微压过滤冲洗池的污物处理能力研究

陶洪飞，马英杰，洪 明，郑文强

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

新疆地表水中的含沙量大，直接用于灌溉，常常会堵塞灌水器，导致灌水不均匀，作物得不到充分及时的供水，所以必须采用一定的除沙设备对灌溉水进行处理，而沙石过滤器、水力旋流过滤器、不锈钢网式过滤器、叠片过滤器等扮演着重要的角色。许多学者[1-14]对沙石过滤器、水力旋流过滤器、不锈钢网式过滤器及叠片过滤器的水力性能进行了研究，因是泵后过滤，则会产生水头损失。如水力旋流过滤器工作时，其水头损失为3.5到5.0 m；清水条件下，当流量为30 m3/h时，沙石过滤器的水头损失为3.1 m左右；滤网网孔为0.12 mm和流量为217.5 m3/h时，自清洗网式过滤器中水头损失为3.8 m；最大过滤流量为300 m3/h时，鱼雷网式过滤器的水头损失为5.1 m；三芯叠片过滤器和三联组合叠片过滤器在流量为200 m3/h下水头损失分别为5.1和5.9 m。并给出了沙石过滤器、网式过滤器及叠片过滤器的水力特征方程，流量越大，水头损失也就越大。目前这些过滤器广泛地应用于实际工程，但存在能耗较大、造价昂贵和耗水率大等缺点，制约了先进节水灌溉技术的推广和应用[15]。针对以上缺点，将泵后过滤改为泵前过滤，将不锈钢滤网改为柔性尼龙网，从而课题组提出了一种新型的工程措施----微压过滤冲洗池。其具有造价低、结构简单、高效节能、轻便实用、装卸和清理方便等特点。目前的沙石过滤器、水力旋流过滤器、不锈钢网式过滤器、叠片过滤器，难于处理高含沙量的浑水，以及水中的微生物(青苔、鱼虫等)，而微压过滤冲洗池却具有很好的效果。本文以微压过滤冲洗池为研究对象，通过物理模型试验研究其污物处理能力，从而提出最佳排污时间，初步探明微压过滤冲洗池中过滤网不易堵塞的机理，这些结果将为微压过滤冲洗池的结构优化和推广应用提供理论依据和技术支撑。

1 微压过滤冲洗池及试验系统介绍

微压过滤冲洗池是指在微压(水头为50～1 000 mm)作用下，利用柔性滤网对泥沙、漂浮物、微生物等污物进行过滤并排污的建筑物；这里的水头是指水箱的自由液面至连接管中心线的高度，如图1所示。微压过滤冲洗池在实际工程中的工作原理如下：①若存在地形落差，则经微压过滤冲洗池过滤后的水通过出水管，直接进入输水管网中；②若无地形落差，则需在出水管处接卧式离心泵，通过加压方式将水流输送至田间。

为研究微压过滤冲洗池的过滤效果，建立了微压过滤冲洗池试验系统，如图1所示。从图1可知试验系统主要由浑水池、水箱及微压过滤冲洗池3部分组成。微压过滤冲洗池由托架和过滤网组成，其中，托架起支撑过滤网的作用，从而避免系统工作时由于滤网中堆积污物过重而损坏滤网；过滤网采用柔性的尼龙筛网，在水流作用下可以膨胀和缩小，过滤网用卡箍固定在连接管和排污管上。该系统的主要结构尺寸如下：微压过滤冲洗池的长为700 mm，宽为500 mm，高为700 mm；滤网孔孔径为0.15 mm，滤网长度为700 mm，滤网圆柱直径为350 mm，托架长700 mm；进水管和排污管直径为50 mm，连接管和出水管直径为110 mm。

本次试验微压过滤冲洗池不排污，故试验系统的工作原理是：泥浆泵将浑水池中充分搅拌后的水沙混合物，抽入水箱中，此时在水箱中加入杂质(锯末、树叶及草籽)，使其与泥沙一同进入微压过滤冲洗池中，则污物被截留在过滤网内，而过滤后的水流经出水管流入浑水池中，当过滤网达到极限膨胀状态时，微压过滤冲洗池的过滤过程结束。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment system

图2 试验沙的颗分曲线Fig.2 Gradation curve of sand

2 试验材料及仪器

2.1 试验材料

试验采用的泥沙颗粒级配如图2所示。从图2可知泥沙粒径为0.25～1.0 mm的占48.8%，0.05～0.25 mm的占42.1%，0.005～0.05 mm的占8.4%，小于0.005 mm为0.7%，中值粒径D50为0.23 mm。

微压过滤冲洗池不仅能处理地表水中的泥沙，还能处理实际工程遇到的微生物、青苔、树叶、草籽等杂质，为更好的模拟实际工程水流中的污物，本试验在水箱中加入了碎树叶、草籽，以及有机玻璃和木头锯末，如图3所示。另外，有机玻璃板锯末、木头锯末、树叶和草籽的密度比水小，这些杂质漂浮在滤网内，可观察到它们的运行状态，从而可判断微压过滤冲洗池中的水流运行状况，这为分析过滤网不易堵塞的机理提供佐证。

2.2 试验仪器及用途

试验所用的仪器主要包括：①电子天平(最大称量1 kg，分度值0.01 g)和电子秤(最大称量100 kg，分度值20 g)各1个，用于量测锥形瓶及大蓝桶在无水和有水情况下的质量；②0.5 L锥形瓶1个、玻璃烧杯1个、毛玻璃片1块及大蓝桶1个；③秒表2块，用于计时；④温度计1个，用于测试水的温度；⑤带有刻度的钢尺1把，用于量测水箱和微压过滤冲洗池的水位；⑥数码照相机1台，拍摄试验现象及录制试验过程；⑦搅水泵1台(流量15 m3/h，功率150 W)，用于浑水的搅拌，泥浆泵1台(流量10 m3/h，功率125 W)，用于抽浑水；⑧LS-pop(6)型激光粒度仪，测量范围为0.2～500 μm，用于获得过滤后水样中的泥沙颗分曲线。

图3 试验用的杂质Fig.3 Impurities of experiment

3 试验步骤和量测方法

3.1 试验步骤

为观察微压过滤冲洗池的试验现象及处理浑水的效果，本试验选取了3组不同范围的含沙量进行试验，含沙量分别为3.1～3.6、13.9～14.4及20.6～21.1 kg/m3，按含沙量从小到大顺序分别进行试验。试验前关闭排污阀，开启进水和出水阀；然后将一定质量的泥沙和清水倒入浑水池中，充分搅拌均匀后取样测量，当含沙量满足试验要求时，将浑水通过泥浆泵抽入水箱，此时在水箱中加入杂质(锯末、树叶及草籽)，使泥沙及杂质一同进入微压过滤冲洗池中进行过滤，一旦进入微压过滤冲洗池中就按下秒表进行计时，每隔一定时间利用钢尺记录水箱和微压过滤冲洗池的液面升降位置，并用数码相机拍摄微压过滤冲洗池中的试验现象，然后量测此时的流量、浑水池内的含沙量、过滤后水流中的含沙量，当浑水池中的含沙量低于试验设计含沙量范围时，需加入一定量的泥沙，从而保证含沙量在控制设计范围内。

3.2 量测方法

为准确和快捷的获得浑水含沙量，试验采用置换法原理得到浑水质量，后根据含沙量的计算公式计算出浑水含沙量，见式(1)。试验采用的是硬质透明玻璃锥形瓶，其参数为口径35 mm，容积为0.5 L，从而克服了比重瓶容积小、瓶口小、注入浑水误差大及无法直接采样的困难。锥形瓶的容积经过严格率定，在试验室温度变化为1～5 ℃的情况下，用精度为0.01 g的电子天平对所取的试样进行称重，然后带入公式计算，得出浑水含沙量，该方法得到的结果与烘干法实测出的含沙量相比，误差小于等于3.5%，满足试验精度要求[16]。

(1)

式中：ρ为清水的密度，kg/m3；ρm为浑水密度，kg/m3；S为含沙量，kg/m3；m浑水为锥形瓶中浑水的质量，kg；m瓶+水为锥形瓶和浑水的总质量，kg；m瓶为锥形瓶的质量，kg；V瓶为锥形瓶的体积，m3。

试验采用称重法量测流量。用秒表记录时间，用电子秤称出M桶+水和M桶，代入式(2)进行计算，从而得到出水流量。

(2)

式中：M浑水为大蓝桶中的浑水质量；M桶+水为大蓝桶与浑水的质量；M桶为大蓝桶的质量；T为时间；Q为出水流量。

4 试验现象

微压过滤冲洗池左边为进水口，右边为出水口。当含沙量为3.1～3.6、13.9～14.4、20.6～21.1 kg/m3时，微压过滤冲洗池中的过滤现象相似。本文以含沙量3.1～3.6 kg/m3为例，将该含沙量范围下不同过滤时间下的试验现象描述如下：从图4(a)中可知，当过滤时间t=10 min时，过滤网处于干瘪状态，而且过滤网下部大部分淹没在过滤后的水流中，此时可观察到锯末、大部分碎树叶和草籽在过滤网中局部区域运动，仅有少部分树叶贴在过滤网内表面上，这种状态下过滤网的过滤速率很高，水能自由地从过滤网中渗出。从图4(b)中可知，当过滤时间t=180 min时，过滤网已经稍微鼓起，过滤网下部少部分淹没在过滤后的清水中，同时可观察到过滤网内底部有沉积的泥沙，尤其是过滤网尾部(微压过滤冲洗池右边)居多，而锯末、草籽及树叶都贴在过滤网的干瘪处，此时过滤网下部的出水量较t=10 min要少，大量的水则从过滤网的两侧流出，但并不影响过滤效率，出水管始终保持以10 m3/h的流量流至浑水池中。从图4(c)中可知，当过滤时间为t=480 min时，过滤网完全膨胀，此时过滤网下部未被过滤后的水流淹没，可观察到过滤网底部堆积了大量的污物，而过滤网内上部漂浮着大量的草籽和树叶，且大部分集中在过滤网内上部中间这一区域，该时段过滤网中的水流运动剧烈，水流不仅从过滤网的底部和两侧过滤，而且从其上部涌出，此时过滤效率大大降低；同时可观察到微压过滤冲洗池中的水位下降很快，不能保证以恒定流量流出出水管，而水箱中的水位上升很快，快要溢出水箱，故在该时刻必须打开排污阀进行排污，否则会导致过滤网的破坏，从而影响微压过滤冲洗池的使用。

图4 不同过滤时间下微压过滤冲洗池中的试验现象Fig.4 The experiment phenomenon of PFWMP under different filtration time

5 试验结果与机理分析

5.1 试验结果

水箱中水深的增加和微压过滤冲洗池中水深的减小，都能反映过滤网的堵塞情况，本文以水箱中水深随过滤时间的变化情况进行相关说明。图5表示水箱水深随过滤时间的变化曲线。水箱中水位稳定时，即当过滤时间为0 min时，水箱中的水深为31 cm，从图5可得到以下3点：①不同含沙量范围下，水箱中水深随过滤时间的变化规律相同，水深随过滤时间的变化规律都包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3个阶段。如含沙量范围为3.1～3.6 kg/m3时，过滤时间在0～210 min时，为水深恒定阶段，水深一直维持在31 cm；过滤时间在210～420 min时，为水深快速增加阶段；过滤时间在420～480 min时，为水深急速增加阶段。但3种不同含沙量范围下，保持水深恒定的过滤时间不同，含沙量越小，过滤时间就越大，含沙量为3.1～3.6、13.9～14.4、20.6～21.1 kg/m3保持水深恒定的过滤时间分别为210、20、10 min。不同含沙量范围下，在水深快速增加和水深急速增加这两个阶段，水深增加的速率不同，含沙量越大，水深增加速率越大。如在水深快速增加阶段，3.1～3.6、13.9～14.4、20.6～21.1 kg/m3的水深增加速率分别为0.062 5、0.285、0.65 cm/min；在水深迅速增加阶段，这3个含沙量范围下的水深增加速率分别为0.34、0.97、2.08 cm/min。②不同含沙量范围下，开始排污的时间不同，为保证过滤网不被破坏，微压过滤冲洗池能正常工作，选水深开始迅速增加的那个过滤时间为开始排污时间，则当含沙量范围在3.1～3.6、13.9～14.4及20.6～21.1 kg/m3时，过滤时间分别为420、60、10 min时开始排污，故含沙量越小，开始排污的时间越长，冲洗次数越少，3.1～3.6 kg/m3开始排污时间分别为13.9～14.4、20.6～21.1 kg/m3的7倍和24倍。③不同含沙量范围下，微压过滤冲洗池中过滤网被完全堵塞时的极限过滤时间不同，含沙量越小，该时间越长，含沙量范围为3.1～3.6、13.9～14.4及20.6～21.1 kg/m3的极限过滤时间分别为480、80、30 min，但水箱中的水深却都在60 cm左右，说明极限过滤时间所对应的水深与含沙量无关，无论含沙量为多少，当达到过滤网所能沉积污物的最大能力时，水箱中的水深基本相同。该水深可作为过滤网即将破坏的预警，此时应该迅速排污或停止微压过滤冲洗池工作。

图5 水箱水深随过滤时间的变化曲线Fig.5 Curve of water depth variation in the tank with filtration time

污物处理能力是微压过滤冲洗池的一项重要性能指标，可通过水沙分离效率和过滤前后泥沙粒径变化来反映。

水沙分离效率包括泥沙去除率和级效率。泥沙去除率的表达式如下式所示：

(3)

式中：η是泥沙去除率，%；S是过滤前浑水池中的浑水含沙量，kg/m3；S1是过滤后微压过滤冲洗池中的含沙量，kg/m3。

表1表示不同含沙量下的泥沙去除率的对比，为获得不同范围含沙量下的泥沙去除率，将浑水池中的浑水含沙量范围取平均值，见表1中第2列所示。从表1中可得含沙量越大，泥沙去除率越高，且泥沙去除率都在80%以上。

表1 不同含沙量下的泥沙分离效率对比Tab.1 Contrast of sediment separation efficiencyunder different sediment concentration

微压过滤冲洗池的泥沙去除率，并不能完全代表其水沙分离效率，必须结合粒级效率才能准确反映微压过滤冲洗池的泥沙分离效率及其泥沙处理能力。粒级效率，是指某一级别粒度颗粒的分离效率。将3.1～3.6、13.9～14.4及20.6～21.1 kg/m3范围下过滤后的水流利用激光粒度仪进行分析，得出颗分曲线。从图6可以看出，3种含沙量范围下，过滤后的泥沙颗分曲线几乎相同，微压过滤冲洗池将原土样中泥沙粒径为0.15～1 mm的泥沙全部截留在过滤网内，级效率为100%；而小于0.15 mm的泥沙进入出水管，可知该泥沙粒径不会堵塞灌水器，完全满足微灌、喷灌、涌泉灌等技术对水质的要求。

图6 原土样与不同含沙量范围下过滤后水流中泥沙的颗分曲线Fig.6 Gradation curve of original soil sample and the sediment after filtering water under different sediment concentration range

灌溉水中泥沙粒径的大小关系到灌水器是否堵塞，泥沙粒径越大，越易堵塞，故过滤后水流中的泥沙粒径是衡量微压过滤冲洗池污物处理能力的一个非常重要的指标。可对比过滤前后泥沙颗粒的中值粒径D50和粗端粒径D98来衡量，从图6可知取的过滤前原土样的中值粒径D50为0.23 mm，3个不同含沙量范围下过滤后的中值粒径D50为0.058 mm左右；过滤前原土样的粗端粒径D98为0.97 mm，过滤后D98为0.13 mm左右，处理效果非常好。

5.2 机理的初步分析

微压过滤冲洗池能处理含沙量为3.1～3.6、13.9～14.4及20.6～21.1 kg/m3的浑水，完成一次过滤时间分别为420、60、10 min，相对于沙石过滤器、水力旋流过滤器、不锈钢网式过滤器、叠片过滤器而言，污物处理能力是最高的，且含沙量越小，污物处理能力越高。经分析主要包括以下2个原因：①与目前实际工程应用的强压过滤器相比，微压过滤冲洗池仅靠水箱中的水头使得水流通过滤网进行过滤，且过滤网采用的是柔性滤网，从而使得污物不易贴附在过滤网内表面，而是在过滤网内流动，并且随着污物的增多或减小，过滤网发生膨胀或缩小，因此增大了过滤时间，提高了污物处理能力。②污物通过滤网网孔时，大于网孔孔径的污物会被拦截在过滤网内，在微压(动水头)作用下继续在过滤网内运动，延长过滤时间，从而提高了污物处理能力，且保障了过滤后的水流符合灌溉要求。接下来，从水深随过滤时间变化的3个阶段进行详细分析。

水深恒定阶段：仅在水头为98 mm作用下，泥沙、锯末、树叶和草籽随水流进入过滤网过滤，少部分大的泥沙颗粒会在重力作用下沉降至过滤网底部，而大部分泥沙，以及锯末、树叶和草籽在恒定的微压作用下，悬浮在滤网局部区域中，此时可以自由过滤，不会影响过滤效果，且持续时间较长，尤其是含沙量为3.1～3.6 kg/m3。

水深快速增加阶段：当随着过滤时间的推移，泥沙会大量沉积在过滤网内，含沙量越大，沉降的泥沙就越多，将过滤网下部的大部分和过滤网两侧的部分堵塞，过滤网逐渐膨胀，水箱中的水深增大，此时过滤网中的水流在动水头作用下(98～268 mm)运动更加剧烈，从而会引起贴附在过滤网内表面的泥沙、锯末、碎树叶和草籽做旋转和翻滚运动，虽然有部分过滤网被堵塞，但仍以恒定流量流出出水管，从而使过滤时间大大加长。水深急速增加阶段：随着过滤时间的推移，污物会大量沉积和堵塞在过滤网内，过滤能力下降，出水管的出水流量减小，水箱中水深迅速增加，过滤网已经膨胀至极限，此时必须排污。

6 结 语

本文对微压过滤冲洗池在不同含沙量范围下进行了物理试验，并对试验结果进行了分析，初步探讨了微压过滤冲洗池中过滤网不易堵塞的原因。试验结果表明：①微压过滤冲洗池可以处理泥沙、锯末、树叶、草籽等污物；②微压过滤冲洗池可以处理不同含沙量的浑水，且含沙量越小，完成一次过滤时间越长，冲洗次数也就越少；③不同含沙量范围下水深随过滤时间的变化规律包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3个阶段；④当含沙量范围为3.1～3.6、13.9～14.4及20.6～21.1 kg/m3时，过滤时间分别为420、60、10 min时开始排污，其对应的水深为47.8、42.7、37.3 cm，也可通过控制水箱中的水深来排污；⑤不同含沙量范围下，微压过滤冲洗池的泥沙去除率都在80%以上；微压过滤冲洗池将泥沙粒径为0.15～1 mm的泥沙全部截留在过滤网内，级效率达到100%；经微压过滤冲洗池处理后，原土样的中值粒径D50由0.23 mm变为0.058 mm左右，原土样的粗端粒径D98由0.97 mm变为0.13 mm左右；⑥过滤网不易堵塞的原因是：过滤网是柔性滤网；微压作用下不易造成污物贴附在过滤网内表面，而是在过滤网中运动。

微压过滤冲洗池正处于研究的初步阶段，其处理污水的机理、结构优化、排污方式还有待进一步深入研究，另外高含沙量的浑水冲洗频率较高，可考虑将排污阀设置成定时冲洗，或在微压过滤冲洗池前面设置沉淀池，将大颗粒泥沙沉降至沉淀池中，从而减少微压过滤冲洗池的冲洗次数。

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