水肥一体化工程中的过滤设备及应用建议＊

李 恺，尹义蕾，侯 永，王春辉，张凌风，潘守江(农业农村部规划设计研究院/农业农村部农业设施结构工程重点实验室,北京 100125)

2019 年中国水资源总量为28670 亿m3，农业年用水占比最大的产业，总量为3675 亿m3，占全国用水量的61%[1-3]，但在农业生产中水资源利用率却始终处于较低水平。因此，农业使用节水灌溉方式是社会发展趋势。现代水肥一体化技术中的滴灌或喷灌系统都是由很多节水灌溉设备组成的，灌溉设备的抗堵塞性一定程度上代表了设备的技术水平[4-5]。因为作物所需水分、肥料、药剂通过滴头输送，所以滴头的稳定性、均匀性是整个节水灌溉系统里较为重要的指标；而高品质的灌溉过滤设备，可以有效减少甚至清除水源中的砂石杂质等，进一步减少了滴头对杂质的抗堵要求。大多数农业生产水源必须经过灌溉过滤设备过滤才能使用。常见的灌溉过滤器有离心过滤器、介质过滤器、网式过滤器和叠片过滤器等。前两者灌溉过滤器过滤的是大颗粒杂质，后两者灌溉过滤器是用来过滤较细微的杂质[6-7]。

过滤器作用

在所有灌溉系统中过滤设备是必不可少的一部分。为保证灌溉水源质量，过滤设备会出现在水源处、灌溉首部（尤其是混合肥料后）、灌溉末端。过滤器有助于延长灌溉系统各个设备的使用寿命，减少维护成本，对于滴灌系统，它们是防止灌水器堵塞的必要条件；对于先导阀，阀体中的导流孔直径较小也有堵塞失效风险，导致阀门无法打开或关闭。常见的农业用水杂质主要有以下4 类[8]：

无机物

砂子、碎石等杂质，由于其粒径过大无法穿过孔隙，从而引起堵塞，另外悬浮于水中的粘土微粒也会聚集堵塞灌水器或过滤器流道。

化学杂质

灌溉水通常含有大量Ca、Mg、Mn 等矿物质，沉积形成水垢。水肥在混合溶解过程中，肥料中的可溶离子由于温度、压力、pH 等因素的变化，也可能形成沉积物而堵塞灌水器或过滤器流道。

有机物

来自于供水水源或在灌溉季节滋生于供水管道中，尤其是地表开敞式水源以及灌溉系统中透明管道或容器内壁。细小的藻类分解后进入系统，并不断絮结，从而堵塞灌水器或过滤器流道。

微生物

经常出现的微生物主要含铁和硫离子。含铁的微生物是由可溶解的亚铁离子氧化而成，粘附在管道内壁和灌水器流道中，形成沉积物；硫化物是一种白色或黄色的粘稠纤维沉积物，其表面会吸咐很多其它杂质，这些杂质都会堵塞灌水器或过滤器流道。

过滤器类型

根据水质条件和过滤后水质需求，过滤器可分为不同的类别，常见的灌溉过滤器有离心过滤器、介质过滤器、网式过滤器和叠片过滤器等。

离心过滤器

离心过滤器也被称为“砂分离器”，主要用于去除水中的无机物颗粒物，通常应用在地下水机井水泵出口处，主要是利用水流环流的离心力来分离水中的砂粒，其去污能力与水中的含砂量大小有关[9-11]。离心过滤其原理及常见离心过滤器形式如图1。

图1 离心过滤器原理及常见离心过滤器形式

含有杂质的水源进入过滤腔在圆筒内部旋转，水中的砂粒受离心力作用移动到圆筒的外缘，并逐渐沿内壁面滑到底部的沉沙罐。但接近水比重的杂质是无法有效分离的，例如悬浮泥沙和有机物杂质等。为进一步去除有机杂质，离心过滤器常与介质过滤器组合使用。离心过滤器优点在于内部结构简单稳定，保养维护方便且价格较低，能连续工作自动排砂，无需停机冲洗，而缺点主要在于水头损失较大，由离心过滤原理可看出，只有在一定的流量范围时，离心过滤器才能发挥出应有的净水效果。系统管道中的流速下降，会导致过滤效率下降。离心式过滤器正常运行条件下的水头损失应在 3.5～7.7 m 范围内，水头损失小于3.5 m 时，将无法形成足够的离心力。

介质过滤器

介质过滤器通常使用砂石作为过滤介质，因此也常称为砂石过滤器，介质过滤器原理及常见介质过滤器形式如图2。

图2 介质过滤器原理及常见介质过滤器形式

在正确选择滤料的条件下介质过滤器是所有过滤器中对水源有机杂质过滤最为有效的过滤器，其过滤器滤出和存留杂质的能力很强[12-13]。只要水中有机物含量超过10 mg/L 时，均应选用介质过滤器。其中的介质通常是小而锋利的滤料。水中的杂质通过介质颗粒之间的小空隙时，介质中棱角锋利的滤料颗粒能够有效阻碍有机物通过，从而起到过滤作用。从过滤原理来看，砂石过滤器的滤料十分重要。普通河流、海滩和溪流的细沙往往具有圆润的边缘，无法起到过滤作用。介质过滤器是最常用的过滤器类型，用于河流和湖泊等地表水大流量水源过滤。介质过滤器主要缺点在于其体型较大，占用空间较多，且质量较大。因此介质过滤器对存放用房（首部设备间等）出入通道宽度，及空间大小有一定要求。过滤砂型号应根据灌水器对水质的要求及灌溉水质合理选取。

砂石滤料用平均有效粒径和均匀系数两个指标来分类，平均有效粒径是指某种砂石滤料中小于这种粒径的砂样占总砂样的10%，例如某种滤料的有效粒径为 0.8 mm，其意义是指其中有10%的砂样粒径小于0.8 mm；均匀系数用于描述砂石滤料的粒径变化情况，以 60%砂样通过筛孔的粒径与 10%砂样通过筛孔的粒径的比值来表示（即d60/d10），若此比值等于1，说明该滤料由同一粒径组成。用于微灌系统的砂石过滤器，滤料的均匀系数在1.5左右为宜。介质过滤器必须与系统流量仔细匹配，以便正常运行，不同型号过滤砂的过滤效果如表1。介质过滤器受水源杂质含量影响，也需要定期进行清理，也有介质过滤器通过自动反冲进行内部介质的清洁。在清洗过程中会有少量的介质被冲洗掉，所以有必要定期向过滤器中添加一些介质。相反的，由于水源带入的沙子不容易被冲出，所以含有大量沙子的水源不能直接使用介质过滤器，可先通过离心过滤器进行泥沙分离[14]。

滤网过滤器

网式过滤器一般由承压外壳和安装有滤网的内芯构成，适合去除水中的无机杂质，如沙子，而较难去除如藻类、霉菌、黏液等有机物质，较小尺寸的有机杂质可以通过暂时变形穿越网孔无法过滤，而稍大尺寸的杂质很容易嵌入到网孔中，且较难去除[15-17]，其原理及常见网式过滤器形式如图3。

图3 网式过滤器原理及常见网式过滤器形式

在实际应用中，为了满足过滤系统的流量，往往将多个网式过滤器并联使用。在处理水库、池塘等露天水源时，水中常含有大量杂草和藻类，可在水泵底阀外加装过滤网做初级过滤。网式过滤器结构简单，其筛网孔目数应根据水源中泥沙颗粒粗细确定，一般为 70～200 目。当水源中藻类或有机物较多时，筛网很容易堵塞失效，需要经常清洗。常见的网式过滤器分为直冲、自动反冲洗、扫描吸附网式过滤器等。直冲网式过滤器的清洁需要人工取下滤网，从水流反方向进行冲洗；自动反冲洗网式过滤器价格稍高，使用两个或多个并排的过滤器在检测到过滤器前压力提高时，设备自动切换反冲洗管路，被冲洗的过滤器使用其他过滤器的清洁水冲洗，冲洗水被迫反向穿过滤网，以达到有效清洁效果；扫描吸附网式过滤器使用多个水动负压吸嘴吸附清洁滤网，吸嘴一边旋转一边轴向平移形成螺旋线，用扫描的方式 “吸走”过滤网上的碎屑。

叠片过滤器

叠片过滤器原理近似于网式过滤器和介质过滤器的结合，具有两者的许多优点，可以很好地去除无机物和有机物杂质，之所以称为叠片过滤器，是因为其过滤的实现由一串双面覆盖有突起线条或尖点的圆片叠装而成[18-20]。其原理及常见叠片过滤器形式如图4。

图4 叠片过滤器原理及常见叠片过滤器形式

水流通过薄片间的缝隙和细小纹路时将杂质去掉，薄片间的缝隙可通过薄片组两端施加压力的大小进行调节。与网式过滤器一样，叠片式过滤器的过滤能力也以目数表示，一般这种过滤器的过滤能力在40～400 目。叠片式过滤器正常工作时，叠片是被锁紧的，当要手动冲洗时，可将滤芯拆下并松开压紧螺母，用水冲洗即可。此种过滤器也分手动或自动冲洗，在过流量相同时，它比网式过滤器存留杂质的能力强，因此冲洗次数相对较少，冲洗的耗水量也较小。但是，自动冲洗时叠片必须能自行松散，因受水体中有机物和化学杂质的影响，有些叠片往往被粘在一起，不易彻底冲洗干净。

过滤器选型建议

不同水肥一体化工程模式中基础设计条件差异较大，受水源、项目成本、灌溉末端、地形等诸多因素影响，合理选择过滤设备十分重要[21-22]。在大多数情况下需要多种过滤器的组合，对于较小流量的灌溉系统，叠片过滤器可以同时去除沙子和有机物，但可能需要经常清洗。以下是一些基于灌溉水源的选型依据。

（1）明确水源中杂质的组成。

（2）确定灌溉系统的峰值流量分析。

（3）建立多方案进行经济技术比较。

（4）所选过滤器的目数。

即过滤器的过滤能力取决于灌水器的流道直径,大量观测数据表明,仅 7、8 个悬浮固体颗粒就可在流道出口处形成一个弧形堆积带,从而引起灌水器堵塞。要防止这种弧形堆积带的形成,对于微喷系统的过滤器，必须能将大于 1/7 喷嘴直径的杂质全部滤掉，如式（1）。

而对于采用长流道滴头的滴灌系统,过滤器的过滤能力务必达到能将大于 1/10 滴孔直径的杂质全部滤出，如式（2）。

其中dL 为滤孔直径（mm），dP 为微喷头喷嘴直径（mm），dD 为滴头滴孔直径（mm）。

（5）不同水源建议过滤器类型。

不同的水源应当合理选择过滤器种类。市政水源可以考虑使用滤网过滤器，地下水源可以考虑使用离心过滤器、网式过滤器或叠片过滤器，河水源可以考虑使用介质过滤器、网式过滤器、叠片过滤器，水或自流井水源可以考虑使用网式过滤器、离心过滤器或圆盘过滤器。不同杂质水源选择过滤器的组合建议如表2。

表2 不同杂质水源过滤器选择表

过滤参数确定

过滤器最主要的过滤参数取决于水中要去除的最小颗粒尺寸，同时过滤设备选型在很大程度上取决于灌溉类型，例如滴灌系统需要更高过滤能力的设备，以防止滴头堵塞。在构建过滤系统时需要综合考虑过滤程度、流量、系统稳定性。及时清理过滤设备中得到杂质是十分必要的，使用一段时间后即使过滤设备仍可以满足灌溉系统流量也应及时清理，清除杂质可以消除砂粒通过时对系统造成的磨损。但过度冲洗会浪费水和能源，因此必须进行权衡，根据使用情况及时调整过滤器清洗周期，及时保养维护过滤系统[23]。表3 为不同水质下的常用过滤器形式选择表，表4 为介质过滤器选型表。

表3 过滤器形式选择表

表4 介质过滤器选型表

经验法则指南

在选择过滤器参数时可以参考的经验做法是滴灌系统滴头制造商规定所需的过滤等级提高一级就是应当选择的过滤器目数要求。对于滴灌系统通常不使用小于100 目或120 目（150 μm）的过滤器，并且通常使用150 目（100 μm）的过滤器来去除可能导致系统磨损和阀门损坏的颗粒，表5 为过滤器近似尺寸当量。一般的灌溉系统中建议使用至少100 目（150 μm）的筛网或等效物过滤器并且过滤器应当安装与控制阀门之前，因为大多数管道疏松的灌溉系统中使用先导式电磁阀，细小的砂粒是导致控制阀故障最常见的原因之一，而5 年的阀门维修、更换或对农业生产造成的损失远比过滤器的投入要小。因此必须要在设计初期就综合考虑过滤器选型并做好设备维护与清洁[24]。

表5 近似过滤器尺寸当量

但实际使用过程中目数只是一个粗略的参考值，因为目数是每平方英寸中孔隙的数量，而并不能直观体现孔隙直径。所以两个筛网可以有相同的目数，但是如果其中一个筛网比另一个筛网粗，那么另一个筛网的筛网之间的筛孔就会更小。因此，空隙直径是一种更精确的测量方法，用于确定去除杂质颗粒的大小的过滤器参数。

使用中存在的主要问题及建议

过滤器虽然是农业灌溉系统中不可缺少的一部分，尤其在现代节水灌溉工程技术模式中，配置合适的过滤系统是保持系统运行稳定，施肥均匀的基础条件，但是在使用过程中却存在诸多问题。

设备选型

在农业灌溉工程中常常会出现过滤设备与水源不匹配的情况，例如蓄水池作为开放性地表水源，其内会存在无机物、有机物以及微生物杂质，如果直接使用自吸泵加网式过滤器组合，一方面对水泵损害较大，另一方面网式过滤器很快会被杂物堵塞，且水源中的有机物杂质不能很好地被过滤，从而影响末端滴灌带，必须选择合理的过滤方案。以上述情况为例，为最大限度地消除水源杂质，必须首先设置沉积池，沉积池与蓄水池间设置筛网，阻拦较大的杂物，水源通过带有50～80 目滤网的底阀进入自吸泵，经过砂石过滤器后进入施肥一体化混肥设备，在经过叠片或网式过滤器，才能保证水质满足滴灌系统应用。

设备保养

在农业生产过程中，土壤栽培条件下灌溉首部基本处于连续运行状态，过滤设备负荷较大，必须定期清理，未及时处理的过滤设备会发生堵塞，从而降低系统流量，增大首部压力，一方面无法满足灌溉压力，导致灌溉均匀性降低，另一方面过高的首部管道压力会导致首部设备安全性降低，甚至发生振动损坏。日常管理中未及时处理往往农户会将筛网取出导致未经过滤的水源直接进入灌溉管网，堵塞滴灌带，或是长时间未清理，筛网或叠片积累杂质较多，很难清理，需要更换，造成成本增加。因此为避免以上情况发生，必须在过滤设备上游加装压力表，及时观察检修过滤设备，定期清洗，保证系统运行稳定顺畅。

安装位置

规模化农业生产基地或集群管理的设施农业园区通常会使用专业化的灌溉首部系统，系统中包含的过滤设备往往有多组设备构成，但设备的组合件装顺序需要根据杂质种类和混肥方式确定，例如，为避免未溶解肥料或肥料中的杂质进入管网，应该在施肥机下游安装网式过滤器或叠片过滤器，可根据表2 正确选择合适的过滤器及安装位置。为保证过滤器持续运行，过滤设备多具备自动反冲洗功能，自动反冲洗功能虽然可以自动检测管路压力，及时启动反冲洗保证过滤设备运行正常，但需要一定的管内压力才能保证反冲洗效果，因此需要在自动反冲洗过滤器下游配套安装持压阀来保证设备正常启动反冲洗功能。

未来发展趋势

随着中国农业高标准农田建设、农业规模化发展及设施农业园区建设的推进，专业化的农业灌溉系统必然会得到推广，未来灌溉系统中的过滤设备也会得到全面覆盖。过滤设备的可靠性、稳定性、自清洁功能、数字化应用等方面的优化升级是必然的发展趋势。

过滤器标准修订及产品监管逐步加强。为更好地推广过滤设备应用，提升行业总体水平，管理部门将通过过滤器标准修订，加强产品监管，开展产品检测、农机购置补贴等工作，推动行业产品水平提升，保证过滤设备运行稳定可靠。

开展专业化过滤系统设计、应用、维护培训。过滤器在使用过程中出现的问题往往是设计或使用维护的问题，因此，在灌溉系统设计之初应当由专业团队对水源、肥料、地形等情况进行调研，合理设计过滤系统，为系统正常使用打好基础，在使用过程中设备应当由专业的维护人员对设备进行定期保养，出现问题及时处理。

提升过滤设备性能及自动化应用功能。随着农业数字化发展，农业生产中各个环节的自动化设备、及设备的信息化水平不断提升，借助传感器、物联网等技术为农业生产管理提供很多便利，对于过滤设备也应当通过创新研发、集成应用不断提升产品性能，在过滤设备性能方面、设备状态远程检测、故障及时报警、冗余系统设置等方面进行提。从产品本身提高使用的稳定性，保证农业生产安全，也为节水节能提供技术支撑。