王子龍 ，梁建軍 ，楊懷君 ，李 帆

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.哈巴河縣洪昇科技服務(wù)有限公司，新疆 阿勒泰 836500）

農(nóng)業(yè)用水在全國用水總量中占有較大比例，且農(nóng)業(yè)用水逐年增長，但農(nóng)田灌溉水有效利用程度較低，部分地區(qū)仍然采用大水漫灌的方式，存在浪費農(nóng)業(yè)用水的現(xiàn)象。發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)可以有效地降低農(nóng)業(yè)用水比重，提高農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用率，建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)已成為必然發(fā)展趨勢[1]。南疆地區(qū)是指新疆天山以南、昆侖山以北地區(qū)，包括新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團的四個師[2]。受風(fēng)沙、水質(zhì)等因素影響，沉淀池內(nèi)灌溉用水無法直接引入滴灌系統(tǒng)。目前，南疆地區(qū)滴灌用水主要通過在泵管前固定濾網(wǎng)或在沉淀池布設(shè)正向清洗過濾裝置完成過濾。

1 反沖洗過濾器工作環(huán)境

過濾網(wǎng)價格較低，安裝方便，由于環(huán)境因素影響，水體懸浮物、顆粒物等含量較高，濾網(wǎng)網(wǎng)孔過小易使雜質(zhì)堵塞濾網(wǎng)，降低過濾效率，嚴重時引發(fā)泵機空轉(zhuǎn)，損壞設(shè)備；濾網(wǎng)網(wǎng)孔過大會將雜質(zhì)傳輸給灌溉系統(tǒng)，易堵塞滴灌系統(tǒng)[3]，需要人工清洗，清洗時往往還需要停止灌溉[4]，人工維護成本高，供應(yīng)壓力不穩(wěn)定，不利于農(nóng)作物生長。正向清洗過濾裝置在工作過程中，凈水噴頭對附著在濾網(wǎng)表面的雜質(zhì)進行正向沖洗，部分雜質(zhì)隨水流清理出去，而泥沙等水體顆粒物容易附著在網(wǎng)孔縫隙內(nèi)，正向清洗無法除去或隨水壓沖入濾網(wǎng)內(nèi)，降低過濾效率與原水質(zhì)量。針對以上問題，以第三師四十四團滴灌用沉淀池為背景，介紹反沖洗過濾器的工作原理、設(shè)計過程及使用效果，為類似過濾器的使用提供參考[5]。

第三師四十四團耕地面積22.1 萬畝，滴灌作物以棉花為主。滴灌沉淀池布設(shè)于地塊附近，由于土壤大多為灰包土，在空氣流動下易混入水池，形成水體顆粒物等雜質(zhì)，為防止堵塞毛管滴孔，選用濾網(wǎng)較細，故容易堵塞濾網(wǎng)，需要人工值守清雜，不僅降低效率，也容易引發(fā)危險。因此，設(shè)計一種提質(zhì)增效的反沖洗過濾器是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需完成的任務(wù)[6]，計劃布設(shè)的反沖洗過濾器示意圖，如圖1 所示。

圖1 反沖洗過濾器布設(shè)示意圖

2 反沖洗過濾器工作原理

反沖洗過濾器原理如圖2 所示。首先，灌溉用水進入沉淀池內(nèi)，過濾器兩側(cè)浮箱提供浮力使固定在機架的筒形過濾網(wǎng)部分懸浮在水面上；其次，在重力作用下原水經(jīng)過過濾，水位高于凈水出口即可開啟電源，水面以上部分通過泵房給出的揚程在過濾網(wǎng)筒的內(nèi)部取出分流量進行反沖洗清潔，反沖洗噴頭利用水管壓力，分導(dǎo)部分水流自內(nèi)向外對濾網(wǎng)進行沖洗；最后，置于機架上方電機驅(qū)動滾筒狀濾網(wǎng)旋轉(zhuǎn)，完成全方位清潔，提升工作效率；水面以下部分利用泵房把濾網(wǎng)內(nèi)的凈化水抽出形成壓力差使原水經(jīng)過濾網(wǎng)完成過濾，同時過濾水隨管道進入泵房[7]。

圖2 反沖洗過濾器過濾原理

3 反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計

反沖洗過濾器主要由機架、電機、浮箱、筒狀過濾網(wǎng)、反沖洗噴頭等組成。浮箱安裝在支架上；筒狀過濾網(wǎng)安裝在支架上且與其轉(zhuǎn)動連接；吸水清洗機構(gòu)位于過濾筒內(nèi)部中央且與其轉(zhuǎn)動連接，同時與支架固定連接。電機與筒狀過濾網(wǎng)采用帶傳動連接。反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)

在反沖洗噴頭作用下，水面漂浮雜物吸附在轉(zhuǎn)動的過濾筒表面并對其進行沖洗，避免雜質(zhì)附著在濾網(wǎng)上，能夠提高過濾效率和效果。

凈水出口所在軸與筒狀過濾網(wǎng)采用間隙配合，用尼龍棒加工的軸承侵入水中利用水作為潤滑劑在軸承與軸之間形成受力膜，從而達到自潤滑和降溫的效果。

過濾器作為一個獨立的單元，旋轉(zhuǎn)型桶芯不銹鋼過濾網(wǎng)在原始中依靠自身的浮力和設(shè)計的動平衡計算，借助于水體減振、減衰的功能，使得過濾器本身在做功的過程中處于相對平衡的運動狀態(tài)[8]。

3.1 結(jié)構(gòu)特點

反沖洗過濾器是利用過濾水與電動機完成對濾網(wǎng)的循環(huán)式?jīng)_洗，實現(xiàn)長期穩(wěn)定工作，為確保工作順利完成，通過在過濾器兩端設(shè)置浮箱，將過濾器浮于水面，過濾器內(nèi)部水下部分通過泵房吸水，水上部分完成過濾自清洗。浮箱與支架采用不銹鋼材質(zhì)可有效提高設(shè)備的耐腐蝕性及使用壽命。電機置于水上確保安全有效工作，提升設(shè)備安全性。

3.2 過濾目數(shù)

濾網(wǎng)指標參數(shù)如表1 所示。過濾目數(shù)是過濾器核心指標之一，濾網(wǎng)目數(shù)提高，過濾效果提升，過濾速度降低；濾網(wǎng)目數(shù)過低會使泥沙、樹葉、蟲子等雜質(zhì)進入管網(wǎng)，堵塞毛管孔，影響滴灌效果。反沖洗過濾器濾網(wǎng)目數(shù)應(yīng)在保證滿足滴灌需求的同時，兼顧過濾速率，優(yōu)化使用效果。

表1 濾網(wǎng)指標參數(shù)

3.3 技術(shù)參數(shù)

過濾器主要參數(shù)如表2 所示。自清洗過濾器經(jīng)反復(fù)試驗，硬件部分采用304 不銹鋼，濾網(wǎng)選擇不銹鋼網(wǎng)，軸承采用尼龍棒加工完成，浮箱材料采用聚氨酯泡沫板聚乙烯。

表2 過濾器主要參數(shù)

4 反沖洗過濾器使用效果

如圖4 所示，與傳統(tǒng)過濾器相比，南疆沉淀池使用反沖洗過濾器后取得以下效果。

圖4 反沖洗過濾器南疆使用效果對比

過濾效果：傳統(tǒng)正向清洗過濾裝置采用100 目網(wǎng)，使用反沖洗過濾器后，濾網(wǎng)采用150目不銹鋼網(wǎng)，滴灌系統(tǒng)水質(zhì)得到了明顯的改善，泥沙和其他雜質(zhì)的含量明顯減少，毛管滴孔堵塞程度有效降低，水的顏色和透明度得到了提升。

自動化程度：反沖洗過濾器可以自動完成過濾和反沖洗過程，不需要人工干預(yù)，減少了人工維護的時間和成本[9]。

運行情況：反沖洗過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定可靠，相較于懸浮式毛刷清潔過濾桶能夠有效將雜質(zhì)清除，能夠適應(yīng)南疆部分地區(qū)的惡劣環(huán)境條件。

經(jīng)濟效益：南疆沉淀池傳統(tǒng)過濾器工作3 h～4 h就要清洗一次，使用反沖洗過濾器后，減少了人工管護成本，降低了運行成本；反沖洗過濾器內(nèi)置凈水噴頭，相較于傳統(tǒng)過濾裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，生產(chǎn)成本較低，經(jīng)濟效益明顯。

社會效益：反沖洗過濾器的應(yīng)用可以提供穩(wěn)定的滴灌系統(tǒng)水壓，保證主細管滴水均勻，有效實現(xiàn)控水控量，減少水資源的浪費，提高灌溉水有效利用率，對建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)具有積極意義。

5 結(jié)語

反沖洗過濾器在南疆沉淀池的使用效果顯著，能夠解決南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)用水過濾難題，提高灌溉水有效利用率和水的質(zhì)量，減少了人工維護的時間和成本，具有推廣價值[10]。同時，反沖洗過濾器的應(yīng)用也可以促進節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，后期可通過與傳感器技術(shù)、電液控制技術(shù)等先進科技結(jié)合，形成水源凈化、雜質(zhì)收集、水肥一體化等適宜南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式，為農(nóng)業(yè)節(jié)水提供新的解決方案。