石塑混合与单一介质过滤器清水水力特性试验

苟欢欢，张胜江，陶洪飞，杨圆坤，周 良，宋睿明，周 洋

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业节水技术研究中心，乌鲁木齐 830049)

0 引 言

由于全国农业干旱缺水和水资源短缺的问题日益严重，尤其是西北地区，发展节水灌溉技术有十分重要的意义。微灌是一种具有较高节水效率和能有效促进作物增长的灌溉技术[1]，已成为新兴节水灌溉技术的代表，其目的在于提高水的利用效率和水分生产效率，既可以改善农作物质量，又可以促进产量增加[2]，还可以减少劳动量，同时也带动了农业向自动化和智能化发展的机遇。但是微灌技术对水质要求较高，不同地区的微灌水源都含有相对不同的污染物和杂质，如若未经过处理，直接用于微灌系统，则会造成灌水器堵塞，很大程度降低了灌水器的均匀度，影响农作物的产量，不能发挥微灌系统的真实效率[3]。过滤器是微灌系统中最关键的设备之一，其中砂石过滤器是微灌系统首部中运用最广泛且过滤效果良好的过滤设备，主要特点是三维过滤，具有较强的截污能力[4]。评估微灌砂石过滤器优劣指标主要是其过滤效果及反冲洗性能。国内外的很多专家学者对砂石过滤器的过滤效果及反冲洗水力特性研究较多。例如：以出水浊度为研究指标，对石英砂滤料的微灌过滤器的过滤效果与反冲洗水力特性的变化规律进行了研究[5-7]。国外在使用地表水进行微灌时，几乎每个微灌系统均安装有砂石介质过滤器。因此，砂石过滤器是保证微灌系统安全运行不可缺少的措施[4]。

砂石过滤器通常用于保护滴灌系统，特别是当存在大量的有机污染物，藻类，很细的纤维杂质和菌落团等的污水处理比其他过滤器效果更佳[8]。此外，与其他类型的过滤器相比，砂过滤器具有简单、容量大的优点[9]，从泥沙颗粒质量浓度滤除比率来分析，砂石过滤器过滤黄河泥沙效果要优于叠片式过滤器和筛网式过滤器[9]，所以正确的选择灌溉水过滤器是保证微灌系统长期连续运行的关键[11]。近年来由于石英砂开采成本提高，同时开采对环境造成污染，滤料使用中过滤周期短，抗堵塞时间短，反冲洗效率低，用户接受程度下降，极大地限制了砂石过滤器在微灌系统上的推广和应用[12]，针对现有过滤器存在的问题，本研究提出加入可循环利用的PVC塑料薄片，构成本试验用的石塑混合介质过滤器装置，以减少石英砂介质的开采和使用。

1 石塑混合介质结构及理论

本文主要研究微灌系统首部的介质过滤器，其过滤原件由石英砂与PVC塑料介质堆叠组合构成。目前微灌砂过滤器的过滤速度相当于水处理行业的10多倍，在高速过滤的过程，砂石介质存在表面过滤现象[13]，抗堵塞时间短，反冲洗频繁，耗水量大，不符合微灌系统发展节水的宗旨。现引入PVC塑料介质，结合石英砂除沙效果优于PVC塑料介质，PVC塑料介质的水力性能优于石英砂[14]，结合两者的优点，构成石塑混合介质。

理论上混合介质的优点：延长过滤时间，减少水头损失。因为PVC塑料介质在上面，石英砂介质在下面，PVC滤料的拦截泥沙的效果不及石英砂介质，孔隙比也比石英砂介质大，所以过滤时滤层积沙会往下移，减少表层过滤现象。同时由董文楚[15]研究得出滤层堵塞首先从表面开始，而且自始至终上层比下层堵塞严重，逐渐由表层向深层发展，并指出堵塞主要发生在0～270 mm滤层内。可知砂石介质发挥主要作用的是上半层(以滤层厚度500 mm为例)，即本试验将上半层滤料换成PVC塑料介质，实现分层拦截泥沙，使过滤器整个滤层都能发挥作用。反冲洗方面，由于PVC塑料介质和石英砂介质的比重相差一半，反冲洗时石英砂和PVC塑料介质会自然分层，使得滤层中泥沙和杂质更容易被清洗，反冲流量同时会减少，达到节约水的作用。现用石塑混合介质跟单一介质对照，在清水条件下作水力特性试验。

2 材料与方法

2.1 实验材料和装置

实验装置参考之前实验室介质过滤模型，结合现阶段对介质过滤模型优化改进，试验装置如图1所示，包括内径150 mm、过滤表面积为17 662.5 mm2，为了更接近实际应用高度，试验装置高度1 250 mm的亚克力有机玻璃柱，试验用滤料为石英砂滤料和PVC塑料薄片或颗粒，滤料直径如表1所示，滤层厚度500 mm，试验室有2个存水灌，分别用于配制过滤的浑水及储存浑水，配套设施有潜水泵、混水泵、搅拌泵、电磁流量计、压力传感器、压力表、量杯、直尺等。部分过滤试验装置如图1所示。

表1 滤料颗粒结构尺寸及空隙比Tab.1 Structure size and void ratio of filter particles

图1 主要部分过滤器装置Fig.1 Main filter device

2.2 试验设计

在清水条件下，各过滤器滤层都不会发生堵塞情况，既不会发生水头损失与流量随时间的变化特性，故本实验重点关注过滤器水头损失与流量之间的水力性能关系和反冲洗流速与滤料膨胀厚度变化研究。为浑水条件下，反冲洗流速提供依据。

现对石英砂介质，PVC塑料介质和石英砂与PVC塑料介质在体积比为1∶1混合条件下，单一介质和石塑混合介质下做清水水力性能试验，3种介质状态作对比。过滤流量分别选择为2.7、3.1、3.5、3.9、4.3 m3/h条件下进行试验，过滤器上下分别装有两支压力表，因清水条件下，流量一定，水头损失不会随时间的变化而发生变化，等流量稳定后，读出流量，再分别读出两支压力表的读数，分别读3次数据取平均值。由于石英砂和PVC塑料介质的比重相差很大，所以反冲洗流量有很大的差别，所以每种介质的反冲洗流量的范围也不同。对反冲洗流速设置不同的4～5个梯度，从滤料膨胀开始，记录不同的流速和用直尺测量相应流速下滤料膨胀的高度。每组试验重复进行3次取平均值。主要为了给浑水条件下反冲洗提供一定的参考。

3 结果与分析

3.1 不同介质过滤器水力特性对照

ΔH=kQ2

式中：ΔH为系统的局部水头损失，m；Q为系统过流量，m3/h；k为结构系数，与局部水头损失系数、水质和过水面积有关[16]。

图2 不同滤料在清水的不同流量下的水头损失变化规律Fig.2 Variation rule of head loss of different filter materials under different flow rate of clean water

图2为清水条件下，不同流量水头损失的变化，可知，用3种滤料通过水头损失与流量的数据拟合成二次关系，R2均大于0.98，拟合效果很好，试验数据可靠。如表2知，结构系数不同，依次是石英砂滤料介质大于石塑混合滤料介质大于PVC塑料薄片介质，结构系数越大水头损失也就越大，初始水头损失也越大。说明砂石介质水头损失大于石塑混合介质大于PVC塑料介质，石塑混合滤料介质的结构系数与PVC塑料薄片介质相差很小，与石英砂的结构系数相差很大。石塑混合介质比石英砂介质的初始水头损失减少了约20%，比PVC塑料介质增加约为18%。即石塑混合介质的使用，有效降低了初始水头损失，延长了过滤时间。

表2 不同滤料拟合公式Tab.2 Fitting formulas of different filter materials and R2

3.2 反冲洗滤料随流速的变化规律

3.2.1 PVC反冲洗随流速的变化规律

图3 PVC滤料反冲洗的总厚度、增加厚度、膨胀率随流量的变化Fig.3 Change of total thickness, increase thickness and expansion rate of PVC filter backwash with flow rate

3.2.2 石英砂反冲洗随流速的变化规律

图4的(a)、(b)和(c)为石英砂滤料介质反冲洗滤料的总厚度随流速的变化曲线、反冲洗滤料新增加的厚度随着流速变化曲线和反冲洗滤料膨胀率随流速变化曲线。由图4(a)、(b)和(c)曲线图，通过数据拟合出经验公式，可以看出总厚度变化、新增加厚度变化和膨胀率均成一次线性关系，R2均大于0.99，拟合效果很好，试验数据可靠。由图4(a)、(b)可知，两曲线图是一致的，只是截距不同，反冲洗后滤料的总厚度也增加了，但比PVC塑料介质小，增加厚度为20 mm。说明石英砂滤料的滤层反冲洗后，在浮力的作用下自然沉降，比PVC塑料介质膨胀小，滤层结构更加稳定，因此过滤效率波动越小，即石英砂滤料受浮力影响相对较小。根据试验现象，滤料反冲洗后的膨胀率也跟滤料的尺寸大小和滤层的厚度有关，滤料直径越大和滤层厚度越小，反冲洗后的膨胀也相对越大。由图4(c)可知，当流速达到0.038 m/s时，石英砂滤层才开始发生膨胀，比PVC塑料介质发生膨胀的初始流速要大，相对流速下膨胀率也比PVC塑料介质小，流速达到0.083 m/s时，也不存在反向堵塞现象。原因是石英砂材料密度大，比重比PVC塑料介质大，所以石英砂介质在反冲洗时比较耗能和耗水。根据本试验现象石英砂滤料反冲洗流速范围为0.042～0.083 m/s内，根据节水省时的理念，本实验推荐反冲洗流速为0.066 m/s时最佳。所以石英砂介质过滤时，水头损失大，堵塞快，过滤时间短；反冲洗流速大，即耗能又耗水，反冲洗中滤料之间相互摩擦，滤料自身损耗快，石英砂开采又污染环境。即找替代石英砂滤料的环保材质，是未来介质过滤器的发展方向。

图4 石英砂滤料反冲洗的总厚度、增加厚度、膨胀率随流量的变化Fig.4 Change of total thickness, increase thickness and expansion rate of quartz sand filter backwashing with flow rate

3.2.3 石塑混合介质反冲洗随流速的变化规律

图5的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)和(g)为石塑混合滤料介质反冲洗滤料的总厚度随流速的变化曲线、反冲洗滤料新增加的厚度随着流速变化曲线和反冲洗滤料膨胀率等随流速变化曲线。由图5(c)、(b)、(d)、(e)、(e)、(f)和(g)曲线图，通过数据拟合出经验公式，可以看出总厚度变化、新增加厚度变化和膨胀率均成一次线性关系，唯有图5(a)曲线图不同，石英砂的膨胀率与流速成二次线性关系，R2均大于0.98，拟合效果很好，试验数据可靠。由图5(e)可知，反冲洗后滤料的初始厚度也增加了，但比PVC塑料介质和石英砂滤料都相对较小，增加厚度为25～35 mm。与单一介质相比，反冲洗后新增厚度相对较少，滤层内部结构相对也比较稳定。

图5 石塑混合滤料反冲洗的总厚度、新增加厚度、膨胀率等随流量的变化Fig.5 Change of total thickness, new thickness and expansion rate of backwashing of mixed stone and plastic filter with flow rate

由以上曲线图可以看出，石塑混合的双介质均初始上升和膨胀时，流速增大到0.037 m/s，跟石英砂滤料的反冲洗启动流速比较接近，比PVC塑料介质单独使用时的反冲洗启动流速要大。由于是双滤料，比重不同，受水影响发生膨胀的流速不同，PVC塑料介质比重较小先开始膨胀；又因水流在整个过滤器内部滤料沿程受到的阻力较小，导致底部比重较大的石英砂滤料不易膨胀，当流速达到0.044 m/s时，底层的石英砂滤料才开始发生膨胀，随着流速的增大，PVC塑料介质随着流速发生膨胀较快，石英砂滤料发生膨胀相对较慢，最大膨胀也相对较小。当流速达到0.077 m/s时，PVC塑料介质膨胀率已经达到100%，已经导致反向堵塞现象，石英砂滤料膨胀率才25%左右，说明此流速下已经超过需要反冲洗的状态。由此可知，石塑混合介质的反冲洗流速范围为0.044～0.077 m/s以内，流速相对越大反冲洗时间越短，本试验推荐流速为0.068 m/s时最佳。反冲洗时，PVC塑料介质与石英砂滤料介质自然分层几乎不存在重叠部分，原因是两种滤料材料本身的比重相差很大，在水流的作用石英砂介质在下层，PVC塑料介质在上层。形成分层过滤，是一种比较好的过滤方式，即减少水头损失，又改善了过滤效果，分层多级过滤是介质过滤器的发展方向。

4 结 论

(1)石塑混合介质的使用，有效地减低了水头损失，双介质材料，改善了介质滤层内部结构，减少了石英砂的使用，加入PVC塑料介质相当于延长了滤料介质的使用寿命，有利于探索多介质过滤器的发展，为多介质过滤器结构优化奠定基础。

(2)不管是单一介质和双介质滤料，反冲洗时滤料的膨胀率或总厚度跟流速均成一次线性关系，膨胀率可以反应反冲洗的状态。不同滤料最佳反冲洗也不同，PVC塑料介质反冲洗最佳流速为0.06 m/s，石塑混合介质反冲洗最佳流速为0.068 m/s，石英砂介质反冲洗最佳流速为0.077 m/s。

(3)石塑混合介质内结构比单一介质内部结构稳定，反冲洗后膨胀率最小，有利于稳定过滤杂质的效率。反冲洗后滤料的膨胀大小与滤料尺寸大小有关，粒径越大反冲洗后发生膨胀越大，滤料内部结构越不稳定，过滤效率也越不稳定。双介质结合有效减少了滤料内部结构的膨胀，稳定了过滤效果。

(4)PVC塑料介质反冲洗流速0.06 m/s，流速偏小，不利于滤料和泥沙快速分离带走；石英砂介质反冲 洗流速0.077m/s，流速偏大，过滤时水头损失大，不利于节能节水。石塑混合介质反冲洗流速0.068m/s，流速适中，即有效的节能和节水，过滤时有效地减小了水头损失。

□