農(nóng)業(yè)環(huán)保節(jié)水灌溉中過(guò)濾器的研發(fā)應(yīng)用情況分析

謝福海

（南陵縣生態(tài)環(huán)境分局，安徽 蕪湖 241300）

水資源短缺一直是我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化發(fā)展的主要障礙之一[1]。2014 年，習(xí)近平總書記指出，由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，舊的“水問(wèn)題”需要解決，新的“水問(wèn)題”也更加緊迫。所提到的“新的水問(wèn)題”是指包括水資源短缺的主要問(wèn)題。我國(guó)用水總量的60%以上是農(nóng)業(yè)用水，居全國(guó)各行業(yè)第一。農(nóng)業(yè)缺水嚴(yán)重，用水效率低，嚴(yán)重影響到農(nóng)民收入，影響到農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。在農(nóng)業(yè)節(jié)水方面的前景非常廣闊。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，農(nóng)田灌溉用水的利用效率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)為0.53-0.54，發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)到0.70-0.80[2]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)灌溉情況，滴灌技術(shù)是提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的質(zhì)量和效率和新農(nóng)村建設(shè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)的前提和強(qiáng)有力的保證，也是最有效的環(huán)保節(jié)水灌溉技術(shù)之一。

我國(guó)政府一直把環(huán)保節(jié)水灌溉技術(shù)的使用放在“用水革命”的高度，特別是近年來(lái)，黨中央和國(guó)務(wù)院提高了環(huán)保節(jié)水灌溉技術(shù)在滴灌中的應(yīng)用和普及水平，并提出了一系列的原則和政策支持：從2006 年到2019 年，中共的第一個(gè)文件指出需要應(yīng)用環(huán)保節(jié)水灌溉技術(shù)在許多地方，國(guó)務(wù)院的“國(guó)家農(nóng)業(yè)節(jié)水計(jì)劃綱要（2012-2020）”和習(xí)近平總書記提出了16 字的“節(jié)水戰(zhàn)略優(yōu)先”，“振興農(nóng)村”的十九屆人大報(bào)告，兩部委等聯(lián)合發(fā)布的《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)計(jì)劃》，這些政策說(shuō)明了我國(guó)環(huán)保節(jié)水灌溉的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇[3]，微灌面積占主導(dǎo)地位。

1 過(guò)濾器的概述

過(guò)濾器是滴灌系統(tǒng)中一種重要的水凈化處理設(shè)備。為有效減少滴灌系統(tǒng)中的雜質(zhì)，減緩滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)和在線部件（如發(fā)射器、電磁閥等）的堵塞損壞，需要合理配置滴灌過(guò)濾系統(tǒng)。根據(jù)過(guò)濾器的原理和功能，過(guò)濾器一般可分為離心、砂、篩、層壓四類。目前，國(guó)內(nèi)外許多廠家如奈大（以色列）、ARKAL（以色列）、AZUD（西班牙）、托羅（美國(guó)）都生產(chǎn)了大量先進(jìn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

近年來(lái)，過(guò)濾器的水力性能和過(guò)濾能力的相關(guān)研究開展較多，但對(duì)過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、工作原理、試驗(yàn)研究進(jìn)展和代表性產(chǎn)品尚沒(méi)有全面的報(bào)道。因此，本文全面闡述了不同類型過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、工作原理和研究進(jìn)展，總結(jié)了一些具有代表性的產(chǎn)品，提出了過(guò)濾器研究和產(chǎn)品開發(fā)的趨勢(shì)，為滴灌技術(shù)的廣泛應(yīng)用和新農(nóng)村建設(shè)提供理論支持。

2 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 離心過(guò)濾器

離心式過(guò)濾器一般用于滴灌系統(tǒng)的一次過(guò)濾。離心過(guò)濾器主要用于分離和去除原水的重顆粒，如粗粒砂，可用于井水和河水的泥沙過(guò)濾。當(dāng)灌溉水源的含沙量或含石量較高時(shí)，適合選擇該過(guò)濾器。有兩種常見的結(jié)構(gòu)形式，圓錐形和圓柱形?；炷两Y(jié)構(gòu)組成，主要包括過(guò)濾器上下殼、固定鎖鎖銷、密封圈、槽接頭、集砂罐塞、沖洗管、砂罐等。

水經(jīng)水泵加壓后，沿切線方向通過(guò)連接管流入離心過(guò)濾罐內(nèi)部，推動(dòng)罐體內(nèi)的流體沿軸心高速旋轉(zhuǎn)，由不同的旋轉(zhuǎn)半徑形成差速力場(chǎng)，分離流體中的不同密度的組分。砂等密度較大的固體在離心力的作用下向儲(chǔ)罐內(nèi)壁移動(dòng)，并沿儲(chǔ)罐內(nèi)壁向下移動(dòng)至底部集砂罐。而相對(duì)清澈的水沿著罐體的中心向上移動(dòng)到出口，然后進(jìn)入下一級(jí)過(guò)濾設(shè)備，完成水砂分離。離心過(guò)濾罐底部的集砂口需注意排沙。

2.2 砂濾過(guò)濾器

砂質(zhì)過(guò)濾器，如離心式過(guò)濾器，常被用作一次過(guò)濾設(shè)備。砂過(guò)濾器是采用相同粒徑或特定分級(jí)的均勻分布的石英砂對(duì)灌溉水源進(jìn)行全面過(guò)濾的設(shè)備，它具有較強(qiáng)的攔截能力。在所有的過(guò)濾器中，砂過(guò)濾器是過(guò)濾水中多種雜質(zhì)（無(wú)機(jī)或有機(jī)）的最佳方法。砂過(guò)濾器是去除水中雜質(zhì)最常用和最有效的過(guò)濾器，尤其是有機(jī)過(guò)濾器。而且，它并不影響持續(xù)的供水，當(dāng)有機(jī)物濃度高時(shí)選擇濾砂過(guò)濾器，其具體結(jié)構(gòu)，主要包括進(jìn)水、布水盤、濾帽、出口、檢修口、石英砂介質(zhì)、填砂入口等[4]。

正常工作時(shí)，水可通過(guò)進(jìn)口，通過(guò)水分配板，均勻到達(dá)介質(zhì)層進(jìn)行過(guò)濾。含有雜質(zhì)的水體進(jìn)入石英砂過(guò)濾層，并在其表面被攔截。相對(duì)較小的雜質(zhì)移動(dòng)到過(guò)濾層內(nèi)部并被攔截，實(shí)現(xiàn)了水的深層過(guò)濾。水經(jīng)石英砂過(guò)濾層過(guò)濾，流經(jīng)水箱底部的過(guò)濾蓋，通過(guò)出口和系統(tǒng)管進(jìn)入下一個(gè)過(guò)濾設(shè)備。當(dāng)過(guò)濾層截獲的雜質(zhì)量飽和會(huì)發(fā)生砂芯擊穿，雜質(zhì)外溢，過(guò)濾層需要進(jìn)行反洗。反洗過(guò)程分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種形式。自動(dòng)反洗過(guò)濾器通過(guò)PLC 電路自動(dòng)控制過(guò)濾沙池清洗過(guò)程。該過(guò)濾器配有一個(gè)控制裝置，可隨時(shí)感知該過(guò)濾器的內(nèi)部壓差。當(dāng)過(guò)濾層攔截雜質(zhì)引起的壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，壓差控制裝置立即發(fā)送信號(hào)，使控制過(guò)濾過(guò)程的閥門自動(dòng)關(guān)閉，控制反沖洗過(guò)程和雜質(zhì)排出通道的閥門自動(dòng)打開。此時(shí)，通過(guò)其他砂過(guò)濾器過(guò)濾的相對(duì)干凈的水通過(guò)。

2.3 網(wǎng)式過(guò)濾器

篩網(wǎng)過(guò)濾器用于二次過(guò)濾，其過(guò)濾介質(zhì)為尼龍網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)。由于其成本低、過(guò)濾能力高，已成為國(guó)內(nèi)外微量灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的過(guò)濾器。屏幕過(guò)濾器有很多種類型。濾網(wǎng)過(guò)濾器根據(jù)安裝方式可分為立式過(guò)濾器和臥式過(guò)濾器，根據(jù)制造材料可分為塑料過(guò)濾器和金屬過(guò)濾器，根據(jù)手動(dòng)清洗過(guò)濾器，根據(jù)清洗方式可分為自動(dòng)清洗過(guò)濾器。篩網(wǎng)過(guò)濾器的主要結(jié)構(gòu)有篩網(wǎng)、套管、管道等。

過(guò)濾過(guò)程是指水通過(guò)入口進(jìn)入篩網(wǎng)過(guò)濾器，大于篩網(wǎng)孔徑的顆粒物在篩網(wǎng)一側(cè)被攔截，清水通過(guò)出口排出。在自動(dòng)反洗篩網(wǎng)過(guò)濾器中，雜質(zhì)顆粒在過(guò)濾器表面的沉積逐漸增加，導(dǎo)致過(guò)濾器體內(nèi)部的壓差增大。當(dāng)壓差達(dá)到操作前設(shè)定的值時(shí)，過(guò)濾器控制裝置將打開反沖洗過(guò)程，清除濾網(wǎng)內(nèi)表面截獲的所有雜質(zhì)顆粒，反沖洗的過(guò)程會(huì)持續(xù)幾十秒鐘。手動(dòng)反洗過(guò)程是指濾網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后，將濾網(wǎng)從濾殼上清除，用濾刷手動(dòng)清除濾網(wǎng)表面雜質(zhì)，直至濾網(wǎng)清潔。

2.4 層壓過(guò)濾器

層濾器具有較高的雜質(zhì)濾波效果。含有雜質(zhì)的水流被疊加的層完全過(guò)濾；層壓材料主要是高質(zhì)量的工程塑料；其厚度為十幾毫米，根據(jù)產(chǎn)品過(guò)濾精度具有特征顏色；在層壓器的兩側(cè)都有很小的凹槽，凹槽的大小決定了層壓過(guò)濾器的過(guò)濾精度；許多相同的層疊在一起，安裝在一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)的內(nèi)支撐，形成一個(gè)過(guò)濾器；然后該過(guò)濾器通常安裝在性能強(qiáng)的工程塑料過(guò)濾管中形成完整的層壓過(guò)濾器；層壓過(guò)濾器主要由層壓過(guò)濾器、過(guò)濾器芯柱、活塞等組成部分組成。

層壓過(guò)濾器的過(guò)濾過(guò)程如下：水流從殼體底部入口進(jìn)入內(nèi)殼體，疊片被彈簧的彈性力和水流壓力壓縮，形成間隙阻擋相鄰層壓片接觸面槽間的雜質(zhì)，過(guò)濾后的水從出口流出。對(duì)于自動(dòng)反洗分層過(guò)濾器，壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值，因?yàn)殡s質(zhì)被困在內(nèi)部層壓增加，或者當(dāng)過(guò)濾器的運(yùn)行周期達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制裝置通過(guò)信息傳輸自動(dòng)將系統(tǒng)從過(guò)濾器狀態(tài)切換到反沖洗狀態(tài)。過(guò)濾器內(nèi)部的活塞克服了彈簧的彈性力，向殼體的頂部移動(dòng)，使擠壓的層壓板松動(dòng)。同時(shí)，反洗水沿層壓的徑向以較高的速度流動(dòng)，層壓表面捕獲的雜質(zhì)隨著高速流動(dòng)被丟棄。當(dāng)疊片清洗干凈時(shí)，改變流動(dòng)方向，在水流壓力和彈簧彈性下再次按壓疊片，導(dǎo)致過(guò)濾器再次處于過(guò)濾狀態(tài)。手動(dòng)反沖洗時(shí)，應(yīng)從殼體上去除過(guò)濾層膜，用刷子手動(dòng)去除層膜表面截獲的雜質(zhì)，用水沖洗，在那之后，疊片應(yīng)該重新組裝到過(guò)濾器上。

3 各類過(guò)濾器研究現(xiàn)狀

3.1 離心過(guò)濾器

近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)離心式過(guò)濾器的性能和過(guò)濾能力進(jìn)行了研究，取得了顯著的效果。柴海東總結(jié)了目前滴灌工程中過(guò)濾器的常見類型、結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件，離心式過(guò)濾器的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)存能力強(qiáng)，維護(hù)方便，其缺點(diǎn)是難以過(guò)濾密度接近或小于水密度的雜質(zhì)，且內(nèi)部高速湍流會(huì)造成較大的水頭損失[5]。對(duì)比圓柱形水力旋流器與錐形離心過(guò)濾器的性能，兩者的流速和水頭損失呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，前者由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)，其水頭損失和除沙能力優(yōu)于后者。用fluent 15.0 模擬中心錐底角的離心過(guò)濾器，過(guò)濾器的水砂的分離效果顯著改善。

3.2 砂濾器

許多專家學(xué)者評(píng)價(jià)砂濾器性能的兩個(gè)主要指標(biāo)是de（有效粒度）和UCs（均勻系數(shù)）。de 指的是過(guò)濾屏障的孔徑，允許總過(guò)濾材料的10%的體積通過(guò)，通常表示為d10。UCs 指的是允許所有過(guò)濾介質(zhì)的60%的屏障孔徑大小與d10，d10/d60 之間的比率[6]。d10 和d60 可以通過(guò)粒子梯度曲線得到。具體方法如下：通過(guò)不同孔徑的篩分，得到不同粒徑階段的過(guò)濾材料的質(zhì)量或重量。利用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系繪制粒子梯度曲線。水平坐標(biāo)為過(guò)濾材料的粒徑，垂直坐標(biāo)為直徑小于（或大于）某一顆粒的過(guò)濾材料的累計(jì)重量的百分比，然后通過(guò)曲線得到被測(cè)過(guò)濾材料的d10 和d60，然后計(jì)算de 和UC。過(guò)濾器材料的de 越大建議UCs 應(yīng)為1.5；Burt 和Styles建議，在選擇過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮UCs較低的產(chǎn)品。

許多專家學(xué)者探索了砂過(guò)濾器的水力性能和過(guò)濾效果[7]。

張文正等在微灌條件下研究了砂濾網(wǎng)、濾網(wǎng)和分層過(guò)濾器。

趙鵬飛等探討了玻璃球?qū)ξ⒐酁V器的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃球?qū)λ须s質(zhì)的過(guò)濾分為兩個(gè)階段，去除雜質(zhì)的原理因階段而異。

Yangshuxin 等介紹了砂濾器的應(yīng)用和運(yùn)行，分析了垂直和水平砂濾器在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中存在的技術(shù)問(wèn)題，他發(fā)現(xiàn)水平砂過(guò)濾器更適合使用渠道水的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

ArbatGetal 研究了石英砂過(guò)濾器內(nèi)各種組分對(duì)h 的影響。

3.3 網(wǎng)式過(guò)濾器

不同網(wǎng)格和分層過(guò)濾器的水頭損失和過(guò)濾能力，發(fā)現(xiàn)篩濾器的水力性能優(yōu)于分層過(guò)濾器類型，但過(guò)濾效果亦然。濾網(wǎng)的去污效果，建議排放率設(shè)為180m3/h，排放時(shí)間為50s，可使排放清潔度達(dá)到98%，確保過(guò)濾器在排放用水量低的條件下達(dá)到高去污效果。李曼研究屏幕過(guò)濾器的凈化效果不同網(wǎng)滴灌系統(tǒng)，他們發(fā)現(xiàn)發(fā)生的峰值的凈化曲線大約是10 年代，穩(wěn)定的20-30年代，和過(guò)濾器的凈化效果是顯著的。雷建華等闡述了自開發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)自潔系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和創(chuàng)新。

3.4 層壓過(guò)濾器

Yang 等研究了五種常用分層過(guò)濾器在不同含沙濃度和過(guò)濾流量條件下的水力性能和過(guò)濾能力，建立了分層過(guò)濾器過(guò)濾性能的綜合評(píng)價(jià)方法。將分形理論應(yīng)用于層壓的流道設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種新型層壓濾波器。他們還分析了水頭損失、截取沉積物量、截取沉積物的粒徑和流道中沉積物的均勻性。

CuiRui 等研究了在兩種不同流道條件下，不同流速的變化對(duì)夾層板水頭損失的影響。他們發(fā)現(xiàn)兩種層壓的水頭損失和流量是特別相關(guān)的，復(fù)合路徑的損失小于傳統(tǒng)的。

LiNan 等研究了分層過(guò)濾器的水力性能和過(guò)濾能力，發(fā)現(xiàn)隨著填砂量的增加，水頭損失不規(guī)則地增加。

4 結(jié)論

本文在分析當(dāng)前過(guò)濾器的研究趨勢(shì)和優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以下研究和產(chǎn)品開發(fā)方向：

1.加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜水質(zhì)條件下滴灌系統(tǒng)過(guò)濾設(shè)備的合理配置和優(yōu)化運(yùn)行方式的研究。

2.基于降低水力性能和過(guò)濾能力的本質(zhì)，研究過(guò)濾器核心結(jié)構(gòu)的堵塞機(jī)理。

3.優(yōu)化過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)，如改變層壓濾器通道的結(jié)構(gòu)，改變砂濾器的過(guò)濾層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高過(guò)濾器的性能。