双介质与单介质过滤器过滤性能试验研究

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.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

0 引 言

西北内陆地区降雨稀少、水资源短缺，大力发展节水农业，全面推广高效节水技术，是今后长期努力发展的方向[1]，以膜下滴灌为代表的微灌节水技术近年来已成为发展重点。微灌系统首部最重要组成部分就是过滤器，它关乎节水灌溉的水质好坏[2]。介质过滤器是目前运用最广泛的过滤设备，砂石过滤器是目前农业灌溉主流的介质过滤器[3]。其以砂床为过滤介质的三维过滤特性，对有机和无机杂质都有比较强的截获能力[4, 5]，且具有较大的储沙容积，不易发生瞬间堵死现象，安全性高，是微灌系统中常用来清除灌溉水中杂质等的理想设备[6]。但从新疆近年来滴灌应用的情况看，由于新疆滴灌水源水质普遍较差，含沙量很高，尽管石英砂过滤器泥沙去除效率较高，但也造成堵塞严重，石英砂介质水头损失大、过滤周期短、反冲洗频繁而且反冲洗用水量大且效率低等问题突出[7, 8]，首部系统运行安全性低、总体运行效率低，造成很多地方的过滤器都被农户弃之不用；对此，近年来PVC塑料介质过滤器得到发展，有效提高了过滤器抗堵塞能力和反冲洗效率，提高了总体运行效率，但其除砂率没石英砂高[9]。对此，本研究计划引进石塑复合介质(石英砂+PVC塑料介质)，期待结合两种介质过滤器的优点，既解决其堵塞问题和提高反冲洗效率，又能获得较好的除沙效率，使介质过滤器在节水灌溉地区滴灌系统中得到更好的应用。

1 试验区域概况

本试验用介质滤料过滤器，结合新疆巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市西南方向35 km处的包头湖灌区实际情况，对井水进行处理。该农场位于孔雀河三角洲的冲积扇下部，地处86°08′～86°26′E，41°45′～41°56′N，东邻库尔勒市永丰渠，西邻孔雀河。地下水主要为松散岩类孔隙水，潜水含水层厚30 m，岩性为粉细沙、粉土、细沙的间隔层，潜水层富水性为中等-弱( 单井涌水量20 ～ 1 000 m3/d)[10]。地下水较为丰富，该灌溉区基本使用地下井水灌溉，由于地层中含粉细沙、粉土、细沙等，因此对井水灌溉用水中的泥沙杂质处理显得极为重要。

2 材料及方法

2.1 实验材料和装置

本试验用的材料是来自于包头湖农场1号井水出口沉淀渠首部沉淀的泥沙。泥沙颗分曲线如图1所示。该泥沙样品检测了两组，基本没误差，属于细粒土质沙，小于0.25 mm的沙粒占比90%，小于0.075 mm的粉沙占比21%。

实验装置参考之前实验室介质过滤模型，结合现阶段介质过滤模型优化改进，试验装置如图2所示，模型过滤器内径为150 mm、过滤面积为1.766 25 万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、滤纸、直尺等。部分过滤试验装置如图2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2 主要部分过滤器装置Fig.2 Main filter device

2.2 实验设计

配制含沙率为2 kg/m3的泥沙水，用从井口沉沙采集的原状泥沙配制成泥沙水。现对石英砂介质，PVC塑料薄片介质和石英砂与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浑水水力性能试验，3种介质在同一含砂率状态对流量变化，压力变化，除砂率的变化情况。

试验具体设计为：①改变过滤系统的过滤流量，分别测定初始过滤流量为3 m3/h(0.051 2 m/s)，3.5 m3/h(0.059 7 m/s)和4 m3/h(0.068 3 m/s)时的过滤器局部水头损失；②不同过滤流量试验期间前10 min，每隔2 min记录一次过滤器局部水头损失和过滤流量，10 min后每隔5 min观测一次局部水头损失和过滤流量随时间的变化情况，直到结束试验。出口含砂率前10 min每隔2 min在出水口用量杯取一次过滤后的水样，10 min后每隔10 min取一次水，共取10～11次水样，每次取水4 L，沉淀24 h后，过滤，再烘干。通过过滤后水样的含沙率来分析过滤器的泥沙处理能力；③过滤试验完成后，泥沙会淤积在过滤器中，影响过滤系统的过滤性能；为了验证过滤器介质的积沙效果，和对出口含砂率的验证，对过滤器内部泥沙杂质收集称重。每组试验重复进行3次，测得所有数据取平均值。

3 结果与分析

3.1 石英砂过滤性能

图3中(a)、(b)和(c)分别表示石英砂的流量变化与时间的关系、石英砂的水头损失变化与时间的关系和石英砂除砂率的变化与时间的关系。由图3(a)所示，3种流量随着时间的变化趋势相同，初始流量越大，在相同的时间内，流量减少的越快，是因为流量越大，携带沙能力越强，过滤器内部泥沙越多，堵塞的就越快。小流量，携带沙能力较弱，流量变化缓慢，堵塞的也较慢。在过滤的后期流量减少变化缓慢，是因为过滤器堵塞，流量小，携带沙能力弱等原因。图3(b)所示，3种水头损失随着时间的变化趋势相同，初始流量越大，初始水头损失越大，水头损失增加也越快。初始流量越大，过滤器堵塞的越快，压力也随之增加越快。在过滤的后期水头损失增加变化缓慢，同样是因为过滤器堵塞，流量小，挟沙能力弱，堵塞缓慢等原因。图3(c)是除砂率时间的变化，3种流量下的除砂率变化趋势相同，初始流量越大，过滤前期除砂率越小，过滤后期除砂率相对越大。是因前期过滤流量越大，流水速度大，动力也越大，携带泥沙穿过介质滤层的能力越强，导致过滤前期除砂率较小。过滤后期，在过滤20 min时，因泥沙被石英砂介质吸附，拦截等作用，在介质滤层表面，形成一层泥沙杂质，构成了“滤饼过滤”，提高了过滤精度，还因流量减小，挟沙能力减弱，进口含沙量较少，导致出口含砂量也越小等原因。由图3可以看出，初始流量越小，流量减少变化缓慢，水头损失增加也缓慢，前期除砂率相对比较大且趋于稳定。后期除砂率急剧增加，是因石英砂介质堵塞太快，水头损失也相对很大。即石英砂介质滤料，过滤效果较好，但是水头损失大，过滤时间短，堵塞太快，导致反冲洗频繁，耗能费水，不利于当下节能减排的趋势。探索能耗低，抗堵塞强和反冲洗效率高的新滤料和新过滤技术，是当下和以后长期的发展思虑。

图3 石英砂过滤流量、水头损失和除砂率随时间的变化Fig.3 Variation of quartz sand filtration flow, water head loss, and sand removal rate over time

过滤后表面积沙情况如图4所示，石英砂介质过滤25 min左右，滤层表面已堆积了一层泥沙，由图3(a)和图3(b)可以看出，滤层早已发生堵塞，表面积沙只是滤层进一步堵塞，流量迅速减少，压力也快速上升，除砂率也快速提升，此时已形成“滤饼过滤”。即后期滤层表面不断积累泥沙，到60 min左右逐渐累积有3～4 cm厚。所以石英砂介质存在表面过滤，下层滤料介质还未发生作用，上层滤料已经堵塞，这是石英砂介质最主要的缺点之一。

滤层堵塞进行反冲洗时，试验发现存在水力分级现象明显，较小粒径的滤料颗粒停留在滤层表层，滤层越向下粒径越大，通过对泥沙杂质的过滤试验发现，滤床的表面很快被堵塞，形成“滤饼过滤”，下层的滤料基本起不到什么作用，这就是微灌上常说的“表层过滤”现象。如何避免“表层过滤”，开发微灌系统专用的沙滤料，是微灌过滤技术发展的一个重要课题。

图4 不同时间段表面积沙情况 Fig.4 Surface sand in different time periods

3.2 PVC塑料介质过滤性能

图5中(a)、(b)和(c)分别表示PVC塑料介质的流量变化与时间的关系、PVC塑料介质的水头损失变化与时间的关系和PVC塑料介质除砂率的变化与时间的关系。由图5(a)所示，3种流量随着时间的变化趋势相同，由试验数据得，可以分为3个阶段：平稳阶段，快速下降阶段，缓慢下降阶段。第一阶段为0～30 min左右，流量变化平稳缓慢，因为初始流量大，携沙能力较强，再者PVC塑料介质表面光滑，不利于泥沙杂质快速的拦截，因此过滤前期堵塞较慢，流量变化缓慢。从第一阶段流量的变化，也可以看出滤层拦截泥沙效果差，不堵塞，除砂率效果差。随着时间的增加，滤层介质内部不断发生堵塞，进入第二阶段30～55 min左右，流量快速下降，说明滤层内部泥沙堵塞越来越严重，因前期流量较大，携沙能力较强，流道逐渐堵塞，流道数量逐渐减少，在相对较大的流量下，未堵塞的流道发生堵塞的几率更大，流道堵塞加快，导致流量减小越快。随着过滤继续进行，进入第三阶段55 min以后，流量又变得缓慢下降，因为后期流量较小，携带沙能力较弱，流道发生堵塞也较慢。流量越大，在相同的时间内，流量变化的转折点越早出现，是因为流量越大，携带沙能力越强，过滤器滤层内部泥沙拦截越多，堵塞也就越快。后期流量较小，携带沙能力较弱，流量变化缓慢，3种流量下，后期流量相差较小。由试验得，流量越大，各阶段的过滤时间相对越短，流量变化越快。

图5 PVC塑料介质过滤流量、水头损失和除砂率随时间的变化Fig.5 Changes of PVC plastic media filtration flow, head loss, and sand removal rate over time

水头损失与时间变化如图5(b)所示，3种水头损失随着时间的变化趋势大致相同，初始流量越大，初始水头损失越大，水头损失增加也越快。PVC塑料介质的水头损失也可分为3个阶段：平稳阶段，上升阶段，缓慢上升阶段。平稳阶段：0～30 min左右，水头损失平稳缓慢增加，因前期滤层洁净，拦截积沙的空间较多，未大量堵塞，水头损失也较小。快速上升阶段：30～50 min左右，因前期过滤，滤层逐渐拦截积沙较多，流道快速减少，导致水头损失快速上升。缓慢上升阶段：50 min以后，水头损失上升缓慢，因第一阶段和第二阶段的堵塞，导致流量的下降，携沙能力减弱，在流量和含沙量，压力等共同作用下，堵塞比较缓慢。初始流量越大，过滤器堵塞的越快，压力也随之增加越快。PVC塑料介质除砂率如图5(c)所示，PVC塑料介质与石英砂相比除砂率较小，并且不稳定，流量越大，除砂率越小，因流量相对较大，变化较慢，PVC塑料介质表面相对比较光滑，拦截泥沙的效率较低。随着时间的推移，除砂率总体是在逐渐缓慢增加。

过滤后表面积沙情况如图6所示，PVC塑料介质除砂率小，孔隙率相对比较大，反冲洗后滤层内部扰动大，过滤效果不稳定，所以滤层介质表面基本上未积沙。试验后期，滤料表面才有零星的积沙，基本不怎么明显，大部分积沙在滤层内部，基本上不存在表面过滤现象，内部积沙量也较少。

图6 不同时间段表面积沙情况 Fig.6 Surface sand in different time periods

3.3 石塑混合介质过滤性能

图7中(a)、(b)和(c)分别表示石塑混合介质的流量变化与时间的关系、石塑混合介质的水头损失变化与时间的关系和石塑混合介质除砂率的变化与时间的关系。由图7(a)所示，3种流量随着时间的变化趋势相同，由试验数据得，大致可以分为3个阶段：缓慢下降阶段，快速下降阶段，缓慢下降阶段，三段分界线不是很明显。缓慢下降阶段：0～30 min左右，流量缓慢下降，表明介质滤层一直在堵塞，滤层一直在拦截泥沙杂质。由图7(a)中的初始流量1可以看出，流量变化是一直在缓慢的下降，中间未有流量突变现象，说明滤层堵塞一直在渐进有序地进行。快速下降阶段：35～60 min左右，这个阶段只有初始流量2和3才有，流量越大越明显，时间也相对越长，流量减小的速度越快。因前期的一直过滤，滤层内部堆积了较多泥沙，即流量减少比第一阶段有所加快。因滤层是石塑双层滤料，滤料充分发挥各自的优势，过滤效果还比较稳定。又进入缓慢下降阶段：60 min以后，流量下降又变得缓慢，因前期两个阶段的过滤，滤层基本已达到工作阈值，加之流量减小，携沙量也较小。

水头损失与时间变化如图7(b)所示，3种水头损失随着时间的变化趋势大致相同，初始流量越大，初始水头损失越大，水头损失增加也越快。石塑混合介质的水头损失可分为两个阶段：缓慢上升阶段和快速上升阶段。两个阶段分界不是很明显，水头损失的变化与流量的变化刚好相反，缓慢上升阶段，根据流量的大小变化有所不同，流量越大，水头损失增长变化越快，在小流量下，水头损失一直缓慢地变化，中间未有突变现象。因小流量，携沙量少，滤层堵塞缓慢进行，加上又是石塑混合介质，分层拦泥沙，更能充分发挥各滤层的优势。快速上升阶段，压力增加比前期快，因前期拦截泥沙的积累，逐渐堵塞滤层，导致压力快速增加。石塑混合介质的除砂率如图7(c)所示，除砂率趋势大致相同，呈周期性变化，流量越大，除砂率越小。因滤料时石英砂和PVC两种介质组成，前期PVC塑料介质拦截泥沙效果较差，基本有下层石英砂承担，因此双滤料形成多层过滤，除砂率呈周期性，是因为滤层在过滤中不断发生变化。在过滤中，某一层滤料积沙形成一个过滤层，相当于“滤饼过滤”，提高了过滤精度，在相对大的压力和流量下，滤层发生崩塌，导致泥沙随着流水穿过滤层，进入下级系统，即除砂率随之减小，滤层不断深入。上层滤层又开始积累泥沙，形成沙层，除砂率又提高，后滤层又发生崩塌，除砂率又减小，这样大致呈周期性变化，流量越小，除砂率随着时间，总体呈增加趋势。流量越大，除砂率出现平稳或下降趋势，因压力和流速的作用，滤层的拦截作用逐渐降低，到最后泥沙杂质穿过滤层，进入下级系统。

如图8所示，是过滤器在45 min左右和60 min左右的表面积沙情况。因砂塑混合，上层PVC塑料介质表面光滑，空隙较大，过滤效果差，即下层石英砂介质先工作，层层积累，直到45 min左右滤层表面才开始积沙，此时流量快速减少，过滤精度也相对提高，到了60 min左右，滤料表面才有隆起的泥沙堆，只是极少的局部堆积，基本未形成表面过滤。即石塑混合介质发挥各自的优势，达到分层拦截泥沙，让整个滤层都发挥作用，延长过滤时间，改善了介质过滤器过滤效果，为探索更多多层复合介质过滤器提供理论基础。

图7 石塑混合介质过滤流量、水头损失和除砂率随时间的变化Fig.7 Changes in filter flow, head loss, and sand removal rate of stone-plastic mixed media over time

图8 不同时间段表面积沙情况Fig.8 Surface sand in different time periods

4 结 论

(1)传统的石英砂介质水头损失大和耗能大，反冲洗容易水力分级，在滤层表面形成致密滤饼层，虽提高了过滤效果，但严重影响了过滤效率。鉴于此，探索更实用或提高水力性能和过滤效率的过滤介质是目前的过滤器研究最主要的问题。

(2)PVC塑料介质的使用促进了过滤介质的发展，虽提高了过滤效率和水力性能，几乎不存在滤层表面积沙情况，但是除砂率降低并且不稳定，过滤效果较低，拦截泥沙效果差，不合适单独使用。

(3)石塑混合介质充分发挥各自的优势，水力性能接近PVC塑料介质，达到节能减耗，克服了单一介质使用的缺点，优化了过滤器内部滤层结构，避免滤层的表面过滤，并且有分层拦截泥沙的效果。

(4)石塑混合介质的使用设计，有效的充分发挥石英砂和PVC塑料介质的各自优势，改善了介质过滤器 的水力性能，在相对较高除砂率下，提高了过滤效率。为多层复合介质过滤器的研究提供了理论基础。