雙介質(zhì)與單介質(zhì)過濾器過濾性能試驗研究

茍歡歡，張勝江，陶洪飛，楊圓坤，周 良，宋睿明，周 洋

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

0 引 言

西北內(nèi)陸地區(qū)降雨稀少、水資源短缺，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，全面推廣高效節(jié)水技術(shù)，是今后長期努力發(fā)展的方向[1]，以膜下滴灌為代表的微灌節(jié)水技術(shù)近年來已成為發(fā)展重點(diǎn)。微灌系統(tǒng)首部最重要組成部分就是過濾器，它關(guān)乎節(jié)水灌溉的水質(zhì)好壞[2]。介質(zhì)過濾器是目前運(yùn)用最廣泛的過濾設(shè)備，砂石過濾器是目前農(nóng)業(yè)灌溉主流的介質(zhì)過濾器[3]。其以砂床為過濾介質(zhì)的三維過濾特性，對有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)都有比較強(qiáng)的截獲能力[4, 5]，且具有較大的儲沙容積，不易發(fā)生瞬間堵死現(xiàn)象，安全性高，是微灌系統(tǒng)中常用來清除灌溉水中雜質(zhì)等的理想設(shè)備[6]。但從新疆近年來滴灌應(yīng)用的情況看，由于新疆滴灌水源水質(zhì)普遍較差，含沙量很高，盡管石英砂過濾器泥沙去除效率較高，但也造成堵塞嚴(yán)重，石英砂介質(zhì)水頭損失大、過濾周期短、反沖洗頻繁而且反沖洗用水量大且效率低等問題突出[7, 8]，首部系統(tǒng)運(yùn)行安全性低、總體運(yùn)行效率低，造成很多地方的過濾器都被農(nóng)戶棄之不用；對此，近年來PVC塑料介質(zhì)過濾器得到發(fā)展，有效提高了過濾器抗堵塞能力和反沖洗效率，提高了總體運(yùn)行效率，但其除砂率沒石英砂高[9]。對此，本研究計劃引進(jìn)石塑復(fù)合介質(zhì)(石英砂+PVC塑料介質(zhì))，期待結(jié)合兩種介質(zhì)過濾器的優(yōu)點(diǎn)，既解決其堵塞問題和提高反沖洗效率，又能獲得較好的除沙效率，使介質(zhì)過濾器在節(jié)水灌溉地區(qū)滴灌系統(tǒng)中得到更好的應(yīng)用。

1 試驗區(qū)域概況

本試驗用介質(zhì)濾料過濾器，結(jié)合新疆巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市西南方向35 km處的包頭湖灌區(qū)實際情況，對井水進(jìn)行處理。該農(nóng)場位于孔雀河三角洲的沖積扇下部，地處86°08′～86°26′E，41°45′～41°56′N，東鄰庫爾勒市永豐渠，西鄰孔雀河。地下水主要為松散巖類孔隙水，潛水含水層厚30 m，巖性為粉細(xì)沙、粉土、細(xì)沙的間隔層，潛水層富水性為中等-弱( 單井涌水量20 ～ 1 000 m3/d)[10]。地下水較為豐富，該灌溉區(qū)基本使用地下井水灌溉，由于地層中含粉細(xì)沙、粉土、細(xì)沙等，因此對井水灌溉用水中的泥沙雜質(zhì)處理顯得極為重要。

2 材料及方法

2.1 實驗材料和裝置

本試驗用的材料是來自于包頭湖農(nóng)場1號井水出口沉淀渠首部沉淀的泥沙。泥沙顆分曲線如圖1所示。該泥沙樣品檢測了兩組，基本沒誤差，屬于細(xì)粒土質(zhì)沙，小于0.25 mm的沙粒占比90%，小于0.075 mm的粉沙占比21%。

實驗裝置參考之前實驗室介質(zhì)過濾模型，結(jié)合現(xiàn)階段介質(zhì)過濾模型優(yōu)化改進(jìn)，試驗裝置如圖2所示，模型過濾器內(nèi)徑為150 mm、過濾面積為1.766 25 萬mm2，為了更接近實際應(yīng)用 高度，試驗裝置高度1 250 mm的亞克力有機(jī)玻璃柱，試驗用濾料為石英砂濾料和PVC塑料薄片或顆粒，濾料直徑如表1所示，濾層厚度500 mm，試驗室有2個存水灌，分別用于配制過濾的渾水及儲存渾水，配套設(shè)施有潛水泵、混水泵、攪拌泵、電磁流量計、壓力傳感器、壓力表、量杯、濾紙、直尺等。部分過濾試驗裝置如圖2所示。

表1 濾料顆粒結(jié)構(gòu)尺寸及空隙比Tab.1 Structure size and void ratio of filter particles

圖2 主要部分過濾器裝置Fig.2 Main filter device

2.2 實驗設(shè)計

配制含沙率為2 kg/m3的泥沙水，用從井口沉沙采集的原狀泥沙配制成泥沙水?，F(xiàn)對石英砂介質(zhì)，PVC塑料薄片介質(zhì)和石英砂與PVC塑料介質(zhì)在體積比為1:1混合條件下，單一介質(zhì)和石塑混合介質(zhì)下做渾水水力性能試驗，3種介質(zhì)在同一含砂率狀態(tài)對流量變化，壓力變化，除砂率的變化情況。

試驗具體設(shè)計為：①改變過濾系統(tǒng)的過濾流量，分別測定初始過濾流量為3 m3/h(0.051 2 m/s)，3.5 m3/h(0.059 7 m/s)和4 m3/h(0.068 3 m/s)時的過濾器局部水頭損失；②不同過濾流量試驗期間前10 min，每隔2 min記錄一次過濾器局部水頭損失和過濾流量，10 min后每隔5 min觀測一次局部水頭損失和過濾流量隨時間的變化情況，直到結(jié)束試驗。出口含砂率前10 min每隔2 min在出水口用量杯取一次過濾后的水樣，10 min后每隔10 min取一次水，共取10～11次水樣，每次取水4 L，沉淀24 h后，過濾，再烘干。通過過濾后水樣的含沙率來分析過濾器的泥沙處理能力；③過濾試驗完成后，泥沙會淤積在過濾器中，影響過濾系統(tǒng)的過濾性能；為了驗證過濾器介質(zhì)的積沙效果，和對出口含砂率的驗證，對過濾器內(nèi)部泥沙雜質(zhì)收集稱重。每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次，測得所有數(shù)據(jù)取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 石英砂過濾性能

圖3中(a)、(b)和(c)分別表示石英砂的流量變化與時間的關(guān)系、石英砂的水頭損失變化與時間的關(guān)系和石英砂除砂率的變化與時間的關(guān)系。由圖3(a)所示，3種流量隨著時間的變化趨勢相同，初始流量越大，在相同的時間內(nèi)，流量減少的越快，是因為流量越大，攜帶沙能力越強(qiáng)，過濾器內(nèi)部泥沙越多，堵塞的就越快。小流量，攜帶沙能力較弱，流量變化緩慢，堵塞的也較慢。在過濾的后期流量減少變化緩慢，是因為過濾器堵塞，流量小，攜帶沙能力弱等原因。圖3(b)所示，3種水頭損失隨著時間的變化趨勢相同，初始流量越大，初始水頭損失越大，水頭損失增加也越快。初始流量越大，過濾器堵塞的越快，壓力也隨之增加越快。在過濾的后期水頭損失增加變化緩慢，同樣是因為過濾器堵塞，流量小，挾沙能力弱，堵塞緩慢等原因。圖3(c)是除砂率時間的變化，3種流量下的除砂率變化趨勢相同，初始流量越大，過濾前期除砂率越小，過濾后期除砂率相對越大。是因前期過濾流量越大，流水速度大，動力也越大，攜帶泥沙穿過介質(zhì)濾層的能力越強(qiáng)，導(dǎo)致過濾前期除砂率較小。過濾后期，在過濾20 min時，因泥沙被石英砂介質(zhì)吸附，攔截等作用，在介質(zhì)濾層表面，形成一層泥沙雜質(zhì)，構(gòu)成了“濾餅過濾”，提高了過濾精度，還因流量減小，挾沙能力減弱，進(jìn)口含沙量較少，導(dǎo)致出口含砂量也越小等原因。由圖3可以看出，初始流量越小，流量減少變化緩慢，水頭損失增加也緩慢，前期除砂率相對比較大且趨于穩(wěn)定。后期除砂率急劇增加，是因石英砂介質(zhì)堵塞太快，水頭損失也相對很大。即石英砂介質(zhì)濾料，過濾效果較好，但是水頭損失大，過濾時間短，堵塞太快，導(dǎo)致反沖洗頻繁，耗能費(fèi)水，不利于當(dāng)下節(jié)能減排的趨勢。探索能耗低，抗堵塞強(qiáng)和反沖洗效率高的新濾料和新過濾技術(shù)，是當(dāng)下和以后長期的發(fā)展思慮。

圖3 石英砂過濾流量、水頭損失和除砂率隨時間的變化Fig.3 Variation of quartz sand filtration flow, water head loss, and sand removal rate over time

過濾后表面積沙情況如圖4所示，石英砂介質(zhì)過濾25 min左右，濾層表面已堆積了一層泥沙，由圖3(a)和圖3(b)可以看出，濾層早已發(fā)生堵塞，表面積沙只是濾層進(jìn)一步堵塞，流量迅速減少，壓力也快速上升，除砂率也快速提升，此時已形成“濾餅過濾”。即后期濾層表面不斷積累泥沙，到60 min左右逐漸累積有3～4 cm厚。所以石英砂介質(zhì)存在表面過濾，下層濾料介質(zhì)還未發(fā)生作用，上層濾料已經(jīng)堵塞，這是石英砂介質(zhì)最主要的缺點(diǎn)之一。

濾層堵塞進(jìn)行反沖洗時，試驗發(fā)現(xiàn)存在水力分級現(xiàn)象明顯，較小粒徑的濾料顆粒停留在濾層表層，濾層越向下粒徑越大，通過對泥沙雜質(zhì)的過濾試驗發(fā)現(xiàn)，濾床的表面很快被堵塞，形成“濾餅過濾”，下層的濾料基本起不到什么作用，這就是微灌上常說的“表層過濾”現(xiàn)象。如何避免“表層過濾”，開發(fā)微灌系統(tǒng)專用的沙濾料，是微灌過濾技術(shù)發(fā)展的一個重要課題。

圖4 不同時間段表面積沙情況 Fig.4 Surface sand in different time periods

3.2 PVC塑料介質(zhì)過濾性能

圖5中(a)、(b)和(c)分別表示PVC塑料介質(zhì)的流量變化與時間的關(guān)系、PVC塑料介質(zhì)的水頭損失變化與時間的關(guān)系和PVC塑料介質(zhì)除砂率的變化與時間的關(guān)系。由圖5(a)所示，3種流量隨著時間的變化趨勢相同，由試驗數(shù)據(jù)得，可以分為3個階段：平穩(wěn)階段，快速下降階段，緩慢下降階段。第一階段為0～30 min左右，流量變化平穩(wěn)緩慢，因為初始流量大，攜沙能力較強(qiáng)，再者PVC塑料介質(zhì)表面光滑，不利于泥沙雜質(zhì)快速的攔截，因此過濾前期堵塞較慢，流量變化緩慢。從第一階段流量的變化，也可以看出濾層攔截泥沙效果差，不堵塞，除砂率效果差。隨著時間的增加，濾層介質(zhì)內(nèi)部不斷發(fā)生堵塞，進(jìn)入第二階段30～55 min左右，流量快速下降，說明濾層內(nèi)部泥沙堵塞越來越嚴(yán)重，因前期流量較大，攜沙能力較強(qiáng)，流道逐漸堵塞，流道數(shù)量逐漸減少，在相對較大的流量下，未堵塞的流道發(fā)生堵塞的幾率更大，流道堵塞加快，導(dǎo)致流量減小越快。隨著過濾繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)入第三階段55 min以后，流量又變得緩慢下降，因為后期流量較小，攜帶沙能力較弱，流道發(fā)生堵塞也較慢。流量越大，在相同的時間內(nèi)，流量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)越早出現(xiàn)，是因為流量越大，攜帶沙能力越強(qiáng)，過濾器濾層內(nèi)部泥沙攔截越多，堵塞也就越快。后期流量較小，攜帶沙能力較弱，流量變化緩慢，3種流量下，后期流量相差較小。由試驗得，流量越大，各階段的過濾時間相對越短，流量變化越快。

圖5 PVC塑料介質(zhì)過濾流量、水頭損失和除砂率隨時間的變化Fig.5 Changes of PVC plastic media filtration flow, head loss, and sand removal rate over time

水頭損失與時間變化如圖5(b)所示，3種水頭損失隨著時間的變化趨勢大致相同，初始流量越大，初始水頭損失越大，水頭損失增加也越快。PVC塑料介質(zhì)的水頭損失也可分為3個階段：平穩(wěn)階段，上升階段，緩慢上升階段。平穩(wěn)階段：0～30 min左右，水頭損失平穩(wěn)緩慢增加，因前期濾層潔凈，攔截積沙的空間較多，未大量堵塞，水頭損失也較小。快速上升階段：30～50 min左右，因前期過濾，濾層逐漸攔截積沙較多，流道快速減少，導(dǎo)致水頭損失快速上升。緩慢上升階段：50 min以后，水頭損失上升緩慢，因第一階段和第二階段的堵塞，導(dǎo)致流量的下降，攜沙能力減弱，在流量和含沙量，壓力等共同作用下，堵塞比較緩慢。初始流量越大，過濾器堵塞的越快，壓力也隨之增加越快。PVC塑料介質(zhì)除砂率如圖5(c)所示，PVC塑料介質(zhì)與石英砂相比除砂率較小，并且不穩(wěn)定，流量越大，除砂率越小，因流量相對較大，變化較慢，PVC塑料介質(zhì)表面相對比較光滑，攔截泥沙的效率較低。隨著時間的推移，除砂率總體是在逐漸緩慢增加。

過濾后表面積沙情況如圖6所示，PVC塑料介質(zhì)除砂率小，孔隙率相對比較大，反沖洗后濾層內(nèi)部擾動大，過濾效果不穩(wěn)定，所以濾層介質(zhì)表面基本上未積沙。試驗后期，濾料表面才有零星的積沙，基本不怎么明顯，大部分積沙在濾層內(nèi)部，基本上不存在表面過濾現(xiàn)象，內(nèi)部積沙量也較少。

圖6 不同時間段表面積沙情況 Fig.6 Surface sand in different time periods

3.3 石塑混合介質(zhì)過濾性能

圖7中(a)、(b)和(c)分別表示石塑混合介質(zhì)的流量變化與時間的關(guān)系、石塑混合介質(zhì)的水頭損失變化與時間的關(guān)系和石塑混合介質(zhì)除砂率的變化與時間的關(guān)系。由圖7(a)所示，3種流量隨著時間的變化趨勢相同，由試驗數(shù)據(jù)得，大致可以分為3個階段：緩慢下降階段，快速下降階段，緩慢下降階段，三段分界線不是很明顯。緩慢下降階段：0～30 min左右，流量緩慢下降，表明介質(zhì)濾層一直在堵塞，濾層一直在攔截泥沙雜質(zhì)。由圖7(a)中的初始流量1可以看出，流量變化是一直在緩慢的下降，中間未有流量突變現(xiàn)象，說明濾層堵塞一直在漸進(jìn)有序地進(jìn)行。快速下降階段：35～60 min左右，這個階段只有初始流量2和3才有，流量越大越明顯，時間也相對越長，流量減小的速度越快。因前期的一直過濾，濾層內(nèi)部堆積了較多泥沙，即流量減少比第一階段有所加快。因濾層是石塑雙層濾料，濾料充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，過濾效果還比較穩(wěn)定。又進(jìn)入緩慢下降階段：60 min以后，流量下降又變得緩慢，因前期兩個階段的過濾，濾層基本已達(dá)到工作閾值，加之流量減小，攜沙量也較小。

水頭損失與時間變化如圖7(b)所示，3種水頭損失隨著時間的變化趨勢大致相同，初始流量越大，初始水頭損失越大，水頭損失增加也越快。石塑混合介質(zhì)的水頭損失可分為兩個階段：緩慢上升階段和快速上升階段。兩個階段分界不是很明顯，水頭損失的變化與流量的變化剛好相反，緩慢上升階段，根據(jù)流量的大小變化有所不同，流量越大，水頭損失增長變化越快，在小流量下，水頭損失一直緩慢地變化，中間未有突變現(xiàn)象。因小流量，攜沙量少，濾層堵塞緩慢進(jìn)行，加上又是石塑混合介質(zhì)，分層攔泥沙，更能充分發(fā)揮各濾層的優(yōu)勢。快速上升階段，壓力增加比前期快，因前期攔截泥沙的積累，逐漸堵塞濾層，導(dǎo)致壓力快速增加。石塑混合介質(zhì)的除砂率如圖7(c)所示，除砂率趨勢大致相同，呈周期性變化，流量越大，除砂率越小。因濾料時石英砂和PVC兩種介質(zhì)組成，前期PVC塑料介質(zhì)攔截泥沙效果較差，基本有下層石英砂承擔(dān)，因此雙濾料形成多層過濾，除砂率呈周期性，是因為濾層在過濾中不斷發(fā)生變化。在過濾中，某一層濾料積沙形成一個過濾層，相當(dāng)于“濾餅過濾”，提高了過濾精度，在相對大的壓力和流量下，濾層發(fā)生崩塌，導(dǎo)致泥沙隨著流水穿過濾層，進(jìn)入下級系統(tǒng)，即除砂率隨之減小，濾層不斷深入。上層濾層又開始積累泥沙，形成沙層，除砂率又提高，后濾層又發(fā)生崩塌，除砂率又減小，這樣大致呈周期性變化，流量越小，除砂率隨著時間，總體呈增加趨勢。流量越大，除砂率出現(xiàn)平穩(wěn)或下降趨勢，因壓力和流速的作用，濾層的攔截作用逐漸降低，到最后泥沙雜質(zhì)穿過濾層，進(jìn)入下級系統(tǒng)。

如圖8所示，是過濾器在45 min左右和60 min左右的表面積沙情況。因砂塑混合，上層PVC塑料介質(zhì)表面光滑，空隙較大，過濾效果差，即下層石英砂介質(zhì)先工作，層層積累，直到45 min左右濾層表面才開始積沙，此時流量快速減少，過濾精度也相對提高，到了60 min左右，濾料表面才有隆起的泥沙堆，只是極少的局部堆積，基本未形成表面過濾。即石塑混合介質(zhì)發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達(dá)到分層攔截泥沙，讓整個濾層都發(fā)揮作用，延長過濾時間，改善了介質(zhì)過濾器過濾效果，為探索更多多層復(fù)合介質(zhì)過濾器提供理論基礎(chǔ)。

圖7 石塑混合介質(zhì)過濾流量、水頭損失和除砂率隨時間的變化Fig.7 Changes in filter flow, head loss, and sand removal rate of stone-plastic mixed media over time

圖8 不同時間段表面積沙情況Fig.8 Surface sand in different time periods

4 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)的石英砂介質(zhì)水頭損失大和耗能大，反沖洗容易水力分級，在濾層表面形成致密濾餅層，雖提高了過濾效果，但嚴(yán)重影響了過濾效率。鑒于此，探索更實用或提高水力性能和過濾效率的過濾介質(zhì)是目前的過濾器研究最主要的問題。

(2)PVC塑料介質(zhì)的使用促進(jìn)了過濾介質(zhì)的發(fā)展，雖提高了過濾效率和水力性能，幾乎不存在濾層表面積沙情況，但是除砂率降低并且不穩(wěn)定，過濾效果較低，攔截泥沙效果差，不合適單獨(dú)使用。

(3)石塑混合介質(zhì)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，水力性能接近PVC塑料介質(zhì)，達(dá)到節(jié)能減耗，克服了單一介質(zhì)使用的缺點(diǎn)，優(yōu)化了過濾器內(nèi)部濾層結(jié)構(gòu)，避免濾層的表面過濾，并且有分層攔截泥沙的效果。

(4)石塑混合介質(zhì)的使用設(shè)計，有效的充分發(fā)揮石英砂和PVC塑料介質(zhì)的各自優(yōu)勢，改善了介質(zhì)過濾器 的水力性能，在相對較高除砂率下，提高了過濾效率。為多層復(fù)合介質(zhì)過濾器的研究提供了理論基礎(chǔ)。