謝福海

（南陵縣生態(tài)環(huán)境分局，安徽 蕪湖 241300）

水資源短缺一直是我國經濟、社會和文化發(fā)展的主要障礙之一[1]。2014 年，習近平總書記指出，由于中國經濟和社會的不斷發(fā)展，舊的“水問題”需要解決，新的“水問題”也更加緊迫。所提到的“新的水問題”是指包括水資源短缺的主要問題。我國用水總量的60%以上是農業(yè)用水，居全國各行業(yè)第一。農業(yè)缺水嚴重，用水效率低，嚴重影響到農民收入，影響到農村經濟增長。在農業(yè)節(jié)水方面的前景非常廣闊。在農業(yè)生產方面，農田灌溉用水的利用效率遠低于發(fā)達國家，中國為0.53-0.54，發(fā)達國家已達到0.70-0.80[2]。根據國內外農業(yè)灌溉情況，滴灌技術是提高現代農業(yè)的質量和效率和新農村建設的轉型升級的前提和強有力的保證，也是最有效的環(huán)保節(jié)水灌溉技術之一。

我國政府一直把環(huán)保節(jié)水灌溉技術的使用放在“用水革命”的高度，特別是近年來，黨中央和國務院提高了環(huán)保節(jié)水灌溉技術在滴灌中的應用和普及水平，并提出了一系列的原則和政策支持：從2006 年到2019 年，中共的第一個文件指出需要應用環(huán)保節(jié)水灌溉技術在許多地方，國務院的“國家農業(yè)節(jié)水計劃綱要（2012-2020）”和習近平總書記提出了16 字的“節(jié)水戰(zhàn)略優(yōu)先”，“振興農村”的十九屆人大報告，兩部委等聯合發(fā)布的《國家節(jié)水行動計劃》，這些政策說明了我國環(huán)保節(jié)水灌溉的發(fā)展帶來了前所未有的發(fā)展機遇[3]，微灌面積占主導地位。

1 過濾器的概述

過濾器是滴灌系統中一種重要的水凈化處理設備。為有效減少滴灌系統中的雜質，減緩滴灌系統管網和在線部件（如發(fā)射器、電磁閥等）的堵塞損壞，需要合理配置滴灌過濾系統。根據過濾器的原理和功能，過濾器一般可分為離心、砂、篩、層壓四類。目前，國內外許多廠家如奈大（以色列）、ARKAL（以色列）、AZUD（西班牙）、托羅（美國）都生產了大量先進的優(yōu)質產品。

近年來，過濾器的水力性能和過濾能力的相關研究開展較多，但對過濾器的結構、性能特點、工作原理、試驗研究進展和代表性產品尚沒有全面的報道。因此，本文全面闡述了不同類型過濾器的結構、性能特點、工作原理和研究進展，總結了一些具有代表性的產品，提出了過濾器研究和產品開發(fā)的趨勢，為滴灌技術的廣泛應用和新農村建設提供理論支持。

2 過濾器結構及原理

2.1 離心過濾器

離心式過濾器一般用于滴灌系統的一次過濾。離心過濾器主要用于分離和去除原水的重顆粒，如粗粒砂，可用于井水和河水的泥沙過濾。當灌溉水源的含沙量或含石量較高時，適合選擇該過濾器。有兩種常見的結構形式，圓錐形和圓柱形。混凝土結構組成，主要包括過濾器上下殼、固定鎖鎖銷、密封圈、槽接頭、集砂罐塞、沖洗管、砂罐等。

水經水泵加壓后，沿切線方向通過連接管流入離心過濾罐內部，推動罐體內的流體沿軸心高速旋轉，由不同的旋轉半徑形成差速力場，分離流體中的不同密度的組分。砂等密度較大的固體在離心力的作用下向儲罐內壁移動，并沿儲罐內壁向下移動至底部集砂罐。而相對清澈的水沿著罐體的中心向上移動到出口，然后進入下一級過濾設備，完成水砂分離。離心過濾罐底部的集砂口需注意排沙。

2.2 砂濾過濾器

砂質過濾器，如離心式過濾器，常被用作一次過濾設備。砂過濾器是采用相同粒徑或特定分級的均勻分布的石英砂對灌溉水源進行全面過濾的設備，它具有較強的攔截能力。在所有的過濾器中，砂過濾器是過濾水中多種雜質（無機或有機）的最佳方法。砂過濾器是去除水中雜質最常用和最有效的過濾器，尤其是有機過濾器。而且，它并不影響持續(xù)的供水，當有機物濃度高時選擇濾砂過濾器，其具體結構，主要包括進水、布水盤、濾帽、出口、檢修口、石英砂介質、填砂入口等[4]。

正常工作時，水可通過進口，通過水分配板，均勻到達介質層進行過濾。含有雜質的水體進入石英砂過濾層，并在其表面被攔截。相對較小的雜質移動到過濾層內部并被攔截，實現了水的深層過濾。水經石英砂過濾層過濾，流經水箱底部的過濾蓋，通過出口和系統管進入下一個過濾設備。當過濾層截獲的雜質量飽和會發(fā)生砂芯擊穿，雜質外溢，過濾層需要進行反洗。反洗過程分為自動和手動兩種形式。自動反洗過濾器通過PLC 電路自動控制過濾沙池清洗過程。該過濾器配有一個控制裝置，可隨時感知該過濾器的內部壓差。當過濾層攔截雜質引起的壓差達到預設值時，壓差控制裝置立即發(fā)送信號，使控制過濾過程的閥門自動關閉，控制反沖洗過程和雜質排出通道的閥門自動打開。此時，通過其他砂過濾器過濾的相對干凈的水通過。

2.3 網式過濾器

篩網過濾器用于二次過濾，其過濾介質為尼龍網或不銹鋼網。由于其成本低、過濾能力高，已成為國內外微量灌溉系統中應用最廣泛的過濾器。屏幕過濾器有很多種類型。濾網過濾器根據安裝方式可分為立式過濾器和臥式過濾器，根據制造材料可分為塑料過濾器和金屬過濾器，根據手動清洗過濾器，根據清洗方式可分為自動清洗過濾器。篩網過濾器的主要結構有篩網、套管、管道等。

過濾過程是指水通過入口進入篩網過濾器，大于篩網孔徑的顆粒物在篩網一側被攔截，清水通過出口排出。在自動反洗篩網過濾器中，雜質顆粒在過濾器表面的沉積逐漸增加，導致過濾器體內部的壓差增大。當壓差達到操作前設定的值時，過濾器控制裝置將打開反沖洗過程，清除濾網內表面截獲的所有雜質顆粒，反沖洗的過程會持續(xù)幾十秒鐘。手動反洗過程是指濾網運行一段時間后，將濾網從濾殼上清除，用濾刷手動清除濾網表面雜質，直至濾網清潔。

2.4 層壓過濾器

層濾器具有較高的雜質濾波效果。含有雜質的水流被疊加的層完全過濾；層壓材料主要是高質量的工程塑料；其厚度為十幾毫米，根據產品過濾精度具有特征顏色；在層壓器的兩側都有很小的凹槽，凹槽的大小決定了層壓過濾器的過濾精度；許多相同的層疊在一起，安裝在一個獨特設計的內支撐，形成一個過濾器；然后該過濾器通常安裝在性能強的工程塑料過濾管中形成完整的層壓過濾器；層壓過濾器主要由層壓過濾器、過濾器芯柱、活塞等組成部分組成。

層壓過濾器的過濾過程如下：水流從殼體底部入口進入內殼體，疊片被彈簧的彈性力和水流壓力壓縮，形成間隙阻擋相鄰層壓片接觸面槽間的雜質，過濾后的水從出口流出。對于自動反洗分層過濾器，壓差達到預設值，因為雜質被困在內部層壓增加，或者當過濾器的運行周期達到預設值時，控制裝置通過信息傳輸自動將系統從過濾器狀態(tài)切換到反沖洗狀態(tài)。過濾器內部的活塞克服了彈簧的彈性力，向殼體的頂部移動，使擠壓的層壓板松動。同時，反洗水沿層壓的徑向以較高的速度流動，層壓表面捕獲的雜質隨著高速流動被丟棄。當疊片清洗干凈時，改變流動方向，在水流壓力和彈簧彈性下再次按壓疊片，導致過濾器再次處于過濾狀態(tài)。手動反沖洗時，應從殼體上去除過濾層膜，用刷子手動去除層膜表面截獲的雜質，用水沖洗，在那之后，疊片應該重新組裝到過濾器上。

3 各類過濾器研究現狀

3.1 離心過濾器

近年來，一些學者對離心式過濾器的性能和過濾能力進行了研究，取得了顯著的效果。柴海東總結了目前滴灌工程中過濾器的常見類型、結構、優(yōu)缺點及其適用條件，離心式過濾器的優(yōu)點是儲存能力強，維護方便，其缺點是難以過濾密度接近或小于水密度的雜質，且內部高速湍流會造成較大的水頭損失[5]。對比圓柱形水力旋流器與錐形離心過濾器的性能，兩者的流速和水頭損失呈指數級增長，前者由于結構簡單和局部優(yōu)化結構，其水頭損失和除沙能力優(yōu)于后者。用fluent 15.0 模擬中心錐底角的離心過濾器，過濾器的水砂的分離效果顯著改善。

3.2 砂濾器

許多專家學者評價砂濾器性能的兩個主要指標是de（有效粒度）和UCs（均勻系數）。de 指的是過濾屏障的孔徑，允許總過濾材料的10%的體積通過，通常表示為d10。UCs 指的是允許所有過濾介質的60%的屏障孔徑大小與d10，d10/d60 之間的比率[6]。d10 和d60 可以通過粒子梯度曲線得到。具體方法如下：通過不同孔徑的篩分，得到不同粒徑階段的過濾材料的質量或重量。利用對數坐標系繪制粒子梯度曲線。水平坐標為過濾材料的粒徑，垂直坐標為直徑小于（或大于）某一顆粒的過濾材料的累計重量的百分比，然后通過曲線得到被測過濾材料的d10 和d60，然后計算de 和UC。過濾器材料的de 越大建議UCs 應為1.5；Burt 和Styles建議，在選擇過濾介質時，應考慮UCs較低的產品。

許多專家學者探索了砂過濾器的水力性能和過濾效果[7]。

張文正等在微灌條件下研究了砂濾網、濾網和分層過濾器。

趙鵬飛等探討了玻璃球對微灌濾器的影響，發(fā)現玻璃球對水中雜質的過濾分為兩個階段，去除雜質的原理因階段而異。

Yangshuxin 等介紹了砂濾器的應用和運行，分析了垂直和水平砂濾器在設計和生產中存在的技術問題，他發(fā)現水平砂過濾器更適合使用渠道水的節(jié)水灌溉系統。

ArbatGetal 研究了石英砂過濾器內各種組分對h 的影響。

3.3 網式過濾器

不同網格和分層過濾器的水頭損失和過濾能力，發(fā)現篩濾器的水力性能優(yōu)于分層過濾器類型，但過濾效果亦然。濾網的去污效果，建議排放率設為180m3/h，排放時間為50s，可使排放清潔度達到98%，確保過濾器在排放用水量低的條件下達到高去污效果。李曼研究屏幕過濾器的凈化效果不同網滴灌系統，他們發(fā)現發(fā)生的峰值的凈化曲線大約是10 年代，穩(wěn)定的20-30年代，和過濾器的凈化效果是顯著的。雷建華等闡述了自開發(fā)的液壓驅動自潔系統的工作原理、結構特點和創(chuàng)新。

3.4 層壓過濾器

Yang 等研究了五種常用分層過濾器在不同含沙濃度和過濾流量條件下的水力性能和過濾能力，建立了分層過濾器過濾性能的綜合評價方法。將分形理論應用于層壓的流道設計，開發(fā)了一種新型層壓濾波器。他們還分析了水頭損失、截取沉積物量、截取沉積物的粒徑和流道中沉積物的均勻性。

CuiRui 等研究了在兩種不同流道條件下，不同流速的變化對夾層板水頭損失的影響。他們發(fā)現兩種層壓的水頭損失和流量是特別相關的，復合路徑的損失小于傳統的。

LiNan 等研究了分層過濾器的水力性能和過濾能力，發(fā)現隨著填砂量的增加，水頭損失不規(guī)則地增加。

4 結論

本文在分析當前過濾器的研究趨勢和優(yōu)缺點的基礎上，提出以下研究和產品開發(fā)方向：

1.加強對復雜水質條件下滴灌系統過濾設備的合理配置和優(yōu)化運行方式的研究。

2.基于降低水力性能和過濾能力的本質，研究過濾器核心結構的堵塞機理。

3.優(yōu)化過濾器的結構，如改變層壓濾器通道的結構，改變砂濾器的過濾層結構，進而提高過濾器的性能。