淺述新疆地區(qū)幾種微灌用過濾器研究

葛宇川 劉貞姬 賈 旺(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

淺述新疆地區(qū)幾種微灌用過濾器研究

葛宇川 劉貞姬 賈 旺(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

介紹新疆地區(qū)微灌中常用過濾器的工作原理與特點(diǎn)，簡述了過濾器與自動(dòng)控制和自動(dòng)沖洗的結(jié)合以及多種過濾器的聯(lián)合使用。針對過濾器的發(fā)展趨勢以及發(fā)展中面臨的堵塞問題，指出了過濾器研究的幾個(gè)方向。對于新疆農(nóng)業(yè)的發(fā)展，微灌技術(shù)的發(fā)展、推廣、應(yīng)用、普及，以及過濾器的研究發(fā)展具有一定程度的積極作用。

新疆地區(qū)；微灌；過濾器

引 言

滴灌技術(shù)在新疆地區(qū)的發(fā)展提高了水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用效率，可以說微灌技術(shù)的應(yīng)用推廣在一定程度上緩解了新疆地區(qū)水資源短缺的問題；同時(shí)較高的水資源利用率意味著結(jié)余的水能夠灌溉更多的農(nóng)作物，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。因此，在新疆地區(qū)干旱缺水無法很好的滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀下，通過微灌等節(jié)水技術(shù)來緩解水資源供需不平衡的問題就顯得尤為必要了。對于新疆地區(qū)乃至西北區(qū)區(qū)來說，地面水源的比例占了灌溉水源的80%以上。但地面水源往往含有大量的泥沙，從而極容易引起灌水器的堵塞問題，進(jìn)而嚴(yán)重降低滴灌系統(tǒng)的使用壽命[1]。假如無法處理好微灌用水的雜質(zhì)問題，必將使增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入大大提高。

由此可見過濾器是微灌系統(tǒng)中極為重要的部分，并且其工作性能直接影響了微灌系統(tǒng)的工作效率，從而間接對新疆地區(qū)水資源的利用產(chǎn)生影響。新疆地區(qū)微灌用過濾器主要采用網(wǎng)式過濾器、砂石過濾器、疊片式過濾器以及水力旋流過濾器。

1 過濾器的工作原理與特點(diǎn)

一般情況下，微灌用過濾器的過濾是通過對過濾介質(zhì)將固體和液體分離單元的操作將固體和液體分離[2]。它利用某些特定的過濾介質(zhì)或者多孔膜將液體中的難容顆粒截留下來。但一些其他類型的過濾器，是利用離心力等物理要素來達(dá)到固液分離的目的。總的來說，微灌用過濾器是一種使用特定方法使灌溉用水達(dá)到固液分離目的的裝置。

1.1 網(wǎng)式過濾器

1.1.1 工作原理

網(wǎng)式過濾器是新疆地區(qū)最常見的過濾器類型。網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)過濾的機(jī)理為：濾網(wǎng)以自身網(wǎng)孔大小為基準(zhǔn)，阻擋超過自身孔隙尺度的固體顆粒而允許小于自身孔隙尺度的顆粒通過或者形成濾餅阻止更小顆粒通過，以防超過允許流通范圍的雜質(zhì)堵塞系統(tǒng)中滴灌帶等設(shè)備，從而保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

濾餅過濾和介質(zhì)過濾是濾網(wǎng)過濾的兩個(gè)主要機(jī)制，其中又可以將表面過濾與深層過濾統(tǒng)稱為介質(zhì)過濾。根據(jù)過濾過程時(shí)間的先后順序，濾網(wǎng)過濾分為兩個(gè)不同階段：介質(zhì)過濾階段和濾餅過濾階段[3]。兩個(gè)過程構(gòu)成了濾網(wǎng)過濾的整個(gè)過程。在濾網(wǎng)過濾的整個(gè)過程中，介質(zhì)過濾和濾餅過濾沒有嚴(yán)格的界限。由于各種原因，雜質(zhì)顆?；蛘哂袡C(jī)物分布不均，兩種過濾方式可同時(shí)進(jìn)行濾網(wǎng)過濾。

下面是一種自清洗網(wǎng)式過濾器的工作流程，兩個(gè)主要過程分別為過濾和自清洗。

1）過濾過程

首先，水由進(jìn)水口進(jìn)入自清洗網(wǎng)式過濾器，首先經(jīng)過2濾掉直徑較大的顆粒雜質(zhì)或大于12吸度開口的泥沙，然后到達(dá)3處，通過4濾除較為細(xì)小顆粒的有機(jī)以及無機(jī)雜質(zhì)后，清水由5處排出。用過這樣一個(gè)持續(xù)的過程，比細(xì)濾網(wǎng)網(wǎng)孔大的泥砂等雜質(zhì)顆粒被攔截下來，而內(nèi)層雜質(zhì)逐漸堆積，濾餅層增厚，如圖1、3。

2）自清洗過程

隨著泥砂積聚在細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)表面，自清洗網(wǎng)式過濾器的內(nèi)外兩側(cè)的壓差就會(huì)持續(xù)增加，此壓差達(dá)到預(yù)設(shè)的某一閾值時(shí)，過濾器附屬的壓差傳感器便將信號傳遞給過濾器控制器，控制器動(dòng)作后，將自動(dòng)開始清洗過程。控制器打開7的同時(shí)關(guān)閉5。又由于排污閥與大氣相連，過濾器內(nèi)外的壓力差使12產(chǎn)生吸力，通過其吸嘴吸取細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)壁上的附著的雜質(zhì)和污物，同時(shí)吸力又能使水流在細(xì)濾網(wǎng)處由外向內(nèi)反向的高速流動(dòng)，進(jìn)而將雜質(zhì)沖洗下來。通過以上過程就可以將濾網(wǎng)內(nèi)表面泥砂排除干凈。泥砂經(jīng)11、10由排污口排出的同時(shí)，水流由水力旋噴管噴出時(shí)將產(chǎn)生反作用力帶動(dòng)11及整個(gè)內(nèi)部吸附系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。隨著細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)過濾過程中留下的泥砂等雜質(zhì)逐漸被清洗排出，壓差也會(huì)隨之減少。當(dāng)壓強(qiáng)低于設(shè)定值時(shí)，信號由壓差傳感器傳至控制器引起然后控制器動(dòng)作，然后在關(guān)閉排污閥的同時(shí)完全打開出水閥。與此同時(shí)，水力旋噴管將失去動(dòng)力不再噴射，由于噴射所產(chǎn)生的反作用力消失，自動(dòng)吸附系統(tǒng)停止旋轉(zhuǎn)，自清洗過程結(jié)束。上述即為自清洗網(wǎng)式過濾器的一個(gè)工作周期，過濾器再次進(jìn)入正常工作狀態(tài)，詳情如圖2。

圖1 滴灌用立式自吸網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖（正視）

圖2 水力旋噴自動(dòng)吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 滴灌用臥式自吸網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖（正視）

1.1.2 網(wǎng)式過濾器的特點(diǎn)

對照組采用常規(guī)護(hù)理管理，對策組在常規(guī)護(hù)理管理基礎(chǔ)上針對突發(fā)事件歸納危險(xiǎn)因素，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)管理。風(fēng)險(xiǎn)管理主要從風(fēng)險(xiǎn)因素分析到風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)防策略制定。

與其他類型的過濾器相比較，網(wǎng)式過濾器有著結(jié)構(gòu)簡單且價(jià)格便宜的優(yōu)勢，但網(wǎng)式過濾器用而久之后會(huì)因滴灌水中有機(jī)物質(zhì)或無機(jī)物質(zhì)等雜質(zhì)累積造成濾網(wǎng)因堵塞而使壓差增大，若不及時(shí)清洗則會(huì)引起濾網(wǎng)破裂，影響系統(tǒng)使用壽命。因此人嘗試了自動(dòng)控制的自清洗網(wǎng)式過濾器，其壓力損失很小，體積較小，且無需人工清洗，同時(shí)利用壓差實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，大大提高了過濾器的效率和過濾精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器的不足，因而受到了廣大農(nóng)戶的青睞。

1.2 砂石過濾器

1.2.1 工作原理

砂石過濾器以均質(zhì)等粒徑石英砂形成砂床作為過濾介質(zhì)，是一種立體深層過濾的過濾器，常被用于一級過濾，將粒徑較大的雜質(zhì)截留。砂石過濾器又被稱石英砂過濾器，砂濾器，它是其主要是采用砂石作為濾料過濾。一般情況下，砂床所采用石英砂粒徑為0.4-1.2mm。

圖4為簡化的砂石過濾器結(jié)構(gòu)圖。其內(nèi)部濾料按照不同的高度分層布置，濾料主要采用石英砂，同時(shí)以無煙煤、鵝卵石等輔助。過濾時(shí)天然地表水由進(jìn)水口流入，通過濾料層中存在的孔隙向下滲透，由于水壓力的作用，雜質(zhì)水可均勻流向底部。然后將各個(gè)過濾器濾罐中過濾后的清水匯到干管中，并送入灌溉系統(tǒng)，即完成地表水的過濾過程。使用一段時(shí)間后，由于過濾介質(zhì)的堵塞，需要對過濾器進(jìn)行清洗，清洗后過濾器恢復(fù)原有過濾功能。這種過濾、清洗的過程循環(huán)不停，從而實(shí)現(xiàn)了對污水的凈化處理。

圖4 滴灌用砂石過濾器結(jié)構(gòu)示意簡圖

1.2.2 砂石過濾器的特點(diǎn)以及所面臨的主要問題

砂石過濾器是典型的介質(zhì)過濾器之一，其三維過濾具有較強(qiáng)的過濾能力。參考以往文獻(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)研究，砂石過濾器能有效地處理水中有機(jī)雜質(zhì)和無機(jī)雜質(zhì)。因?yàn)樯笆^濾器濾出和存留雜質(zhì)的能力很強(qiáng)，且不間斷供水的能力使其具有較高的工作效率，當(dāng)水中有機(jī)物含量較高時(shí)，適合選用砂石過濾器。

砂石過濾器結(jié)構(gòu)以及工作原理單，但同樣面對著許多問題。為解決這些問題，許多專家對其進(jìn)行了研究。楊樹新主要介紹了其工作原理及在滴管系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對比了不同種類砂石過濾器的技術(shù)問題，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究[4]；楊立軍，武維斌，趙玉峰等針對砂石過濾器反沖洗時(shí)存在的跑料問題進(jìn)行了研究，對砂石過濾器的控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，一定程度上解決了跑料問題[5]；王林春和張榮標(biāo)主要研究了其在蔬菜微灌方面的應(yīng)用，認(rèn)為砂石過濾器能保證微灌設(shè)備的正常運(yùn)行，其應(yīng)用于微灌工程中，有利于蔬菜的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)[6]。

根據(jù)實(shí)際工程需要，以及各個(gè)地區(qū)不同的水源條件，砂石過濾器可單獨(dú)或多個(gè)組合使用，也可作為初級過濾與網(wǎng)式過濾器、疊片過濾器組合使用，調(diào)高整體的過濾效果。

1.3 疊片式過濾器

1.3.1 工作原理

疊片過濾器是由濾殼和濾芯組成，上下殼體構(gòu)成了濾殼，其間用卡箍扣緊或螺紋口對接的方式連接，一般情況下進(jìn)出水口水平或垂直附置在外殼上。濾殼的材質(zhì)不一且形狀各異，通常由塑料、不銹鋼、涂塑碳鋼等材料構(gòu)成。過濾器外形多呈T形或Y型，內(nèi)置濾芯，濾芯為空心圓柱體，由數(shù)量眾多的表面帶有凹槽的塑料薄片套在骨架上組合而成[7]。

疊片過濾是一種復(fù)合的三維過濾，如圖5所示，能同時(shí)進(jìn)行表層過濾和深層過濾，它的濾芯和疊片為雜質(zhì)處理載體。當(dāng)過濾器工作，即帶有雜質(zhì)的水流通過時(shí)，進(jìn)水壓力將疊片壓緊，此時(shí)將發(fā)生表層過濾，大顆粒和粗纖維被攔截。因?yàn)榀B片是由一組帶不同方向的溝槽的塑料盤片相互疊加而成，其表面的凹槽相互交叉，構(gòu)成了許多不規(guī)則的通道，造成這個(gè)通道由外向內(nèi)逐漸縮小，同時(shí)濾網(wǎng)就由這些過濾單元中被壓緊的疊片組合形成，厚度相當(dāng)于30層普通濾網(wǎng)，能阻止雜質(zhì)的通過。此時(shí)將發(fā)生深層過濾，小顆粒和細(xì)纖維被攔截。當(dāng)過濾器運(yùn)行到一定時(shí)間時(shí)，由于內(nèi)外壓差，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入反沖洗狀態(tài)，反洗閥門將會(huì)改變過濾單元中的水流方向。如圖6所示，這種狀態(tài)下，側(cè)部進(jìn)水口轉(zhuǎn)換為排水口，隔膜裝置失去了先前的下壓力，反沖洗水就可以從從下部的出水口進(jìn)入。反沖洗水將過濾芯上的彈簧打開，并且在疊片組頂部釋放活塞空間[8]。此時(shí)，反沖洗水在噴嘴上沿著疊片的切線方向噴水，使疊片旋轉(zhuǎn)，在水流的大力沖刷和疊片旋轉(zhuǎn)離心作用下，殘留在疊片上的雜質(zhì)被沖走。所有單元反沖洗完畢后，系統(tǒng)恢復(fù)正常過濾狀態(tài)，依次循環(huán)。

圖5 疊片式過濾器工作原理圖

1.3.2 疊片式過濾器的特點(diǎn)

疊片式過濾器的反沖洗自耗水量約為過濾水量的0.25%，且過濾精確可靠，過濾精度由盤片上溝槽的不同深淺和數(shù)量來確定。疊片式過濾器有全自動(dòng)運(yùn)行，高效反洗，穩(wěn)定并且連續(xù)出水的特點(diǎn)。自動(dòng)控制裝置可以根據(jù)提前設(shè)定的壓差或時(shí)間自動(dòng)控制過濾器進(jìn)行反沖洗，反沖洗時(shí)間較短，約為10～20s。由于疊片過濾器采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可根據(jù)生產(chǎn)要求選擇模塊組裝，可以很好地滿足用戶的實(shí)際需求，從而使安裝可以因地制宜，節(jié)省占地。近年來，疊片過濾器濾芯多以特制高科技工程塑料為原料制成，該種材料十分堅(jiān)固不易變形，耐磨損和腐蝕[9]。因此，由于疊片過濾器維修護(hù)理費(fèi)用減少，操作簡單易上手，使用壽命延長，現(xiàn)在已拓展到許多新的領(lǐng)域，如市政工程，海水淡化，食品加工，呈現(xiàn)出越來越廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 疊片式過濾器反反清洗工作原理圖

1.4 水力旋流過濾器

1.4.1 工作原理

旋流分離器是一種應(yīng)用廣泛的濕法分離設(shè)備,它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作和安裝方便、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)[10]。

整個(gè)過濾器裝置主要由供料系統(tǒng)、流體管路系統(tǒng)、泵、旋流過濾器及測量系統(tǒng)五大部分組成，如圖7所示。料罐中的懸浮液經(jīng)攪拌器充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?由旋渦泵吸入,經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和流體管路系統(tǒng)進(jìn)入旋流過濾器。分離后的溢流液經(jīng)流量計(jì)和管路系統(tǒng)流回到料罐,底流液則經(jīng)管路系統(tǒng)直接返回料罐,過濾液經(jīng)量筒計(jì)時(shí)收液后倒回料罐[11]。

圖7 水力旋流過濾器工作原理圖

1.4.2 水力旋流過濾器的特點(diǎn)

一方面，作為一臺(tái)旋流器,它增加了一股過濾流,分級能力更強(qiáng);另一方面，作為一臺(tái)過濾器,由于內(nèi)部流體的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),阻止了濾餅的生成,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作[12]。可以說，水力旋流過濾器優(yōu)越性十分顯著,并且具有廣闊的發(fā)展空間，因?yàn)槠涫且环N將旋流器和過濾器兩種分離機(jī)理相結(jié)合的新型分離設(shè)備，并在很大程度上彌補(bǔ)了單一部分作用時(shí)存在的不足。

2 過濾器的發(fā)展

觀察近幾年過濾器的發(fā)展，結(jié)合以上討論，發(fā)現(xiàn)過濾器的發(fā)展應(yīng)用中存在很明顯的三個(gè)趨勢。

2.1 自動(dòng)化程度逐漸提高

一方面，自動(dòng)化程度的高低反映了過濾系統(tǒng)整體發(fā)展水平的高低，另一方面，由于新疆地區(qū)多為大田灌溉，較低的自動(dòng)化程度勢必會(huì)造成對勞動(dòng)力的大量需求，從而提高生產(chǎn)成本。因此從科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)需求方面考慮，自動(dòng)化程度的提高存在必然性。

2.2 自清洗技術(shù)的普及

自動(dòng)清洗是過濾器自動(dòng)化很重要的一部分。由于過濾器的堵塞是不可避免的，并且會(huì)對灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響，且過濾器的清洗在以往需要耗費(fèi)極大地人力物力，所以說自動(dòng)清洗是過濾器自動(dòng)化很重要的一部分。

2.3 多種過濾器的聯(lián)合使用

由于不同種類的過濾器有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，過濾器的聯(lián)合使用會(huì)大大提高過濾效果和效率。但過濾器的聯(lián)合使用需要更多的資金投入，且目前對過濾器聯(lián)合使用投入和產(chǎn)出關(guān)系的研究比較少。

3 過濾器堵塞機(jī)理的研究

過濾器堵塞問題是限制過濾器發(fā)展的主要因素且由來已久，多數(shù)專家學(xué)者主要通過水力性能來研究過濾器的堵塞問題，并給出解決辦法。但很少有關(guān)于過濾器堵塞問題微觀成因的研究，研究其微觀成因有利于從根本上揭示過濾器堵塞的機(jī)理，從而從根本上解決過濾器堵塞問題。

結(jié) 語

農(nóng)業(yè)的發(fā)展，尤其是在新疆地區(qū)，離不開節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展。而節(jié)水灌溉系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，其配套設(shè)施的發(fā)展對灌溉節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展有著尤為重要的影響。作為微灌系統(tǒng)重要組成部分的過濾器，對其發(fā)展的總體要求應(yīng)該是：便宜耐用，結(jié)構(gòu)不能太過復(fù)雜，且工作性能穩(wěn)定。因此，注重微灌用過濾器的研究，解決其堵塞問題，對微灌技術(shù)在新疆地區(qū)的推廣以及新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著極為重要的作用。

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Review of Several Kinds of Filters for Micro-irrigation in Xinjiang Region

Introduces the working principle and characteristics of several kinds of filters for micro-irrigation in Xinjiang and sketches combination of filter and automatic control and automatic flushing and combined use of multiple filters．According to the development trend of the filter and the problem of congestion in the development, points out several directions of the research of the filter．Makes a certain degree of positive effect on development of agriculture in Xinjiang,,the application of micro irrigation technology and development of filters．

Xinjiang region；micro-irrigation；filters

S277．9文獻(xiàn)識別碼：A

1003-8965(2017)03-0135-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11662018）；石河子大學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年項(xiàng)目(2014ZRKXYQ15)。