大田滴灌用网式过滤器滤网堵塞成因分析

杨洪飞，宗全利，刘贞姬，王柏林

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

滴灌等农业节水灌溉技术可以使水资源得到高效的利用，高效的利用率意味着节余的水能灌溉更多的农作物，增产增收效果明显。在我国新疆等西北地区干旱缺水，滴灌等节水灌溉技术的应用更显得迫切和必要。随着西部大开发战略的深入开展和“一带一路”发展战略的稳步实施，大量资金的投入加快了滴灌节水技术的引进、创新与推广速度，近年来西北地区农业耕种面积也因滴灌技术的推广而大幅增加。2006年，新疆生产建设兵团应用高新节水灌溉面积已达53 万hm2[1]，2011年突破66 万hm2[2]，2015年达到104 万hm2[3]。随着节水基础工程建设的不断推进，原本因干旱缺水而无法耕种的荒地得到合理的开发，原本产量很低的农田产量逐年提高，西北地区进入了农业发展的黄金时期。

然而滴灌水源(如井水、河渠水、雨水、库塘水)都含有不同程度地污物和杂质，即使是水质良好的井水，也会含有少量的固体颗粒和一些化学沉淀物。对于新疆地区来说，80%以上的灌溉水源为地面水源，它们因含有大量的泥沙极容易造成灌水设备堵塞，严重降低滴灌系统的使用寿命。对于滴灌系统的堵塞问题，可以通过改善水质的方法来解决[4]。因此，在保证滴灌系统正常工作的前提下，对灌溉水源中的泥沙等杂质进行净化(过滤处理)显得尤为重要。过滤器则是清除水流中各种杂质，保证整个滴灌系统正常运行的核心设备[5,6]。其中网式过滤器具有过滤效率高、自动化程度高、过滤装置和反清洗的机械结构可靠等优点，在我国规模最大的新疆生产建设兵团大田滴灌系统中应用最广泛。

但是，网式过滤器在实际应用过程中也存在一些问题。如：水源没有进行前部粗过滤直接进入过滤器或者前部粗过滤设置太过简单使过滤器负担过重，造成过滤器堵塞；人工设置电子控制系统不合理出现连续清洗或者不清洗的状况，造成系统水量损失过多或者堵塞现象加剧等。分析可知，网式过滤器在实际应用过程中出现的问题归根结底主要还是滤网堵塞的问题。滤网堵塞造成过滤效率降低，过滤质量下降，严重的会造成滤网变形[7]。网式过滤器滤网堵塞问题也随着滴灌系统的推广而更加显现，探求网式过滤器滤网堵塞的成因是解决网式过滤器堵塞问题的最佳渠道。

1 网式过滤器过滤机理及滤网堵塞成因研究现状

1.1 滤网过滤机理

过滤是利用过滤介质将固体和液体分离的单元操作，是固液分离的组成部分[8]。它利用过滤介质或者多孔膜截留液体中的难溶颗粒。网式过滤器滤网过滤的机理为：滤网以自身网孔大小为基准，阻挡超过自身孔隙尺度的固体颗粒而允许小于自身孔隙尺度的颗粒通过或者形成滤饼阻止更小颗粒通过，以防超过允许流通范围的杂质堵塞系统中滴灌带等设备，从而保证整个系统正常运转。

滤网过滤的机制分为介质过滤和滤饼过滤，其中介质过滤又分为表面过滤与深层过滤。根据过滤过程时间的先后顺序，滤网过滤分为2个不同阶段：介质过滤阶段和滤饼过滤阶段[8]。

介质过滤是根据自身网孔大小确定阻挡颗粒大小，过滤介质的孔径要小于液体中固体粒子的粒径，起着筛网的筛析作用。一般发生在过滤开始的阶段。滤饼过滤也是以本身滤网作为过滤介质，但过滤介质只是起着支撑滤饼的作用，过滤介质的孔径不一定要小于最小颗粒的粒径。过滤开始时，部分小颗粒可以进入甚至穿过介质的小孔，但很快即由颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。被截留在介质表面的颗粒形成称为滤饼的滤渣层，透过滤饼层的则是净化了的滤液。滤饼形成后，真正起过滤作用的是滤饼本身，因此称为滤饼过滤。

介质过滤和滤饼过滤2个过程构成了滤网过滤的整个过程。在滤网过滤的整个过程中，介质过滤和滤饼过滤没有严格的界限。由于各种原因，杂质颗粒或者有机物分布不均，两种过滤方式可同时进行滤网过滤。

徐新阳等详细介绍了滤饼过滤过程中各物理量的计算公式、计算机模拟程序的设计，为滤饼过滤过程的研究提供了一种新的研究方法[9]；付海明等认为，过滤介质在运行工作时，随过滤时间的增加，粉尘颗粒会逐渐在过滤介质中产生沉积形成滤饼，过滤介质中孔隙逐渐被粉尘颗粒阻塞，过滤介质的捕集效率和运行阻力随时间产生较大的变化[10]；Schmidt认为，在介质过滤过程中，杂质颗粒积累形成滤饼，过滤器的特性受到滤饼本身结构特征的影响，这些结构特征包括粒径大小分布、粒子电荷、内聚特性等，随着过滤时间增加，流动阻力和压降增加，而且压降变化不是线性变化的[11]。文棋、郑传祥对自清洗过滤器的过滤机理进行了研究，着重研究过滤介质和过滤所形成的滤饼处的压降，得到了工业用全自动自清洗过滤器的透过度和孔隙度两个参数值[12]；邓忠等以颗粒杂质堵塞微灌系统的时空变化过程为研究对象，研究了微灌灌水器堵塞的机理与形成过程，详细阐述了灌水器堵塞的类型及其关系和堵塞规律，并针对不同类型的过滤器过滤机理进行了分析，最后提出了微灌过滤技术发展及过滤设备存在的问题和建议[13]；景有海通过试验研究表明，过滤池的过滤机理并非是机械筛滤，而是滤料对水中的悬浮颗粒的吸附过程，这就涉及2个过程：①水中悬浮颗粒向滤料的迁移过程；②迁移到滤料表面的悬浮颗粒被滤料表面的吸附过程[14]。宗全利等对滴灌用自清洗网式过滤器排污压差进行了计算，并给出了80目和120目过滤器最佳排污压差值[15]。

1.2 滤网堵塞成因研究现状

国内外对过滤器滤网堵塞的研究较少且主要集中于过滤器滤网压降的试验研究等方面。例如：董文楚分析了过滤与堵塞的规律，即过滤时表层堵塞比下层严重，随着过滤运行时间的延续，滤层堵塞由表层逐渐向下层推移，根据反冲洗试验结果，提出了最佳反冲洗强度和最佳膨胀率，并对反冲洗效果进行了实际验证，为正确设计农用砂石过滤器提供了设计依据[16]；涂攀峰等对水溶肥中水不溶物含量对滴灌施肥系统过滤器堵塞的影响进行了研究，结果表明，以膨润土为填充料的供试肥料(膨润土肥料)和凹凸棒土为填充料的供试肥料(凹凸棒土肥料)，在水不溶物质量分数为2%以上时43 min内均可使过滤器滤网两端的压差达到0.05 MPa，并最终使过滤器完全堵塞[17]；杨国华等对双层滤料过滤床的压降特性进行了研究，得到了床层总压降、沙层和膨胀珍珠岩层的压降特性[18]；姚培等对输油管路网式过滤器滤网进行了压降的实验研究，通过实验确定了滤网开孔率β和雷诺数Re对水头损失系数ξ的具体影响[19]；李逢春和王象文对深井过滤器堵塞原因与机理进行分析研究，并提出防止堵塞的措施及堵塞后的整治办法[20]。

国外，Zeier等分别对6种粒径、2种含沙量和1种粒径、8种含沙量针对不同孔径的滤网进行了过滤试验，提出了反映网式过滤器堵塞的方程，并根据相关实验数据绘图判定过滤器在不同条件下的性能[21]；Adin和Alon指出滤网堵塞是滴灌用网式过滤器存在的一个主要问题，他们采用含有大量有机物的水源为前提，以滤网孔径、过滤速度和有机物含量为研究变量分析滤网堵塞机理，发现滤网堵塞率取决于滤网孔径、过滤速度和有机物含量等变量，计算出评估过滤器过滤性能的过滤指数和滤饼阻力[22]。Juanico等对灌溉用水库水源中杂质对过滤器堵塞性能的影响进行研究中发现，过滤器堵塞是由混合的浮游生物和悬浮颗粒的积聚造成的，随着进水流量的增加，堵塞程度加剧，这种现象主要是由较大的海藻和浮游生物造成，悬浮颗粒的积聚造成堵塞的影响较小[23]；通过分析可知，现有研究成果中对过滤器滤网堵塞成因的理论研究不多，特别是网式过滤器滤网堵塞成因的分析与对策未做具体的研究。

2 大田滴灌中网式过滤器滤网堵塞成因分析

根据实际调研发现，以新疆为代表的西北地区网式过滤器滤网堵塞成因复杂。经过在新疆克拉玛依乌尔禾区、和什托洛盖市以及北屯市等地实地调研，得到网式过滤器滤网堵塞的主要原因如下。

2.1 水源杂质多

新疆地区属于西北内陆，基本无大江大河，水源大部分来自于冰川融水。水流具有季节性，并且含沙量大[24]。有些灌溉水源絮类、植物残骸以及有机物等众多，影响过滤器的正常进行，容易造成滤网堵塞。图1给出了新疆某团场首部沉淀池中悬浮物和有机物等杂质情况，从图1可以看出，在灌溉季节，前池水表面漂浮着很多柳絮、植物残骸等杂质；水体中也有很多蚊蝇等浮游生物，这些都会造成过滤首部的严重堵塞。

有机物对网式过滤器滤网堵塞的影响很大，主要来源于供水水源、河渠水输运过程中和滋生于灌溉季节供水管道中。一般有机物杂质数量的多少主要取决于水源，如额尔齐斯河水在流动过程中会生长很多藻类，浮游生物等，开敞式静水塘坝或水池中也会滋长大量藻类及浮游生物，产生大量有机生物遗体。这些杂质会进入滤网过滤系统，不断在滤网上汇集，形成滤饼层，随着时间的推移杂质累积堵塞滤网，如图2(a)所示。微生物也是引起滤网堵塞的一个重要因素。经常出现的微生物主要含铁和硫离子，含铁的微生物是由可溶解的亚铁离子氧化而成，黏附在滤网表层，形成一种称作赭石的沉积物，会很快堵塞过滤器滤网。硫化物是一种白色或黄色的黏稠纤维沉积物，其表面会吸附很多其他杂质。

图1 新疆生产建设兵团某团场灌溉首部水源杂质

无机物对滤网的堵塞起到主要作用，无机杂质(如沙子、碎石等)由于其粒径过大无法通过过滤器滤网，累积在滤网内表面，随着滤网层上无机杂质的积累最终引起滤网堵塞，如图2(b)所示。有时，悬浮于水中的黏土粒也会聚集成大的颗粒堵塞过滤器滤网。过滤系统启动后，带有杂质的水开始以恒定的体积流率进入过滤网区，不管是有机杂质还是无机杂质，只要是固体颗粒都被截留在过滤网面上，随着时间的推移，累积贡献形成滤饼，过滤水穿过滤饼和过滤介质(即滤网)被输送到灌区大田，而杂质集聚在滤网上，使滤网堵塞无法过水，滤网的过滤功能彻底失效。

图2 网式过滤器运行中的滤网堵塞

根据现场调查得到：水中杂质越多，颗粒越粗，滤网堵塞所用的时间越短，造成堵塞现象就越严重；不同水质造成不同状况的堵塞，水中杂质越多，网式过滤器滤网越容易堵塞；水源成分中，有机质含量所占比例越高滤网越容易堵塞；无机质含量所占比例越高越容易清洗。滤网堵塞情况与水源杂质含量有直接的关系。过滤器滤网的反清洗过程较为复杂，实际中应用最广泛的方法是自动反冲洗。但这种方法不能有效的解决过滤器堵塞的难题，尤其是对于有机物含量较多的杂质，清洗效果较差，最有效的方法是在这些杂质进入过滤器之前进行预处理。例如，在渠道水进入过滤器中间环节加建重力沉砂池，对水中的杂质进行沉降，经过重力沉沙过滤池对泥沙的处理，出池泥沙含量显著降低[25]；在各沉淀池之间加建多层滤网设备，滤网目数逐级增加，提前进行逐级过滤，减少杂质进入过滤器的几率，为网式过滤器滤网减轻负担，延缓过滤器堵塞。根据新疆地区的调查发现，在泵的入口增加了圆形滤网的滴灌首部，可以有效地防止絮类和藻类等进入过滤器，大大减轻了过滤器的堵塞，这为絮类和藻类等杂质较多的水源地的过滤器滤网防堵塞方法提供了一种借鉴。

2.2 滤网类型设计问题

网式过滤器滤网按形状可分为：矩形、圆形、楔形、环形等类型。目数从8～800不等(可按要求定制加工)。根据新疆地区调研得出，实际中的网式过滤器滤网类型主要为矩形滤网和楔形滤网，如图3所示。

图3 网式过滤器滤网类型

矩形滤网[见图3(a)]一般是有经线和纬线按一定规律上下交错而织成的，图示为平纹组织。这种组织最为致密，可以获得清洁的滤液。但它的孔隙容易堵塞，当固体杂质小于滤网孔隙时，固体杂质可以从滤网孔隙中过去，不会对滤网产生堵塞现象，但当固体杂质尺寸与矩形滤网尺寸相当或者大于矩形滤网尺寸时，那么杂质会留在滤网孔隙中，杂质会很难清洗。当矩形滤网形成滤饼时，不管是人工清洗还是自动清洗，滤饼难剥离。图4给出了滤网长时间被杂质堵塞的情况。从图4可以看出，使用过的滤网，即使经常进行自动清洗，也都会不同程度地被污物杂质卡住，有的甚至会有一半以上网孔被堵塞而清洗不下来，即便用人工钢刷清洗也非常困难。此外，水中的霉菌、细菌、藻类及其他的浮游生物都会引起滤网的堵塞，生物的滋生在低流速下更加严重，加快了滤网堵塞的速度，增加了滤网清洗的难度。它的矩形结构特点使其具有较差的稳定性，也容易引起滤网变形，滤网变形严重将会大大降低滤网的过滤效果。由于以上种种不利因素，矩形滤网正逐渐被替代。

图4 网式过滤器滤网长时间被堵塞情况

楔形滤网[见图3(b)]在实际应用中变得更加广泛。楔形滤网材质一般为不锈钢、蒙乃尔合金、铝合金及镍、钛等特殊合金，强度大，负荷能力强，使用寿命长效率也高。滤网的设计有利于过滤掉水中的杂质且结实耐用。滤网有较好的支撑，不会引起滤网的变形，过滤效果较好，滤网材质的选择较好，临界压差较高，减少了清洗的次数。过滤精度高，压力损失小。因为三维的孔隙率很高，所以纳污能力提高。由于它的材质较硬，过滤过程中滤网目数与当地水质状况不协调将会使过滤器停止工作，无法达到过滤的效果。如新疆生产建设兵团和什托洛盖一八四团一连使用的过滤器滤网太密，而他们的水中有机物与含沙量较高，造成过滤器无法正常进行过滤工作。由于过滤过程中滤网两边的较大的压差作用(超过过滤器规定的额定压差)会使过滤器滤网严重堵塞，这种堵塞很难清洗，因为滤网类型为楔形，外宽内窄，大颗粒在较大压差下会卡在滤网缝隙中，冲洗的时候很难将杂质彻底清洗掉。此时，只能人工清洗，耗时耗力。因此，在使用楔形滤网时，要因地制宜，根据不同地区的水质特点选择不同目数的过滤器，按时间间隔进行清洗时要选择合适的过滤时间，按压差进行清洗时也应设置适合的压差。

2.3 清洗设计不够完善

调查发现，过滤器滤网清洗设计不够完善也是导致过滤器堵塞的一个重要原因。过滤器滤网清洗分为人工清洗和自动反清洗两种。人工清洗是根据实际滤网堵塞状况对滤网进行的操作。不用考虑时间和水质，当滤网没有堵塞时，不用进行相关操作，当滤网堵塞程度超过实供水需求时进行拆卸清洗滤网。这种清洗方法基本不会加重过滤器堵塞程度。人工清洗虽然能够根据实际状况决定是否进行滤网清洗，但也存在操作复杂的弊端。

自动反清洗最主要的优点是利用水压自我操作、自我清洗，且清洗时不停止过滤，自动化程度高，压力损失小，不必进行人工清除滤渣。目前，为了过滤系统更加的方便快捷，滤网清洗基本上都是自动反清洗。自动反清洗分为按时间间隔进行清洗和按压差进行清洗。以时间为控制参数进行的清洗，即人为设定每隔一定时间清洗一次，不考虑过滤器是否有必要清洗。但要实现自清洗自动控制，仅依照时间次序方法可能达不到彻底清洗目的，而且容易导致重复浪费，而以压差作为控制参数就能合理地解决这个问题，即用滤网过滤产生的压差作为控制预设参数，当压差达到预设值时，输出自清洗信号，实现自动清洗。两种清洗方式都存在一个问题：因为自动过滤的两种方式都不是实时操作，过滤过程中由于较大的压力作用使杂质镶入滤网内，而在清洗过程中无法将杂质排除，从而影响后面的过滤过程。通过调查发现，自动反清洗过程中对沙石的清洗效果较好，但对浮游生物、藻类、絮类等杂质的清洗效果不理想。建立沉淀池和拦污网进行前期的粗过滤可以有效降低过滤器负担，减轻过滤器滤网堵塞的程度，保证过滤器正常工作。

2.4 水肥一体化对滤网的影响

图5 网式过滤器滤网表面形成水垢情况

将施肥这一环节增加到节水灌溉系统中是一个重大的创新，水肥一体化节约了大量的人力成本和经济成本。现行的施肥器是将化肥溶解均匀后加入过滤器前端，流经过滤器滤网与各级管道进入大田作物。但在利用滴灌等节水灌溉系统施肥的过程中，化肥会不可避免地在滤网上产生积垢而逐渐造成滤网堵塞。因此，化学杂质是引起滤网堵塞的隐形因素。通常水体中含大量Ca、Mg、Mn等矿物质，积垢主要是在温度、压力、pH值适宜的条件下，各种微生物、碳酸盐与矿物质相互作用形成沉淀物附着在滤网表面引起的。因为新疆的土地和水源的碱性程度比较高，水中矿物质含量比较多，而农业滴灌用化肥也多呈碱性，在灌溉施肥过程中，农业化肥溶解进入过滤器，使过滤器内水的pH值升高。pH越高，水中的碱性越强，水中化合物析出形成沉淀(碳酸钙等)凝结在滤网上，形成水垢。另一方面，水中的Fe3+在微生物的作用下与OH-形成Fe(OH)3难溶物。图5给出了水垢对滤网堵塞的情况，从图5可以看出，滤网的堵塞程度比较严重，滤网因化肥、各种微生物、碳酸盐与矿物质相互作用发生的生物化学作用使滤网表面锈蚀及难溶物析出，形成水垢(沉淀物)。滤网表面形成的水垢无法在自清洗过程中被清洗掉，时间越长积累越多，滤网因过水面积减小而影响过滤器的正常运行。

减少滤网堵塞就是如何更好地处理滤网上的积垢或者减少积垢在滤网表面形成的条件，针对滤网积垢的现象，可以考虑在水中添加一些酸性物质与水中的碱性中和，使凝结在滤网上的难溶物溶解，减少形成难溶物的条件。这种方法虽然效果明显，但是成本较高。把施肥设备安装在过滤器后端不失是一个好办法。这样，搅拌均匀的化肥不经过过滤器滤网，滤网不会因化学杂质而结垢，可以大大降低滤网堵塞的可能性。然而，这会增加滴灌带的负担，为防止滴灌带堵塞，需要根据当地实际情况调整滴灌带的孔径大小，还要对化肥的搅拌严格执行相应的标准。在新疆实际的生产中，滴灌带使用期限一般是一年，在使用过程中一般不会造成堵塞。

3 结 语

水源高含沙量以及大量存在的絮类、植物残骸等有机物是造成滤网堵塞的主要原因；滤网类型设计与选择暴露出来的缺陷是造成滤网堵塞的根本原因；水肥一体化对滤网的化学影响是导致滤网堵塞的次要原因。各种原因相互配合共同作用造成滤网的堵塞。滤网优良的过滤性能必然会引起滤网的堵塞。只有通过尽可能地利用滤网优良的过滤性能的同时降低滤网堵塞的几率或者延缓滤网堵塞所用时间才能更好地服务新疆乃至西北地区的农业发展。

(1)对于水源杂质太多造成滤网容易堵塞的难题，在应用自动反冲洗的同时，在渠道水进入过滤器中间环节加建多个沉淀池与滤网过滤设施，延缓过滤器堵塞。

(2)对于滤网类型设计不同，因其缺陷造成的滤网堵塞，应在使用过程中根据不同环境选择不同滤网类型，楔形滤网因其多种优点而应更好的应用推广，但在使用楔形滤网时，也要因地制宜，根据不同地区的水质特点选择不同目数的滤网。

(3)对于过滤器滤网清洗设计不够完善引起堵塞的问题，要根据不同水质特点进行合理的操作设计，按时间间隔进行清洗时要选择合适的过滤时间，按压差进行清洗时也应设置适合的压差。

(4)对于水肥一体化对滤网的化学作用造成的滤网堵塞，不考虑成本的条件下可以在水中添加酸性物质与水中的碱性中和，使凝结在滤网上的难溶物溶解，减少形成难溶物的条件，对于大片农田可以考虑把施肥设备安装在过滤器后端，降低滤网堵塞的可能性。

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