不同滤网条件的微压过滤冲洗池过滤性能研究

杨圆坤，陶洪飞，马合木江·艾合买提，李 巧，杨文新，姜有为，魏建群，李 莎

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治 重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；3.水发规划设计有限公司，山东 济南 250013)

1 研究背景

微灌是一种高效节水灌溉技术，能显著提高农业灌溉用水效率[1-2]。但微灌系统中灌水器的流道尺寸微小，且有向更小尺寸发展的趋势，水源中的污物杂质极易造成灌水器的堵塞[3]，过滤器则是能有效清除灌溉水中的各种杂质、保证灌溉水源水质的关键设备[4]。其中，网式过滤器是当前微灌系统中应用最广泛的过滤器之一，国内外许多学者对其过滤性能和水头损失进行了深入研究，Adin等[5]认为有机物的堵塞是影响滤网过滤性能的主要原因，滤饼颗粒的粒径范围为10～60 μm；李强强等[6]通过试验计算出卧式自清洗网式过滤器的排污时间为15～30 s；喻黎明等[7]给出了降低Y型网式冲洗难度的优化方案；Duran-Ros等[8]指出网式过滤器自动冲洗时的水头损失超过5 m；宗全利等[9-10]分别通过数值模拟和物理试验的方法探究了自清洗网式过滤器堵塞不均，清洗不易的原因；阿力甫江·阿不里米提等[11-13]研究了鱼雷网式过滤器清水和浑水水头损失，在流量为300 m3/h下，分别达到了0.58和4.00 m，并对过滤器进行了数值模拟，得出滤网的堵塞存在不均匀现象；Duran-Ros等[14]和Demir等[15]对微灌过滤器的水头损失进行了研究，并运用量纲分析得出了污水灌溉的过滤器水头损失公式；王新坤等[16]应用数值模拟研究了微灌用网式过滤器的水力特性，并在清水25 m3/h流量下，将过滤器的水头损失从1.49 m降低至0.45 m。网式过滤器工作时采用封闭结构，其内部过滤是一个十分复杂的过程，要改善其水力性能存在一定困难。因此，有学者提出将传统单一过滤器进行组合[17-19]，但由于连接管道和筛网过滤器外壳等影响，产生的浑水水头损失可达9 m[18]，且存在构造复杂[20]、不易操作的问题[21]。

针对上述泵后强压过滤器存在的能耗高、投资大、滤网不易清洗[10,22-23]等问题，新疆农业大学陶洪飞等[24]创新提出了一种节能环保的泵前过滤冲洗措施，即微压过滤冲洗池，并获得国家知识产权局授权的发明专利证书(专利号为：ZL 201610063409.70)。其具有适应性强、过滤效率高、投资少、安装维护简便等诸多优势，特别适合在多泥沙河流条件下进行微灌的地区(如新疆地区)。微压是指沉沙池中产生的自然水头，实际工程中一般为20～100 cm，此次试验装置的工作水头在10～45 cm。目前，已在新疆地区示范推广微压过滤冲洗池7座(采用的核心过滤元件均为柔性的腈纶材质滤网)，控制灌溉面积约9 100 hm2，每座平均控制面积1 300 hm2，种植的农作物为棉花、打瓜和食葵。微压过滤冲洗池运行情况良好，该技术深受当地农民用水服务专业合作社和老百姓的欢迎。

现已通过室内试验模型探讨了微压过滤冲洗池的污物处理能力[25]和排污方式[26]，但尚未对其核心过滤元件滤网的材质进行对比研究。因此本文开展了微压过滤冲洗池在采用腈纶和不锈钢两种不同材质滤网下的浑水试验，从而获得过滤性能最佳的滤网，以期为微压过滤冲洗池的深入研究提供参考。

2 试验系统与方法

2.1 试验系统

本试验在新疆农业大学农业水利工程实验室内进行。试验选用腈纶和不锈钢两种材质的过滤网，所取的孔径和面积相同，分别为0.180 mm及100 480 mm2，为保证两种滤网的连接方式一致，将滤网的两端分别固定在微压过滤冲洗池两端的连接管和排污阀上。试验系统如图1所示。

图1 微压过滤冲洗池试验系统示意图

试验装置系统由浑水池、水箱(代替沉沙池)、微压过滤冲洗池、过流管道、控制阀、搅水泵及吸水泵等构成。水箱及微压过滤冲洗池均采用透明亚克力板制作，水箱的长、宽、高依次为500、300、650 mm；微压过滤冲洗池的结构尺寸在长度、宽度、高度方向上分别为500、300、450 mm。进水管、回水管、连接管、出水管的直径分别为50、50、75、75 mm。

2.2 试验方法

试验过程中，室温在28～31℃之内，水温基本恒定在23.4 ℃左右，整个试验在同种沙样和同一循环系统条件下进行。经前期清水测试，确定了微压过滤冲洗池的流量范围为2～10 m3/h，取3、4、5、6、7 m3/h作为此次的试验流量。

2.2.1 浑水试验 在过滤过程中，浑水中的泥沙会随过滤时间的增长不断在滤网上黏附积聚，堵塞滤网，水箱水深会随之增加，所以将浑水试验分为定含沙量和定流量2种情况，共计18组试验。定含沙量试验是在含沙量基本相同(S=0.66 kg/m3)条件下，通过调节回水阀，使每组试验流量达到设计流量。试验中，用手持式超声波流量计测流量，待水箱水位及出水管流量稳定(开机运行30 s)后，每隔一段时间，需要利用钢尺量测水箱中的水深，并用容量1 000 ml的烧杯取水箱及微压过滤冲洗池中的水样待测。定流量试验是在保持流量一定(Q=5 m3/h)、通过向浑水池(注入0.3 m3清水)内分别加入0.15、0.30、0.45、0.60、0.75 kg的泥沙改变含沙量的条件下，量测水箱水深、过滤时间及进水管和出水管的含沙量，利用烘干法测得水箱中的含沙量为0.36、0.46、0.66、0.96、1.17 kg/m3。

为保证工况一致，不锈钢和腈纶滤网的浑水试验均采用同一沙样，泥沙颗粒级配曲线如图2所示。泥沙的中值粒径D50为0.142 mm，其中，大于滤网孔径(0.180 mm)的泥沙占比30%左右。

图2 泥沙粒径级配图

2.2.2 试验步骤 试验开始前，向浑水池中注入足量的清水，按设计的含沙量加入泥沙，开启搅水泵，使浑水池中的泥沙和水充分混合。试验过程中，启动吸水泵将搅拌均匀的浑水抽入水箱，可以手动调节回水阀来控制进水管流量，待水箱水位上升，水流通过连接管进入微压过滤冲洗池中，在水箱中自然水头形成的微压作用下，驱动水流经过滤网完成由内向外的过滤，过滤后的清水由出水管流回浑水池中进入下一个循环。每组试验均以滤网的堵塞情况决定微压过滤冲洗池的工作时长，采用不锈钢滤网进行过滤工作时，当水箱水位接近水箱上缘时，立即关闭吸水泵，试验结束；采用腈纶滤网时，待滤网到达极限状态[27]结束试验。停机后，将堵塞的滤网拆下观测滤网堵塞状况，用精度0.01 g的电子天平称量滤网及其拦截泥沙的质量。

2.2.3 评价指标 试验通过观察水箱水深的变化判断滤网的堵塞情况，并确定了以过滤时间、拦截泥沙质量及泥沙去除率3个评价指标作为评判两种不同材质滤网过滤性能的依据。其中，泥沙去除率是在滤网即将发生堵塞时刻(即水箱水深恒定阶段向水深快速增加阶段转变时刻)测得的，泥沙去除率的计算公式为：

(1)

式中：η为泥沙去除率，%；S为过滤前水箱中水的含沙量，kg/m3；S1为经过微压过滤冲洗池过滤后的水流含沙量，kg/m3。

3 结果与分析

3.1 试验现象

微压过滤冲洗池在水流含沙量为0.66 kg/m3、流量为5 m3/h条件下，不锈钢和腈纶两种材质滤网在过滤过程中不同时刻的试验现象如图3所示。试验中观察到，在t=0时刻，两种滤网均率先自滤网尾部(水流方向上)出水。随着过滤时间的推移，网孔逐渐被泥沙颗粒堵塞。当t=180 s时，滤网出水位置逐渐由滤网尾部及底部向滤网前部和顶部发生改变。在t=0～180 s时段内，滤网以介质过滤为主，腈纶滤网因是柔性材质，过滤时，滤网同含沙水流均处于运动状态下，不能穿过网孔被截留的泥沙颗粒受滤网吸附及被水流冲刷；不锈钢滤网过滤时，可观察到有携带细小颗粒的淡黄色滤液从滤网最前端及中部流出。在t=180～360 s时段内，随着过滤时间的推移，滤网网孔逐渐被泥沙颗粒堵塞，滤网内不断被水流及其携带的气体充满。待滤网中气体被完全排出，白色的腈纶滤网整体变黄，并且滤网的褶皱变得平整，滤网中拥堵的水体使滤网体积增大，网孔上被截留的泥沙颗粒嵌入程度加深，滤液含沙量减小，部分泥沙颗粒在重力作用下发生沉积，分布在微压过滤冲洗池底部；在这一时段内，观察到经不锈钢滤网过滤的水流中悬浮泥沙颗粒含量下降。当t=360 s时，滤网最前端及中部已无细颗粒泥沙渗出，有泥沙颗粒沉积在微压过滤冲洗池的池底。

图3 不锈钢和腈纶两种材质滤网在过滤过程中不同时刻的试验现象(Q=5 m3/h,S=0.66 kg/m3)

3.2 水箱水深随时间的变化规律

丁启圣等[28]将滤网的过滤机制分为介质过滤和滤饼过滤，后又根据过滤过程在时间上的先后，分出介质过滤阶段和滤饼过滤阶段。本试验中，水箱中水深的变化能反映微压过滤冲洗池中滤网的堵塞情况，故以水箱中水深随时间的变化规律进行相关说明。

3.2.1 定含沙量下水箱水深变化规律 图4为水流含沙量稳定在0.66 kg/m3左右时，不同流量下，不锈钢和腈纶两种滤网水箱水深随时间的变化曲线。从图4可看出：

(1)腈纶和不锈钢两种滤网水箱水深随时间的变化规律不同。腈纶滤网存在水深恒定、水深快速增加及水深急速增加3个阶段，而不锈钢滤网仅含水深恒定和水深快速增加两个阶段。如Q=3 m3/h时，腈纶滤网在t=30～360 s为水深恒定阶段，t=360～456 s为水深快速增加阶段，t=456～482 s为水深急速增加阶段；不锈钢滤网在t=30～360 s为恒定阶段，t=460～594 s为快速增加阶段。

(2)流量越大，则水箱水深增加的速度越快。在Q=3、4、5、6、7 m3/h的情况下，不锈钢滤网的水箱水深分别以0.16、0.20、0.25、0.36、0.47 cm/s的速度增加(图4(a))；而腈纶滤网的水箱水深在快速增加阶段分别以0.09、0.14、0.26、0.33、0.41 cm/s的速度增加，在急速增加阶段分别以0.21、0.33、0.49、0.69、0.87 cm/s的速度增加(图4(b))，流量为3、4 m3/h时尤为明显。

图4 两种滤网在不同流量下水箱水深随时间变化曲线(S=0.66 kg/m3)

(3)流量越大，水深恒定时间就越短，过滤时间(水深快速增加结束时对应的时间)也越短。腈纶滤网和不锈钢滤网的水深恒定时间相差不大，但不锈钢滤网的过滤时间稍长。在Q=3、4、5、6、7 m3/h情况下，不锈钢和腈纶滤网的水箱水位恒定时间分别为360、324、300、270、234 s和360、330、306、270、240 s，两者最大仅相差6 s；不锈钢和腈纶滤网的过滤时间分别为594、510、439、362、301 s和482、435、394、341、295 s，不锈钢滤网过滤时间比腈纶滤网分别长112、75、45、21、6 s。这是因为腈纶滤网形成的滤饼层厚度(滤网拦截泥沙厚度)比不锈钢滤网厚，从而缩短了过滤时间。

3.2.2 定流量下水箱水深变化规律 图5为流量稳定在5 m3/h时，水流不同含沙量下，腈纶和不锈钢两种滤网水箱水深随时间的变化曲线。由图5可以得出：

图5 两种滤网在不同含沙量下水箱水深随时间变化曲线(Q=5 m3/h)

(1)含沙量越大，则水箱水深增加的速度越快。在S=0.36、0.46、0.66、0.96、1.17 kg/m3情况下，不锈钢滤网的水箱水深增加速率分别为0.19、0.24、0.25、0.27、0.30 cm/s；腈纶滤网的水箱水深快速增加速率分别为0.21、0.24、0.26、0.28、0.29 cm/s，水箱水深急速增加速率分别为0.41、0.46、0.49、0.51、0.53 cm/s。

(2)含沙量越大，则水箱水深恒定阶段时间越短，微压过滤冲洗池的过滤时间也越短；在水箱水深由恒定阶段向快速增加阶段转变时刻，腈纶滤网的转变更明显。在S=0.36、0.46、0.66、0.96、1.17 kg/m3情况下，不锈钢和腈纶滤网的水箱水位恒定时间分别为378、312、270、234、192 s和378、312、276、234、198 s，最大差值为6 s；不锈钢和腈纶滤网的过滤时间分别为589、491、439、392、336 s和535、442、394、339、290 s。水箱水深增加的原因是网孔被细小的泥沙颗粒堵塞，水流只可通过滤饼层通道穿过滤网，增加了过流难度，因此发生水流拥堵，导致了水箱水深增加。而腈纶滤网滤饼层厚度较不锈钢滤网厚，故而水箱水深增加更为明显。

在水深恒定阶段，两种材质滤网都是以介质即滤网过滤为主，当含沙水流流经滤网时，大于网孔直径的泥沙颗粒被直接截留，此时滤网起到过滤作用。这一阶段，腈纶滤网是在运动条件下进行过滤，滤网内表面不易形成滤饼；而不锈钢滤网是固定条件，使得撞击在网孔上的泥沙颗粒被击碎而穿过滤网或嵌附在网孔中。随着流量、含沙量的增大，水流中携带的泥沙颗粒增多，网孔被与其孔径相当的泥沙颗粒填满或被细小颗粒的架桥作用覆盖，形成滤饼，使滤网的过流道变小，过滤受阻，水箱保持水深恒定的时间就会变短。

在水深快速增加阶段，由于滤饼的存在，水流拥堵，滤网内压力增大，嵌附在网孔和滞留在滤网内表面的泥沙颗粒逐渐稳固，使得滤网的过滤面积骤减，主要以滤饼过滤为主。由滤饼形成的多孔介质，只允许更小粒径的泥沙颗粒通过，并且在滤网内部压力和更细颗粒填充下，流道不断变小，导致滤网过滤不通畅，水流和极小的泥沙颗粒只能在渗透流作用下穿过滤网，可观察到水箱水深快速增加。流量、含沙量越大，单位时间滤网内细小的泥沙颗粒越多，颗粒间通道就越快被填满，故水深增加速率越大。腈纶滤网在过滤初始的运动状态使得其较不锈钢滤网积累了更多的泥沙，因此形成较厚的滤饼层。

随着过滤的进行，腈纶滤网的体积在滤网内的压力和紧密聚集层叠的滤饼层作用下趋于稳定，滤网进入挤压过滤阶段。因滤网内外含沙量的差异，产生的极化现象进一步增大了滤网的过滤阻力，此为腈纶滤网的极限状态，细颗粒泥沙很难再穿过滤饼及滤网，可观察到水箱水深急速增加，且流量、含沙量越大，水深急速增加的速率更大。

3.3 滤网拦截泥沙及泥沙去除率对比

表1为不同水流含沙量和流量下，两种滤网的泥沙去除率和滤网内拦截的泥沙质量情况。从表1可看出：

表1 不同水流含沙量和流量下两种滤网的泥沙去除率和拦截泥沙质量情况

(1)同一含沙量下，滤网拦截泥沙的质量随着流量的增大而减少；腈纶滤网的泥沙去除率和拦截泥沙质量均大于不锈钢滤网；腈纶滤网拦截到的泥沙粒径比不锈钢滤网小，滤液中的泥沙粒径也更小。当流量在3～7 m3/h变化时，腈纶滤网的泥沙去除率是不锈钢滤网的1.42～1.45倍；腈纶滤网拦截的泥沙质量从141.65 g减小至101.69 g，不锈钢滤网拦截的泥沙质量从94.70 g减小至61.62 g，腈纶滤网拦截的泥沙质量是不锈钢滤网的1.50～1.65倍。腈纶和不锈钢滤网拦截泥沙的中值粒径D50分别为0.132～0.156 mm和0.151～0.160 mm，经腈纶和不锈钢滤网过滤后滤液中泥沙的中值粒径d50分别为0.109～0.128 mm和0.119～0.129 mm。

(2)在流量一定的条件下，两种滤网拦截的泥沙质量均随含沙量的增大呈递增趋势；相比不锈钢滤网，腈纶滤网的泥沙去除率更高，且腈纶滤网拦截到的泥沙粒径更小，滤液中的泥沙粒径也更小。当含沙量从0.36 kg/m3变化到1.17 kg/m3时，腈纶滤网比不锈钢滤网的泥沙去除率高17.10%～22.69%；所拦截的泥沙质量是不锈钢滤网的1.17～1.56倍。腈纶和不锈钢滤网拦截泥沙的中值粒径D50分别为0.126～0.156 mm和0.148～0.160 mm，对应滤液中泥沙的d50为别为0.112～0.125 mm和0.120～0.129 mm。

经分析认为，微压过滤冲洗池是在微压条件下进行过滤工作，滤网过滤过程中，滤饼形成是一个复杂的过程[29]。在流量较小时，水流提供给泥沙颗粒的动能很小，形成滤饼时，受水流扰动影响，减弱了浑水中固体颗粒在滤网面上的吸附和架桥作用，从而使得大量泥沙淤积在滤网内。但随着流量、含沙量的增大，单位时间内浑水中携带固体颗粒的数量增多，泥沙颗粒嵌入网孔的动力增大，滤网过水面上就易形成滤饼。因滤饼产生的流阻作用，使得滤网的孔隙率减小，能拦截到更小粒径的泥沙颗粒。腈纶滤网在过滤时，会同含沙水流处于运动状态，泥沙颗粒不易发生黏附。因腈纶滤网中大量泥沙颗粒的积聚，会形成较厚的滤饼，较不锈钢滤网，能拦截到更多的细颗粒泥沙，过滤后滤液中的泥沙粒径也较小，因此腈纶滤网的泥沙去除率高于不锈钢滤网。

为进一步探讨流量和含沙量对微压过滤冲洗池泥沙去除率的影响，将恒定流量(Q=5 m3/h)下不同含沙量(S1=0.36 kg/m3、S2=0.46 kg/m3、S3=0.66 kg/m3、S4=0.96 kg/m3、S5=1.17 kg/m3)和恒定含沙量(S=0.66 kg/m3)下不同流量的不锈钢(G)和腈纶(J)滤网泥沙去除率试验结果进行对比，如图6所示。从图6可看出，流量对滤网的泥沙去除效率影响不大，但随着含沙量的增大，滤网的泥沙去除效率会增大，且腈纶滤网的泥沙去除率大于不锈钢滤网。当流量恒定时(Q=5 m3/h)，腈纶和不锈钢滤网的泥沙去除率分别为61.10%～83.50%和44.00%～62.05%。当含沙量恒定时(S3=0.66 kg/m3)，不同流量下腈纶滤网的泥沙去除率均值均为72.68%；不锈钢滤网的泥沙去除率均值均为50.58%，两者相差1.44倍。

图6 不同滤网的泥沙去除率

4 结 论

通过室内物理模型试验的方法，在流量为3～7 m3/h和含沙量0.36～1.17 kg/m3条件下，对微压过滤冲洗池采用腈纶和不锈钢两种不同滤网进行了浑水测试，得出结论如下：

(1)不同滤网对应水箱水深随时间的变化规律不同。腈纶滤网存在水深恒定、水深快速增加及水深急速增加3个阶段，而不锈钢滤网仅含水深恒定和水深快速增加两个阶段。

(2)不同滤网的水深恒定时间相差不大，但不锈钢滤网的过滤时间略大于腈纶滤网，滤网的过滤时间会随流量、含沙量的增大而缩短。

(3)滤网拦截泥沙质量随着流量的增大而减少，随含沙量的增大而增大，腈纶滤网拦截的泥沙质量大于不锈钢滤网。

(4)滤网的泥沙去除效率受流量的影响不大，但会随含沙量的增大而增大，且腈纶滤网的泥沙去除率高于不锈钢滤网。腈纶和不锈钢滤网的泥沙去除率分别为61.10%～83.50%和44.00%～62.05%，腈纶滤网的泥沙去除率为不锈钢滤网的1.35～1.42倍。

综合考虑过滤时间、拦截泥沙质量及泥沙去除率3个过滤性能评价指标，认为腈纶滤网更适用于微压过滤冲洗池。