不同排污方式下微压过滤冲洗池的泥沙处理能力研究

陶洪飞，宋 漫，章雅丽，徐 涛，陈益坤

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

我国水资源时空分布不均，尤其是新疆，干旱少雨，节水灌溉的形势非常严峻[1-3]。其中较普遍的节水灌溉方式是微灌，但新疆属于多泥沙河流区域，若不采取设备或工程措施处理泥沙，灌水器很容易被堵塞，因此，对灌溉水源进行泥沙处理是保证微灌系统正常运行的必要措施。网式过滤器作为末级过滤器，在处理泥沙时扮演着重要的角色，许多学者对网式过滤器做了如下研究：刘飞[4]对网式过滤器的过滤和自动清洗进行了优化，这对研制新型过滤器提供了参考；崔春亮[5]等人对自动清洗网式过滤器进行了水力性能测试，结果表明自主研发的过滤器清洁压降和最小清洗工作压力均小于进口设备；阿力甫江·阿不里米提[6]等人研究了直冲洗鱼雷网式过滤器内的清水流场，并对其结构进行了优化；WU[7]根据网式过滤器的结构参数和大量的水头损失试验数据，得到了一个水头损失计算的三维模型。但目前实际工程应用的网式过滤器产品都属于泵后过滤，水头损失大，且冲洗时需要较大的压力才能将黏附在滤网的污物排出，这与现在发展低能耗微灌技术的现状不符。另外，许多学者研究了处理泥沙的水沙分离装置，如谭义海[8]等人研究的梭锥管、李琳[9]等人研究的水力分离清水装置、陶洪飞[10-12]等人研究的分离鳃，在处理高含沙量的黏性颗粒时表现出了很大的优势，但出清水的流量较小，难以满足大面积微灌的需水量，仍需要进一步改进，提高水沙分离效率和出水流量。

针对以上问题，新疆农业大学农业水利工程课题组提出了一种新型处理泥沙的工程措施，即微压过滤冲洗池，因属于泵前过滤方式，减小了水头损失，解决了地表水水源微灌“低成本泥沙处理”这一关键问题。本文拟开展微压过滤冲洗池在不同排沙方式下的过滤效果，从而为微压过滤冲洗池在实际工程中的应用提供技术指导。

1 试验系统

微压过滤冲洗池在实际工程原理见文献[13]，图1表示本次实验的系统示意图。从图1可知该试验系统主要由微压过滤冲洗池、浑水池和水箱3部分组成。主要参数如下：微压过滤冲洗池的长、宽、高分别为700、500、700 mm；过滤网采用孔径为0.125 mm的柔性尼龙过滤网，其具有较高的耐磨性能和伸缩性能，有利于水流运动，同时由长度为700 mm的塑料网托架支撑，保证滤网的稳定性；进水管、回水管、连接管、排污管、出水管的直径分别为50、50、110、50、110 mm。

图1 微压过滤冲洗池结构示意图Fig.1 The structural diagram of PFWMP

2 材料及仪器

试验采用的泥沙颗粒级配如图2所示。从图2可知泥沙的中值粒径D50和粗端粒径分别为0.23、0.97 mm，泥沙粒径为0.25～1.0 mm的占48.8%,0.05～0.25 mm的占42.1%。

图2 试验沙的颗分曲线Fig.2 Gradation curve of sand

为观察微压过滤冲洗池中的试验现象，向水箱中投入有机玻璃板的锯末和树叶，如图3所示。

图3 试验用的杂质Fig.3 Impurities of experiment

试验所用的仪器主要包括：①电子秤1个；②秒表2块；③带有刻度的钢尺1把；④数码照相机1台；⑤搅水泵1台，泥浆泵1台；⑥LS-pop(6)型激光粒度仪；⑦英国740便携式悬浮物测定仪。

3 试验步骤及测量方法

3.1 试验步骤

本文的过滤是指泥沙进入到滤网中，从里向外过滤，达到水沙分离的目的。冲洗分为连续冲洗和定时冲洗，连续冲洗是指过滤开始时便开始冲洗，即排污阀始终是处于打开的状态；而定时冲洗是指刚开始排污阀是关闭的，当过滤一段时间后，滤网内污物增多鼓起，滤网即将破坏，此时需打开排污阀进行排污，从而保证滤网的安全。

为快速观察和量测微压过滤冲洗池的试验现象及数据，本试验选取的含沙量为3.1～3.6 kg/m3，该范围的含沙量可加速试验的进程，缩短试验周期。在定时冲洗状态下进行过滤，首先关闭排污阀，开启进水阀和出水阀，在浑水池中配置好试验所需要的浑水，然后将其通过泥浆泵注入水箱，并在此时向水箱中放入事先准备好的树叶和锯末，当泥沙及杂质进入到微压过滤冲洗池中，开始计时，且每隔一定时间记录水箱和微压过滤冲洗池的水深，并用数码相机记录微压过滤冲洗池中过滤的试验现象，同时量测浑水池内的含沙量和经微压过滤冲洗池过滤后水中的含沙量，当浑水池中的含沙量低于试验要求含沙量范围时，需向浑水池中加入泥沙，从而维持含沙量在试验要求的含沙量范围之内，重复上述步骤，直至过滤结束。与定时冲洗状态下过滤不同的是连续冲洗状态下进行过滤试验之前需打开排污阀，对滤网进行连续冲洗，其他步骤同定时冲洗。

3.2 测量方法

试验采用英国“740”便携式悬浮物测定仪测浓度。该仪器可精确测定含沙量，并且可适应于各种不同温度情况，而不影响其精度。其最小量程在0～50 mg/L，最大量程为0～20 000 mg/L。为使试验测溶液更准确，试验前应设置实验所需的测量模式，并且在试验前取已知含沙量的液体进行校正。仪器会将记录显示的数据保存下来，分析测量，得出准确的测量结果，此结果满足试验精度要求。

4 试验现象

图4表示不同时刻下两种排污方式的过滤试验现象。①当过滤时间t=10 min时，定时冲洗和连续冲洗下的过滤现象相同，如图4(a)所示。滤网都处于干瘪状态，且部分滤网被过滤后的水流淹没，此时仅有部分滤网参与过滤。②当过滤时间t=180 min时，如图4(b)所示，由于少部分泥沙、锯末和树叶逐渐堵塞滤网，滤网较t=10 min时鼓起一些，此时大部分滤网参与过滤，可观察到部分锯末和树叶在微压作用下在滤网内流动，而泥沙集中在滤网底部和尾部；但连续冲洗的滤网大部分被过滤出来的水流淹没，滤网鼓起程度小于定时冲洗的。③当过滤时间为t=480 min时，定时冲洗和连续冲洗下的过滤现象完全不同，如图4(c)所示。连续冲洗时的试验现象与t=180 min时相差不大；而定时冲洗的滤网完全膨胀，污物充满整个滤网，且未被过滤水流淹没，过滤效率低，同时微压过滤冲洗池中的水位下降，而水箱中的水位正在上升，此时需要打开排污阀进行排污，否则会导致滤网继续变形直至破坏，而连续冲洗时出现该现象的过滤时间为t=1 470 min，如图4(d)所示，排污管来不及进行排污，导致大量污物黏附在滤网内表面，滤网已经扭曲变形，滤网将要破坏，此时，需停止微压过滤冲洗池的工作，取出滤网进行冲洗。

图4 不同时刻下连续冲洗和定时冲洗试验现象Fig.4 The experiment phenomenon of PFWMP under different filtration time

5 试验结果与分析

水箱中水深的增加，能反映过滤网的堵塞情况，故本文以水箱中水深随过滤时间的变化情况进行相关说明，其中过滤时间可以反映微压过滤冲洗池的过滤效率，过滤时间越长，过滤效率越高。图5表示不同排污方式下水箱水深随过滤时间的变化曲线。从图5可以看出：①连续冲洗时，水箱中水深随过滤时间的变化规律包含水深恒定和水深快速增加2个阶段，而定时冲洗时，则包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3个阶段，且相同阶段发生的过滤时间段不同。如连续冲洗时水深恒定阶段的过滤时间段为0～1 320 min，而定时冲洗却为0～210 min，该阶段水深一直保持在31 cm，说明在微压(水头为98 mm)作用下，泥沙、锯末、树叶还未堵塞过滤网。连续冲洗时水深快速增加阶段的过滤时间段为1 320～1 470 min，而定时冲洗为210～420 min，随着污物在滤网中逐渐增多，水箱中的水位开始快速上升，微压过滤冲洗池中的水位快速开始下降。定时冲洗比连续冲洗多了一个水深急速增加阶段，过滤时间段为420～480 min，此时水箱中的水深随过滤时间急速增加，说明过滤网中的污物已经到达极限状态。②由本次试验研究确定，微压过滤冲洗池在定时冲洗时的过滤时间为420 min，连续冲洗的过滤时间为1 470 min,是定时冲洗的3.5倍，说明连续冲洗的过滤效率比定时冲洗要高。时间t=1 470 min应作为微压过滤池停止工作的时间，以保障滤网的安全性，而t=420 min作为定时冲洗的时间，即此时必须打开排污阀进行排污，从而保障微压过滤冲洗池的正常运行。连续冲洗的过滤时间比定时冲洗的要长，分析其原因主要是由于连续冲洗时排污阀保持开启状态，排污口流量为1 m3/h，可将部分污物排出微压过滤冲洗池，从而增加了过滤时间，但因排污口流量非常小，加上排污口直径仅为50 mm，部分滤网又在排污管管轴线以下，造成污物堆积在滤网底部，随着过滤时间的推移最终污物仍然会堵塞滤网，这也是连续冲洗时存在水深快速增加阶段的原因。

图5 不同排污方式下水箱水深随过滤时间的变化曲线Fig.5 Curve of water depth variation in the tank with filtration time in different blowdown modes

泥沙去除率是反映微压过滤冲洗池处理污物能力的一项重要指标，表达式如式(1)所示。

(1)

式中：η是泥沙去除率，%；S1是过滤后微压过滤冲洗池中的含沙量，kg/m3；S是过滤前浑水池中的浑水含沙量，kg/m3。

表1表示同一含沙量下不同冲洗方式的泥沙去除率的对比，可得相同含沙量下定时冲洗和连续冲洗的泥沙去除率都可以达到81%以上。

表1 定时冲洗和连续冲洗两种情况下的泥沙去除率对比Tab.1 Contrast of sediment separation efficiency under time-washing and continue-washing

级效率是反映微压过滤冲洗池处理泥沙能力的另一项重要指标。级效率，是指某一级别粒度颗粒的分离效率。将3.1～3.6 kg/m3范围下定时冲洗和连续冲洗过滤后的水流利用激光粒度仪进行分析，得出颗分曲线，如图6所示。从图6可以看出，2种不同冲洗方式下微压过滤冲洗池过滤后的泥沙颗分曲线几乎相同，0.15～1 mm的泥沙全部截留在过滤网内，级效率达到100%。

图6 原土样与不同冲洗方式下过滤后水流中泥沙的颗分曲线Fig.6 Gradation curve of original soil sample and the sediment after filtering water under different blowdown modes

由泥沙处理能力的指标可知，连续冲洗和定时冲洗下的污物处理能力相当，但连续冲洗的过滤时间是定时冲洗的3.5倍。实际应用时，两种排污方式可以并存，虽然连续冲洗过滤时间长，但存在一个耗水率的问题，本实验中进水管中流量为10 m3/h，排污流量为1 m3/h，耗水率为10%，为使耗水率为0，可在微压过滤冲洗池后设置排污池，排污池中再放入一个柔性滤网，如此污物全部拦截在该滤网里，而排污池中的水可通过设置旁通管通过水泵抽入到主管道中。定时冲洗，虽然冲洗频繁，但随着电磁阀的使用，可以自动开关阀门，所以已不成问题。

6 结 语

本文对微压过滤冲洗池在同一含沙量范围下排污管定时冲洗和连续冲洗进行物理试验，并对试验结果进行了分析，得到以下结论：

(1)在连续冲洗下进行过滤时，水箱中水深随过滤时间的变化规律包含水深恒定和水深快速增加2个阶段，而连续冲洗时，则包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3个阶段。

(2)在本试验条件下，微压过滤冲洗池在连续冲洗下的过滤时间为定时冲洗的3.5倍，说明连续冲洗时的过滤效率比定时冲洗要高。

从泥沙去除率、级效率、中值粒径和粗端粒径考量两种不同排污方式对微压过滤冲洗池的泥沙处理能力影响，结果表明两种方式下的泥沙处理能力相同，均满足微灌系统对灌溉水的要求，故实际工程中两种排沙方式都可以采用。

[1] 徐文静，王翔翔，施六林，等．中国节水灌溉技术现状与发展趋势研究[J]. 中国农学通报，2016,32(11)：184-187．

[2] 袁寿其，李 红，王新坤．中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J]. 排灌机械工程学报，2015,33(1)：78-92．

[3] 赵文杰，丁凡林．我国节水灌溉技术推广现状与对策研究综述[J]. 节水灌溉，2015,(4)：95-98．

[4] 刘 飞．微灌自清洗网式过滤器运行特性研究[D]. 新疆石河子：石河子大学，2011．

[5] 崔春亮，雷建花，阿不都沙拉木．自主研发的自动清洗网式过滤器[J]. 节水灌溉，2010,(10)：46-48．

[6] 阿力甫江·阿不里米提，虎胆·吐马尔白，马合木江·艾合买提，等. 直冲洗鱼雷网式过滤器内流场的数值模拟[J].节水灌溉,2014,(10):6-10.

[7] Wenyong WU, Wei CHEN, Honglu LIU, et al. A new model for head loss assessment of screen filters developed with dimensional analysis in drip irrigation systems [J]. Irrig. and Drain., 2014,(63):523-531.

[8] 谭义海，李 琳，邱秀云．梭锥管混浊流体分离装置水沙分离试验研究[J]. 新疆农业大学学报，2010，33(6)：521-526.

[9] 李 琳，邱秀云，聂 境，等．基于滴灌浑水水力分离装置的水沙分离试验研究[J]. 水资源与水工程学报，2010，21(6)：37-40.

[10] 陶洪飞，邱秀云，赵丽娜，等. 分离鳃内部流场数值模拟与PIV显示[J].农业工程学报，2013，29(17)：38-46.

[11] 陶洪飞，邱秀云，何照青，等.含沙量对分离鳃的水沙分离影响试验[J].水电能源科学，2013，31(7)：93-95.

[12] 陶洪飞，邱秀云，李 巧，等.不同鳃片间距下的分离鳃内部流场三维数值模拟[J].农业机械学报，2014，45(6)：183-189.

[13] 陶洪飞，马英杰，洪 明，等. 微压过滤冲洗池的污物处理能力研究[J]. 节水灌溉，2017,(2):39-43.