制進水管流量，待水箱水位上升，水流通過連接管進入微壓過濾沖洗池中，在水箱中自然水頭形成的微壓作用下，驅動水流經過濾網完成由內向外的過濾，過濾后的清水由出水管流回渾水池中進入下一個循環。每組試驗均以濾網的堵塞情況決定微壓過濾沖洗池的工作時長，采用不銹鋼濾網進行過濾工作時，當水箱水位接近水箱上緣時，立即關閉吸水泵，試驗結束；采用腈綸濾網時，待濾網到達極限狀態[27]結束試驗。停機后，將堵塞的濾網拆下觀測濾網堵塞狀況，用精度0.01 g的電子天平稱量濾網及其攔截泥沙的質量。

2.2.3 評價指標 試驗通過觀察水箱水深的變化判斷濾網的堵塞情況，并確定了以過濾時間、攔截泥沙質量及泥沙去除率3個評價指標作為評判兩種不同材質濾網過濾性能的依據。其中，泥沙去除率是在濾網即將發生堵塞時刻(即水箱水深恒定階段向水深快速增加階段轉變時刻)測得的，泥沙去除率的計算公式為：

(1)

式中：η為泥沙去除率，%；S為過濾前水箱中水的含沙量，kg/m3；S1為經過微壓過濾沖洗池過濾后的水流含沙量，kg/m3。

3 結果與分析

3.1 試驗現象

微壓過濾沖洗池在水流含沙量為0.66 kg/m3、流量為5 m3/h條件下，不銹鋼和腈綸兩種材質濾網在過濾過程中不同時刻的試驗現象如圖3所示。試驗中觀察到，在t=0時刻，兩種濾網均率先自濾網尾部(水流方向上)出水。隨著過濾時間的推移，網孔逐漸被泥沙顆粒堵塞。當t=180 s時，濾網出水位置逐漸由濾網尾部及底部向濾網前部和頂部發生改變。在t=0～180 s時段內，濾網以介質過濾為主，腈綸濾網因是柔性材質，過濾時，濾網同含沙水流均處于運動狀態下，不能穿過網孔被截留的泥沙顆粒受濾網吸附及被水流沖刷；不銹鋼濾網過濾時，可觀察到有攜帶細小顆粒的淡黃色濾液從濾網最前端及中部流出。在t=180～360 s時段內，隨著過濾時間的推移，濾網網孔逐漸被泥沙顆粒堵塞，濾網內不斷被水流及其攜帶的氣體充滿。待濾網中氣體被完全排出，白色的腈綸濾網整體變黃，并且濾網的褶皺變得平整，濾網中擁堵的水體使濾網體積增大，網孔上被截留的泥沙顆粒嵌入程度加深，濾液含沙量減小，部分泥沙顆粒在重力作用下發生沉積，分布在微壓過濾沖洗池底部；在這一時段內，觀察到經不銹鋼濾網過濾的水流中懸浮泥沙顆粒含量下降。當t=360 s時，濾網最前端及中部已無細顆粒泥沙滲出，有泥沙顆粒沉積在微壓過濾沖洗池的池底。

圖3 不銹鋼和腈綸兩種材質濾網在過濾過程中不同時刻的試驗現象(Q=5 m3/h,S=0.66 kg/m3)

3.2 水箱水深隨時間的變化規律

丁啟圣等[28]將濾網的過濾機制分為介質過濾和濾餅過濾，后又根據過濾過程在時間上的先后，分出介質過濾階段和濾餅過濾階段。本試驗中，水箱中水深的變化能反映微壓過濾沖洗池中濾網的堵塞情況，故以水箱中水深隨時間的變化規律進行相關說明。

3.2.1 定含沙量下水箱水深變化規律 圖4為水流含沙量穩定在0.66 kg/m3左右時，不同流量下，不銹鋼和腈綸兩種濾網水箱水深隨時間的變化曲線。從圖4可看出：

(1)腈綸和不銹鋼兩種濾網水箱水深隨時間的變化規律不同。腈綸濾網存在水深恒定、水深快速增加及水深急速增加3個階段，而不銹鋼濾網僅含水深恒定和水深快速增加兩個階段。如Q=3 m3/h時，腈綸濾網在t=30～360 s為水深恒定階段，t=360～456 s為水深快速增加階段，t=456～482 s為水深急速增加階段；不銹鋼濾網在t=30～360 s為恒定階段，t=460～594 s為快速增加階段。

(2)流量越大，則水箱水深增加的速度越快。在Q=3、4、5、6、7 m3/h的情況下，不銹鋼濾網的水箱水深分別以0.16、0.20、0.25、0.36、0.47 cm/s的速度增加(圖4(a))；而腈綸濾網的水箱水深在快速增加階段分別以0.09、0.14、0.26、0.33、0.41 cm/s的速度增加，在急速增加階段分別以0.21、0.33、0.49、0.69、0.87 cm/s的速度增加(圖4(b))，流量為3、4 m3/h時尤為明顯。

圖4 兩種濾網在不同流量下水箱水深隨時間變化曲線(S=0.66 kg/m3)

(3)流量越大，水深恒定時間就越短，過濾時間(水深快速增加結束時對應的時間)也越短。腈綸濾網和不銹鋼濾網的水深恒定時間相差不大，但不銹鋼濾網的過濾時間稍長。在Q=3、4、5、6、7 m3/h情況下，不銹鋼和腈綸濾網的水箱水位恒定時間分別為360、324、300、270、234 s和360、330、306、270、240 s，兩者最大僅相差6 s；不銹鋼和腈綸濾網的過濾時間分別為594、510、439、362、301 s和482、435、394、341、295 s，不銹鋼濾網過濾時間比腈綸濾網分別長112、75、45、21、6 s。這是因為腈綸濾網形成的濾餅層厚度(濾網攔截泥沙厚度)比不銹鋼濾網厚，從而縮短了過濾時間。

3.2.2 定流量下水箱水深變化規律 圖5為流量穩定在5 m3/h時，水流不同含沙量下，腈綸和不銹鋼兩種濾網水箱水深隨時間的變化曲線。由圖5可以得出：

圖5 兩種濾網在不同含沙量下水箱水深隨時間變化曲線(Q=5 m3/h)

(1)含沙量越大，則水箱水深增加的速度越快。在S=0.36、0.46、0.66、0.96、1.17 kg/m3情況下，不銹鋼濾網的水箱水深增加速率分別為0.19、0.24、0.25、0.27、0.30 cm/s；腈綸濾網的水箱水深快速增加速率分別為0.21、0.24、0.26、0.28、0.29 cm/s，水箱水深急速增加速率分別為0.41、0.46、0.49、0.51、0.53 cm/s。

(2)含沙量越大，則水箱水深恒定階段時間越短，微壓過濾沖洗池的過濾時間也越短；在水箱水深由恒定階段向快速增加階段轉變時刻，腈綸濾網的轉變更明顯。在S=0.36、0.46、0.66、0.96、1.17 kg/m3情況下，不銹鋼和腈綸濾網的水箱水位恒定時間分別為378、312、270、234、192 s和378、312、276、234、198 s，最大差值為6 s；不銹鋼和腈綸濾網的過濾時間分別為589、491、439、392、336 s和535、442、394、339、290 s。水箱水深增加的原因是網孔被細小的泥沙顆粒堵塞，水流只可通過濾餅層通道穿過濾網，增加了過流難度，因此發生水流擁堵，導致了水箱水深增加。而腈綸濾網濾餅層厚度較不銹鋼濾網厚，故而水箱水深增加更為明顯。

在水深恒定階段，兩種材質濾網都是以介質即濾網過濾為主，當含沙水流流經濾網時，大于網孔直徑的泥沙顆粒被直接截留，此時濾網起到過濾作用。這一階段，腈綸濾網是在運動條件下進行過濾，濾網內表面不易形成濾餅；而不銹鋼濾網是固定條件，使得撞擊在網孔上的泥沙顆粒被擊碎而穿過濾網或嵌附在網孔中。隨著流量、含沙量的增大，水流中攜帶的泥沙顆粒增多，網孔被與其孔徑相當的泥沙顆粒填滿或被細小顆粒的架橋作用覆蓋，形成濾餅，使濾網的過流道變小，過濾受阻，水箱保持水深恒定的時間就會變短。

在水深快速增加階段，由于濾餅的存在，水流擁堵，濾網內壓力增大，嵌附在網孔和滯留在濾網內表面的泥沙顆粒逐漸穩固，使得濾網的過濾面積驟減，主要以濾餅過濾為主。由濾餅形成的多孔介質，只允許更小粒徑的泥沙顆粒通過，并且在濾網內部壓力和更細顆粒填充下，流道不斷變小，導致濾網過濾不通暢，水流和極小的泥沙顆粒只能在滲透流作用下穿過濾網，可觀察到水箱水深快速增加。流量、含沙量越大，單位時間濾網內細小的泥沙顆粒越多，顆粒間通道就越快被填滿，故水深增加速率越大。腈綸濾網在過濾初始的運動狀態使得其較不銹鋼濾網積累了更多的泥沙，因此形成較厚的濾餅層。

隨著過濾的進行，腈綸濾網的體積在濾網內的壓力和緊密聚集層疊的濾餅層作用下趨于穩定，濾網進入擠壓過濾階段。因濾網內外含沙量的差異，產生的極化現象進一步增大了濾網的過濾阻力，此為腈綸濾網的極限狀態，細顆粒泥沙很難再穿過濾餅及濾網，可觀察到水箱水深急速增加，且流量、含沙量越大，水深急速增加的速率更大。

3.3 濾網攔截泥沙及泥沙去除率對比

表1為不同水流含沙量和流量下，兩種濾網的泥沙去除率和濾網內攔截的泥沙質量情況。從表1可看出：

表1 不同水流含沙量和流量下兩種濾網的泥沙去除率和攔截泥沙質量情況

(1)同一含沙量下，濾網攔截泥沙的質量隨著流量的增大而減少；腈綸濾網的泥沙去除率和攔截泥沙質量均大于不銹鋼濾網；腈綸濾網攔截到的泥沙粒徑比不銹鋼濾網小，濾液中的泥沙粒徑也更小。當流量在3～7 m3/h變化時，腈綸濾網的泥沙去除率是不銹鋼濾網的1.42～1.45倍；腈綸濾網攔截的泥沙質量從141.65 g減小至101.69 g，不銹鋼濾網攔截的泥沙質量從94.70 g減小至61.62 g，腈綸濾網攔截的泥沙質量是不銹鋼濾網的1.50～1.65倍。腈綸和不銹鋼濾網攔截泥沙的中值粒徑D50分別為0.132～0.156 mm和0.151～0.160 mm，經腈綸和不銹鋼濾網過濾后濾液中泥沙的中值粒徑d50分別為0.109～0.128 mm和0.119～0.129 mm。

(2)在流量一定的條件下，兩種濾網攔截的泥沙質量均隨含沙量的增大呈遞增趨勢；相比不銹鋼濾網，腈綸濾網的泥沙去除率更高，且腈綸濾網攔截到的泥沙粒徑更小，濾液中的泥沙粒徑也更小。當含沙量從0.36 kg/m3變化到1.17 kg/m3時，腈綸濾網比不銹鋼濾網的泥沙去除率高17.10%～22.69%；所攔截的泥沙質量是不銹鋼濾網的1.17～1.56倍。腈綸和不銹鋼濾網攔截泥沙的中值粒徑D50分別為0.126～0.156 mm和0.148～0.160 mm，對應濾液中泥沙的d50為別為0.112～0.125 mm和0.120～0.129 mm。

經分析認為，微壓過濾沖洗池是在微壓條件下進行過濾工作，濾網過濾過程中，濾餅形成是一個復雜的過程[29]。在流量較小時，水流提供給泥沙顆粒的動能很小，形成濾餅時，受水流擾動影響，減弱了渾水中固體顆粒在濾網面上的吸附和架橋作用，從而使得大量泥沙淤積在濾網內。但隨著流量、含沙量的增大，單位時間內渾水中攜帶固體顆粒的數量增多，泥沙顆粒嵌入網孔的動力增大，濾網過水面上就易形成濾餅。因濾餅產生的流阻作用，使得濾網的孔隙率減小，能攔截到更小粒徑的泥沙顆粒。腈綸濾網在過濾時，會同含沙水流處于運動狀態，泥沙顆粒不易發生黏附。因腈綸濾網中大量泥沙顆粒的積聚，會形成較厚的濾餅，較不銹鋼濾網，能攔截到更多的細顆粒泥沙，過濾后濾液中的泥沙粒徑也較小，因此腈綸濾網的泥沙去除率高于不銹鋼濾網。

為進一步探討流量和含沙量對微壓過濾沖洗池泥沙去除率的影響，將恒定流量(Q=5 m3/h)下不同含沙量(S1=0.36 kg/m3、S2=0.46 kg/m3、S3=0.66 kg/m3、S4=0.96 kg/m3、S5=1.17 kg/m3)和恒定含沙量(S=0.66 kg/m3)下不同流量的不銹鋼(G)和腈綸(J)濾網泥沙去除率試驗結果進行對比，如圖6所示。從圖6可看出，流量對濾網的泥沙去除效率影響不大，但隨著含沙量的增大，濾網的泥沙去除效率會增大，且腈綸濾網的泥沙去除率大于不銹鋼濾網。當流量恒定時(Q=5 m3/h)，腈綸和不銹鋼濾網的泥沙去除率分別為61.10%～83.50%和44.00%～62.05%。當含沙量恒定時(S3=0.66 kg/m3)，不同流量下腈綸濾網的泥沙去除率均值均為72.68%；不銹鋼濾網的泥沙去除率均值均為50.58%，兩者相差1.44倍。

圖6 不同濾網的泥沙去除率

4 結 論

通過室內物理模型試驗的方法，在流量為3～7 m3/h和含沙量0.36～1.17 kg/m3條件下，對微壓過濾沖洗池采用腈綸和不銹鋼兩種不同濾網進行了渾水測試，得出結論如下：

(1)不同濾網對應水箱水深隨時間的變化規律不同。腈綸濾網存在水深恒定、水深快速增加及水深急速增加3個階段，而不銹鋼濾網僅含水深恒定和水深快速增加兩個階段。

(2)不同濾網的水深恒定時間相差不大，但不銹鋼濾網的過濾時間略大于腈綸濾網，濾網的過濾時間會隨流量、含沙量的增大而縮短。

(3)濾網攔截泥沙質量隨著流量的增大而減少，隨含沙量的增大而增大，腈綸濾網攔截的泥沙質量大于不銹鋼濾網。

(4)濾網的泥沙去除效率受流量的影響不大，但會隨含沙量的增大而增大，且腈綸濾網的泥沙去除率高于不銹鋼濾網。腈綸和不銹鋼濾網的泥沙去除率分別為61.10%～83.50%和44.00%～62.05%，腈綸濾網的泥沙去除率為不銹鋼濾網的1.35～1.42倍。

綜合考慮過濾時間、攔截泥沙質量及泥沙去除率3個過濾性能評價指標，認為腈綸濾網更適用于微壓過濾沖洗池。