CN104045126B - 将超声波波能应用于悬浮物加速沉淀的方法 - Google Patents

Abstract

一种将超声波波能应用于悬浮物加速沉淀的方法。其方案是将超声波电声转换器发声面朝向水面并固定在外形成板式结构的密闭容器内，在沉淀区将若干块振板用便于拆卸的机械锁扣链接而成。振板内部电声转换器用行、列间错位方法排列，其接线用并联方式连接，这样可根据水中悬浮物特性来控制或倒用不同奇、偶数排列的电声转换器发出不同或相同频率的超声波；为了有效吸收超声波能，沉淀池底部最下层用沥青矿棉毡，其次用带孔聚酯泡沫塑料，上层用聚酯纤维铺底；为了减少反射波的干扰，池底部可设置成反射斜面，使垂直向下的波与反射波形成一定角度来防止反射波的干扰。

Description

将超声波波能应用于悬浮物加速沉淀的方法

所属技术领域

本发明属于水处理工艺领域，它可用于各类自来水厂、污水厂沉淀处理工艺，也可用于其他的水处理沉淀工艺，如河道水、游泳池水净化等的沉淀工艺。它是在待沉淀水中，利用超声波发出高频波振使之产生加速度振幅，从而使悬浮物加速下沉的方法。

背景技术

沉淀技术是现代水处理工艺中的重要一环，而传统的沉淀工艺是将原水加药混合反应后注入沉淀池，使加大的悬浮物分子团以自然重力的方式沉淀。它的缺点是：需要时间长，从而导致池的表面积及体积都必须很大。在现代自来水厂及污水厂中沉淀工艺的构筑物都是主要设施，这无论从占地面积、固定资产投资还是从运营维护费上讲均是如此。近些年来给排水专业人员针对沉淀池的工艺也进行了一些改造，如斜管沉淀池、斜板沉淀池、加砂高速沉淀池等，都是为了解决沉淀时间过长的问题，但这些都是在原有自然重力式沉淀池的基础上以改变水流形式等水力学的一些特性以及由外加一些大比重媒质(如砂)挟裹携带悬浮物加速沉淀的方法，这些技术无疑都是在沿用着传统的以自然重力沉淀技术为基础的思路。将超声波波能应用于水处理工艺中悬浮物加速沉淀的方法，是利用超声波波能施加在沉淀池水面上，给水中施以超声的高频率、一定声强度的声波——亦即超声波，其所产生的波振可使加速度振幅增加至几十倍(甚至更大)的重力加速度，同时还可将媒质中的压强有所增加，它将极大的加快悬浮物的沉淀速度，从而将大大压缩沉淀池的容水体积、相关设备的投入等固定资产投资及运行费用。

发明内容

本案是利用声波(超声波是声波的特例)的一个重要特性，即声波传播到媒质中的某处时，该处原来不动的质点开始振动，因而具有动能，同时该处的质点也将产生变形，因而也具有势能。波动传播时，媒质由远而近地一层接着一层的振动，由此可见能量是逐层地传播出去的，在此过程中，随着超声波加速度振幅的大幅度提高，使水中悬浮物加速下沉。此为本案研发的基本理论。

超声波是被现代科技中广泛应用的一项技术，利用超声波可使原有许多难以解决的技术问题超其想象的得到完美解决，迄今为止有些超声波能够解决的问题用物理学理论都难以解释。

声波的传播分为两种基本类型，即横波和纵波。质点在振动方向和波的传播方向相互垂直，称为横波；质点的振动方向和波的传播方向相互平行，称为纵波。声波的传播是由媒质的弹性模量引起的，固体中能够产生切变、容变、长变等各种弹性变形，所以固体中既能传播与切变有关的横波，又能传播与容变或长变有关的纵波。液体和气体只有容变弹性，在液体和气体内部只能传播与容变有关的弹性纵波。对于声波的传播而言，水是一种液体传播媒质，所以声波在水中的传播只能以纵波的形式进行传播。

本发明是利用超声波具有优良的传播方向性、在媒介中有良好的穿透性及在水中是以与传播方向一致的纵波形式进行传播的等理论基础上进行深入研究的，在进一步研究超声波的传播性质时，涉及理论上相关的参数有：声强I(W·m^-2)；媒质密度ρ(kg·m^-3)；频率v(Hz、kHz)；圆频率ω；A振幅(m)；c声速(m·s^-1)；a_m加速度振幅(m·s^-2)；p_m声压振幅(N·m^-2)。相关公式有声压：位移振幅：

加速度振幅：a_m＝A·ω² (3) 由2、3式可得：

从以上公式中可以设定当声强I＝10W·m^-2时，由水的密度ρ＝1000(kg·m^-3)，水中声速c＝1450m·s^-1，可得出声压Pa＝0.05大气压，这个声压是在原有大气压下的增加值，可以看出大气压的增值是与变量声强的平方根成正比关系的，这个值并不大，但当同时将频率设定为50KHZ时，可得出加速度振幅a_m的值等于2652(m·s^-2)，是重力加速度g(9.8m·s^-2)的271倍，从公式(2)、(3)中可导出加速度振幅公式(4)，公式(4)中可知加速度振幅与频率(角频率)成正比，同时与2倍声强的平方根成正比，所以当声强增加，加速度振幅的增幅并不明显，而当频率增加时，加速度振幅有着明显的增幅，从以上数据可看出应用这样当量的加速度倍率可使悬浮物在水中的重力〔F＝m×(g+am)〕大大增加，从而使之加速下沉，其效果是可想而知的。而声强的大小是声波功率的一项指标，从以上分析中看到无需太大的声强，亦即无需太大的功率即可达到目的，当然，频率与功率也是成正比关系的，但它是通过电声换能器的高频振荡而得到的，同比声强的提高所消耗的能要小得多。

在了解了超声波在水中的传播特性及以上参数对声压及加速度振幅数据当量计算后，我们特为此制作了一个测试装置，它的平面是个1米见方的桶体，桶深模拟平流沉淀池有效深度3.5米，上表装有安放超声波振板的固定框架，侧面有可观察悬浮物加速下沉情况的视窗并设有可分层取样化验的水嘴，底部装有进出水阀门。本装置经在自来水厂取加药混合后的水进行测试后，得出了一些相关数据：当媒质密度ρ、声速c及声强I为定值时(声强为1(W·m-2)，其余为常数)，当频率从22～50KHZ渐变时，理论上振幅加速度与加速度之比应该是17～86倍，但悬浮物下沉的加速度确没有遵从这个规律，而是基本遵从于比例梯度的变化规律，也就是说当加速度振幅与沉淀时间关系相交时，沉淀速度与超声波频率最为合理，超过此点沉淀速度虽有增加，但所需频率过高，从而能耗过高而不经济。为了便于统计，现将其频率、加速度振幅、加速度振幅与加速度之比及沉淀时间的关系进行了归纳，详见表1及图表。

表1超声波振荡变化参数图表

表1续

技术方案

由以上的理论及实验证明利用超声波技术能够有效的使水处理沉淀工艺中的沉淀速度大大提高，具体的技术方案是将超声波电声转换器发声面朝向水面并固定在密闭的容器内，外形成板式结构(下称振板)，在沉淀区将若干块振板用便于拆卸的机械锁扣链接后拼接而成并浸在沉淀池水面上，为了适应各种水质，电声转换器的振动频率可在20～60KHZ内。经过严格且较保守的计算，以平流池作为对比，可将原有按沉淀时间90～120(min)的设计参数缩小10倍以上，缩小后的沉淀池形状也应有相应的变化，首先将原来主要以时间参数设计的长方形池体压缩其边长。由于超声波的传播在同一媒介中有着良好的方向性及能量损耗很小的特性，在设计中要充分利用超声波的这一特性，在可能的情况下尽量将池体制作的更深，经过对材料强度的结构比选，考虑采用轻质高强的钢结构更为合理，钢结构具有各向同性，易成型、易改造扩容及可重复使用因而更环保等诸多优点。在设计时可将池体的有效深度从原来3.5～4.5m，加深至6.0～10.0m(若考虑未来扩容改造，还可更深，只是一次性的将其基础设计到位即可)；在池面将多块超声波振板固定于池面设置好的框架上，振板与振板之间用锁扣进行连接；为了便于控制超声波对水面扫描的密度及波振强度，振板内部的电声转换器以行、列间错位方法排列，其接线分别以并联方式连接，连线后由电声换能器将电能转换成超声波能，超声波频率由中央控制室通过控制变频器的高频电流来控制，这样可根据水中悬浮物的特性来控制或倒用不同奇、偶数排列的电声转换器发出不同或相同频率的超声波，亦可全部开启为同频率。为了有效的吸收超声波能，沉淀池底部最下层用沥青矿棉毡，其次用带孔聚酯泡沫塑料，上层用聚酯纤维铺底，这样当波振逐级触及到聚酯纤维、带孔聚酯泡沫塑料及沥青矿棉毡时，此三层材料可逐层吸收波能；为了减少反射波的干扰，池底部可设置成以水流纵向轴线为脊线的反射斜面，这样垂直向下的波与反射波会形成一定角度，因而即可有效地阻止反射波对垂直波的干扰，又可方便地集中收集污泥。

由于水处理行业内存在着大量不同水源的自来水厂、不同污水来源的污水厂及大量需净化处理的水(如河道净化等)的前期工艺都需要沉淀，其悬浮物的性质千差万别，所以本研发在提出方法的前提下，只能给出设计基本原则及需注意之处，具体面对目标水处理时还需要在线数据测试之后，制订出具体数据。

有意义效果

1、本发明是通过超声波在液相媒质中加速度振幅呈纵波传播原理来使沉淀池中待沉淀之悬浮物加速沉淀的方法，它的沉淀速度可比传统沉淀速度大出若干个数量级，因此可大大缩小传统沉淀池的占地面积及体积，节约土地，减少大量固定资产投资及运行费用；

2、本发明全部工作设备均系频率转换设施，无如何动力设备，所以无需维修费用；

3、本发明是采用电声转换的原理，它可根据水中不同悬浮物需要沉淀的速度来控制或倒用不同奇、偶数行列间电声转换器发出不同或相同频率的超声波，因而便于在线控制；

4、本发明的构筑物打破了传统用钢筋混凝土制造的习惯，池体采用钢结构制造，钢结构具有各向同性，易成型、易改造扩容及可重复使用因而更环保等诸多优点；

5、在传统的自来水厂中，长期以来低温低浊水的沉淀处理是行业内的一大难题，利用本方法解决该难题将成为可能。

6、本发明由于应用的是超声波加速度振幅原理使悬浮物加速下沉的，这种下沉力是难以想象的力，所以减少或剔除前段的加药混合设施将成为可能。沉淀池所加药物多为铝盐，而铝会导致人类痴呆是近代科学公认的事实，故本发明会带来广泛的社会效益；

附图说明

图1是沉淀池的剖面图；

图2是本发明的平面图；

图3是振板内部电声转换器平面布置图；

图4是控制原理框图；

图5是加速度振幅与沉淀时间关系曲线图；

图6沉淀时间与am/g关系曲线图。

图中1是沉淀池，2是内装超声波电声转换器的振板，3是振板内的电声转换器，4是沥青矿棉毡，5是带孔聚酯泡沫塑料，6是聚酯纤维，7是底板反射斜面，8是高频电流调频装置，9是中控室。

图5是加速度振幅与沉淀时间关系曲线图，图中的横坐标是频率从22～50(KHZ)以两个单位为1格，共分为15格，纵坐标为加速度振幅，加速度振幅是随时间增加而增加的增函数，图中沉淀时间是随频率增加而减小的减函数，从图中可看出加速度振幅与沉淀时间t的线性关系；

图6沉淀时间与am/g关系曲线图，图中的横坐标也是频率从22～50(KHZ)以两个单位为1格，共分为15格，纵坐标也为加速度振幅，但它表示的是加速度振幅am与重力加速度g的比，即am/g，它的比值也是个增函数，从此图中可看出am/g与沉淀时间t的线性关系。

具体实施方式

将内装超声波电声转换器的振板2布设在沉淀池1水面的框架内，振板内超声波电声转换器3以行列错位方法排列，并分别分组以并联方式连线，箭头表示进、出水方向。当待沉淀水从进水方向进入沉淀池时，由高频电流调频装置8将高频电流供给电声转换器3，并控制、调整其高频电流的频率从而控制电声换能器使其加速沉淀的效果最佳。在超声波到达池底部时，大部分波能被三层不同材质的材料最大程度的吸收，它们是上层的聚酯纤维6，中层的带孔聚酯泡沫塑料5，下层的沥青矿棉毡4；小部分波能由底板反射斜面7向两侧反射；系统由中控室9进行总控制，被加速沉淀后的水从出水方向流出。

Claims (5)

1.一种将超声波波能应用于悬浮物加速沉淀的方法，其特征是：在待处理废水的沉淀池水面上设置超声波电声转换器，该转换器的发声面朝向沉淀池水表面，并固定在密闭的容器内，该转换器的外形成板式结构，即振板，诸块振板相互联接并设置于所述沉淀池的沉淀区；所述电声转换器产生振动的频率为20～60KHZ，所产生超声波的作用及沉淀时间为9～12分钟(min)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是各振板用便于拆卸的机械锁扣链接后拼接而成，并浸在所述沉淀池水面上，所述振板内部的电声转换器用行、列间错位方法排列，其接线分别以并联方式连接，连线后由电声换能器将电能转换成超声波能，该超声波频率由中央控制室通过控制调频器的高频电流来控制。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是通过所述控制调频器的控制，或倒用不同奇、偶数排列的电声转换器发出不同或相同频率的超声波，亦可全部开启为同频率，以适应待处理废水中各种悬浮物。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述沉淀池底部最下层用沥青矿棉毡，其次用带孔聚酯泡沫塑料，上层用聚酯纤维铺底，当波振逐级触及到聚酯纤维、带孔聚酯泡沫塑料及沥青矿棉毡时，在逐层吸收波能的同时也减少了超声波大量的反射波能，同时便于清除由悬浮物积累构成的污泥，又不至于由高分子有机材料对水体构成污染。

5.如权利要求4所述方法，其特征是所述池底部设置成以水流纵向轴线为脊线的斜面，减少反射波的干扰，同时垂直向下的波与反射波会形成一定角度而向脊线两侧反射，以有效阻止反射波对垂直波的干扰。