Y型网式过滤器堵塞过程对有机肥浓度的响应研究

2020-07-24朱德兰阮汉铖

农业机械学报 2020年7期

朱德兰王蓉阮汉铖

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

0 引言

水肥一体化可显著提高农作物产量，目前已广泛应用于我国农业灌溉领域。为了减少肥料对土壤和地下水的污染，黄腐酸钾有机肥在农业中得到大面积使用。过滤设备是水肥一体化技术设备的重要组成部分，不同浓度含有肥料的灌溉水影响整个系统的效率及使用寿命。若滤网不能有效拦截粒径较小的颗粒物质，则灌溉出口易发生堵塞，因此，许多学者研究了过滤器目数、类型、过滤级数和灌溉水泥沙含量、泥沙颗粒级，以及无机肥料类型、肥液浓度等因素对过滤器堵塞的影响[1-11]。文献[1-5]对网式过滤器进行了堵塞试验，发现滤网堵塞经历介质堵塞和滤饼堵塞2个过程，形成的滤饼内层泥沙颗粒粒径较大、外层颗粒粒径分布较均匀，滤网内外压降随水流流量和滤饼层厚度的增大而增大，滤网孔径越小，滤饼孔隙率越小，滤网两侧压降越大。阿不都沙拉木[12]探讨了120 目以上的网式和叠片式过滤器对含藻类地表水的过滤效果，结果表明，叠片式过滤器过滤效率是网式的2倍多，表面附着物是网式过滤器的2倍多，堵塞时间是网式过滤器的4倍。李楠等[13]研究了含沙量对2种叠片式过滤器水头损失的影响，结果表明，含沙量达到一定量时，水头损失会出现激增。秦天云等[14]以网式和叠片式过滤器为研究对象，进行了3种质量浓度浑水工况下的水头损失和过滤性能试验，结果表明，随流量、含沙量的增大，过滤器初始水头损失增大，过滤周期变短。王睿[15]研究了不同浓度磷酸二胺条件下网式和叠片式过滤器的水头损失、总过水流量，结果表明，网式过滤器肥液平均质量分数在0.117%以下、叠片式过滤器肥液平均质量分数在0.067%以下的过滤器不易发生堵塞。王睿等[16-17]对一级过滤器(网式80目、叠片80目、叠片40目) 和二级过滤器(网式120目、叠片120目) 相互组合下的过滤系统的堵塞程度进行了比较，结果表明，采用一级网式80目、二级叠片式120目过滤器的过滤效果及肥液利用率较高。然而，对于有机肥灌溉下Y型网式过滤器的堵塞规律却鲜有研究报道。

本文以DN63 80目Y型网式过滤器为试验对象，研究不同质量浓度黄腐酸钾有机肥肥液下过滤器的堵塞过程及正常使用时间，分析过滤器局部水头损失与有效过水断面面积、滤网清洁度(滤网有效过水断面面积与滤网总面积之比)的关系，研究过滤器局部水头损失的计算方法，以直接判断过滤器在不同肥液质量浓度下的堵塞程度，并对过滤器堵塞物质进行成分分析，为肥料成分决策提出建议。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在西北农林科技大学旱区节水农业研究院灌溉水力学实验大厅进行，试验装置如图1所示，整个试验过程为闭合回路。肥料罐后吸肥泵(自吸泵，粤禾机电有限公司)额定扬程15 m，额定流量2 m3/h，吸肥泵后分两支管路，一支管路注入肥料罐，用于调节流量，降低对吸肥泵的损害，另一支管路进入主管道。主管道中安装于过滤器前后的压力传感器(上海隆旅电子科技有限公司)量程为-100～60 000 kPa，安装于过滤器进口前的涡轮流量计(上海帆扬机电公司)设计流量1～10 m3/h，入口直径25 mm，用来观测实时压力及流量。主管道肥液最后回到肥料罐中，该装置为循环试验装置。

图1 试验装置Fig.1 Test device

1.2 试验材料

试验所用80目Y型网式过滤器(顺绿有限公司)进口直径63 mm，设计流量0.5～25 m3/h，滤孔骨架为圆柱形不锈钢钢丝。试验中所用水为杨凌地区自来水，水质参数见表1。肥料为黄腐酸钾有机肥(济南顺阳化工科技有限公司，有机质质量分数65%～71%，有机钾质量分数7%～11%，有机磷质量分数0.99%，可用于植物滴灌、喷施等)，黄腐酸是一种天然低分子有机酸的混合物，主要从褐煤、泥炭中提取，其中主要化学物质是苯羧酸、甲基苯羧酸、醌酸、羟基苯羧酸、黄酮类等生理活性化合物，其他从煤中带来的少量物质包括Ca、Mg、Fe、Al、Si、S、P、Zn、Mn、Cu等。

表1 杨凌地区自来水部分水质参数Tab.1 Parameters of tap water quality in Yangling

1.3 试验设计

本研究在各浓度有机肥条件下对过滤器进行堵塞试验，以80目Y型网式过滤器为测试对象，大田水肥一体设备常用吸肥量500 L/h作为初始流量，黄腐酸钾有机肥作为试验材料，已知实际运用中黄腐酸钾有机肥用量为150 kg/hm2，且黄腐酸钾有机肥在喷灌和滴灌中常按1 000～2 000倍稀释，而水肥一体化机中灌水、施肥同时进行，综合考虑灌水流量、灌溉时间、吸肥量、黄腐酸钾有机肥的稀释程度，配置25、30、40、50 g/L 4种肥液质量浓度，水源压力为117.6 kPa。

试验数据的获取：首先通过调节阀门控制主管道流量、压力至试验设计值；然后启动吸肥泵，待吸肥稳定后，通过连接压力传感器和涡轮流量计的计算机、显示屏观测过滤器前后压力和流量，每隔2 h记录一次数据，试验系统不间歇工作直至过滤器局部水头损失达到4 m或连续工作120 h，关闭吸肥泵，每种工况下两组重复。将运行结束的过滤器滤网干燥，取出堵塞物质保存，最后对堵塞物通过X射线衍射仪进行成分检测并用Jade软件进行成分分析。

1.4 测试指标

过滤器堵塞以过滤器局部水头损失为指标。滤网过流均分到网格过流，如图2所示。局部水头损失计算公式为

图2 滤网过流示意图Fig.2 Schematic of filter screen flow

(1)

(2)

式中hj——局部水头损失，m

ζ——局部水头损失系数[18]

v——流速，m/s

g——重力加速度，取9.8 m/s2

D——单个滤孔边长，mm

d——单个滤孔有效孔隙边长，mm

2 结果与分析

2.1 过滤器水头损失随施肥时间的变化

图3是不同质量浓度黄腐酸钾肥液下80目Y型网式过滤器水头损失随时间的变化曲线，可以发现，随着运行时间的增加，水头损失均增大，增大幅度随着黄腐酸钾肥液质量浓度的增大而增大。当肥液质量浓度为25 g/L时，过滤器在试验结束时水头损失未达到4 m，仅为2 m，而当肥液质量浓度为30、40、50 g/L时，过滤器分别在136、61、31 h水头损失达到4 m。

图3 水头损失变化曲线Fig.3 Changing curves of head loss

2.2 肥液质量浓度对过滤器滤网清洁度的影响

通过式(1)、(2)计算得到有效孔隙边长d，进行计算得到过滤器堵塞过程中单个滤孔有效过水断面面积S(初始有效过水断面面积为滤孔孔隙总面积S0)，发现有效过水断面面积减小到一定程度前水头损失只增长0.01 m，故只将水头损失从0.01 m开始所对应S绘制到图4中。由图4可以看出，各肥液质量浓度下当水头损失为0.01 m时，S/S0小于0.1，说明滤网在开始运行后短时间内迅速拦截堵塞物质造成滤孔孔隙大部分覆盖，有效过水断面面积减小迅速。当滤孔有效过水断面面积减小到一定程度后，滤网表面已形成一层滤饼，可拦截更小的颗粒物质，而此后较长一段时间内S变化幅度趋于平缓，说明这段时间内堵塞物质逐渐叠加覆盖在滤饼表面，仅少量覆盖在孔隙表面，肥液质量浓度越小该阶段历时越长。在50 g/L肥液质量浓度下过滤器S下降迅速，有效过水断面在28 h处接近于0，说明滤网几乎完全被覆盖，该肥液质量浓度下过滤器很容易发生严重堵塞。

图4 滤网清洁度变化过程Fig.4 Change process of screen cleanness

由于黄腐酸钾是一种极易溶于水的有机肥，一般不容易造成堵塞。本试验中，肥液质量浓度超过40 g/L时滤网快速堵塞，有效过水断面面积快速减小，因此建议水肥一体化机中黄腐酸钾肥液质量浓度不超过40 g/L。

为进一步确定滤网清洁度与肥液质量浓度、施肥持续时间的关系，通过Origin软件拟合公式，得到滤网清洁度与肥液质量浓度、施肥持续时间之间的关系式为

S/S0=(2.424+0.102 5c-0.001 75c2)·
t-0.645 9+0.018 09c-2.78×10-4c2

(3)

式中c——肥液质量浓度，g/L

t——施肥持续时间，h

根据式(3)可以直接计算得到不同质量浓度黄腐酸钾肥液条件时Y型网式过滤器在不同时刻的滤网清洁度。

2.3 局部水头损失与滤网清洁度关系分析

通过式(2)计算得到各肥液质量浓度下过滤器的局部水头损失系数ζ，其与滤网清洁度S/S0的关系如图5所示。

图5 ζ与S/S0的关系Fig.5 Relationship between local head loss coefficient and S/S0

由图5可以看出，S/S0减小到0.1以下局部水头损失系数才快速增大，说明水头损失通常是在S/S0减小到0.1后才逐渐增大，4种肥液质量浓度下，局部水头损失系数均随S/S0减小而增大，通过拟合曲线发现4种肥液质量浓度下局部水头损失系数与S/S0均存在一定的关系。

进一步分析滤网清洁度对局部水头损失的影响，结果如图6所示，可以看出，不同肥液质量浓度时局部水头损失与滤网清洁度的关系有所差异，同一滤网清洁度，肥液质量浓度大的过滤器局部水头损失大。因此，进一步通过SPSS软件对过滤器局部水头损失与滤网清洁度、肥液质量浓度的相关性进行分析(表2)。结果表明，局部水头损失与滤网清洁度、肥液质量浓度均显著相关，因此为直接判断过滤器在不同肥液质量浓度时滤网清洁度对应的局部水头损失，通过Origin拟合公式，得到黄腐酸钾肥液下80目Y型网式过滤器局部水头损失与滤网清洁度、肥液质量浓度的关系式为

图6 hj与S/S0的关系Fig.6 Relationship between local head loss and S/S0

表2 hj、c、S/S0的相关系数Tab.2 Correlation coefficient of hj,c and S/S0

(4)

因此不同质量浓度黄腐酸钾肥液下80目过滤器在不同时间的局部水头损失均可由式(3)、(4)计算。

2.4 堵塞物质分析

图7为过滤器滤网内堵塞物质的X射线衍射图谱，将该图谱用配套软件 Jade 6.5 进行定性分析。从图7可以看到，衍射峰比较多且杂乱，说明过滤器堵塞物质的化学组成成分比较复杂，软件分析结果显示主要成分为硫酸钙、草酸钙。肥液质量浓度25 g/L下堵塞物质主要为草酸钙，存在一定量硫酸钙。肥液质量浓度30 g/L下堵塞物质主要为草酸钙，硫酸钙的峰值有所增加。肥液质量浓度40、50 g/L下草酸钙为主要堵塞物质，硫酸钙峰值最为突出。这说明黄腐酸钾有机肥下最主要堵塞物质为草酸钙，次要物质为硫酸钙，且随肥液质量浓度增加，硫酸钙含量增加。由于黄腐酸钾有机肥中含有草酸和硫酸根离子，试验所用水为含有大量Ca2+的微咸水，发生化学反应生成草酸钙和硫酸钙，所以化学堵塞是诱发堵塞的原因之一。

图7 X射线衍射图谱Fig.7 XRD patterns

3 讨论

3.1 不同质量浓度肥液下过滤器的水头损失

肥液质量浓度不影响过滤器水头损失与堵塞程度的关系。网式过滤器适用于肥液平均质量分数在 0.117%以下，随着肥液浓度的增大，滤网表面附着物质量差异不显著[16]，在水不溶物质量分数为2%以上时43 min内均可使过滤器两端的压力差达到0.05 MPa，并最终使过滤器完全堵塞，在水不溶物含量相同的情况下，施肥流量越大，过滤器越容易被堵塞，建议滴灌专用水溶性肥料的水不溶物质量分数标准定为1%～2%[19]。本试验中所用黄腐酸钾肥液质量浓度25～50 g/L，正常工作时间与肥液质量浓度相关性显著，肥液质量浓度越大，堵塞越快，而不同肥液质量浓度下同一局部水头损失系数的滤网有效过水断面面积相同，说明不同质量浓度肥液时水头损失与滤网堵塞程度存在一定关系，因此建立了不同肥液质量浓度下不同时刻滤网清洁度计算公式，又进一步建立了过滤器局部水头损失与滤网清洁度、施肥持续时间的关系式，据此可判断过滤器滤网堵塞情况及水头损失。

3.2 堵塞物成分分析

黄腐酸钾主要包括黄腐酸和钾元素，黄腐酸中的胡敏酸不溶于水，与Ca、Mg、Fe、Al等多价盐基离子形成的盐类溶解度低。腐殖酸能溶解在酸、碱、盐、水和一些有机溶剂中,因此可用这些物质作为腐殖酸的抽提剂。这些抽提剂一般分为碱性物质(如KOH、NH4OH、Na2CO3、Na4P2O7等)、中性盐(如 NaF、Na2C2O4等)、弱酸性物质(如草酸、柠檬酸、苯甲酸等)、有机溶剂(如乙醇、酮类、呲啶等)和混合溶液(NaOH和Na2P2O7)5类[20-22]。黄腐酸钾有机肥中的S、Ca在碱性环境下与水中Ca2+发生反应生成了硫酸钙，说明发生了化学堵塞，随着黄腐酸钾肥液质量浓度的增大，所含胡敏酸更多，与水中的Ca2+等形成更多的难溶盐，因此浓度越大，越容易堵塞。配制黄腐酸钾有机肥的水是弱碱性的，且含大量Ca2+，所以造成过滤器更容易堵塞。本试验中所用黄腐酸钾很大可能是由草酸抽提制成，因此残留草酸，与水中的Ca2+发生化学反应生成草酸钙。因此建议在使用黄腐酸钾时，不宜用碱性水，若水中含有大量Ca2+，应进行预处理降低Ca2+后再进行施肥。配制腐殖酸时尽量不用草酸抽提，或降低草酸残留。