流量對微壓過濾沖洗池過濾性能的影響研究

楊圓坤， 陶洪飛， 牧振偉， 李 巧， 馬合木江·艾合買提， 楊文新， 姜有為

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

我國農(nóng)業(yè)灌溉用水緊張，節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣顯得尤為重要。新疆的農(nóng)業(yè)灌溉用水80%以上來自地面水源，它們攜帶的大量泥沙極易堵塞灌水器，過濾設(shè)備則起到清除水中雜質(zhì)，保證微灌系統(tǒng)正常運(yùn)行的作用[1-3]。

網(wǎng)式過濾器是一種常見的過濾設(shè)備，國內(nèi)外諸多學(xué)者對其水力性能及內(nèi)部流場做了相關(guān)研究。劉飛等[4]通過自清洗網(wǎng)式過濾器在清水和渾水條件下，擬合出80和120目的水頭損失計(jì)算公式。劉曉初等[5]得出清水條件下120目的Y型篩網(wǎng)式過濾器在5.65 m3/h下的水頭損失達(dá)1.5 m。阿力甫江·阿不里米提等[6-7]研究了魚雷網(wǎng)式過濾器的水頭損失，該過濾器在清水條件、300 m3/h情況下120目濾網(wǎng)的水頭損失達(dá)3.2 m，并且水頭損失會隨過濾時間的推移不斷增加。Puig-Bargués等[8]采用量綱分析方法建立了微灌用網(wǎng)式過濾器水頭損失計(jì)算的通用數(shù)學(xué)模型。Duran-Ros等[9]基于Puig-Bargués等[8]和Yurdem等[10]的研究成果，采用量綱分析方法推導(dǎo)和建立了新的水頭損失數(shù)學(xué)模型。Wu Wenyong等[11]考慮網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)尺寸和影響濾網(wǎng)過濾介質(zhì)的因素，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和量綱分析方法，建立了水頭損失改進(jìn)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型。在以上研究結(jié)果基礎(chǔ)上，Zong Quanli等[12]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和考慮11個影響水頭損失的影響因素，分別建立了計(jì)算清水和渾水條件下自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失方程。在對微灌用網(wǎng)式過濾器做流場分析時，計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)得以廣泛應(yīng)用。王新坤等[13]采用多孔介質(zhì)模型對進(jìn)水口直徑為50mm的阿素德(AZUD)普通微灌網(wǎng)式過濾器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了其內(nèi)部的速度分布和水力特性。李浩等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)微灌網(wǎng)式過濾器的壓力水頭損失主要發(fā)生在濾網(wǎng)兩側(cè)。陶洪飛等[15-17]模擬了網(wǎng)式過濾器中的清水流場，探討了流量及濾網(wǎng)孔徑對其內(nèi)部流場的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了漸縮式網(wǎng)式過濾器。喻黎明等[18-19]以CFD-DEM耦合模擬Y型網(wǎng)式過濾器內(nèi)部的流場和泥沙，得出其出口側(cè)上端面有更好的過濾性能及壓差主要發(fā)生在濾網(wǎng)兩側(cè)。通過對網(wǎng)式過濾器流場進(jìn)行分析，了解其工作時的水力特性，可以更好地優(yōu)化網(wǎng)式過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其更好地應(yīng)用于微灌系統(tǒng)中。

網(wǎng)式過濾器屬于泵后強(qiáng)壓過濾，會產(chǎn)生較大的水頭損失，在處理高含沙量的地表水時，網(wǎng)式過濾器極易堵塞，造成出水量無法滿足下游灌水量要求。因此，陶洪飛等[20-21]提出了一種新型、泵前、綠色環(huán)保的處理泥沙的工程措施，即微壓過濾沖洗池，目前已獲發(fā)明專利，專利號為：ZL201610063409.7。并已對微壓過濾沖洗池的過濾能力和排污方式進(jìn)行了探究，得出微壓過濾沖洗池的污物處理能力較高，過濾后的水能夠滿足灌溉需水及其水質(zhì)的要求，同時也給出了定時沖洗和連續(xù)沖洗這兩種排污方式在實(shí)際工程中應(yīng)用的建議。流量是影響微壓過濾沖洗池的一個關(guān)鍵因素，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，探討了流量對其過濾性能的影響，從而為微壓過濾沖洗池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)裝置及其工作原理

本試驗(yàn)的室內(nèi)試驗(yàn)裝置由渾水池、進(jìn)水箱及微壓過濾沖洗池構(gòu)成，如圖1所示。微壓過濾沖洗池的長度、寬度、高度分別為70、50、70 cm，其核心過濾元件為綿綸過濾網(wǎng)，孔徑0.125 mm，面積為2 400 cm2，孔隙率為15%。此次試驗(yàn)采用定時沖洗的排污方式[21]，故將過濾網(wǎng)一頭綁扎在連接管上，另一頭封閉。進(jìn)水管、回水管、連接管、出水管的內(nèi)徑分別為5、5、11、11 cm。試驗(yàn)裝置的工作原理[21]是攪水泵使渾水池中的泥沙和水充分?jǐn)嚢?，吸水泵將攪拌均勻的渾水通過進(jìn)水管抽入進(jìn)水箱中，回水閥可以調(diào)節(jié)流量。待進(jìn)水箱水位升高，通過連接管進(jìn)入微壓過濾沖洗池中，在微壓(水箱中的水頭)作用下，利用柔性濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)由內(nèi)向外的過濾，泥沙被截留在過濾網(wǎng)內(nèi)。過濾的清水經(jīng)出水管回到渾水池中，過濾結(jié)束后，取下濾網(wǎng)進(jìn)行清洗。

圖1 微壓過濾沖洗池結(jié)構(gòu)示意圖

3 材料與方法

3.1 試驗(yàn)沙樣

試驗(yàn)用的泥沙顆粒級配曲線如圖2所示：大于0.05 mm的泥沙含量占87.1%，0.002～0.05 mm的泥沙占12.5%，泥沙的粗端粒徑D98為0.47 mm，其中，大于濾網(wǎng)孔徑(0.125 mm)的泥沙占59%以上。

3.2 試驗(yàn)方案

為探究微壓過濾沖洗池在不同流量下的過濾性能，在過濾網(wǎng)處于非淹沒自由出流狀態(tài)、渾水含沙量為0.4 kg/m3，開展了5組不同流量(5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h)的試驗(yàn)。具體步驟如下：將稱量好的泥沙倒入盛有清水的渾水池中，啟動攪水泵，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬螅繙y渾水的含沙量；待含沙量滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求時，開啟進(jìn)水閥；通過吸水泵將渾水抽入微壓過濾沖洗池中，同時測出進(jìn)水流量的大小(該流量可根據(jù)進(jìn)水閥和回水閥共同調(diào)節(jié))；然后開始計(jì)時，并利用鋼尺量測水箱和微壓過濾沖洗池的水深。而后，同步量測出渾水池和濾液的含沙量；當(dāng)渾水池中的含沙量低于試驗(yàn)設(shè)計(jì)含沙量時，加入一定量的泥沙；當(dāng)過濾網(wǎng)達(dá)到極限狀態(tài)時，試驗(yàn)結(jié)束。之后，量測過濾網(wǎng)及濕樣泥沙的重量，清洗濾網(wǎng)，換下組流量，重復(fù)以上步驟。利用數(shù)碼相機(jī)記錄整個試驗(yàn)過程的試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖2 試驗(yàn)沙樣顆分曲線

3.3 含沙量的測量方法

本次試驗(yàn)采用置換法原理獲得含沙量，既能保證精度，又能提高試驗(yàn)效率。試驗(yàn)時用0.8 L的玻璃燒杯、0.5 L帶毛玻璃片的錐形瓶、分度值為0.01 g的電子天平和量程0～50℃的水銀溫度計(jì)獲得相關(guān)數(shù)值，代入公式(1)便得含沙量[20]。

(1)

式中：S為含沙量，kg/m3；ρ為清水密度，kg/m3；ρs為試驗(yàn)用沙密度，kg/m3；ρm為渾水密度，kg/m3；m瓶+水為錐形瓶和渾水總質(zhì)量，kg；m瓶為錐形瓶質(zhì)量，kg；V瓶為錐形瓶體積，m3。

3.4 流量的測量方法

采用稱重法獲得流量，使用秒表、60 L的水桶、一臺最大稱量為100 kg、分度值為20 g的電子秤和電子天平來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，代入公式(2)，從而求得流量[20]。

(2)

式中：M桶+水為水桶和渾水的總質(zhì)量，kg；M桶為水桶質(zhì)量，kg；T為時間，s；Q為出水流量，m3/h；m瓶+水為錐形瓶和渾水總質(zhì)量，kg；m瓶為錐形瓶質(zhì)量，kg；V瓶為錐形瓶體積，m3。

3.5 試驗(yàn)現(xiàn)象

數(shù)碼相機(jī)記錄了試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象，圖3為相同時刻不同流量下微壓過濾沖洗池的試驗(yàn)現(xiàn)象。從圖3(a)中可以看出：當(dāng)t=0 min時，3個不同流量下的整體試驗(yàn)現(xiàn)象類似，濾網(wǎng)都因出水口邊界影響，朝向了出水口處；流量為5.4和12.4 m3/h時，濾網(wǎng)未能在水流作用下完全鼓起，大部分浸泡在池中，過濾集中在濾網(wǎng)頭部，而流量為18.5 m3/h時的濾網(wǎng)呈柱形，可看到大量的氣體隨水流進(jìn)入濾網(wǎng)內(nèi)，過濾主要集中在濾網(wǎng)下部。

從圖3(b)中可以看出：當(dāng)t=30 min、流量為5.4和12.4 m3/h時，部分細(xì)顆粒泥沙黏附在濾網(wǎng)頭部和尾部的內(nèi)表面處，而流量為18.5 m3/h時，泥沙顆粒被帶至濾網(wǎng)尾部，且在水流作用下濾網(wǎng)尾部進(jìn)入了出水口。3種不同流量下可觀察到有一部分泥沙在水流作用下在濾網(wǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。從圖3(c)中可以看出：當(dāng)t=42 min、流量為5.4和12.4 m3/h時，濾網(wǎng)頭部和尾部攔截了較多的細(xì)顆粒泥沙，但過濾仍在繼續(xù)，而流量為18.5 m3/h時，濾網(wǎng)頭部泥沙分布較多，其他區(qū)域泥沙分布較均勻，濾網(wǎng)被水沙混合物充滿，已膨脹到極限，濾網(wǎng)顏色加深變黃，內(nèi)部氣體被完全排出，僅有少量泥沙在濾網(wǎng)中旋滾，說明濾網(wǎng)過濾已達(dá)極限狀態(tài)。

4 結(jié)果與討論

4.1 進(jìn)水箱水深隨時間的變化規(guī)律

進(jìn)水箱水深會隨著流量、過濾時間的變化而發(fā)生改變，不同流量下水箱中水深隨時間的變化曲線如圖4所示，從圖4中可以得出以下主要結(jié)論：

(1)不同流量下，水深隨時間的變化規(guī)律相同，都包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加三個階段，在小流量下這三個階段更加明顯。如流量為5.4 m3/h下，在0～70 min內(nèi)水深保持恒定在24.5 cm；在70～141 min內(nèi)，水箱水深快速增加；在141～147 min內(nèi)，水箱水深急速增加。

(2)不同流量下，水深恒定時間不同，流量越小，水深恒定的時間越長。如流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h的水深恒定時間分別為70、60、55、35、30 min。

(3)不同流量下，當(dāng)水深處于快速和急速增加的這兩個階段，水深的增加速率是不同的，流量越大，水深增加速率就會越大。如在快速增加階段，流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h時，水箱水深的增加速率分別為0.09、0.18、0.46、1.00、1.17 cm/min；在急速增加階段，流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h時，水深的增加速率分別為0.67、0.92、1.60、4.00、9.00 cm/min。

(4)不同流量下，過濾時間(水深快速增加階段結(jié)束的時刻)不同，流量越小，過濾時間就越長。如流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h的過濾時間分別為141、89、69、48、41 min，其中5.4 m3/h下的過濾時間比18.5 m3/h的長100 min，兩者相差約2.44倍。一旦超過過濾時間不進(jìn)行排污，則水深會隨時間急速增加，濾網(wǎng)會急速膨脹，從而達(dá)到濾網(wǎng)過濾的極限，勢必會影響濾網(wǎng)壽命，同時也不利于濾網(wǎng)中泥沙的排出。

圖3 相同時刻不同流量下微壓過濾沖洗池的試驗(yàn)現(xiàn)象

圖4 不同流量下進(jìn)水箱中水深隨時間的變化曲線

水箱中水深隨時間變化的規(guī)律是濾網(wǎng)堵塞程度的表現(xiàn)，可將其分為介質(zhì)過濾、濾餅過濾和擠壓過濾這3個階段。水深恒定階段主要以濾網(wǎng)過濾為主，過濾阻力主要是濾網(wǎng)本身，濾網(wǎng)孔堵塞率較小，濾網(wǎng)內(nèi)表面泥沙沉積和濾網(wǎng)內(nèi)外含沙量差幾乎不存在，因而過濾阻力相對較小。流量越大，單位流量的含沙量便越大，攜帶的泥沙顆粒就越多，被攔截在濾網(wǎng)內(nèi)表面的泥沙也就越多，則保持水深恒定的時間相對就越短。水深快速增加階段則主要以濾餅過濾為主，在滲透流的作用下，一些細(xì)小的泥沙顆粒，因吸附、擴(kuò)散和慣性沖撞等而不斷被截留在濾網(wǎng)內(nèi)，導(dǎo)致濾網(wǎng)過濾不通暢。之后，泥沙粒徑比濾網(wǎng)孔徑大或者與之相當(dāng)?shù)念w粒，在滲流曳力作用下，會因吸附作用被濾網(wǎng)截留而沉積在濾網(wǎng)內(nèi)，形成濾網(wǎng)內(nèi)表面沉積層，此時由濾網(wǎng)過濾進(jìn)入到以濾餅過濾為主的階段，濾餅層會不斷快速變厚，表現(xiàn)為水深快速增加。流量越大，滲透流作用也越大，細(xì)顆粒泥沙被濾網(wǎng)捕集的幾率增加，易形成濾餅，故濾餅過濾時期越短，即水深增加速率越大。

隨著過濾的進(jìn)一步進(jìn)行，濾網(wǎng)內(nèi)外含沙量相差較大，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，增大了過濾阻力，細(xì)顆粒泥沙很難再穿過濾餅及濾網(wǎng)，導(dǎo)致水沙混合物淤積在濾網(wǎng)內(nèi)，濾網(wǎng)出水量很少，濾網(wǎng)進(jìn)入到擠壓過濾時期，表現(xiàn)為水深急速增加。流量越大，過濾阻力也越大，水深急速增加的速率就越大。

4.2 泥沙顆分曲線對比

圖5為原砂樣與濾液(經(jīng)濾網(wǎng)過濾后的液體)中泥沙及流量為5.4和18.5 m3/h下濾網(wǎng)內(nèi)攔截泥沙的顆分曲線。其中，濾液中泥沙的顆分曲線是在完成5種不同流量下，收集過濾池中沉淀的泥沙得到的。從圖5中可看出：

(1)微壓過濾沖洗池將泥沙的粗端粒徑D98從0.47 mm過濾至0.11 mm，說明渾水中0.125 mm以上的泥沙完全被濾網(wǎng)攔截，該范圍內(nèi)的粒級效率(指某一級別粒度顆粒的分離效率)達(dá)100%，滿足灌溉用水對水質(zhì)的要求，不會造成灌水器堵塞。

(2)兩種流量下濾網(wǎng)內(nèi)攔截的泥沙都集中在0.095～0.276 mm這一粒組范圍內(nèi)；但18.5 m3/h下濾網(wǎng)內(nèi)泥沙粒徑小于0.095 mm僅占5%，而5.4 m3/h的占27%，說明在小流量下，濾網(wǎng)內(nèi)攔截的細(xì)顆粒泥沙較多。這是因?yàn)榱髁吭叫?，微壓過濾沖洗池處于濾餅過濾階段的時間就越長，濾網(wǎng)內(nèi)攔截的細(xì)顆粒泥沙含量也就越高。

圖5 泥沙顆分曲線對比

4.3 泥沙去除率及濾網(wǎng)中泥沙質(zhì)量對比

泥沙去除率是衡量微壓過濾沖洗池過濾性能的重要指標(biāo)，其為進(jìn)口與出口含沙量之間差值與進(jìn)口含沙量的比值，表1為不同流量下微壓過濾沖洗池的泥沙去除率和濾網(wǎng)內(nèi)泥沙質(zhì)量的對比。表1中，進(jìn)口含沙量為零時刻下測得渾水池中的含沙量；出口含沙量為微壓過濾沖洗池在過濾初期、中期、后期所測得的含沙量平均值。由表1可知，不同流量下微壓過濾沖洗池的泥沙去除率均為66%左右，相差不大，這說明不同流量下微壓過濾沖洗池可攔截渾水中大部分的泥沙，從而降低了出水管中水流的含沙量，以滿足下游灌水要求。流量越小，過濾時間便越長，濾網(wǎng)中攔截的泥沙也越多，如5.4 m3/h流量下攔截的泥沙質(zhì)量比18.5 m3/h流量下多106.34 g，前者是后者的2.32倍。

表1 不同流量下泥沙去除率和濾網(wǎng)內(nèi)的泥沙質(zhì)量對比

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)水箱中水深隨時間的變化規(guī)律(包含水深恒定、水深快速增加及水深急速增加3個階段)，可知濾網(wǎng)過濾、濾餅過濾和擠壓過濾構(gòu)成了微壓過濾沖洗池的過濾狀態(tài)。

(2)流量越小，微壓過濾沖洗池的過濾時間越長，攔截的泥沙就越多，流量為5.4 m3/h的過濾時間和攔截泥沙質(zhì)量是18.5 m3/h的3.44和2.32倍。超過對應(yīng)流量下的過濾時間，則需進(jìn)行排污，否則會損壞濾網(wǎng)。

(3)不同流量下微壓過濾沖洗池的泥沙去除率均為66%左右，粗端粒徑D98從0.47 mm過濾為0.11 mm， 0.125 mm以上的泥沙粒級效率達(dá)100%，符合灌溉水對水質(zhì)的要求。

(4)不同流量下微壓過濾沖洗池中濾網(wǎng)內(nèi)攔截的泥沙集中在0.095～0.276 mm范圍內(nèi)；但5.4 m3/h流量下濾網(wǎng)攔截的粒徑小于0.095 mm的泥沙占27%，而18.5 m3/h流量下占5%。