流量对微压过滤冲洗池过滤性能的影响研究

2019-09-23杨圆坤陶洪飞牧振伟马合木江艾合买提杨文新姜有为

水资源与水工程学报 2019年4期

杨圆坤，陶洪飞，牧振伟，李巧，马合木江·艾合买提，杨文新，姜有为

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

我国农业灌溉用水紧张，节水灌溉技术的推广显得尤为重要。新疆的农业灌溉用水80%以上来自地面水源，它们携带的大量泥沙极易堵塞灌水器，过滤设备则起到清除水中杂质，保证微灌系统正常运行的作用[1-3]。

网式过滤器是一种常见的过滤设备，国内外诸多学者对其水力性能及内部流场做了相关研究。刘飞等[4]通过自清洗网式过滤器在清水和浑水条件下，拟合出80和120目的水头损失计算公式。刘晓初等[5]得出清水条件下120目的Y型筛网式过滤器在5.65 m3/h下的水头损失达1.5 m。阿力甫江·阿不里米提等[6-7]研究了鱼雷网式过滤器的水头损失，该过滤器在清水条件、300 m3/h情况下120目滤网的水头损失达3.2 m，并且水头损失会随过滤时间的推移不断增加。Puig-Bargués等[8]采用量纲分析方法建立了微灌用网式过滤器水头损失计算的通用数学模型。Duran-Ros等[9]基于Puig-Bargués等[8]和Yurdem等[10]的研究成果，采用量纲分析方法推导和建立了新的水头损失数学模型。Wu Wenyong等[11]考虑网式过滤器结构尺寸和影响滤网过滤介质的因素，结合试验数据和量纲分析方法，建立了水头损失改进的计算数学模型。在以上研究结果基础上，Zong Quanli等[12]结合试验数据和考虑11个影响水头损失的影响因素，分别建立了计算清水和浑水条件下自清洗网式过滤器的水头损失方程。在对微灌用网式过滤器做流场分析时，计算流体动力学(CFD)得以广泛应用。王新坤等[13]采用多孔介质模型对进水口直径为50mm的阿素德(AZUD)普通微灌网式过滤器内部进行数值模拟，得到了其内部的速度分布和水力特性。李浩等[14]通过研究发现微灌网式过滤器的压力水头损失主要发生在滤网两侧。陶洪飞等[15-17]模拟了网式过滤器中的清水流场，探讨了流量及滤网孔径对其内部流场的影响，在此基础上进行了结构优化，提出了渐缩式网式过滤器。喻黎明等[18-19]以CFD-DEM耦合模拟Y型网式过滤器内部的流场和泥沙，得出其出口侧上端面有更好的过滤性能及压差主要发生在滤网两侧。通过对网式过滤器流场进行分析，了解其工作时的水力特性，可以更好地优化网式过滤器的内部结构，使其更好地应用于微灌系统中。

网式过滤器属于泵后强压过滤，会产生较大的水头损失，在处理高含沙量的地表水时，网式过滤器极易堵塞，造成出水量无法满足下游灌水量要求。因此，陶洪飞等[20-21]提出了一种新型、泵前、绿色环保的处理泥沙的工程措施，即微压过滤冲洗池，目前已获发明专利，专利号为：ZL201610063409.7。并已对微压过滤冲洗池的过滤能力和排污方式进行了探究，得出微压过滤冲洗池的污物处理能力较高，过滤后的水能够满足灌溉需水及其水质的要求，同时也给出了定时冲洗和连续冲洗这两种排污方式在实际工程中应用的建议。流量是影响微压过滤冲洗池的一个关键因素，本文在前期研究的基础上，探讨了流量对其过滤性能的影响，从而为微压过滤冲洗池的结构优化和推广应用提供理论依据和技术支撑。

2 试验装置及其工作原理

本试验的室内试验装置由浑水池、进水箱及微压过滤冲洗池构成，如图1所示。微压过滤冲洗池的长度、宽度、高度分别为70、50、70 cm，其核心过滤元件为绵纶过滤网，孔径0.125 mm，面积为2 400 cm2，孔隙率为15%。此次试验采用定时冲洗的排污方式[21]，故将过滤网一头绑扎在连接管上，另一头封闭。进水管、回水管、连接管、出水管的内径分别为5、5、11、11 cm。试验装置的工作原理[21]是搅水泵使浑水池中的泥沙和水充分搅拌，吸水泵将搅拌均匀的浑水通过进水管抽入进水箱中，回水阀可以调节流量。待进水箱水位升高，通过连接管进入微压过滤冲洗池中，在微压(水箱中的水头)作用下，利用柔性滤网，实现由内向外的过滤，泥沙被截留在过滤网内。过滤的清水经出水管回到浑水池中，过滤结束后，取下滤网进行清洗。

图1 微压过滤冲洗池结构示意图

3 材料与方法

3.1 试验沙样

试验用的泥沙颗粒级配曲线如图2所示：大于0.05 mm的泥沙含量占87.1%，0.002～0.05 mm的泥沙占12.5%，泥沙的粗端粒径D98为0.47 mm，其中，大于滤网孔径(0.125 mm)的泥沙占59%以上。

3.2 试验方案

为探究微压过滤冲洗池在不同流量下的过滤性能，在过滤网处于非淹没自由出流状态、浑水含沙量为0.4 kg/m3，开展了5组不同流量(5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h)的试验。具体步骤如下：将称量好的泥沙倒入盛有清水的浑水池中，启动搅水泵，经充分搅拌后，量测浑水的含沙量；待含沙量满足试验设计要求时，开启进水阀；通过吸水泵将浑水抽入微压过滤冲洗池中，同时测出进水流量的大小(该流量可根据进水阀和回水阀共同调节)；然后开始计时，并利用钢尺量测水箱和微压过滤冲洗池的水深。而后，同步量测出浑水池和滤液的含沙量；当浑水池中的含沙量低于试验设计含沙量时，加入一定量的泥沙；当过滤网达到极限状态时，试验结束。之后，量测过滤网及湿样泥沙的重量，清洗滤网，换下组流量，重复以上步骤。利用数码相机记录整个试验过程的试验现象。

图2 试验沙样颗分曲线

3.3 含沙量的测量方法

本次试验采用置换法原理获得含沙量，既能保证精度，又能提高试验效率。试验时用0.8 L的玻璃烧杯、0.5 L带毛玻璃片的锥形瓶、分度值为0.01 g的电子天平和量程0～50℃的水银温度计获得相关数值，代入公式(1)便得含沙量[20]。

(1)

式中：S为含沙量，kg/m3；ρ为清水密度，kg/m3；ρs为试验用沙密度，kg/m3；ρm为浑水密度，kg/m3；m瓶+水为锥形瓶和浑水总质量，kg；m瓶为锥形瓶质量，kg；V瓶为锥形瓶体积，m3。

3.4 流量的测量方法

采用称重法获得流量，使用秒表、60 L的水桶、一台最大称量为100 kg、分度值为20 g的电子秤和电子天平来获得相关数据，代入公式(2)，从而求得流量[20]。

(2)

式中：M桶+水为水桶和浑水的总质量，kg；M桶为水桶质量，kg；T为时间，s；Q为出水流量，m3/h；m瓶+水为锥形瓶和浑水总质量，kg；m瓶为锥形瓶质量，kg；V瓶为锥形瓶体积，m3。

3.5 试验现象

数码相机记录了试验过程中的现象，图3为相同时刻不同流量下微压过滤冲洗池的试验现象。从图3(a)中可以看出：当t=0 min时，3个不同流量下的整体试验现象类似，滤网都因出水口边界影响，朝向了出水口处；流量为5.4和12.4 m3/h时，滤网未能在水流作用下完全鼓起，大部分浸泡在池中，过滤集中在滤网头部，而流量为18.5 m3/h时的滤网呈柱形，可看到大量的气体随水流进入滤网内，过滤主要集中在滤网下部。

从图3(b)中可以看出：当t=30 min、流量为5.4和12.4 m3/h时，部分细颗粒泥沙黏附在滤网头部和尾部的内表面处，而流量为18.5 m3/h时，泥沙颗粒被带至滤网尾部，且在水流作用下滤网尾部进入了出水口。3种不同流量下可观察到有一部分泥沙在水流作用下在滤网内旋转运动。从图3(c)中可以看出：当t=42 min、流量为5.4和12.4 m3/h时，滤网头部和尾部拦截了较多的细颗粒泥沙，但过滤仍在继续，而流量为18.5 m3/h时，滤网头部泥沙分布较多，其他区域泥沙分布较均匀，滤网被水沙混合物充满，已膨胀到极限，滤网颜色加深变黄，内部气体被完全排出，仅有少量泥沙在滤网中旋滚，说明滤网过滤已达极限状态。

4 结果与讨论

4.1 进水箱水深随时间的变化规律

进水箱水深会随着流量、过滤时间的变化而发生改变，不同流量下水箱中水深随时间的变化曲线如图4所示，从图4中可以得出以下主要结论：

(1)不同流量下，水深随时间的变化规律相同，都包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加三个阶段，在小流量下这三个阶段更加明显。如流量为5.4 m3/h下，在0～70 min内水深保持恒定在24.5 cm；在70～141 min内，水箱水深快速增加；在141～147 min内，水箱水深急速增加。

(2)不同流量下，水深恒定时间不同，流量越小，水深恒定的时间越长。如流量为5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h的水深恒定时间分别为70、60、55、35、30 min。

(3)不同流量下，当水深处于快速和急速增加的这两个阶段，水深的增加速率是不同的，流量越大，水深增加速率就会越大。如在快速增加阶段，流量为5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h时，水箱水深的增加速率分别为0.09、0.18、0.46、1.00、1.17 cm/min；在急速增加阶段，流量为5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h时，水深的增加速率分别为0.67、0.92、1.60、4.00、9.00 cm/min。

(4)不同流量下，过滤时间(水深快速增加阶段结束的时刻)不同，流量越小，过滤时间就越长。如流量为5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h的过滤时间分别为141、89、69、48、41 min，其中5.4 m3/h下的过滤时间比18.5 m3/h的长100 min，两者相差约2.44倍。一旦超过过滤时间不进行排污，则水深会随时间急速增加，滤网会急速膨胀，从而达到滤网过滤的极限，势必会影响滤网寿命，同时也不利于滤网中泥沙的排出。

图3 相同时刻不同流量下微压过滤冲洗池的试验现象

图4 不同流量下进水箱中水深随时间的变化曲线

水箱中水深随时间变化的规律是滤网堵塞程度的表现，可将其分为介质过滤、滤饼过滤和挤压过滤这3个阶段。水深恒定阶段主要以滤网过滤为主，过滤阻力主要是滤网本身，滤网孔堵塞率较小，滤网内表面泥沙沉积和滤网内外含沙量差几乎不存在，因而过滤阻力相对较小。流量越大，单位流量的含沙量便越大，携带的泥沙颗粒就越多，被拦截在滤网内表面的泥沙也就越多，则保持水深恒定的时间相对就越短。水深快速增加阶段则主要以滤饼过滤为主，在渗透流的作用下，一些细小的泥沙颗粒，因吸附、扩散和惯性冲撞等而不断被截留在滤网内，导致滤网过滤不通畅。之后，泥沙粒径比滤网孔径大或者与之相当的颗粒，在渗流曳力作用下，会因吸附作用被滤网截留而沉积在滤网内，形成滤网内表面沉积层，此时由滤网过滤进入到以滤饼过滤为主的阶段，滤饼层会不断快速变厚，表现为水深快速增加。流量越大，渗透流作用也越大，细颗粒泥沙被滤网捕集的几率增加，易形成滤饼，故滤饼过滤时期越短，即水深增加速率越大。

随着过滤的进一步进行，滤网内外含沙量相差较大，产生极化现象，增大了过滤阻力，细颗粒泥沙很难再穿过滤饼及滤网，导致水沙混合物淤积在滤网内，滤网出水量很少，滤网进入到挤压过滤时期，表现为水深急速增加。流量越大，过滤阻力也越大，水深急速增加的速率就越大。

4.2 泥沙颗分曲线对比

图5为原砂样与滤液(经滤网过滤后的液体)中泥沙及流量为5.4和18.5 m3/h下滤网内拦截泥沙的颗分曲线。其中，滤液中泥沙的颗分曲线是在完成5种不同流量下，收集过滤池中沉淀的泥沙得到的。从图5中可看出：

(1)微压过滤冲洗池将泥沙的粗端粒径D98从0.47 mm过滤至0.11 mm，说明浑水中0.125 mm以上的泥沙完全被滤网拦截，该范围内的粒级效率(指某一级别粒度颗粒的分离效率)达100%，满足灌溉用水对水质的要求，不会造成灌水器堵塞。

(2)两种流量下滤网内拦截的泥沙都集中在0.095～0.276 mm这一粒组范围内；但18.5 m3/h下滤网内泥沙粒径小于0.095 mm仅占5%，而5.4 m3/h的占27%，说明在小流量下，滤网内拦截的细颗粒泥沙较多。这是因为流量越小，微压过滤冲洗池处于滤饼过滤阶段的时间就越长，滤网内拦截的细颗粒泥沙含量也就越高。

图5 泥沙颗分曲线对比

4.3 泥沙去除率及滤网中泥沙质量对比

泥沙去除率是衡量微压过滤冲洗池过滤性能的重要指标，其为进口与出口含沙量之间差值与进口含沙量的比值，表1为不同流量下微压过滤冲洗池的泥沙去除率和滤网内泥沙质量的对比。表1中，进口含沙量为零时刻下测得浑水池中的含沙量；出口含沙量为微压过滤冲洗池在过滤初期、中期、后期所测得的含沙量平均值。由表1可知，不同流量下微压过滤冲洗池的泥沙去除率均为66%左右，相差不大，这说明不同流量下微压过滤冲洗池可拦截浑水中大部分的泥沙，从而降低了出水管中水流的含沙量，以满足下游灌水要求。流量越小，过滤时间便越长，滤网中拦截的泥沙也越多，如5.4 m3/h流量下拦截的泥沙质量比18.5 m3/h流量下多106.34 g，前者是后者的2.32倍。