微灌用过滤器过滤性能分析及应用选型研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘 要:灌水器被称为微灌系统中的心脏,其水流孔径一般都很小,这就要求灌溉水中不含有能够造成灌水器堵塞的污物,因此对灌溉水进行净化处理是保证微灌系统正常运行的关键,而合理设计和配置过滤设备则是保证灌溉水净化处理的关键措施。通过对微灌用过滤器过滤性能的分析,从而得出了各种过滤器的适用条件。根据灌溉水中所含污物性质、含量高低、固体颗粒粒径、灌水器流道尺寸、灌溉需水量大小、灌溉系统性质、出流方式等因素选择与当地相适宜的过滤器。随着经济和科学技术的发展,具有自动化控制功能的过滤器和组合型过滤器将会成为微灌用过滤设备的选择趋势。
关键词:过滤器;微灌;灌水器;水处理;泥沙
中图分类号:S274.5
文献标识码:A
文章编号:1672-643X(2008)04-0036-04
前 言
喷灌和滴灌等现代灌溉技术使灌溉水利用率达到90 %以上[1],其中灌水器是完成灌水任务中最末级的关键设备,被称为微灌系统中的心脏,但其易被灌溉水中的砂粒、黏土粒、藻类、微生物、细菌团和各种化学絮凝物等悬浮颗粒所堵塞,造成灌水不均匀。
为了能使灌水器正常工作,对灌溉水进行严格的过滤处理是微灌系统的首要工作,因此过滤设备的选择和工作性能是至关重要的。若过滤设备的选择失误,导致灌水器堵塞,会引起配水不均和系统性能下降,甚至造成整个微灌系统瘫痪。所以对灌溉水进行净化处理是保证微灌系统正常运行的关键[2~4]。
1 微灌用过滤器过滤性能分析
微灌系统中对杂质的处理设备与设施主要有:拦污栅(筛、网)、沉沙池、过滤器等。常用的过滤器从制造材料分为钢制过滤器和塑料过滤器两大类;从过滤器结构原理分为离心过滤器、砂石过滤器、滤网过滤器和叠片式过滤器;从过滤器控制方式分为自动控制过滤器和手动控制过滤器;从过滤器组合形式分为组合型过滤器和大型完整的过滤站等。
1.1 离心式过滤器
离心式过滤器又称水力旋流过滤器或旋流式水沙分离器或涡流式过滤器,常见的形式有圆柱形和圆锥形两种。结构简单是离心式过滤器的一大特征,也是它能够得以迅速推广应用的重要原因之一。其结构基本上由内腔呈圆柱形和圆锥形的各段连接组成,腔内无任何其它部件,完全依靠进入腔内的流体在高速旋转运动中产生的涡流作用,将两种密度不同的介质分离开。压力水流由进水口沿切线方向进入分离器,质量大的杂质被离心力推向过滤器的侧壁,滑至集砂膛中,净水则顺流沿出水口流出。
离心式过滤器一般安装在井及泵站旁,最适合分离水中含有的大量沙子及石块。在满足过滤要求的条件下,采用60~150目的离心式过滤器,分离砂石的效率为92 %~98 %[3]。
离心式过滤器的主要优点是运行的同时可以排污,因此能连续处理高含沙量的灌溉水,且分离的粒径可以根据设定的流速来确定。同时它结构简单、价格低廉、能耗低、分离成本低。但它不能除去与水比重相近和比水轻的有机质等杂物,特别是水泵起动和停机时,过滤效果下降,会有较多的沙进人系统,且水头损失也较大。并且不同的固体浓度需要不同结构或操作条件的离心式过滤器处理。离心式过滤器结构固定,操作条件不宜改变,因此,通用性较差需要进一步研究解决[5~7]。
由于离心式过滤器中被分离物质受重力和离心力的作用,因此,只有当水流较稳定时,过滤器才能达到较好的分离效果,这就要求过滤器里水的流速有必要保持恒定。所以,设计时在进水口前应安装一段与进水管等径的直通管,长度是进水管直径的10~15倍,以保证进水水流平稳[8]。
因此,根据其过滤性能,离心式过滤器作为过滤设备应用于灌溉工程首部枢纽的初级过滤,经常与筛网式或叠片式过滤器配套串联组合使用。
1.2 砂石过滤器
砂石过滤器又称作砂介质过滤器,采用一层或数层不同粒径的砂子和砾石作为过滤介质,分为单罐反冲洗砂过滤器和双罐反冲洗砂过滤器两种。过滤原理是含有杂质的水由管道进入过滤器中,由上而下通过介质层渗漏流过,杂质被砂床及滤头阻挡,清水由下部流出,即完成过滤。
砂过滤器能够除去水中的污物,主要是靠滤料的机械筛滤作用、沉淀作用和接触絮凝作用。筛滤作用即把滤料看成“筛网”,当某些粒径大于孔隙尺寸的污物到达滤层表面后,首先被截留下来,随着污物的累积,滤层中孔隙逐渐变小,后续较细小的颗粒也相继被截留住。沉淀作用即把滤层看成一个类似于层层叠加起来的沉淀池,利用其巨大的沉淀面积截留水中的微小杂质,以清除水中的污物。接触絮凝作用即把滤料看成是接触吸附介质,水在滤层孔隙中曲折流动时,污物与滤料有更多的接触吸附机会,在滤料表面双电层动力、范德华引力和化学键等共同作用下,水中的污物被吸附住,达到过滤除污目的。
它适用于水源为地表水(如水库、塘坝、渠道和河流等)的初级过滤。在所有过滤器中,用砂石过滤器处理水中有机杂质和无机杂质最为有效,并且能够去除水中尺度比滤层孔隙尺度小的多的黏粒、藻类、微生物、细菌团和各种化学絮凝物质。只要水中有机物含量超过10 mg/L时,无论无机物含量有多少,均应选用砂石过滤器[9~10]。
但是,当颗粒小于20μm时,砂石过滤器的截滤效果就不太理想[11]。通过对大田灌溉用过滤器的调查研究发现,对分离粒径在1~10μm范围的污粒,砂石过滤器基本是无效的,其过滤效率低于15 %,但当去除大于10μm污粒时砂石过滤器的效率却高于50 %。
砂石过滤器允许在滤料表面淤积几厘米厚的杂质,这一点远比滤网式和叠片式过滤器优越[9]。当某个过滤罐需要冲洗时,其它罐中滤后的清洁水部分从该罐的底部进入,反向透过滤料,使滤料膨胀后孔隙扩张,从而将留存在滤料表面的杂质反冲出罐体。
反冲流量必须足以使滤料膨胀并冲洗出杂质,但同时又不能将滤料带出罐体。如果在反冲洗时操作不当,就会使整个砂床移动而导致过滤器失效。因此,根据其过滤性能,砂石过滤器可单独使用或与其他过滤装置组合使用。
1.3 滤网过滤器
滤网过滤器也称筛网过滤器,是利用致密的细丝织物作为过滤介质,用耐压、耐腐蚀的金属、尼龙或塑料制成,结构简单便宜。灌溉水流入过滤器碰到滤网时,液体进行绕流,污物由于惯性作用被过滤网芯阻隔,所有大于网孔尺寸的悬浮颗粒都会滞留在滤网上,净水则通过网芯流入出水口。随着污物的累积,水流过滤网的阻力增加,水头损失也会相应增大,当水头损失达到某一临界值时,应对滤网进行手动或自动冲洗,清除污物[12]。根据大田灌溉实践经验可知,一般要求所选用的过滤器的滤网的孔径大小应是所使用的灌水器孔径大小的1/7~1/10。
到目前为止,世界上已有不少国家的微灌设备公司制造出各式各样的滤网过滤器,它们的形状各异,其型号、尺寸、过滤的能力、工作压力和水头损失等各不相同。按安装方式分类,有立式与卧式两种;按制造材料分类,有塑料和金属两种;按清洗方式分类又有人工清洗和自动清洗两种;按封闭与否分类则有封闭式和开敞式(又称自流式)两种[7]。
滤网过滤器主要用于过滤灌溉水中的粉粒、砂和水垢等污物,尽管它也能用来过滤含有少量有机污物的灌溉水,但当有机污物含量稍高时过滤效果很差,尤其是当压力较大时,大量的有机污物会“挤”过滤网而进入管道,造成微灌系统与灌水器的堵塞。
所以,当灌溉水中有机污物含量较高时常和砂石过滤器配套使用。因此,根据其过滤性能,滤网过滤器在灌溉水质良好或一般时可以单独使用;当灌溉水质不良时,则可作为末级过滤接在主过滤器之后,也可用于支管入口作控制过滤器。
1.4 叠片式过滤器
叠片式过滤器是利用数量众多的带有凹槽的塑料环形盘锁紧叠在一起形成圆柱型滤芯,这些盘便形成了无数道杂质无法通过的滤网,总厚度相当于30层普通滤网。当水流流经这些盘时,利用盘壁和凹槽来聚集及截取杂物。盘槽的复合内截面提供了类似于在砂石过滤器中产生的三维的过滤。
叠片式过滤器在正常工作时叠片是紧锁的,当冲洗时可将滤芯拆下并松开压紧螺母,用水冲洗。也可自动冲洗,但自动冲洗时叠片必须能自行松散,冲洗结束后恢复紧锁。有时因受水体中有机物和化学杂质的影响,有些叠片往往被粘在一起,不易彻底清洗干净。
叠片式过滤器的过滤效率很高,在过流量相同时,它比滤网式过滤器存留杂质的能力强,一般作为二级过滤。由于它过流能力大,结构简单,维护方便,可任意组装,运行可靠、使用寿命长的特点,叠片式过滤器广泛应用于农业灌溉中的水过滤系统。
1.5 自动控制功能过滤器
这种类型的过滤器是为了适应微灌的精准灌溉和自动化控制而产生的。通过压力、流量传感器等电子仪器将压降、流量等信息反馈到控制中心,如计算机,变频器,再利用可编程序控制器和电磁阀等电控装置对过滤器进行自动反冲洗和流量压力的调节。
自动控制方式可以为压差方式、定时方式或者点动方式。但需要对各种自动控制阀门和自动控制系统进行开发研究[10]。
与传统的过滤设备相比,自动控制功能过滤器是一种新型的过滤设备。此类过滤器是将灌溉水中的污物在一定条件下自动地过滤清除的分离装置。
与传统的过滤器相比有如下特点:自动化程度高;压力损失小;不必进行人工清洗。这种过滤器在清洗时还可以不间断供水,能够广泛应用于微灌系统。
1.6 组合型过滤器
一般对于网式、叠片过滤器来说,过滤一定量的污水,就必然将截留一定量的污物从而占据过滤器的空间,因此,过滤器被堵塞是不可避免的。理论上的组合过滤器是利用一些附加装置在过滤器体内产生有利的水流形态来降低固体颗粒在某一方向的运动速度,从而降低堵塞过滤元件的程度,减小冲洗频率,节省劳动力、能源及水量[10]。例如离心叠片组合过滤器、离心网式过滤器、叠片式砂过滤器等。组合型过滤器综合了两种过滤器的优点,水力性能良好,过流能力大。但由于存在特殊的水流效果,此类过滤器比一般过滤器的局部水头损失要大。
1.7 大型完整的过滤站系统
在现代的大田微灌系统工程中,一般过滤器在过滤效果和过流量上都难以满足要求,而大型完整的过滤站系统是通过不同类型的过滤器经过合理配置和多级并串联组合而达到过滤效果好,流量大的目的,从而适应了大田微灌和水质条件差的情况。但此类过滤系统水头损失大,管网安装复杂,设备成本高。怎样优化系统的组合和设计来降低水头损失,寻求最佳运行参数以及怎样选型和配置还有待进一步深入研究[10]。
2 微灌用过滤器应用选型探讨
各种除沙方式和设备都有其特定的使用条件,为了选择一种条件下最适宜的过滤系统,首先必须考虑水源的水质,然后根据灌水器的类型确定对过滤器的要求,最后确定灌溉系统的最大需水量,由此来选择过滤器的过流量。因此,灌溉水中所含污物性质、含量高低、固体颗粒粒径、灌水器流道尺寸、灌溉需水量大小、灌溉系统性质、出流方式等都是影响过滤器选择的因素。
根据对大田灌溉用过滤器过滤效果的调查研究发现,针对西部地广人稀的情况,大田灌溉中宜选用具有自动化控制功能的过滤器,它可以节省人力、物力等;若整个灌溉系统采用自动化控制,与此对应,应首选具有自动化控制功能的过滤器;当灌溉水污物含量较高时,过滤器排污频繁,选用具有自动化控制功能的过滤器可以大大提高工作效率。当灌溉系统的需水量较大时,一般过滤器难以满足过滤效果和过流量,应考虑选用大型完整的过滤站系统。
在进行微灌用过滤器的应用选型中,应首先考虑其去除污物的有效性,同时对具有相同过滤效果的情况,则考虑价格的高低。通过实际调查研究和资料查询[3,5,7,13],根据污物性质的不同,认为可以将过滤器的选型大概归纳为表1、表2、表3。

除了考虑污物的性质和灌溉需水量外,出流方式的不同也会影响过滤器的选型。不同的灌溉水出流方式应选用不同过滤精度的过滤器。喷灌系统宜选用离心或砂石过滤器;微喷系统宜选用80目过滤精度的过滤站;滴灌系统宜选用120目过滤精度的过滤站;渗灌系统宜选用200目以上的过滤精度的过滤站。过滤器的选型也会受到工作压力的影响。对于一般节水灌溉系统,可以通过调节过滤器进水压力以保证滴灌系统的压力。但目前,自压灌溉系统逐渐被利用,也就是说过滤器的进水压力为一定值。由于不同过滤器其压力损失不等,为保证滴灌系统的压力,这就要求根据不同的进水压来选择不同过滤器,即保证进水压力和过滤器损失压力差值能满足滴灌系统压力。
过滤器的过滤能力由过滤器的目数决定,而过滤器的目数的确定又取决于灌水器的流道直径。大量观测数据表明[7,14],仅七、八个悬浮固体颗粒就可在流道出口处形成一个弧形堆积带,从而引起灌水器堵塞。要防止这种弧形堆积带的形成,对于微喷系统的过滤器,必须能保证将大于1/7喷嘴直径的杂质全部滤掉;对采用长流道滴头的滴灌系统,过滤器的过滤能力务必达到能将大于1/10滴孔直径的杂质全部滤出。
3 结 语
微灌系统首部过滤系统的合理配置起着至关重要的作用,如果过滤设备不配套或选型不当,将会造成整个微灌系统的瘫痪。因此,应经过合理的科学设计,根据各地的实际污物性质、含量高低、固体颗粒粒径、灌水器流道尺寸、灌溉需水量大小、灌溉系统性质、出流方式等情况选择适当的过滤器。
目前,我国过滤设备的技术水平和质量基本上满足实际生产需要,随着经济和科学技术的发展,我国当前生产的具有自动化控制功能的过滤器和组合型过滤器适应微灌设备的发展趋势,将会取代传统微灌用过滤设备。同时塑料作为一种新型节水灌溉设备材料所制成的设备与金属等传统材料制成的设备相比,由于具有质量轻、耐腐蚀、不生锈、输水阻力小等优点,国外塑料制品正不断替代金属等传统材料制品获得迅速发展。因此塑料过滤器将成为微灌设备的一个发展方向。但由于塑料过滤器承压较低,只能适用于温室、果园、花棚等小型农户灌溉系统。

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