塑料介质过滤器的水力性能及泥沙处理特性研究

2018-07-31张胜江

节水灌溉 2018年7期

段腾，张胜江，郭涛

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业节水工程技术中心，乌鲁木齐 830049)

新疆是多泥沙水质为主的区域，发展大规模节水灌溉，首部水质处理是关键。目前，在较高含沙水源滴灌[1]系统中，砂石过滤器[2]是最常见的介质过滤器，其运行性能相对较为稳定，但也存在诸多问题：一是使用寿命短，容易风化；二是因为砂石沉重，反冲洗需要的水流速大、工作压力高，不适应目前滴灌技术向低压低能耗方向发展的要求；三是大粒径砂石滤料悬浮性差，反冲洗易产生不均匀沉降，造成“滤帽露孔”现象，使过滤器失效；四是冲洗用时长、用水量大，且对粒径较大的中粗砂颗粒清洗效率不高，容易造成底部滤帽处泥沙沉积结块，经常需采用人工清洗，劳动强度大，费时费力影响了过滤器在高含沙水质时的运行效率，这一点在中粗砂含量较高的井水滴灌系统中影响尤为突出。

新型轻介质过滤器，相较于传统砂石介质过滤器，采用轻型滤料介质，可适应低压工作条件，满足滴灌技术向低压低能耗方向发展的要求；使用再生塑料等新型介质，可延长滤料使用寿命，减少维护费用；同时可提高过滤器清洗效率，减少反冲洗时间和耗水量，从而提高对高含沙水质的适应能力；利用轻型滤料的高悬浮性能，更有利于泥沙沉降，提高过滤效率，同时在反冲洗时不会发生滤料不均匀沉降造成的“滤帽露孔”问题，提高过滤器运行的可靠性。本研究适合我国滴灌技术节能降耗发展的迫切要求，将为井灌区高含沙老机井滴灌提供技术支撑，有十分重要的现实意义。

1 试验内容与方法

1.1 试验装置与设备

试验为小比例模型试验，滤料为PVC片状塑料介质，粒径8 mm;试验所用过滤器模型采用半径0.1 m，高度为1.2 m的圆柱形有机玻璃管，滤料层厚度为0.6 m，仪器两端有滤网，密封良好[3]。供水采用可调压滴灌抗堵塞试验系统，泥沙拌和箱的体积为0.5 m3，储水箱的体积为1 m3，高精密压力表两块，变频控制水泵1台，配置不同含沙水所需的沙样若干；天平，滤纸，电子秒表等(见图1和图2)。

图2 过滤器Fig.2 The filter

试验系统由拌和箱、储水箱和过滤装置3部分组成。过滤装置又分为过滤器和两个高精密压力表。压力表记录过滤过程中的压力值，通过压力表的读数相减就能够得出水流通过过滤器的水头损失[4]。在过滤器的进水口和出水口各安装一个控制阀门，通过调节阀门开启的程度来控制流量(见图3)。

①-水桶；②-抽水泵；③-泥沙搅拌罐； ④-搅拌器；⑤-水泵；⑥-储水箱；⑦-电磁流量计；⑧-阀门；⑨-高精度压力表；⑩-过滤器图3 试验装置图Fig.3 Test installation diagram

1.2 试验设计

本试验主要采用正向过滤的方式，试验影响因素选择过滤流量和原水含沙率，过滤速度选择1.5、1.7、2、2.5和3.4 m3/h 5个水平；原水含沙率选择1、1.5和2 kg/m33个水平，比较不同试验条件下的过滤器水头损失、泥沙去除率以及反冲洗效果，总结出相关规律。

1.3 试验方法

在清水试验时，按试验设计进行试验，调节好预定的流量和压力，等到流量与压力达到设定值后开始记录数据，间隔设定为2 min，清水条件下不存在泥沙堵塞过滤器的情况，故水头损失和过滤流量比较稳定，监测12 min后停止清水试验。

含沙水试验前先将沙样风干，并用1.8 mm的筛网筛去颗粒较大的杂质。调节好试验设计所需的流量与压力后，开始试验，数据记录间隔为1 min。用量杯盛接滤后水，测得滤后水的含沙率，与原水含沙率比较计算出泥沙去除率。总结分析局部水头损失变化规律、过滤流量与水头损失之间的关系以及过滤系统的泥沙去除率[5]，从而确定新型PVC塑料介质过滤器的水力性能和泥沙处理能力。

1.4 参数测定

过滤器的水头损失由位置水头以及过滤器进出口的压力表读数差确定。

水样的含沙率采用过滤烘干法，首先对滤后水样进行24 h的静置沉淀，使泥沙颗粒完全沉淀，再用滤纸进行过滤，测得一定体积的水样烘干后的泥沙质量，最后换算为单位体积的含沙率。同时为了说明原水过滤前后含沙率的变化，引入了泥沙去除率进行分析[3]。

2 试验结果与分析

2.1 过滤器水力性能研究及分析

过滤器产生水头损失主要是因为水流流经过滤器时发生了能量损耗，过滤器水力性能的好坏直接影响到整个灌溉系统的运行效率和水质处理效果。本试验所采用的过滤系统中，其水头损失主要是因为水流流经过滤器时产生能量损耗而造成的，考虑到管路中产生的沿程水头损失较局部水头损失可以忽略不计，因此为了更为方便的研究，试验过程中忽略沿程水头损失，只考虑局部水头损失[4]。

为使新型轻介质过滤器的水力性能研究结果更充分，首先要通过试验测得清水条件下局部水头损失的大小，分析局部水头损失与流量的对应关系，找出相关规律；随后在清水试验的基础上，分析过滤器在处理不同含沙水时所对应的局部水头损失大小，得出局部水头损失随流量和水质状况的变化规律[4]。

2.1.1 清水条件下过滤器水力性能研究

根据实测数据，清水条件下过滤器局部水头损失与过滤流量的关系曲线如图4所示。

图4 过滤器局部水头损失与流量的关系曲线Fig.4 The relation curve of local head loss and flow rate of filter

由图4可看出，过滤器的局部水头损失随流量的增加而增加，且呈现二次抛物线的形式[5,6]。

根据局部水头损失公式和管道平均流速公式：

(1)

(2)

式中：hj为局部水头损失，m；ζ为过滤器局部损失系数；v管管道平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；Q为流量，m3/h；A管为管道断面面积，m2。

由公式(1)和(2)可得：局部水头损失hj只与流量Q的二次方程正比例。由此可以得出该过滤器的水力特征方程形式为[6]：

hj=kQ2

(3)

式中：k为过滤器系数。

将实验数据按该方程回归拟合得到如下方程：

hj=0.126Q2

(4)

该方程的R2为0.943>0.9，相关程度好。

2.1.2 含沙水条件下过滤器水力性能研究

(1)过滤器初始局部水头损失研究。图5为过滤器处理不同含沙水流时，局部水头损失～流量变化曲线。

图5 片状介质正向过滤流量与过滤器平均水头损失的关系曲线图Fig.5 The diagram of the relationship between the filter flow and the average head loss of the filter

3种含沙水流之间的变化曲线随流量的增大呈上升趋势，但变化并不明显，基本上重合在了一起。表1为不同水质条件下的过滤器局部水头损失值，包括清水和含沙水。由表1可知，同一水质，流量越大，局部水头损失越大；同一流量，3种含沙水所对应的局部水头损失也基本相同，且均高于清水条件下的局部水头损失值[5]。

表1 过滤器局部水头损失统计表Tab.1 Statistical table of local head loss of filter

按方程式(3)对各含沙水条件下的试验数据进行回归拟合，得到二次回归方程如表2所示，各方程的相关系数R均大于0.9，拟合情况良好。从拟合方程可以看出，3种含沙水对应的回归方程基本一致，其结构系数k分别为0.136、0.141、0.15，将含沙水与清水的回归方程进行比较发现，含沙水的结构系数均大于清水的结构系数，说明水流中的泥沙会对过滤器的局部水头损失产生一定的影响，含沙水的黏滞系数大于清水的黏滞系数，当水流运动时，含沙水要克服更大的摩擦阻力，因此含沙水的局部水头损失要大于清水的局部水头损失。由方程还可以看出含沙率高的，其结构系数也要略大，即水头损失随着含沙率上升也随之增大。

表2 过滤器局部水头损失与流量的二次回归方程Tab.2 Secondary regression equation of local head loss and flow of filter

(2)流量一定条件下水头损失变化规律。试验过程中对过滤器控制柜预设一个压差值，并在稳定过滤流量2 m3/h条件下改变不同进水含沙量，测出不同过滤时间的水头损失变化情况结果如图6所示。

图6 不同含沙水的水头损失变化曲线Fig.6 Different water head loss curve with sand water

由图6可知，在相同过滤流量下，不同原水含沙量下的水头损失变化趋势基本相同，初始阶段水头损失的变化较平稳，随着过滤器运行时间的增加，淤积在滤网上的泥沙颗粒逐渐增多，由图6可知，在t=35～45 min、h=0.7 m左右时出现拐点。当原水含沙量由小增大时，过滤器水头损失曲线出现拐点的时间点越来越早，这大概是因为单位时间内原水的含沙率越高，进入滤网断面的泥沙颗粒就越多，同时附着在滤料和滤网上的泥沙颗粒也比低含沙量时多，更容易在短时间内引起过滤元件的堵塞，过滤器的水头损失曲线会在短时间内出现拐点[7]。

(3)含沙量一定条件下水头损失变化规律。图7以原水含沙率为1.5 kg/m3的含沙水为例，分析局部水头损失随时间的变化情况。

图7 过滤器局部水头损失随时间的变化曲线图Fig.7 The variation of local head loss over time

在过滤初期，相应流量下的过滤器局部水头损失随时间的变化并不明显，均是在水头损失平均值附近浮动，运行比较稳定。随着过滤系统运行时间的延长，过滤器水头损失逐渐增大，当局部水头损失达到0.7～1.6 m后，曲线出现了拐点，局部水头损失开始急剧增加。

将局部水头损失曲线的拐点定义为堵塞周期点。从图7可以看出，随着过滤系统运行时间的延长，不同流量对应的水头损失开始迅速增加。这主要是由于过滤器过滤元件的实际过水面积和水流穿过滤孔流速的变化引起的[5]。过滤器的局部水头损失与过滤流量呈二次函数的关系，在过滤过程中，流量越小，局部水头损失也越小；同时流量越小，过滤器通过的泥沙颗粒含量就相对较少，滤孔被堵塞的概率就越小，过滤系统稳定运行的时间就越长，达到堵塞周期点所需的时间就越长。

随着运行时间的延长，淤积在过滤器中的泥沙颗粒数量增加，滤孔堵塞的概率增大，过滤元件的实际过水面积因滤孔的堵塞而逐渐减小，由此产生的能量消耗也逐渐增大，当堵塞到一定程度以后，局部水头损失将急剧增加，表明过滤器趋于完全堵塞，需进行泥沙清洗，保证运行。

2.2 过滤器泥沙处理能力的研究及分析

微灌系统中安装过滤器的主要目的是：①过滤水流中粒径较大的杂质；②保证灌水器不发生堵塞；③使整个滴灌系统的使用寿命大大延长；④提高灌水质量和作物产量。因此泥沙处理性能是过滤器一项重要的指标。

通过实验，具体研究各个含沙水条件下，过滤器的泥沙去除率；同时分析比较反冲洗时，滤后水的含沙率随时间的变化情况。

2.2.1 过滤器泥沙去除效果研究

泥沙去除率分析表如表3所示，可以清晰反映出改变流量和原水含沙率情况下泥沙去除率的变化。

由表3可以看出，不同水质条件下，泥沙去除率随流量增大有明显的下降趋势，当流量达到一定阈值后，去除率趋于稳定；当流量一定时，随着原水含沙率的增加，泥沙去除率呈现减少趋势。

表3 不同流量与原水条件下过滤器的泥沙去除率统计表Tab.3 Statistical table of sediment removal rate of filter with different flow rate and original water condition

应用SPSS软件做相关性分析，可以得出原水含沙率和过滤流量与泥沙去除率的显著性系数p分别为0.014和0.026，均小于0.05，说明具有显著性，Pearson相关系数为负数，说明是中度负相关(见表4)。

表4 相关性分析表Tab.4 Correlation analysis table

注：*为在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

综上所述，过滤流量和原水含沙率对泥沙去除率起到决定性的作用，过滤流量不能太小，过滤器容易发生堵塞；同时流量也不能太大，泥沙杂质会被冲出滤孔，起不到过滤的作用。原水含沙率越大，过滤器的泥沙处理能力就越差。

2.2.2 反冲洗过程中冲砂水含沙率的变化情况

当正向过滤试验停止后，排空搅拌罐和供水罐里的水，注入清水开始逆向反冲洗，用量杯盛接滤出水，试验共进行24 min，同样采用过滤烘干法，计算出单位体积水样的泥沙含量。现从以下两个方面来研究反冲洗[8-10]过程中，冲砂水的泥沙含量变化。

(1)含沙水在不同流量的反冲洗作用下，含沙率的变化情况如图8所示。

由图8可知，冲沙水的含沙率变化主要在8 min之前，特别在前4 min急剧减小，8 min后变化趋于平稳，大约20 min左右含沙率趋近于零。图8中1和1.5 kg/m3含沙水在不同流量反冲洗的条件下，滤后水初始含沙率的规律是相同的，即滤后水初始含沙率1.5 m3/h>1.7 m3/h>2 m3/h>2.5 m3/h>3.4 m3/h，当原水含沙率较低时，过滤流量越小，过滤效果越好，系统运行时间越长，过滤器内堆积的泥沙就越多，反冲洗时冲沙水的初始含沙率就越高；而2 kg/m3含沙水的冲砂水含沙率与流量的关系不明显，没有明显的规律。

(2)不同含沙水在相同流量的反冲洗作用下，冲沙水含沙率的变化情况如图9所示。