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微灌用叠片式砂过滤器性能试验研究-上海联兵环保免费电话:400-600-5030

2011-09-13 14:36:28 来源:中国过滤器网 浏览:1

摘 要:针对微灌工程中灌水器堵塞的问题,在分析现有砂过滤器基础上,研究设计了叠片式砂过滤器。通过大量的水力性能测试和反冲洗抗堵塞性能试验以及对比试验,探讨了一定滤管直径的最佳叠片数,即滤管直径Φ1=20 mm时,叠片数为48片为宜;并提出叠片式砂过滤器的水力性能特性曲线方程和过滤水头损失经验公式。试验结果表明:叠片式砂过滤器水力性能良好,过滤能力大,水头损失小,即在设计流量为10 m³/h下,叠片式砂过滤器的清洁压降比滤头式砂过滤器小37%;过滤与反冲洗效果好,是节水灌溉系统中理想的防堵塞设备。
关键词:砂过滤器;叠片;堵塞;水力性能
中图分类号:S275.5
文献标识码:A
文章编号:1002-6819(2005)05-0081-04
肖新棉,董文楚,杨金忠,等.微灌用叠片式砂过滤器性能试验研究[J].农业工程学报,2005,21(5):81-84.
引 言
微灌系统中常用的过滤器有水力旋流过滤器、筛网过滤器、砂石过滤器和叠片式过滤器[1]。水力旋流过滤器一般作初级过滤或配合其他过滤器使用,以减轻次级过滤的负担;筛网过滤器能除掉水中的大尺寸固体污物如砂粒、动植物残体,但对水中的粘粒、藻类、微生物、细菌团和各种化学絮凝物等污物不能完全除掉,常用作末级过滤装置。根据对现有的微灌工程调查,砂过滤器是微灌工程中使用最广泛且过滤效果良好的过滤设备,其主要优点是三维过滤,有较强的截获污物的能力。在微灌工程中最早使用的砂过滤器是澳大利亚的路易斯过滤器[2],即单罐砂过滤器,但这种砂过滤器的缺点是使用不方便,反冲洗时不能向系统供水,且在反冲洗时若操作不当,会导致整个砂床移动而使过滤失效。微灌系统中的第二代砂过滤器是砂盘式双罐反冲洗砂过滤器,其特点是将其罐体下部的承托层做成透水砂盘的形式,即砂盘下部由一层耐腐蚀的金属板作托盘,上面用粒径为2~8 mm的粗砂作骨料,用耐腐蚀粘结剂将其制作成透水的固体砂盘。这种双罐反冲洗砂过滤器克服了路易斯过滤器反冲洗时不能向系统供水的不足,但缺点是其承托砂盘易被穿过砂盘的“污物”堵死,反冲洗时很难将截流在砂盘空隙中的“污物”冲掉。后出现了安装塑料滤头的第三代砂过滤器,这种过滤器是在托盘上布置塑料制的缝隙式滤头(滤头的形状像帽子,所以又称滤帽),灌溉水经过一定厚度的石英砂滤层后,通过缝隙滤头(滤帽)进入集水室,再由集水室进入灌溉管道,以除掉灌溉水源中的固体污物和各种藻类、微生物等杂质。
第三代砂过滤器的过滤和反冲洗性能比前二种好,但缺点是当缝隙式滤头中某一缝隙损坏后,就需要全部拆除该滤头(滤帽),否则过滤失效[3]。而叠片式砂过滤器是在第三代砂过滤器的基础上研究出来的一种新型节水灌溉用砂过滤器,不但具有第三代砂过滤器的优点,而且克服了滤头损坏维修困难的缺点。通过水力性能试验验证,证明其过滤和反冲洗抗堵塞性能良好。
1 叠片式砂过滤器的试验与分析
1.1 叠片式砂过滤器结构与工作原理
根据过滤水力学[4]和滤层冲洗的水力学原理[5,6]设计的叠片式砂过滤器界定为:在砂过滤装置内采用叠片式滤头收集滤后水体的一种压力式砂过滤器,其外部结构与滤头式砂过滤器相似,主要区别是将缝隙式滤头改为叠片式滤头(管),具体结构见图1。

灌溉水从进水管流入,通过布水板将水均匀地分布到罐体,经过滤砂层后由叠片式滤头收集到集水室,再通过出水管送入灌溉管道。叠片式滤头(管)是叠片式砂过滤器的重要集水装置,也是其关键性的元件,它是用一定数量的带有凹槽的塑料环形盘叠在一起组成圆柱形滤管(滤芯)。当水流流经叠片(见图2)时,利用外片壁和凹槽来聚集及截取杂物,以达到过滤的目的。反冲洗时有压水流经滤芯到叠片,利用内片壁和凹槽冲洗滤层中被截留的污物,以达到消除堵塞的目的。

1.2 叠片式滤头(管)的水力性能试验
叠片式滤头(管)水力性能的好坏决定了叠片式砂过滤器水力性能的优劣。为了探讨叠片式滤头(管)的水力性能以及研究一定滤头(管)直径下的叠片组合数目,本文进行了大量的水力性能测试试验,取滤头(管)直径Φ1=20 mm,分别对叠片数为12、24、36和48的滤头(管)进行水力性能试验,并根据测试数据进行回归分析计算,得出不同叠片数滤头(管)的计算水头损失的经验公式(表1)以及流量与水头损失的曲线(图3)。


1.3 叠片式滤头(管)的试验结果与分析
1)从图3可知过滤流量相同时,48叠片滤头的水力性能最好,即过滤水头损失最小,36叠片滤头次之,24叠片滤头再次之,12叠片滤头水力性能较差。
2)当滤管直径相同时,24、36和48叠片滤头的水力特性相差不大,特别是36和48叠片滤头的水力特性曲线几乎重合。叠片数成倍增加,其水力性能特性变化不大,因此再增加叠片数对改善水力性能意义不大(见图3)。
3)当叠片滤头(管)直径Φ1=20 mm时,叠片数为48片的组合形式为好。
1.4 叠片式砂过滤器的过滤与反冲洗性能试验叠片式滤头(管)的水力性能试验结果,只能反映水流通过叠片式滤头(管)的水力特性,即过流量与水头损失的关系,若要得到水流经滤砂层后再通过叠片式滤头(管)进行砂过滤的水力特性方程,必须进行砂过滤的水力性能试验。国内外不少研究者提出了有关过滤方程表达式,但由于影响过滤的因素十分复杂,其过滤方程表达式中有关参数不能确定,故至今还没有可直接用于计算过滤阻力的理论公式[7]。对于不同结构形式的砂过滤器,只有进行水力性能试验,才能确定具体的参数,得出相应的水头损失计算公式。过滤器工作到一定的时间,因截流污物而出现堵塞现象,通常采用反冲洗的方法消除滤层中截流的污物[8]。即利用有压清洁水对滤层进行反过滤流向冲洗,使滤层松动膨胀,冲去滤层中被截流的污物,以达到消除堵塞的目的[5,9]。为了探讨叠片式砂过滤器的过滤与反冲洗性能,找出其过流量与水头损失的关系,以确定对应的参数,继叠片式滤头(管)的水力性能试验后,又分别选取水力性能较好的叠片数为36和48的滤头进行砂过滤及反冲洗的水力性能试验。试验用砂直径为d=0.3~1.3 mm的石英砂,滤砂层厚度为34 cm,反冲洗强度为0.8 m/min,反冲洗的时间为10 min[7],试验测试结果见表2。根据试验测试的数据,经回归分析后得到砂过滤流量与水头损失的曲线和反冲洗后的流量与水头损失的曲线(见图4),同时得出相应的水头损失经验公式(见表2)。


1.5 叠片式砂过滤器的试验结果与分析
1)表2所示的36和48叠片式砂过滤器的水力性能特性方程符合过滤水力学计算规律,其砂过滤与反冲洗的水头损失计算公式与水力学公式H=kQα形式一致[10,11],通过试验,得出不同状态下的系数k值和指数α值。
2)由图4可知,36和48叠片式砂过滤器的反冲洗效果均很好,砂过滤水力性能曲线与反冲洗后水力性能曲线非常接近,而48叠片式砂过滤器比36叠片式砂过滤器的反冲洗效果更佳,其反冲洗后的水力性能曲线几乎与原过滤水力性能曲线重合。
2 叠片式砂过滤器与滤头式砂过滤器性能比较
取相同规格的叠片式砂过滤器和滤头式砂过滤器各一台,采用同样的砂石滤料,取相同的滤层厚度,并根据微灌对水质的要求,试验取过滤流速为0.018 m/s[8],经过计算当叠片数为48片时,一个叠片滤头(管)的过流面积(缝隙面积)为314.4 mm²,而一个缝隙滤头的过流面积为320 mm²[3],即在近似相同的过流面积条件下,进行清水砂过滤和污水模拟过滤堵塞水力性能对比试验,而污水模拟过滤堵塞水力性能试验是在两种过滤器过滤同样浓度的污水,当通过设计流量10 m³/h时,过滤水头损失达到7 m的条件下进行的。经过测试、计算和回归分析处理,绘出两种不同类型过滤器的砂过滤性能曲线和过滤堵塞性能曲线(见图5),并得出两种砂过滤器的性能及流量计算公式(见表3)。由对比试验分析可知:
1)叠片式砂过滤器的水力性能优于滤头式砂过滤器的水力性能,在相同的设计流量(Q=10 m³/h)下,叠片式砂过滤器的清洁压降(H=1.02 m)比滤头式砂过滤器的清洁压降(H=1.62 m)小,即水头损失小37%(见图5)。
2)叠片式砂过滤器的堵塞过滤性能略好于滤头式砂过滤器的过滤堵塞性能,在相同的设计流量(10m³/h)下,叠片式砂过滤器的过滤堵塞压降为7.11 m,而滤头式砂过滤器的过滤堵塞压降为7.72 m,过滤堵塞的水头损失小7.9%(见图5)。
3)试验经回归分析得出的叠片式砂过滤器的流量计算公式Q= 9.89H0.50(见表3)变换为过滤水头损失经验公式,即H=0.01022Q2与过滤水力学中的罗斯经验公式[4]相吻合,也与水力学中水头损失的基本计算

3 结论与讨论
1)叠片式滤头(管)集水装置是叠片式砂过滤器的关键元件,通过水力性能试验和回归分析得出,在相同的进、出水管以及同一规格过滤罐体的条件下,当叠片滤头(管)直径Φ1=20 mm时,叠片数为48片的组合形式最好。
2)现有的微灌用砂过滤器中,叠片式砂过滤器的砂过滤水力性能优于缝隙式滤头砂过滤器,在相同的设计流量(Q=10 m³/h)下,叠片式砂过滤器的清洁压降(清洁滤层的过滤阻力)比滤头式砂过滤器的清洁压降小37%;即过滤能力大,水头损失小。
3)叠片式砂过滤器的堵塞过滤性能比滤头式砂过滤器的过滤堵塞性能好,在相同的设计流量(10 m³/h)下,叠片式砂过滤器的过滤堵塞压降比滤头式砂过滤器的过滤堵塞压降小7.9%。即抗堵塞性能良好。
4)由试验经回归分析得出的砂过滤水头损失的计算公式H= 0.01022Q2与过滤水力学公式H=kQα形式相吻合,试验确定的系数k和指数α,可供计算砂过滤器的过滤水头损失参考。
5)叠片式砂过滤器设计合理,结构简单,安装使用和维修方便,并可根据不同的罐体直径选取不同叠片数的滤头(管)进行优化组合,有利于产品规格系列化。通过水力性能试验和回归分析研究,叠片式砂过滤器具有筛滤、沉淀和接触絮凝功能,能有效清除灌溉水源中的砂粒、粘粒、藻类和微生物等各种污物,是节水灌溉系统中理想的防堵塞设备。

 

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