淺述新疆地區幾種微灌用過濾器研究

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

淺述新疆地區幾種微灌用過濾器研究

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

介紹新疆地區微灌中常用過濾器的工作原理與特點，簡述了過濾器與自動控制和自動沖洗的結合以及多種過濾器的聯合使用。針對過濾器的發展趨勢以及發展中面臨的堵塞問題，指出了過濾器研究的幾個方向。對于新疆農業的發展，微灌技術的發展、推廣、應用、普及，以及過濾器的研究發展具有一定程度的積極作用。

新疆地區；微灌；過濾器

引 言

滴灌技術在新疆地區的發展提高了水資源在農業生產中的利用效率，可以說微灌技術的應用推廣在一定程度上緩解了新疆地區水資源短缺的問題；同時較高的水資源利用率意味著結余的水能夠灌溉更多的農作物，從而提高農作物的產量。因此，在新疆地區干旱缺水無法很好的滿足農業生產的現狀下，通過微灌等節水技術來緩解水資源供需不平衡的問題就顯得尤為必要了。對于新疆地區乃至西北區區來說，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，進而嚴重降低滴灌系統的使用壽命[1]。假如無法處理好微灌用水的雜質問題，必將使增加農業生產的投入大大提高。

由此可見過濾器是微灌系統中極為重要的部分，并且其工作性能直接影響了微灌系統的工作效率，從而間接對新疆地區水資源的利用產生影響。新疆地區微灌用過濾器主要采用網式過濾器、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

一般情況下，微灌用過濾器的過濾是通過對過濾介質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到固液分離目的的裝置。

1.1 網式過濾器

1.1.1 工作原理

網式過濾器是新疆地區最常見的過濾器類型。網式過濾器濾網過濾的機理為：濾網以自身網孔大小為基準，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堵塞系統中滴灌帶等設備，從而保證整個系統正常運轉。

濾餅過濾和介質過濾是濾網過濾的兩個主要機制，其中又可以將表面過濾與深層過濾統稱為介質過濾。根據過濾過程時間的先后順序，濾網過濾分為兩個不同階段：介質過濾階段和濾餅過濾階段[3]。兩個過程構成了濾網過濾的整個過程。在濾網過濾的整個過程中，介質過濾和濾餅過濾沒有嚴格的界限。由于各種原因，雜質顆粒或者有機物分布不均，兩種過濾方式可同時進行濾網過濾。

下面是一種自清洗網式過濾器的工作流程，兩個主要過程分別為過濾和自清洗。

1）過濾過程

首先，水由進水口進入自清洗網式過濾器，首先經過2濾掉直徑較大的顆粒雜質或大于12吸度開口的泥沙，然后到達3處，通過4濾除較為細小顆粒的有機以及無機雜質后，清水由5處排出。用過這樣一個持續的過程，比細濾網網孔大的泥砂等雜質顆粒被攔截下來，而內層雜質逐漸堆積，濾餅層增厚，如圖1、3。

2）自清洗過程

隨著泥砂積聚在細濾網內表面，自清洗網式過濾器的內外兩側的壓差就會持續增加，此壓差達到預設的某一閾值時，過濾器附屬的壓差傳感器便將信號傳遞給過濾器控制器，控制器動作后，將自動開始清洗過程。控制器打開7的同時關閉5。又由于排污閥與大氣相連，過濾器內外的壓力差使12產生吸力，通過其吸嘴吸取細濾網內壁上的附著的雜質和污物，同時吸力又能使水流在細濾網處由外向內反向的高速流動，進而將雜質沖洗下來。通過以上過程就可以將濾網內表面泥砂排除干凈。泥砂經11、10由排污口排出的同時，水流由水力旋噴管噴出時將產生反作用力帶動11及整個內部吸附系統旋轉。隨著細濾網內過濾過程中留下的泥砂等雜質逐漸被清洗排出，壓差也會隨之減少。當壓強低于設定值時，信號由壓差傳感器傳至控制器引起然后控制器動作，然后在關閉排污閥的同時完全打開出水閥。與此同時，水力旋噴管將失去動力不再噴射，由于噴射所產生的反作用力消失，自動吸附系統停止旋轉，自清洗過程結束。上述即為自清洗網式過濾器的一個工作周期，過濾器再次進入正常工作狀態，詳情如圖2。

圖1 滴灌用立式自吸網式過濾器結構示意圖（正視）

圖2 水力旋噴自動吸附系統結構示意圖

圖3 滴灌用臥式自吸網式過濾器結構示意圖（正視）

1.1.2 網式過濾器的特點

對照組采用常規護理管理，對策組在常規護理管理基礎上針對突發事件歸納危險因素，應用風險管理。風險管理主要從風險因素分析到風險因素預防策略制定。

與其他類型的過濾器相比較，網式過濾器有著結構簡單且價格便宜的優勢，但網式過濾器用而久之后會因滴灌水中有機物質或無機物質等雜質累積造成濾網因堵塞而使壓差增大，若不及時清洗則會引起濾網破裂，影響系統使用壽命。因此人嘗試了自動控制的自清洗網式過濾器，其壓力損失很小，體積較小，且無需人工清洗，同時利用壓差實現了自動化控制，大大提高了過濾器的效率和過濾精度，彌補了傳統網式過濾器的不足，因而受到了廣大農戶的青睞。

1.2 砂石過濾器

1.2.1 工作原理

砂石過濾器以均質等粒徑石英砂形成砂床作為過濾介質，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構圖。其內部濾料按照不同的高度分層布置，濾料主要采用石英砂，同時以無煙煤、鵝卵石等輔助。過濾時天然地表水由進水口流入，通過濾料層中存在的孔隙向下滲透，由于水壓力的作用，雜質水可均勻流向底部。然后將各個過濾器濾罐中過濾后的清水匯到干管中，并送入灌溉系統，即完成地表水的過濾過程。使用一段時間后，由于過濾介質的堵塞，需要對過濾器進行清洗，清洗后過濾器恢復原有過濾功能。這種過濾、清洗的過程循環不停，從而實現了對污水的凈化處理。

圖4 滴灌用砂石過濾器結構示意簡圖

1.2.2 砂石過濾器的特點以及所面臨的主要問題

砂石過濾器是典型的介質過濾器之一，其三維過濾具有較強的過濾能力。參考以往文獻以及實驗研究，砂石過濾器能有效地處理水中有機雜質和無機雜質。因為砂石過濾器濾出和存留雜質的能力很強，且不間斷供水的能力使其具有較高的工作效率，當水中有機物含量較高時，適合選用砂石過濾器。

砂石過濾器結構以及工作原理單，但同樣面對著許多問題。為解決這些問題，許多專家對其進行了研究。楊樹新主要介紹了其工作原理及在滴管系統中的應用，并對比了不同種類砂石過濾器的技術問題，并對其經濟性進行了研究[4]；楊立軍，武維斌，趙玉峰等針對砂石過濾器反沖洗時存在的跑料問題進行了研究，對砂石過濾器的控制系統和結構進行了改進，一定程度上解決了跑料問題[5]；王林春和張榮標主要研究了其在蔬菜微灌方面的應用，認為砂石過濾器能保證微灌設備的正常運行，其應用于微灌工程中，有利于蔬菜的穩產、增產[6]。

根據實際工程需要，以及各個地區不同的水源條件，砂石過濾器可單獨或多個組合使用，也可作為初級過濾與網式過濾器、疊片過濾器組合使用，調高整體的過濾效果。

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，一般情況下進出水口水平或垂直附置在外殼上。濾殼的材質不一且形狀各異，通常由塑料、不銹鋼、涂塑碳鋼等材料構成。過濾器外形多呈T形或Y型，內置濾芯，濾芯為空心圓柱體，由數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]。

疊片過濾是一種復合的三維過濾，如圖5所示，能同時進行表層過濾和深層過濾，它的濾芯和疊片為雜質處理載體。當過濾器工作，即帶有雜質的水流通過時，進水壓力將疊片壓緊，此時將發生表層過濾，大顆粒和粗纖維被攔截。因為疊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，構成了許多不規則的通道，造成這個通道由外向內逐漸縮小，同時濾網就由這些過濾單元中被壓緊的疊片組合形成，厚度相當于30層普通濾網，能阻止雜質的通過。此時將發生深層過濾，小顆粒和細纖維被攔截。當過濾器運行到一定時間時，由于內外壓差，系統會自動進入反沖洗狀態，反洗閥門將會改變過濾單元中的水流方向。如圖6所示，這種狀態下，側部進水口轉換為排水口，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，反沖洗水在噴嘴上沿著疊片的切線方向噴水，使疊片旋轉，在水流的大力沖刷和疊片旋轉離心作用下，殘留在疊片上的雜質被沖走。所有單元反沖洗完畢后，系統恢復正常過濾狀態，依次循環。

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

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量來確定。疊片式過濾器有全自動運行，高效反洗，穩定并且連續出水的特點。自動控制裝置可以根據提前設定的壓差或時間自動控制過濾器進行反沖洗，反沖洗時間較短，約為10～20s。由于疊片過濾器采用模塊化設計，用戶可根據生產要求選擇模塊組裝，可以很好地滿足用戶的實際需求，從而使安裝可以因地制宜，節省占地。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，該種材料十分堅固不易變形，耐磨損和腐蝕[9]。因此，由于疊片過濾器維修護理費用減少，操作簡單易上手，使用壽命延長，現在已拓展到許多新的領域，如市政工程，海水淡化，食品加工，呈現出越來越廣闊的應用前景。

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用廣泛的濕法分離設備,它具有結構簡單、操作和安裝方便、生產能力大等優點[10]。

整個過濾器裝置主要由供料系統、流體管路系統、泵、旋流過濾器及測量系統五大部分組成，如圖7所示。料罐中的懸浮液經攪拌器充分攪拌均勻后,由旋渦泵吸入,經玻璃轉子流量計和流體管路系統進入旋流過濾器。分離后的溢流液經流量計和管路系統流回到料罐,底流液則經管路系統直接返回料罐,過濾液經量筒計時收液后倒回料罐[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

一方面，作為一臺旋流器,它增加了一股過濾流,分級能力更強;另一方面，作為一臺過濾器,由于內部流體的高速旋轉運動,阻止了濾餅的生成,可以實現連續操作[12]。可以說，水力旋流過濾器優越性十分顯著,并且具有廣闊的發展空間，因為其是一種將旋流器和過濾器兩種分離機理相結合的新型分離設備，并在很大程度上彌補了單一部分作用時存在的不足。

2 過濾器的發展

觀察近幾年過濾器的發展，結合以上討論，發現過濾器的發展應用中存在很明顯的三個趨勢。

2.1 自動化程度逐漸提高

一方面，自動化程度的高低反映了過濾系統整體發展水平的高低，另一方面，由于新疆地區多為大田灌溉，較低的自動化程度勢必會造成對勞動力的大量需求，從而提高生產成本。因此從科技發展和經濟需求方面考慮，自動化程度的提高存在必然性。

2.2 自清洗技術的普及

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

2.3 多種過濾器的聯合使用

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

3 過濾器堵塞機理的研究

過濾器堵塞問題是限制過濾器發展的主要因素且由來已久，多數專家學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理，從而從根本上解決過濾器堵塞問題。

結 語

農業的發展，尤其是在新疆地區，離不開節水灌溉技術的發展。而節水灌溉系統作為一個統一的整體，其配套設施的發展對灌溉節水灌溉技術的發展有著尤為重要的影響。作為微灌系統重要組成部分的過濾器，對其發展的總體要求應該是：便宜耐用，結構不能太過復雜，且工作性能穩定。因此，注重微灌用過濾器的研究，解決其堵塞問題，對微灌技術在新疆地區的推廣以及新疆地區農業的發展有著極為重要的作用。

[1]宗全利,鄭鐵剛,劉煥芳等．滴灌自清洗網式過濾器全流場數值模擬與分析[J]．農業工程報,2013,16:57-65．

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[5]楊立軍,武維斌,趙玉峰．砂石過濾器反洗防跑料控制技術及應用[J]．鞍鋼技術,2014,06:57-59．

[6]王林春,張榮彪,張國江．砂石過濾器在微灌工程中的應用[J]．黑龍江水專學報,2001,01:99-101．

[7]張娟娟,徐建新,黃修橋等．國內微灌用疊片過濾器研究現狀綜述[J]．節水灌溉,2015,3:59．

[8]王艷．疊片式過濾器在膜法海水淡化工藝中的應用前景[J]．化工科技市場,2010,08:1-2．

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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文獻識別碼：A

1003-8965(2017)03-0135-04

國家自然科學基金資助項目（11662018）；石河子大學應用基礎研究青年項目(2014ZRKXYQ15)。