朱德蘭 王 蓉 阮漢鋮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水肥一體化可顯著提高農(nóng)作物產(chǎn)量，目前已廣泛應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域。為了減少肥料對土壤和地下水的污染，黃腐酸鉀有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)中得到大面積使用。過濾設(shè)備是水肥一體化技術(shù)設(shè)備的重要組成部分，不同濃度含有肥料的灌溉水影響整個(gè)系統(tǒng)的效率及使用壽命。若濾網(wǎng)不能有效攔截粒徑較小的顆粒物質(zhì)，則灌溉出口易發(fā)生堵塞，因此，許多學(xué)者研究了過濾器目數(shù)、類型、過濾級(jí)數(shù)和灌溉水泥沙含量、泥沙顆粒級(jí)，以及無機(jī)肥料類型、肥液濃度等因素對過濾器堵塞的影響[1-11]。文獻(xiàn)[1-5]對網(wǎng)式過濾器進(jìn)行了堵塞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)堵塞經(jīng)歷介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞2個(gè)過程，形成的濾餅內(nèi)層泥沙顆粒粒徑較大、外層顆粒粒徑分布較均勻，濾網(wǎng)內(nèi)外壓降隨水流流量和濾餅層厚度的增大而增大，濾網(wǎng)孔徑越小，濾餅孔隙率越小，濾網(wǎng)兩側(cè)壓降越大。阿不都沙拉木[12]探討了120 目以上的網(wǎng)式和疊片式過濾器對含藻類地表水的過濾效果，結(jié)果表明，疊片式過濾器過濾效率是網(wǎng)式的2倍多，表面附著物是網(wǎng)式過濾器的2倍多，堵塞時(shí)間是網(wǎng)式過濾器的4倍。李楠等[13]研究了含沙量對2種疊片式過濾器水頭損失的影響，結(jié)果表明，含沙量達(dá)到一定量時(shí)，水頭損失會(huì)出現(xiàn)激增。秦天云等[14]以網(wǎng)式和疊片式過濾器為研究對象，進(jìn)行了3種質(zhì)量濃度渾水工況下的水頭損失和過濾性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨流量、含沙量的增大，過濾器初始水頭損失增大，過濾周期變短。王睿[15]研究了不同濃度磷酸二胺條件下網(wǎng)式和疊片式過濾器的水頭損失、總過水流量，結(jié)果表明，網(wǎng)式過濾器肥液平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.117%以下、疊片式過濾器肥液平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.067%以下的過濾器不易發(fā)生堵塞。王睿等[16-17]對一級(jí)過濾器(網(wǎng)式80目、疊片80目、疊片40目) 和二級(jí)過濾器(網(wǎng)式120目、疊片120目) 相互組合下的過濾系統(tǒng)的堵塞程度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，采用一級(jí)網(wǎng)式80目、二級(jí)疊片式120目過濾器的過濾效果及肥液利用率較高。然而，對于有機(jī)肥灌溉下Y型網(wǎng)式過濾器的堵塞規(guī)律卻鮮有研究報(bào)道。

本文以DN63 80目Y型網(wǎng)式過濾器為試驗(yàn)對象，研究不同質(zhì)量濃度黃腐酸鉀有機(jī)肥肥液下過濾器的堵塞過程及正常使用時(shí)間，分析過濾器局部水頭損失與有效過水?dāng)嗝婷娣e、濾網(wǎng)清潔度(濾網(wǎng)有效過水?dāng)嗝婷娣e與濾網(wǎng)總面積之比)的關(guān)系，研究過濾器局部水頭損失的計(jì)算方法，以直接判斷過濾器在不同肥液質(zhì)量濃度下的堵塞程度，并對過濾器堵塞物質(zhì)進(jìn)行成分分析，為肥料成分決策提出建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)過程為閉合回路。肥料罐后吸肥泵(自吸泵，粵禾機(jī)電有限公司)額定揚(yáng)程15 m，額定流量2 m3/h，吸肥泵后分兩支管路，一支管路注入肥料罐，用于調(diào)節(jié)流量，降低對吸肥泵的損害，另一支管路進(jìn)入主管道。主管道中安裝于過濾器前后的壓力傳感器(上海隆旅電子科技有限公司)量程為-100～60 000 kPa，安裝于過濾器進(jìn)口前的渦輪流量計(jì)(上海帆揚(yáng)機(jī)電公司)設(shè)計(jì)流量1～10 m3/h，入口直徑25 mm，用來觀測實(shí)時(shí)壓力及流量。主管道肥液最后回到肥料罐中，該裝置為循環(huán)試驗(yàn)裝置。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用80目Y型網(wǎng)式過濾器(順綠有限公司)進(jìn)口直徑63 mm，設(shè)計(jì)流量0.5～25 m3/h，濾孔骨架為圓柱形不銹鋼鋼絲。試驗(yàn)中所用水為楊凌地區(qū)自來水，水質(zhì)參數(shù)見表1。肥料為黃腐酸鉀有機(jī)肥(濟(jì)南順陽化工科技有限公司，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%～71%，有機(jī)鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%～11%，有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.99%，可用于植物滴灌、噴施等)，黃腐酸是一種天然低分子有機(jī)酸的混合物，主要從褐煤、泥炭中提取，其中主要化學(xué)物質(zhì)是苯羧酸、甲基苯羧酸、醌酸、羥基苯羧酸、黃酮類等生理活性化合物，其他從煤中帶來的少量物質(zhì)包括Ca、Mg、Fe、Al、Si、S、P、Zn、Mn、Cu等。

表1 楊凌地區(qū)自來水部分水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Parameters of tap water quality in Yangling

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在各濃度有機(jī)肥條件下對過濾器進(jìn)行堵塞試驗(yàn)，以80目Y型網(wǎng)式過濾器為測試對象，大田水肥一體設(shè)備常用吸肥量500 L/h作為初始流量，黃腐酸鉀有機(jī)肥作為試驗(yàn)材料，已知實(shí)際運(yùn)用中黃腐酸鉀有機(jī)肥用量為150 kg/hm2，且黃腐酸鉀有機(jī)肥在噴灌和滴灌中常按1 000～2 000倍稀釋，而水肥一體化機(jī)中灌水、施肥同時(shí)進(jìn)行，綜合考慮灌水流量、灌溉時(shí)間、吸肥量、黃腐酸鉀有機(jī)肥的稀釋程度，配置25、30、40、50 g/L 4種肥液質(zhì)量濃度，水源壓力為117.6 kPa。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲?。菏紫韧ㄟ^調(diào)節(jié)閥門控制主管道流量、壓力至試驗(yàn)設(shè)計(jì)值；然后啟動(dòng)吸肥泵，待吸肥穩(wěn)定后，通過連接壓力傳感器和渦輪流量計(jì)的計(jì)算機(jī)、顯示屏觀測過濾器前后壓力和流量，每隔2 h記錄一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)系統(tǒng)不間歇工作直至過濾器局部水頭損失達(dá)到4 m或連續(xù)工作120 h，關(guān)閉吸肥泵，每種工況下兩組重復(fù)。將運(yùn)行結(jié)束的過濾器濾網(wǎng)干燥，取出堵塞物質(zhì)保存，最后對堵塞物通過X射線衍射儀進(jìn)行成分檢測并用Jade軟件進(jìn)行成分分析。

1.4 測試指標(biāo)

過濾器堵塞以過濾器局部水頭損失為指標(biāo)。濾網(wǎng)過流均分到網(wǎng)格過流，如圖2所示。局部水頭損失計(jì)算公式為

圖2 濾網(wǎng)過流示意圖Fig.2 Schematic of filter screen flow

(1)

(2)

式中hj——局部水頭損失，m

ζ——局部水頭損失系數(shù)[18]

v——流速，m/s

g——重力加速度，取9.8 m/s2

D——單個(gè)濾孔邊長，mm

d——單個(gè)濾孔有效孔隙邊長，mm

2 結(jié)果與分析

2.1 過濾器水頭損失隨施肥時(shí)間的變化

圖3是不同質(zhì)量濃度黃腐酸鉀肥液下80目Y型網(wǎng)式過濾器水頭損失隨時(shí)間的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，水頭損失均增大，增大幅度隨著黃腐酸鉀肥液質(zhì)量濃度的增大而增大。當(dāng)肥液質(zhì)量濃度為25 g/L時(shí)，過濾器在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水頭損失未達(dá)到4 m，僅為2 m，而當(dāng)肥液質(zhì)量濃度為30、40、50 g/L時(shí)，過濾器分別在136、61、31 h水頭損失達(dá)到4 m。

圖3 水頭損失變化曲線Fig.3 Changing curves of head loss

2.2 肥液質(zhì)量濃度對過濾器濾網(wǎng)清潔度的影響

通過式(1)、(2)計(jì)算得到有效孔隙邊長d，進(jìn)行計(jì)算得到過濾器堵塞過程中單個(gè)濾孔有效過水?dāng)嗝婷娣eS(初始有效過水?dāng)嗝婷娣e為濾孔孔隙總面積S0)，發(fā)現(xiàn)有效過水?dāng)嗝婷娣e減小到一定程度前水頭損失只增長0.01 m，故只將水頭損失從0.01 m開始所對應(yīng)S繪制到圖4中。由圖4可以看出，各肥液質(zhì)量濃度下當(dāng)水頭損失為0.01 m時(shí)，S/S0小于0.1，說明濾網(wǎng)在開始運(yùn)行后短時(shí)間內(nèi)迅速攔截堵塞物質(zhì)造成濾孔孔隙大部分覆蓋，有效過水?dāng)嗝婷娣e減小迅速。當(dāng)濾孔有效過水?dāng)嗝婷娣e減小到一定程度后，濾網(wǎng)表面已形成一層濾餅，可攔截更小的顆粒物質(zhì)，而此后較長一段時(shí)間內(nèi)S變化幅度趨于平緩，說明這段時(shí)間內(nèi)堵塞物質(zhì)逐漸疊加覆蓋在濾餅表面，僅少量覆蓋在孔隙表面，肥液質(zhì)量濃度越小該階段歷時(shí)越長。在50 g/L肥液質(zhì)量濃度下過濾器S下降迅速，有效過水?dāng)嗝嬖?8 h處接近于0，說明濾網(wǎng)幾乎完全被覆蓋，該肥液質(zhì)量濃度下過濾器很容易發(fā)生嚴(yán)重堵塞。

圖4 濾網(wǎng)清潔度變化過程Fig.4 Change process of screen cleanness

由于黃腐酸鉀是一種極易溶于水的有機(jī)肥，一般不容易造成堵塞。本試驗(yàn)中，肥液質(zhì)量濃度超過40 g/L時(shí)濾網(wǎng)快速堵塞，有效過水?dāng)嗝婷娣e快速減小，因此建議水肥一體化機(jī)中黃腐酸鉀肥液質(zhì)量濃度不超過40 g/L。

為進(jìn)一步確定濾網(wǎng)清潔度與肥液質(zhì)量濃度、施肥持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，通過Origin軟件擬合公式，得到濾網(wǎng)清潔度與肥液質(zhì)量濃度、施肥持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系式為

S/S0=(2.424+0.102 5c-0.001 75c2)·
t-0.645 9+0.018 09c-2.78×10-4c2

(3)

式中c——肥液質(zhì)量濃度，g/L

t——施肥持續(xù)時(shí)間，h

根據(jù)式(3)可以直接計(jì)算得到不同質(zhì)量濃度黃腐酸鉀肥液條件時(shí)Y型網(wǎng)式過濾器在不同時(shí)刻的濾網(wǎng)清潔度。

2.3 局部水頭損失與濾網(wǎng)清潔度關(guān)系分析

通過式(2)計(jì)算得到各肥液質(zhì)量濃度下過濾器的局部水頭損失系數(shù)ζ，其與濾網(wǎng)清潔度S/S0的關(guān)系如圖5所示。

圖5 ζ與S/S0的關(guān)系Fig.5 Relationship between local head loss coefficient and S/S0

由圖5可以看出，S/S0減小到0.1以下局部水頭損失系數(shù)才快速增大，說明水頭損失通常是在S/S0減小到0.1后才逐漸增大，4種肥液質(zhì)量濃度下，局部水頭損失系數(shù)均隨S/S0減小而增大，通過擬合曲線發(fā)現(xiàn)4種肥液質(zhì)量濃度下局部水頭損失系數(shù)與S/S0均存在一定的關(guān)系。

進(jìn)一步分析濾網(wǎng)清潔度對局部水頭損失的影響，結(jié)果如圖6所示，可以看出，不同肥液質(zhì)量濃度時(shí)局部水頭損失與濾網(wǎng)清潔度的關(guān)系有所差異，同一濾網(wǎng)清潔度，肥液質(zhì)量濃度大的過濾器局部水頭損失大。因此，進(jìn)一步通過SPSS軟件對過濾器局部水頭損失與濾網(wǎng)清潔度、肥液質(zhì)量濃度的相關(guān)性進(jìn)行分析(表2)。結(jié)果表明，局部水頭損失與濾網(wǎng)清潔度、肥液質(zhì)量濃度均顯著相關(guān)，因此為直接判斷過濾器在不同肥液質(zhì)量濃度時(shí)濾網(wǎng)清潔度對應(yīng)的局部水頭損失，通過Origin擬合公式，得到黃腐酸鉀肥液下80目Y型網(wǎng)式過濾器局部水頭損失與濾網(wǎng)清潔度、肥液質(zhì)量濃度的關(guān)系式為

圖6 hj與S/S0的關(guān)系Fig.6 Relationship between local head loss and S/S0

表2 hj、c、S/S0的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of hj,c and S/S0

(4)

因此不同質(zhì)量濃度黃腐酸鉀肥液下80目過濾器在不同時(shí)間的局部水頭損失均可由式(3)、(4)計(jì)算。

2.4 堵塞物質(zhì)分析

圖7為過濾器濾網(wǎng)內(nèi)堵塞物質(zhì)的X射線衍射圖譜，將該圖譜用配套軟件 Jade 6.5 進(jìn)行定性分析。從圖7可以看到，衍射峰比較多且雜亂，說明過濾器堵塞物質(zhì)的化學(xué)組成成分比較復(fù)雜，軟件分析結(jié)果顯示主要成分為硫酸鈣、草酸鈣。肥液質(zhì)量濃度25 g/L下堵塞物質(zhì)主要為草酸鈣，存在一定量硫酸鈣。肥液質(zhì)量濃度30 g/L下堵塞物質(zhì)主要為草酸鈣，硫酸鈣的峰值有所增加。肥液質(zhì)量濃度40、50 g/L下草酸鈣為主要堵塞物質(zhì)，硫酸鈣峰值最為突出。這說明黃腐酸鉀有機(jī)肥下最主要堵塞物質(zhì)為草酸鈣，次要物質(zhì)為硫酸鈣，且隨肥液質(zhì)量濃度增加，硫酸鈣含量增加。由于黃腐酸鉀有機(jī)肥中含有草酸和硫酸根離子，試驗(yàn)所用水為含有大量Ca2+的微咸水，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成草酸鈣和硫酸鈣，所以化學(xué)堵塞是誘發(fā)堵塞的原因之一。

圖7 X射線衍射圖譜Fig.7 XRD patterns

3 討論

3.1 不同質(zhì)量濃度肥液下過濾器的水頭損失

肥液質(zhì)量濃度不影響過濾器水頭損失與堵塞程度的關(guān)系。網(wǎng)式過濾器適用于肥液平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0.117%以下，隨著肥液濃度的增大，濾網(wǎng)表面附著物質(zhì)量差異不顯著[16]，在水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%以上時(shí)43 min內(nèi)均可使過濾器兩端的壓力差達(dá)到0.05 MPa，并最終使過濾器完全堵塞，在水不溶物含量相同的情況下，施肥流量越大，過濾器越容易被堵塞，建議滴灌專用水溶性肥料的水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)定為1%～2%[19]。本試驗(yàn)中所用黃腐酸鉀肥液質(zhì)量濃度25～50 g/L，正常工作時(shí)間與肥液質(zhì)量濃度相關(guān)性顯著，肥液質(zhì)量濃度越大，堵塞越快，而不同肥液質(zhì)量濃度下同一局部水頭損失系數(shù)的濾網(wǎng)有效過水?dāng)嗝婷娣e相同，說明不同質(zhì)量濃度肥液時(shí)水頭損失與濾網(wǎng)堵塞程度存在一定關(guān)系，因此建立了不同肥液質(zhì)量濃度下不同時(shí)刻濾網(wǎng)清潔度計(jì)算公式，又進(jìn)一步建立了過濾器局部水頭損失與濾網(wǎng)清潔度、施肥持續(xù)時(shí)間的關(guān)系式，據(jù)此可判斷過濾器濾網(wǎng)堵塞情況及水頭損失。

3.2 堵塞物成分分析

黃腐酸鉀主要包括黃腐酸和鉀元素，黃腐酸中的胡敏酸不溶于水，與Ca、Mg、Fe、Al等多價(jià)鹽基離子形成的鹽類溶解度低。腐殖酸能溶解在酸、堿、鹽、水和一些有機(jī)溶劑中,因此可用這些物質(zhì)作為腐殖酸的抽提劑。這些抽提劑一般分為堿性物質(zhì)(如KOH、NH4OH、Na2CO3、Na4P2O7等)、中性鹽(如 NaF、Na2C2O4等)、弱酸性物質(zhì)(如草酸、檸檬酸、苯甲酸等)、有機(jī)溶劑(如乙醇、酮類、呲啶等)和混合溶液(NaOH和Na2P2O7)5類[20-22]。黃腐酸鉀有機(jī)肥中的S、Ca在堿性環(huán)境下與水中Ca2+發(fā)生反應(yīng)生成了硫酸鈣，說明發(fā)生了化學(xué)堵塞，隨著黃腐酸鉀肥液質(zhì)量濃度的增大，所含胡敏酸更多，與水中的Ca2+等形成更多的難溶鹽，因此濃度越大，越容易堵塞。配制黃腐酸鉀有機(jī)肥的水是弱堿性的，且含大量Ca2+，所以造成過濾器更容易堵塞。本試驗(yàn)中所用黃腐酸鉀很大可能是由草酸抽提制成，因此殘留草酸，與水中的Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成草酸鈣。因此建議在使用黃腐酸鉀時(shí)，不宜用堿性水，若水中含有大量Ca2+，應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理降低Ca2+后再進(jìn)行施肥。配制腐殖酸時(shí)盡量不用草酸抽提，或降低草酸殘留。

4 結(jié)論

(1)水肥一體化設(shè)備中使用黃腐酸鉀有機(jī)水溶肥的質(zhì)量濃度建議小于40 g/L。

(2)過濾器的局部水頭損失在濾網(wǎng)清潔度減小到10%后才逐漸開始增大。

(3)建立了過濾器濾網(wǎng)清潔度與局部水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式，可運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式直接計(jì)算不同質(zhì)量濃度黃腐酸鉀有機(jī)肥肥液下的濾網(wǎng)清潔度和局部水頭損失，從而確定濾網(wǎng)堵塞程度。

(4)黃腐酸鉀有機(jī)肥發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是過濾器堵塞原因之一，堵塞物主要化學(xué)成分是硫酸鈣和草酸鈣，在施肥前可對水中的Ca2+進(jìn)行預(yù)處理。