浅述新疆地区几种微灌用过滤器研究

葛宇川 刘贞姬 贾 旺(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

浅述新疆地区几种微灌用过滤器研究

葛宇川 刘贞姬 贾 旺(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

介绍新疆地区微灌中常用过滤器的工作原理与特点，简述了过滤器与自动控制和自动冲洗的结合以及多种过滤器的联合使用。针对过滤器的发展趋势以及发展中面临的堵塞问题，指出了过滤器研究的几个方向。对于新疆农业的发展，微灌技术的发展、推广、应用、普及，以及过滤器的研究发展具有一定程度的积极作用。

新疆地区；微灌；过滤器

引 言

滴灌技术在新疆地区的发展提高了水资源在农业生产中的利用效率，可以说微灌技术的应用推广在一定程度上缓解了新疆地区水资源短缺的问题；同时较高的水资源利用率意味着结余的水能够灌溉更多的农作物，从而提高农作物的产量。因此，在新疆地区干旱缺水无法很好的满足农业生产的现状下，通过微灌等节水技术来缓解水资源供需不平衡的问题就显得尤为必要了。对于新疆地区乃至西北区区来说，地面水源的比例占了灌溉水源的80%以上。但地面水源往往含有大量的泥沙，从而极容易引起灌水器的堵塞问题，进而严重降低滴灌系统的使用寿命[1]。假如无法处理好微灌用水的杂质问题，必将使增加农业生产的投入大大提高。

由此可见过滤器是微灌系统中极为重要的部分，并且其工作性能直接影响了微灌系统的工作效率，从而间接对新疆地区水资源的利用产生影响。新疆地区微灌用过滤器主要采用网式过滤器、砂石过滤器、叠片式过滤器以及水力旋流过滤器。

1 过滤器的工作原理与特点

一般情况下，微灌用过滤器的过滤是通过对过滤介质将固体和液体分离单元的操作将固体和液体分离[2]。它利用某些特定的过滤介质或者多孔膜将液体中的难容颗粒截留下来。但一些其他类型的过滤器，是利用离心力等物理要素来达到固液分离的目的。总的来说，微灌用过滤器是一种使用特定方法使灌溉用水达到固液分离目的的装置。

1.1 网式过滤器

1.1.1 工作原理

网式过滤器是新疆地区最常见的过滤器类型。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。

滤饼过滤和介质过滤是滤网过滤的两个主要机制，其中又可以将表面过滤与深层过滤统称为介质过滤。根据过滤过程时间的先后顺序，滤网过滤分为两个不同阶段：介质过滤阶段和滤饼过滤阶段[3]。两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。

下面是一种自清洗网式过滤器的工作流程，两个主要过程分别为过滤和自清洗。

1）过滤过程

首先，水由进水口进入自清洗网式过滤器，首先经过2滤掉直径较大的颗粒杂质或大于12吸度开口的泥沙，然后到达3处，通过4滤除较为细小颗粒的有机以及无机杂质后，清水由5处排出。用过这样一个持续的过程，比细滤网网孔大的泥砂等杂质颗粒被拦截下来，而内层杂质逐渐堆积，滤饼层增厚，如图1、3。

2）自清洗过程

随着泥砂积聚在细滤网内表面，自清洗网式过滤器的内外两侧的压差就会持续增加，此压差达到预设的某一阈值时，过滤器附属的压差传感器便将信号传递给过滤器控制器，控制器动作后，将自动开始清洗过程。控制器打开7的同时关闭5。又由于排污阀与大气相连，过滤器内外的压力差使12产生吸力，通过其吸嘴吸取细滤网内壁上的附着的杂质和污物，同时吸力又能使水流在细滤网处由外向内反向的高速流动，进而将杂质冲洗下来。通过以上过程就可以将滤网内表面泥砂排除干净。泥砂经11、10由排污口排出的同时，水流由水力旋喷管喷出时将产生反作用力带动11及整个内部吸附系统旋转。随着细滤网内过滤过程中留下的泥砂等杂质逐渐被清洗排出，压差也会随之减少。当压强低于设定值时，信号由压差传感器传至控制器引起然后控制器动作，然后在关闭排污阀的同时完全打开出水阀。与此同时，水力旋喷管将失去动力不再喷射，由于喷射所产生的反作用力消失，自动吸附系统停止旋转，自清洗过程结束。上述即为自清洗网式过滤器的一个工作周期，过滤器再次进入正常工作状态，详情如图2。

图1 滴灌用立式自吸网式过滤器结构示意图（正视）

图2 水力旋喷自动吸附系统结构示意图

图3 滴灌用卧式自吸网式过滤器结构示意图（正视）

1.1.2 网式过滤器的特点

对照组采用常规护理管理，对策组在常规护理管理基础上针对突发事件归纳危险因素，应用风险管理。风险管理主要从风险因素分析到风险因素预防策略制定。

与其他类型的过滤器相比较，网式过滤器有着结构简单且价格便宜的优势，但网式过滤器用而久之后会因滴灌水中有机物质或无机物质等杂质累积造成滤网因堵塞而使压差增大，若不及时清洗则会引起滤网破裂，影响系统使用寿命。因此人尝试了自动控制的自清洗网式过滤器，其压力损失很小，体积较小，且无需人工清洗，同时利用压差实现了自动化控制，大大提高了过滤器的效率和过滤精度，弥补了传统网式过滤器的不足，因而受到了广大农户的青睐。

1.2 砂石过滤器

1.2.1 工作原理

砂石过滤器以均质等粒径石英砂形成砂床作为过滤介质，是一种立体深层过滤的过滤器，常被用于一级过滤，将粒径较大的杂质截留。砂石过滤器又被称石英砂过滤器，砂滤器，它是其主要是采用砂石作为滤料过滤。一般情况下，砂床所采用石英砂粒径为0.4-1.2mm。

图4为简化的砂石过滤器结构图。其内部滤料按照不同的高度分层布置，滤料主要采用石英砂，同时以无烟煤、鹅卵石等辅助。过滤时天然地表水由进水口流入，通过滤料层中存在的孔隙向下渗透，由于水压力的作用，杂质水可均匀流向底部。然后将各个过滤器滤罐中过滤后的清水汇到干管中，并送入灌溉系统，即完成地表水的过滤过程。使用一段时间后，由于过滤介质的堵塞，需要对过滤器进行清洗，清洗后过滤器恢复原有过滤功能。这种过滤、清洗的过程循环不停，从而实现了对污水的净化处理。

图4 滴灌用砂石过滤器结构示意简图

1.2.2 砂石过滤器的特点以及所面临的主要问题

砂石过滤器是典型的介质过滤器之一，其三维过滤具有较强的过滤能力。参考以往文献以及实验研究，砂石过滤器能有效地处理水中有机杂质和无机杂质。因为砂石过滤器滤出和存留杂质的能力很强，且不间断供水的能力使其具有较高的工作效率，当水中有机物含量较高时，适合选用砂石过滤器。

砂石过滤器结构以及工作原理单，但同样面对着许多问题。为解决这些问题，许多专家对其进行了研究。杨树新主要介绍了其工作原理及在滴管系统中的应用，并对比了不同种类砂石过滤器的技术问题，并对其经济性进行了研究[4]；杨立军，武维斌，赵玉峰等针对砂石过滤器反冲洗时存在的跑料问题进行了研究，对砂石过滤器的控制系统和结构进行了改进，一定程度上解决了跑料问题[5]；王林春和张荣标主要研究了其在蔬菜微灌方面的应用，认为砂石过滤器能保证微灌设备的正常运行，其应用于微灌工程中，有利于蔬菜的稳产、增产[6]。

根据实际工程需要，以及各个地区不同的水源条件，砂石过滤器可单独或多个组合使用，也可作为初级过滤与网式过滤器、叠片过滤器组合使用，调高整体的过滤效果。

1.3 叠片式过滤器

1.3.1 工作原理

叠片过滤器是由滤壳和滤芯组成，上下壳体构成了滤壳，其间用卡箍扣紧或螺纹口对接的方式连接，一般情况下进出水口水平或垂直附置在外壳上。滤壳的材质不一且形状各异，通常由塑料、不锈钢、涂塑碳钢等材料构成。过滤器外形多呈T形或Y型，内置滤芯，滤芯为空心圆柱体，由数量众多的表面带有凹槽的塑料薄片套在骨架上组合而成[7]。

叠片过滤是一种复合的三维过滤，如图5所示，能同时进行表层过滤和深层过滤，它的滤芯和叠片为杂质处理载体。当过滤器工作，即带有杂质的水流通过时，进水压力将叠片压紧，此时将发生表层过滤，大颗粒和粗纤维被拦截。因为叠片是由一组带不同方向的沟槽的塑料盘片相互叠加而成，其表面的凹槽相互交叉，构成了许多不规则的通道，造成这个通道由外向内逐渐缩小，同时滤网就由这些过滤单元中被压紧的叠片组合形成，厚度相当于30层普通滤网，能阻止杂质的通过。此时将发生深层过滤，小颗粒和细纤维被拦截。当过滤器运行到一定时间时，由于内外压差，系统会自动进入反冲洗状态，反洗阀门将会改变过滤单元中的水流方向。如图6所示，这种状态下，侧部进水口转换为排水口，隔膜装置失去了先前的下压力，反冲洗水就可以从从下部的出水口进入。反冲洗水将过滤芯上的弹簧打开，并且在叠片组顶部释放活塞空间[8]。此时，反冲洗水在喷嘴上沿着叠片的切线方向喷水，使叠片旋转，在水流的大力冲刷和叠片旋转离心作用下，残留在叠片上的杂质被冲走。所有单元反冲洗完毕后，系统恢复正常过滤状态，依次循环。

图5 叠片式过滤器工作原理图

1.3.2 叠片式过滤器的特点

叠片式过滤器的反冲洗自耗水量约为过滤水量的0.25%，且过滤精确可靠，过滤精度由盘片上沟槽的不同深浅和数量来确定。叠片式过滤器有全自动运行，高效反洗，稳定并且连续出水的特点。自动控制装置可以根据提前设定的压差或时间自动控制过滤器进行反冲洗，反冲洗时间较短，约为10～20s。由于叠片过滤器采用模块化设计，用户可根据生产要求选择模块组装，可以很好地满足用户的实际需求，从而使安装可以因地制宜，节省占地。近年来，叠片过滤器滤芯多以特制高科技工程塑料为原料制成，该种材料十分坚固不易变形，耐磨损和腐蚀[9]。因此，由于叠片过滤器维修护理费用减少，操作简单易上手，使用寿命延长，现在已拓展到许多新的领域，如市政工程，海水淡化，食品加工，呈现出越来越广阔的应用前景。

图6 叠片式过滤器反反清洗工作原理图

1.4 水力旋流过滤器

1.4.1 工作原理

旋流分离器是一种应用广泛的湿法分离设备,它具有结构简单、操作和安装方便、生产能力大等优点[10]。

整个过滤器装置主要由供料系统、流体管路系统、泵、旋流过滤器及测量系统五大部分组成，如图7所示。料罐中的悬浮液经搅拌器充分搅拌均匀后,由旋涡泵吸入,经玻璃转子流量计和流体管路系统进入旋流过滤器。分离后的溢流液经流量计和管路系统流回到料罐,底流液则经管路系统直接返回料罐,过滤液经量筒计时收液后倒回料罐[11]。

图7 水力旋流过滤器工作原理图

1.4.2 水力旋流过滤器的特点

一方面，作为一台旋流器,它增加了一股过滤流,分级能力更强;另一方面，作为一台过滤器,由于内部流体的高速旋转运动,阻止了滤饼的生成,可以实现连续操作[12]。可以说，水力旋流过滤器优越性十分显著,并且具有广阔的发展空间，因为其是一种将旋流器和过滤器两种分离机理相结合的新型分离设备，并在很大程度上弥补了单一部分作用时存在的不足。

2 过滤器的发展

观察近几年过滤器的发展，结合以上讨论，发现过滤器的发展应用中存在很明显的三个趋势。

2.1 自动化程度逐渐提高

一方面，自动化程度的高低反映了过滤系统整体发展水平的高低，另一方面，由于新疆地区多为大田灌溉，较低的自动化程度势必会造成对劳动力的大量需求，从而提高生产成本。因此从科技发展和经济需求方面考虑，自动化程度的提高存在必然性。

2.2 自清洗技术的普及

自动清洗是过滤器自动化很重要的一部分。由于过滤器的堵塞是不可避免的，并且会对灌溉系统的正常运行产生很大的影响，且过滤器的清洗在以往需要耗费极大地人力物力，所以说自动清洗是过滤器自动化很重要的一部分。

2.3 多种过滤器的联合使用

由于不同种类的过滤器有各自不同的优缺点，过滤器的联合使用会大大提高过滤效果和效率。但过滤器的联合使用需要更多的资金投入，且目前对过滤器联合使用投入和产出关系的研究比较少。

3 过滤器堵塞机理的研究

过滤器堵塞问题是限制过滤器发展的主要因素且由来已久，多数专家学者主要通过水力性能来研究过滤器的堵塞问题，并给出解决办法。但很少有关于过滤器堵塞问题微观成因的研究，研究其微观成因有利于从根本上揭示过滤器堵塞的机理，从而从根本上解决过滤器堵塞问题。

结 语

农业的发展，尤其是在新疆地区，离不开节水灌溉技术的发展。而节水灌溉系统作为一个统一的整体，其配套设施的发展对灌溉节水灌溉技术的发展有着尤为重要的影响。作为微灌系统重要组成部分的过滤器，对其发展的总体要求应该是：便宜耐用，结构不能太过复杂，且工作性能稳定。因此，注重微灌用过滤器的研究，解决其堵塞问题，对微灌技术在新疆地区的推广以及新疆地区农业的发展有着极为重要的作用。

[1]宗全利,郑铁刚,刘焕芳等．滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析[J]．农业工程报,2013,16:57-65．

[2][3]丁启圣,王唯一．新型实用过滤技术[M]．北京：冶金工业出版社,2011．6．

[4]杨树新．砂石过滤器在滴灌系统中的应用[J]．青海科技,2005,02:50-51．

[5]杨立军,武维斌,赵玉峰．砂石过滤器反洗防跑料控制技术及应用[J]．鞍钢技术,2014,06:57-59．

[6]王林春,张荣彪,张国江．砂石过滤器在微灌工程中的应用[J]．黑龙江水专学报,2001,01:99-101．

[7]张娟娟,徐建新,黄修桥等．国内微灌用叠片过滤器研究现状综述[J]．节水灌溉,2015,3:59．

[8]王艳．叠片式过滤器在膜法海水淡化工艺中的应用前景[J]．化工科技市场,2010,08:1-2．

[9]周从民．叠片式过滤器在水刺工艺水处理上的应用[J]．产业用纺织品,2013,01:34-35

[10]赵庆国,张明贤．水力旋流器分离技术[M]．北京：化学工业出版社,2003．

[11]杨晓惠,刘仁桓,金有海．旋流过滤器的结构与性能研究[J]．Fluid Machinery, 2008,36:10-13

[12]Souza FJ,Vieira LGM．Analysis of the influence of the filtering medium on the behaviour of the filtering hydro cyclone [J]．Powder Technology,2000,107:259-267．

Review of Several Kinds of Filters for Micro-irrigation in Xinjiang Region

Introduces the working principle and characteristics of several kinds of filters for micro-irrigation in Xinjiang and sketches combination of filter and automatic control and automatic flushing and combined use of multiple filters．According to the development trend of the filter and the problem of congestion in the development, points out several directions of the research of the filter．Makes a certain degree of positive effect on development of agriculture in Xinjiang,,the application of micro irrigation technology and development of filters．

Xinjiang region；micro-irrigation；filters

S277．9文献识别码：A

1003-8965(2017)03-0135-04

国家自然科学基金资助项目（11662018）；石河子大学应用基础研究青年项目(2014ZRKXYQ15)。