石塑混合與單一介質(zhì)過濾器清水水力特性試驗(yàn)

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. 新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830049)

0 引 言

由于全國(guó)農(nóng)業(yè)干旱缺水和水資源短缺的問題日益嚴(yán)重，尤其是西北地區(qū)，發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)有十分重要的意義。微灌是一種具有較高節(jié)水效率和能有效促進(jìn)作物增長(zhǎng)的灌溉技術(shù)[1]，已成為新興節(jié)水灌溉技術(shù)的代表，其目的在于提高水的利用效率和水分生產(chǎn)效率，既可以改善農(nóng)作物質(zhì)量，又可以促進(jìn)產(chǎn)量增加[2]，還可以減少勞動(dòng)量，同時(shí)也帶動(dòng)了農(nóng)業(yè)向自動(dòng)化和智能化發(fā)展的機(jī)遇。但是微灌技術(shù)對(duì)水質(zhì)要求較高，不同地區(qū)的微灌水源都含有相對(duì)不同的污染物和雜質(zhì)，如若未經(jīng)過處理，直接用于微灌系統(tǒng)，則會(huì)造成灌水器堵塞，很大程度降低了灌水器的均勻度，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，不能發(fā)揮微灌系統(tǒng)的真實(shí)效率[3]。過濾器是微灌系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其中砂石過濾器是微灌系統(tǒng)首部中運(yùn)用最廣泛且過濾效果良好的過濾設(shè)備，主要特點(diǎn)是三維過濾，具有較強(qiáng)的截污能力[4]。評(píng)估微灌砂石過濾器優(yōu)劣指標(biāo)主要是其過濾效果及反沖洗性能。國(guó)內(nèi)外的很多專家學(xué)者對(duì)砂石過濾器的過濾效果及反沖洗水力特性研究較多。例如：以出水濁度為研究指標(biāo)，對(duì)石英砂濾料的微灌過濾器的過濾效果與反沖洗水力特性的變化規(guī)律進(jìn)行了研究[5-7]。國(guó)外在使用地表水進(jìn)行微灌時(shí)，幾乎每個(gè)微灌系統(tǒng)均安裝有砂石介質(zhì)過濾器。因此，砂石過濾器是保證微灌系統(tǒng)安全運(yùn)行不可缺少的措施[4]。

砂石過濾器通常用于保護(hù)滴灌系統(tǒng)，特別是當(dāng)存在大量的有機(jī)污染物，藻類，很細(xì)的纖維雜質(zhì)和菌落團(tuán)等的污水處理比其他過濾器效果更佳[8]。此外，與其他類型的過濾器相比，砂過濾器具有簡(jiǎn)單、容量大的優(yōu)點(diǎn)[9]，從泥沙顆粒質(zhì)量濃度濾除比率來分析，砂石過濾器過濾黃河泥沙效果要優(yōu)于疊片式過濾器和篩網(wǎng)式過濾器[9]，所以正確的選擇灌溉水過濾器是保證微灌系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵[11]。近年來由于石英砂開采成本提高，同時(shí)開采對(duì)環(huán)境造成污染，濾料使用中過濾周期短，抗堵塞時(shí)間短，反沖洗效率低，用戶接受程度下降，極大地限制了砂石過濾器在微灌系統(tǒng)上的推廣和應(yīng)用[12]，針對(duì)現(xiàn)有過濾器存在的問題，本研究提出加入可循環(huán)利用的PVC塑料薄片，構(gòu)成本試驗(yàn)用的石塑混合介質(zhì)過濾器裝置，以減少石英砂介質(zhì)的開采和使用。

1 石塑混合介質(zhì)結(jié)構(gòu)及理論

本文主要研究微灌系統(tǒng)首部的介質(zhì)過濾器，其過濾原件由石英砂與PVC塑料介質(zhì)堆疊組合構(gòu)成。目前微灌砂過濾器的過濾速度相當(dāng)于水處理行業(yè)的10多倍，在高速過濾的過程，砂石介質(zhì)存在表面過濾現(xiàn)象[13]，抗堵塞時(shí)間短，反沖洗頻繁，耗水量大，不符合微灌系統(tǒng)發(fā)展節(jié)水的宗旨?，F(xiàn)引入PVC塑料介質(zhì)，結(jié)合石英砂除沙效果優(yōu)于PVC塑料介質(zhì)，PVC塑料介質(zhì)的水力性能優(yōu)于石英砂[14]，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成石塑混合介質(zhì)。

理論上混合介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)：延長(zhǎng)過濾時(shí)間，減少水頭損失。因?yàn)镻VC塑料介質(zhì)在上面，石英砂介質(zhì)在下面，PVC濾料的攔截泥沙的效果不及石英砂介質(zhì)，孔隙比也比石英砂介質(zhì)大，所以過濾時(shí)濾層積沙會(huì)往下移，減少表層過濾現(xiàn)象。同時(shí)由董文楚[15]研究得出濾層堵塞首先從表面開始，而且自始至終上層比下層堵塞嚴(yán)重，逐漸由表層向深層發(fā)展，并指出堵塞主要發(fā)生在0～270 mm濾層內(nèi)?？芍笆橘|(zhì)發(fā)揮主要作用的是上半層(以濾層厚度500 mm為例)，即本試驗(yàn)將上半層濾料換成PVC塑料介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分層攔截泥沙，使過濾器整個(gè)濾層都能發(fā)揮作用。反沖洗方面，由于PVC塑料介質(zhì)和石英砂介質(zhì)的比重相差一半，反沖洗時(shí)石英砂和PVC塑料介質(zhì)會(huì)自然分層，使得濾層中泥沙和雜質(zhì)更容易被清洗，反沖流量同時(shí)會(huì)減少，達(dá)到節(jié)約水的作用?，F(xiàn)用石塑混合介質(zhì)跟單一介質(zhì)對(duì)照，在清水條件下作水力特性試驗(yàn)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

實(shí)驗(yàn)裝置參考之前實(shí)驗(yàn)室介質(zhì)過濾模型，結(jié)合現(xiàn)階段對(duì)介質(zhì)過濾模型優(yōu)化改進(jìn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括內(nèi)徑150 mm、過濾表面積為17 662.5 mm2，為了更接近實(shí)際應(yīng)用高度，試驗(yàn)裝置高度1 250 mm的亞克力有機(jī)玻璃柱，試驗(yàn)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(yàn)室有2個(gè)存水灌，分別用于配制過濾的渾水及儲(chǔ)存渾水，配套設(shè)施有潛水泵、混水泵、攪拌泵、電磁流量計(jì)、壓力傳感器、壓力表、量杯、直尺等。部分過濾試驗(yàn)裝置如圖1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1 主要部分過濾器裝置Fig.1 Main filter device

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在清水條件下，各過濾器濾層都不會(huì)發(fā)生堵塞情況，既不會(huì)發(fā)生水頭損失與流量隨時(shí)間的變化特性，故本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注過濾器水頭損失與流量之間的水力性能關(guān)系和反沖洗流速與濾料膨脹厚度變化研究。為渾水條件下，反沖洗流速提供依據(jù)。

現(xiàn)對(duì)石英砂介質(zhì)，PVC塑料介質(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)下做清水水力性能試驗(yàn)，3種介質(zhì)狀態(tài)作對(duì)比。過濾流量分別選擇為2.7、3.1、3.5、3.9、4.3 m3/h條件下進(jìn)行試驗(yàn)，過濾器上下分別裝有兩支壓力表，因清水條件下，流量一定，水頭損失不會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生變化，等流量穩(wěn)定后，讀出流量，再分別讀出兩支壓力表的讀數(shù)，分別讀3次數(shù)據(jù)取平均值。由于石英砂和PVC塑料介質(zhì)的比重相差很大，所以反沖洗流量有很大的差別，所以每種介質(zhì)的反沖洗流量的范圍也不同。對(duì)反沖洗流速設(shè)置不同的4～5個(gè)梯度，從濾料膨脹開始，記錄不同的流速和用直尺測(cè)量相應(yīng)流速下濾料膨脹的高度。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次取平均值。主要為了給渾水條件下反沖洗提供一定的參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同介質(zhì)過濾器水力特性對(duì)照

ΔH=kQ2

式中：ΔH為系統(tǒng)的局部水頭損失，m；Q為系統(tǒng)過流量，m3/h；k為結(jié)構(gòu)系數(shù)，與局部水頭損失系數(shù)、水質(zhì)和過水面積有關(guān)[16]。

圖2 不同濾料在清水的不同流量下的水頭損失變化規(guī)律Fig.2 Variation rule of head loss of different filter materials under different flow rate of clean water

圖2為清水條件下，不同流量水頭損失的變化，可知，用3種濾料通過水頭損失與流量的數(shù)據(jù)擬合成二次關(guān)系，R2均大于0.98，擬合效果很好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。如表2知，結(jié)構(gòu)系數(shù)不同，依次是石英砂濾料介質(zhì)大于石塑混合濾料介質(zhì)大于PVC塑料薄片介質(zhì)，結(jié)構(gòu)系數(shù)越大水頭損失也就越大，初始水頭損失也越大。說明砂石介質(zhì)水頭損失大于石塑混合介質(zhì)大于PVC塑料介質(zhì)，石塑混合濾料介質(zhì)的結(jié)構(gòu)系數(shù)與PVC塑料薄片介質(zhì)相差很小，與石英砂的結(jié)構(gòu)系數(shù)相差很大。石塑混合介質(zhì)比石英砂介質(zhì)的初始水頭損失減少了約20%，比PVC塑料介質(zhì)增加約為18%。即石塑混合介質(zhì)的使用，有效降低了初始水頭損失，延長(zhǎng)了過濾時(shí)間。

表2 不同濾料擬合公式Tab.2 Fitting formulas of different filter materials and R2

3.2 反沖洗濾料隨流速的變化規(guī)律

3.2.1 PVC反沖洗隨流速的變化規(guī)律

圖3 PVC濾料反沖洗的總厚度、增加厚度、膨脹率隨流量的變化Fig.3 Change of total thickness, increase thickness and expansion rate of PVC filter backwash with flow rate

3.2.2 石英砂反沖洗隨流速的變化規(guī)律

圖4的(a)、(b)和(c)為石英砂濾料介質(zhì)反沖洗濾料的總厚度隨流速的變化曲線、反沖洗濾料新增加的厚度隨著流速變化曲線和反沖洗濾料膨脹率隨流速變化曲線。由圖4(a)、(b)和(c)曲線圖，通過數(shù)據(jù)擬合出經(jīng)驗(yàn)公式，可以看出總厚度變化、新增加厚度變化和膨脹率均成一次線性關(guān)系，R2均大于0.99，擬合效果很好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。由圖4(a)、(b)可知，兩曲線圖是一致的，只是截距不同，反沖洗后濾料的總厚度也增加了，但比PVC塑料介質(zhì)小，增加厚度為20 mm。說明石英砂濾料的濾層反沖洗后，在浮力的作用下自然沉降，比PVC塑料介質(zhì)膨脹小，濾層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此過濾效率波動(dòng)越小，即石英砂濾料受浮力影響相對(duì)較小。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，濾料反沖洗后的膨脹率也跟濾料的尺寸大小和濾層的厚度有關(guān)，濾料直徑越大和濾層厚度越小，反沖洗后的膨脹也相對(duì)越大。由圖4(c)可知，當(dāng)流速達(dá)到0.038 m/s時(shí)，石英砂濾層才開始發(fā)生膨脹，比PVC塑料介質(zhì)發(fā)生膨脹的初始流速要大，相對(duì)流速下膨脹率也比PVC塑料介質(zhì)小，流速達(dá)到0.083 m/s時(shí)，也不存在反向堵塞現(xiàn)象。原因是石英砂材料密度大，比重比PVC塑料介質(zhì)大，所以石英砂介質(zhì)在反沖洗時(shí)比較耗能和耗水。根據(jù)本試驗(yàn)現(xiàn)象石英砂濾料反沖洗流速范圍為0.042～0.083 m/s內(nèi)，根據(jù)節(jié)水省時(shí)的理念，本實(shí)驗(yàn)推薦反沖洗流速為0.066 m/s時(shí)最佳。所以石英砂介質(zhì)過濾時(shí)，水頭損失大，堵塞快，過濾時(shí)間短；反沖洗流速大，即耗能又耗水，反沖洗中濾料之間相互摩擦，濾料自身損耗快，石英砂開采又污染環(huán)境。即找替代石英砂濾料的環(huán)保材質(zhì)，是未來介質(zhì)過濾器的發(fā)展方向。

圖4 石英砂濾料反沖洗的總厚度、增加厚度、膨脹率隨流量的變化Fig.4 Change of total thickness, increase thickness and expansion rate of quartz sand filter backwashing with flow rate

3.2.3 石塑混合介質(zhì)反沖洗隨流速的變化規(guī)律

圖5的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)和(g)為石塑混合濾料介質(zhì)反沖洗濾料的總厚度隨流速的變化曲線、反沖洗濾料新增加的厚度隨著流速變化曲線和反沖洗濾料膨脹率等隨流速變化曲線。由圖5(c)、(b)、(d)、(e)、(e)、(f)和(g)曲線圖，通過數(shù)據(jù)擬合出經(jīng)驗(yàn)公式，可以看出總厚度變化、新增加厚度變化和膨脹率均成一次線性關(guān)系，唯有圖5(a)曲線圖不同，石英砂的膨脹率與流速成二次線性關(guān)系，R2均大于0.98，擬合效果很好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。由圖5(e)可知，反沖洗后濾料的初始厚度也增加了，但比PVC塑料介質(zhì)和石英砂濾料都相對(duì)較小，增加厚度為25～35 mm。與單一介質(zhì)相比，反沖洗后新增厚度相對(duì)較少，濾層內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)也比較穩(wěn)定。

圖5 石塑混合濾料反沖洗的總厚度、新增加厚度、膨脹率等隨流量的變化Fig.5 Change of total thickness, new thickness and expansion rate of backwashing of mixed stone and plastic filter with flow rate

由以上曲線圖可以看出，石塑混合的雙介質(zhì)均初始上升和膨脹時(shí)，流速增大到0.037 m/s，跟石英砂濾料的反沖洗啟動(dòng)流速比較接近，比PVC塑料介質(zhì)單獨(dú)使用時(shí)的反沖洗啟動(dòng)流速要大。由于是雙濾料，比重不同，受水影響發(fā)生膨脹的流速不同，PVC塑料介質(zhì)比重較小先開始膨脹；又因水流在整個(gè)過濾器內(nèi)部濾料沿程受到的阻力較小，導(dǎo)致底部比重較大的石英砂濾料不易膨脹，當(dāng)流速達(dá)到0.044 m/s時(shí)，底層的石英砂濾料才開始發(fā)生膨脹，隨著流速的增大，PVC塑料介質(zhì)隨著流速發(fā)生膨脹較快，石英砂濾料發(fā)生膨脹相對(duì)較慢，最大膨脹也相對(duì)較小。當(dāng)流速達(dá)到0.077 m/s時(shí)，PVC塑料介質(zhì)膨脹率已經(jīng)達(dá)到100%，已經(jīng)導(dǎo)致反向堵塞現(xiàn)象，石英砂濾料膨脹率才25%左右，說明此流速下已經(jīng)超過需要反沖洗的狀態(tài)。由此可知，石塑混合介質(zhì)的反沖洗流速范圍為0.044～0.077 m/s以內(nèi)，流速相對(duì)越大反沖洗時(shí)間越短，本試驗(yàn)推薦流速為0.068 m/s時(shí)最佳。反沖洗時(shí)，PVC塑料介質(zhì)與石英砂濾料介質(zhì)自然分層幾乎不存在重疊部分，原因是兩種濾料材料本身的比重相差很大，在水流的作用石英砂介質(zhì)在下層，PVC塑料介質(zhì)在上層。形成分層過濾，是一種比較好的過濾方式，即減少水頭損失，又改善了過濾效果，分層多級(jí)過濾是介質(zhì)過濾器的發(fā)展方向。

4 結(jié) 論

(1)石塑混合介質(zhì)的使用，有效地減低了水頭損失，雙介質(zhì)材料，改善了介質(zhì)濾層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少了石英砂的使用，加入PVC塑料介質(zhì)相當(dāng)于延長(zhǎng)了濾料介質(zhì)的使用壽命，有利于探索多介質(zhì)過濾器的發(fā)展，為多介質(zhì)過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

(2)不管是單一介質(zhì)和雙介質(zhì)濾料，反沖洗時(shí)濾料的膨脹率或總厚度跟流速均成一次線性關(guān)系，膨脹率可以反應(yīng)反沖洗的狀態(tài)。不同濾料最佳反沖洗也不同，PVC塑料介質(zhì)反沖洗最佳流速為0.06 m/s，石塑混合介質(zhì)反沖洗最佳流速為0.068 m/s，石英砂介質(zhì)反沖洗最佳流速為0.077 m/s。

(3)石塑混合介質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)比單一介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，反沖洗后膨脹率最小，有利于穩(wěn)定過濾雜質(zhì)的效率。反沖洗后濾料的膨脹大小與濾料尺寸大小有關(guān)，粒徑越大反沖洗后發(fā)生膨脹越大，濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，過濾效率也越不穩(wěn)定。雙介質(zhì)結(jié)合有效減少了濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹，穩(wěn)定了過濾效果。

(4)PVC塑料介質(zhì)反沖洗流速0.06 m/s，流速偏小，不利于濾料和泥沙快速分離帶走；石英砂介質(zhì)反沖 洗流速0.077m/s，流速偏大，過濾時(shí)水頭損失大，不利于節(jié)能節(jié)水。石塑混合介質(zhì)反沖洗流速0.068m/s，流速適中，即有效的節(jié)能和節(jié)水，過濾時(shí)有效地減小了水頭損失。

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