微灌用过滤器的工作原理及其应用

微灌用过滤器的工作原理及其应用
摘要：众所周知，新疆是个缺水干旱的地区，人们深知节水的重要性，尤其是
发展微灌技术。

发展微灌技术对于干旱地区的经济发展和水环境的改善都有着极
其重要的意义，但这些地区地表水源大都以高浊度含沙水为主，如要满足微灌系
统用水要求，就必须对这些含沙水源进行沉淀和过滤处理。

本文对对微灌用过滤
器工作机理和应用研究，从理论和工程应用上都具有十分重要的意义。

本人在总
结前人研究成果的基础上，对昌吉市三屯河灌区节水项目用的过滤器进行机理分
析和应用研究。

关键词：微灌；过滤器；过滤；泥沙；水头损失；
引言
虽然某些微灌产品的质量与国外同类先进产品相比仍存在较大的差距，在微
灌枢纽控制设备和自动控制方面尚存在很大差距。

但我国的微灌试验研究水平尤
其是设计理论和开发目前已接近或达到国际先进水平，工程设计、管理等规范、
规程的可操作性已达到世界先进水平。

1微灌用过滤器的工作原理与特点研究
1.1水力旋流过滤器
水力旋流过滤器是利用水流环流的离心力来加速重相颗粒沉降和强化分离的
设备。

其内部流体的流动是一种特殊的三维强旋转剪切湍流运动。

这种涡旋运动
由两种基本的旋转液流构成，即顺螺旋线向下运动的外旋流和沿螺旋线向上运动
的内旋流，它们的旋转方向相同，但轴向运动方向相反。

外旋流携带砂子或比水
重的颗粒向下进入贮砂罐，内旋流则把清水提出溢流口，从而达到水沙分离效果。

正常运行条件下的水头损失应在3.5～5.0m的范围内，若水头损失小于3m，则说明没有形成足够的离心力，将不能有效地分离出水中的杂质。

而且只要流量恒定，其水头损失也保持恒定。

水力旋流过滤器的优点是保养维护很方便，工作时可以
连续自动排沙。

缺点是当水泵起动和停机片刻，过滤效果下降，因而杂质会进入
下游系统。

因此，水力旋流过滤器只可作初级过滤，需配合其他过滤器使用来减
轻次级过滤器的负担。

在水力旋流过滤器技术的发展中，出现了具有许多器壁结
构尺寸比例的旋流器。

如长锥型、短锥型、长柱型、短柱型。

而我国水利部燕山
滴灌技术开发中心新泰研究所和新泰市水利水产局成功研制了“旋流式管道防淤装置”。

1.2砂石过滤器
砂石过滤器是用物理和化学性能稳定的石英砂或花岗岩砂作为过滤介质来拦
截水中各种污物。

因为它是三维过滤，处理水中有机杂质和无机杂质最为有效，
具有较强的拦截污物能力，经常用作水源的精过滤。

而且只要水中有机物含量超
过10mg/L时，均应选用砂石过滤器。

但其缺点是需要较高的管理水平，因在反
冲洗时如操作不当，会使过滤砂冲失；在长期使用后，砂石介质由于摩损，颗粒
表面变得圆滑，拦污能力下降，需要重新装填部分新砂。

1.3网式过滤器
网式过滤器是依靠筛网过滤对灌溉水进行物理净化的装置。

过滤元件为尼龙
筛网或不锈钢筛网。

当水流穿过筛网时，大于筛网目数的杂质将被截留下来，因
而过滤效果的好坏主要取决于所使用的滤网的目数。

其优点是结构简单，体积小，价格低廉。

但是当有机物含量稍高时，大量的有机污物会挤过滤网而进入下游管
道造成灌水器的堵塞。

而用作灌溉水源的地表水源中总是会含有各类有机物或线
类污物。

因而筛网过滤器一般用于过滤灌溉水中的粉粒、砂和水垢等污物，用作
末级过滤装置。

另外，随着筛网逐渐被泥沙堵塞而造成压差增大，若不及时清洗
筛网则会引起筛网破裂，而且筛网的清洗也很费事。

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
柱形滤芯，当水流流经这些叠片时，利用片壁和凹槽来聚集及截取杂物。

片槽的
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。

因而它的过滤效率
很高。

与网式过滤器一样，它的过滤能力也以目数表示，而且通常将不同目数的
叠片做成不同的颜色。

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，自动冲洗时叠片必须能自行松散。

因此
冲洗很方便，冲洗的次数和耗水量也比较少。

1.5滤网过滤器
当水流由进水口进入过滤器的过滤元件内腔时，水中的污物被滤网阻隔在内
腔内。

清洁的水流在通过过滤元件后在外腔汇合并由出水口进入下级管道。

随着
污物在滤网内壁上的积累，水流通过滤网的阻力增加，水头损失就相应增大．当
进出口之间的压力差超过30KPa(3m水头损失)时，则需要打开过滤器尾部的冲洗
阀进行冲洗。

一旦冲洗阀门被打开，过滤元件内腔的水流改变方向，直接由冲洗
阀流出。

由于水流的冲洗作用，集聚在过滤元件内腔壁上的污物就被冲了出来，
并由排污口排出过滤器。

在正常情况下不需要把过滤器全部拆开进行清洗，因此，这种过滤器比微灌系统早期使用的过滤器管理使用方便。

2微灌用过滤器的发展趋势与探讨
2.1大型完整的过滤站系统
在一般的微灌系统工程中，首部水源工程的供水量大概在40—200m3/h左右。

而在现代的大田微灌系统中，需水量可达800m3/h。

因此，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。

如新疆石河子天露节水设备公司考虑新疆耕地面积大，渠道泥沙较多的特点，采用了三级过滤，形成完整的过滤站，某些情况下可
将沉沙池省略。

即用离心、砂石、筛网过滤器组合，经合理联接，首先由离心过
滤器分离出大颗粒的泥沙，再经砂石过滤器滤掉大部分的有机物和其它杂质，最
后由筛网过滤器拦污。

2.2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型态来降低固体颗粒
在某一方向的运动速度，如与网面垂直的方向，使固体颗粒始终悬浮在水中，而
不是压在网面上。

从而降低堵塞过滤元件的程度，减小冲洗频率，节省劳动力和
能源及水量。

如西班牙的离心叠片组合过滤器，在进水处加一螺旋导流装置，使
水流在过滤器体内产生特殊的离心效果，降低泥沙颗粒与过滤元件接触机会，利
用水流的剪切力自然冲洗过滤元件，达到降低堵塞过滤元件的目的。

同样，本文
研究的旋流网式过滤器也与此类似。

另外如鱼雷式过滤器，在进水口加一梭型柱体，改变过流断面面积，在与网面平行的方向上产生高速水流，使固体颗粒无法
在网面上停留，也达到降低了堵塞过滤元件的目的。

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，当然水力性能也更加复杂。

2.3具有自动控制功能的过滤器
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，再利用编程控制系统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。

它适应
西部地广人稀的情况，可节省人力。

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。

2.4塑料过滤器
精致小巧，安装使用简便的塑料过滤器，它适应于温室、果园、花棚，对于
一般小农户很适用。

但其科技含量高，加工工艺复杂。

特别是对模具的精度要求高，对塑料材料的配方也有讲究，要求过滤器能有良好的密封性，具有一定的刚度，能耐高温耐腐蚀。

微灌设备的发展趋势也以塑料器材为主，所以塑料过滤器
有很广阔的前景。

结束语
本文在总结前人研究成果的基础上，借鉴工农业各种水沙处理技术和经验，
经过大量试验数据分析。

目前国内外对微灌用过滤器水力性能的试验研究成果还
比较少，文中的部分研究成果和结论还有待进一步深入研究论证。

事实上，过滤
器内部固液二相流的运动情况非常复杂，需要借助一些先进的测量技术，如激光
测速系统，以及建立合理的数学、物理模型，分析流场规律，合理地解决过滤与
堵塞之间的矛盾。

参考文献
［1］笪志祥，我国节水灌溉技术及其模式和发展趋势，天津农业科学，2008 ［2］李明生，什么是节水型社会，时事资料手册，2005
［3］刘兰育，现代化节水灌溉技术在新疆的应用和发展前景，水利水电技术，2006。