图1 试验装置示意图
张文正，翟国亮，吕谋超，蔡九茂，邓 忠，宗 洁
（中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室，河南新乡453002）
摘 要：为了探索砂石、筛网和叠片过滤器对黄河泥沙的过滤效果及其差异性，在不同过滤流量下进行了室内模型试验，并对比分析了过滤后水浊度、颗粒质量浓度、水头损失、瞬时流量等指标。结果表明，砂石过滤器过滤后水浊度和颗粒质量浓度低于筛网和叠片过滤器，且砂石过滤器过滤后水的水浊度和颗粒质量浓度变化曲线较为稳定，筛网和叠片过滤器的浊度滤除比率和颗粒质量浓度滤除比率均低于砂石过滤器。砂石过滤器截留的泥沙粒径分布均匀，而筛网和叠片过滤器截留能力体现在大粒径，因而砂石过滤器更能充分实现过滤功能。砂石过滤器水头损失随时间呈现递增趋势，而筛网和叠片过滤器变化幅度不大，分析认为后者未能充分截留泥沙，判定水头损失小不代表过滤效果好。综合可知，砂石过滤器过滤黄河泥沙效果优于筛网和叠片过滤器。
关 键 词：过滤器；颗粒质量浓度；水头损失；粒度分布
目前微灌工程中常用的过滤器包括砂石过滤器、筛网过滤器、叠片过滤器等[1]，在过滤机理方面彼此存在较大差异。相关企业通过不断创新研发出了新产品，如自清洗过滤器[2]和复合式过滤器[3]等，科研上主要以过滤器的过滤机理和水力性能作为研究重点。砂石过滤器过滤有机物效果好[4]、纳污能力强；李亚峰等[5]引入均质滤料概念，解决了反冲洗后滤料粒径分级现象；翟国亮等[6-7]对均质滤料的过滤效果和反冲洗效果开展了研究；王燕燕[8]在国内首创设计了自清洗叠片过滤器，通过数值模拟进行结构改进，提高过滤效果降低了过滤水头损失；宗全利等[9-10]研发出新型自清洗网式过滤器，并对滤网直径、长度与设计流量做了定量研究。根据不同过滤器特点合理布置，实现过滤效果最优化，对于微灌工程健康运行意义重大。兹重点研究砂石、叠片、筛网过滤器过滤效果，在室内模型试验基础上，通过过滤后水样多个指标的测试和分析，探索3种过滤器的最佳使用场合，为其合理使用提供理论依据。
通过总结原先模型装置试验中存在的问题，重新设计改进模型装置。首先，降低模型装置高度，使其接近现实应用过滤器产品高度，该调整旨在降低生产成本和保证试验结论的指导意义。其次，重新调整排气阀位置，及时排出液面以上空气，降低过滤器水头损失。整套试验装置如图1所示，包括内径160 mm、高度1 200 mm有机玻璃柱，配套设施有潜水泵、电磁流量计、无纸记录仪、压力传感器、浊度计、激光粒度分布仪等。
试验配制原水的黄河泥沙取自引黄灌区人民胜利渠，试验前对其进行晾晒、烘干、筛分，按比例混合使用，通过激光粒度分布仪测定粒度分布情况如表1所示。
图1 试验装置示意图
表1 颗粒分析结果
砂石过滤器选择2种粒径均质石英砂滤料，分别为0.85、1.18 mm，过滤流量控制为1.24、1.59、1.88 m3/h，结合模型装置高度及反冲洗特点控制滤层厚度为50 cm。叠片和筛网过滤器选择国产品牌，过滤精度为120目，每种过滤器随机选择2套，重复试验减小误差。砂石过滤器水头损失7 m时停止过滤，叠片和筛网过滤器则控制在5 m，过滤取样频率1次/2 min，每组试验重复2次取平均值，试验组合如表2所示。
表2 试验组合
1）浊度。采用浊度计测量，分别测量原水浊度和过滤后水样浊度，原水浊度和过滤后水样浊度测试2次，取平均值。
2）颗粒质量浓度。通过烘干法测量单位体积水样泥沙质量浓度，分别测量原水和过滤后水样体积含沙量以及清水可溶性物质质量浓度，从而计算单位体积水样净含沙量。
3）颗粒粒度。采用激光粒度分布仪测量砂石过滤器、叠片过滤器、筛网过滤器截留泥沙粒度分布状况。
4）过滤周期。采用压力传感器实时监测过滤器进出水口压力值，记录砂石过滤器水头损失7 m及叠片筛网过滤器水头损失5 m时耗用的时间。
图2是在不同过滤流量条件下3种过滤器过滤后水浊度随时间变化曲线。从图2可以看出，过滤后水浊度呈动态变化，其中叠片过滤器和筛网过滤器过滤后水浊度在14 NTU左右，砂石过滤器0.85 mm时过滤后水浊度稳定在2 NTU左右，明显优于前2种过滤器，而砂石过滤器1.18 mm粒径时过滤后水浊度略微低于前2种过滤器，分析认为滤料粒径较大时截留泥沙能力弱，因而以浊度作为观测指标，可以判定砂石过滤器过滤黄河泥沙效果优于筛网过滤和叠片过滤器。
图2 不同流量条件下过滤后水浊度随时间变化
不同过滤流量条件下3种过滤器浊度滤除比率见表3。由表3可知，在2种滤料粒径条件下砂石过滤器浊度的滤除比率要明显优于叠片过滤器和筛网过滤器。砂石过滤器0.85 mm的浊度滤除比率在90%以上，说明大部分泥沙被过滤器截留，该结果与过滤后水浊度随时间变化曲线稳合，进一步证明砂石过滤器过滤黄河泥沙效果好。筛网过滤器和叠片过滤器对浊度滤除比率在60%左右，说明他们截留泥沙的能力差，过滤后水中仍含有大量泥沙。
表3 过滤后水浊度滤除比率
注 滤后是指过滤后所有水样浊度值的平均数，下同。
3种过滤器在不同流量条件下过滤后水颗粒质量浓度随时间变化如图3所示。由图3可知，叠片过滤器和筛网过滤器过滤后水颗粒质量浓度的变化幅度较大，而砂石过滤器过滤后水颗粒质量浓度变化趋势相对稳定，前2种过滤器过滤后水颗粒质量浓度峰值在0.8 g/L左右，而砂石过滤器过滤后水颗粒质量浓度在0.3 g/L左右。砂石过滤器过滤后水中泥沙量小、质量浓度低，与浊度的变化情况基本吻合，在颗粒质量浓度指标条件下，砂石过滤器过滤泥沙能力较筛网过滤器和叠片过滤器有明显优势。
图3 不同流量条件下过滤后水颗粒质量浓度随时间的变化
表4是不同过滤流量条件下3种过滤器过滤后水颗粒浓度滤除比率。由表4可知，砂石过滤器在0.85 mm条件下过滤后水颗粒质量浓度较低，滤除比率均在70%以上，而叠片过滤器和筛网过滤器过滤后水颗粒质量浓度滤除比率在30%以上，后者过滤后水中泥沙量大，效果明显比砂石过滤器差，因而从颗粒质量浓度滤除比率考虑，砂石过滤器过滤泥沙效果要优于叠片过滤器和筛网过滤器。
表4 过滤后水颗粒质量浓度滤除比率
3种过滤器在不同过滤流量条件下水头损失随时间变化如图4所示。由图4可知，叠片过滤器和筛网过滤器的水头损失随时间变化稳定，而砂石过滤器的水头损失随时间呈现逐渐增大趋势。针对叠片过滤器和筛网过滤器水头损失曲线变化趋势，分析由于其对浊度及颗粒质量浓度的过滤效果差，大部分泥沙未能截留下来，故水头损失随时间变化趋势不明显。筛网过滤器水头损失在最后时刻出现突然增大现象，分析认为筛网过滤器的特点是二维过滤，过滤能力取决于滤网表面积，然而其过滤面积在3种过滤器中最小，因而随着时间持续网孔被堵塞概率和速率迅速增大。砂石过滤器独特的三维过滤可以吸附和截留小颗粒，具有较强纳污能力，随着拦截泥沙量的不断增加，水头损失也呈现递增趋势。
图4 不同流量条件下水头损失随时间变化
过滤流量为1.24 m3/h时，叠片过滤器、筛网过滤器与砂石过滤器过滤周期分别为60、44、60、28 min；过滤流量为1.59 m3/h时叠片过滤器、筛网过滤器与砂石过滤器过滤周期分别为60、34、46、26 min；过滤流量为1.88 m3/h时叠片过滤器、筛网过滤器与砂石过滤器过滤周期分别为60、27、25、20 min。以过滤周期作为指标时，叠片过滤器效果最好。
图5 不同流量条件下瞬时流量随时间变化
3种过滤器在不同过滤流量条件下瞬时流量随时间变化如图5所示。由图5可知，叠片过滤器和筛网过滤器瞬时流量随时间的变化不明显，但筛网过滤器在最后时刻流量会突然下降，与前面水头损失在最后时刻的变化相同，判定在最后时刻筛网过滤器发生严重堵塞现象。在2种不同滤料粒径条件下，砂石过滤器瞬时流量随时间呈递减关系，与前面水头损失变化趋势相反，也吻合了水头损失变化情况，因而判定砂石过滤器的堵塞随时间逐渐加重。以瞬时流量作为指标，砂石过滤器效果弱于其他2种过滤器。
从图6可以看出，粒度分布曲线走势较为接近，叠片过滤器和筛网过滤器截留泥沙粒度分布曲线靠左，2种滤料粒径砂石过滤器截留泥沙粒度分布曲线靠右。图中纵坐标代表小于某个粒径的粒级分数，例如当粒径级100 μm时，叠片过滤器和筛网过滤器粒级分数明显低于砂石过滤器，因而可得出粒径小于100 μm的泥沙量砂石过滤器明显大于其他2种过滤器，可以判定砂石过滤器截留的泥沙中小粒径泥沙量很高，而叠片过滤器和筛网过滤器相对能够截留的泥沙粒径大，该结果与浊度、颗粒质量浓度结果稳合，进一步证明砂石过滤器过滤泥沙效果更好。
图6 不同流量条件下截留泥沙粒度的分布
以砂石、筛网和叠片过滤器作为研究对象，在不同的过滤流量条件下，以浊度、颗粒质量浓度、过滤周期、水头损失等为观测指标，对3种过滤器过滤效果进行试验研究，主要得出以下结论：
1）以浊度和颗粒质量浓度作为观测指标，砂石过滤器的过滤效果明显优于筛网过滤器和叠片过滤器，砂石过滤器滤料粒径为0.85 mm时，过滤后水样浊度和颗粒质量浓度处于较低水平，能够更好满足微灌水质要求。
2）以水头损失和瞬时流量作为观测指标，发现2个指标条件下的曲线呈现相关性，即水头损失增大则瞬时流量减小，分析发现筛网过滤器和叠片过滤器水头损失相对稳定，而砂石过滤器呈现递增趋势，由于砂石过滤器滤料吸附和截留的泥沙量大，滤料堵塞随时间逐渐加重，水头损失不断增大，而另外2种过滤器截留泥沙量少，其堵塞过程也较为缓慢。
3）以泥沙粒度分布作为观测指标，分析发现砂石过滤器截留泥沙中小粒径泥沙量明显高于其他2种过滤器，该结论进一步验证了浊度及颗粒质量浓度变化的结论。砂石过滤器能够充分拦截不同大小粒径的泥沙，更好地实现过滤功能。
此次研究主要为室内模型试验，配置不同质量浓度黄河泥沙原水，区别于引黄灌区水源水质，未能考虑水温、有机物、pH值的影响，期待在引黄灌区进一步研究，为3种过滤器的合理使用提供一定理论依据。
参考文献：
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Experimental Study on the Efficacy of Sand Filter,Screen Filter and Disc Filter for Removing Silts from the Yellow River Water for Micro-Irrigation
ZHANG Wenzheng,ZHAI Guoliang,LV Mouchao,CAI Jiumao,DENG Zhong,ZONG Jie
（Farmland Irrigation Research Institute,ChineseAcademy ofAgricultural Sciences/Key Laboratory of Water-SavingAgriculture of Henan Province,Xinxiang 453002,China）
Abstract：The objective of this paper was to investigate experimentally the efficiency and difference in using sand filter,disc filter and screen filter to remove the silts from Yellow River water under different filtration rates in a laboratory test.In each experiment,we measured the turbidity,particle concentration,head loss and flow rate after the filtration.The results showed that the turbidity and particle concentration in the sand filter were lower than that in the screen filter and disc filter;the particle concentration after filtered by the sand filter was relatively stable,while the turbidity filtering ratio,particle concentration and filtering ratio in the disc filter and screen filter were lower than that in the sand filter.Analysis of the particle size distribution showed that the sizes of the particles intercepted by the sand filter was uniform,while the screen filter and disc filter only intercepted large particles.Therefore,the sand filter was more efficient for removing particles.The water-head loss in the sand filter increased with time,while the head loss in the disc and screen filters was independent of time as there was less particle accumulation in them.For removing the silts from Yellow River water,the sand filter was superior to the screen and disc filters.
Key words：sand filter;screen filter;disc filter;particle concentration;head loss;particle size distribution
中图分类号：S275.5
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.04.016
文章编号：1672–3317（2017）04–0088–06
责任编辑：陆红飞
张文正，翟国亮，吕谋超，等.微灌条件下三种过滤器过滤效果试验研究[J].灌溉排水学报，2017，36（4）：88-93.
收稿日期：2016-08-20
基金项目：公益性行业（农业）科研专项项目（201203003，201203031-03）
作者简介：张文正（1986-），男，河南新乡人。助理研究员，主要从事微灌技术研究。E-mail:zhangntggs@163.com
通信作者：翟国亮（1963-），男，河南周口人。研究员，主要从事微灌技术研究。E-mail:zhai3393@126.com