CN217781009U - 一种市政污泥超声波对冲破壁机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种市政污泥超声波对冲破壁机，包括罐体，所述罐体内设有多根的超声频率不同的超声波振动棒，所述超声波振动棒竖直设置于罐体内，所述罐体中部设有一对高速流体喷头，所述高速流体喷头对称且相对设置于罐体上，所述超声波振动棒设置于高速流体喷头之间，所述罐体底部设有出料口。与现有技术相比，本实用新型可通过双多频率超声波对冲驻波，对冲了一部分能量弱的区域，使能量分布密度更为均匀,高速运动的污泥颗粒运动可降低驻波能量死角影响,实现更高效率的能量覆盖。形成“三相共存”环境,使超声能量更能集中到需要破壁的污泥颗，通过2倍喷射速率的物理对撞，部分间隙水和结合水被分离，部分污泥颗粒在强烈对撞中实现破壁。

Description

一种市政污泥超声波对冲破壁机

技术领域

本实用环保技术领域，尤其涉及一种市政污泥超声波对冲破壁机。

背景技术

对城市污水处理厂副产物剩余污泥的处理与处置，一直是本行业一个较为棘手的问题。其处理费用占到污水处理厂总运行费用的25％～40％，甚至高达60％，居高不下的成本成为一直以来困扰污水处理厂的重大问题，也是近20年来社会各界普遍关注和研究的问题。污泥处理成本高，与污泥的结构特殊性直接关联，剩余污泥成分复杂，是多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，其中所含的大量的水分(甚至可高达99％以上)以细胞水、结合水和间隙水等多种形式与微生物个体等固体物质形成的复杂集合体，呈流体状态且有胶质的属性，因此其中的水很难彻底与固体物质分离。

超声波破壁是利用超声波(波长2cm以下)的高速振动(频率大于17KHz)作用于物体时，微观世界所产生的波峰波谷迅速使污泥产生交替压缩和膨胀。当污泥颗粒处于膨胀的半周期时,污泥颗粒及结合水在压力作用下被气泡化和迅速膨胀。而当处于压缩的半周期时,气泡会收缩。这种极短的时间内的巨大压力变化很大造成压缩气泡急剧破裂，在原料液体中会出现微“爆炸”现象，瞬间在液体周围的区域会引起很大的压力和温度升高，从而可以实现了对结合水、细胞膜(壁)的破碎作用。

目前，实际生产和现有研究成果的超声波破壁设备在设计或使用过程中有很多缺陷，要么造价成本过高，要么破壁不彻底，使很多污泥处理企业被迫选择添加化学药品进行破壁或加热破壁的方式来分离污泥中水和固体物质。从公开资料上查阅的信息可以总结当前超声波破壁技术存在一下问题：

(1)有的技术将超声波的振动棒(换能器)直接作用在流体态的污泥中，从理论上看，超声波所产生的能量大多直接作用于污泥，但是，由于超声波在液体或固体中的传播速度更快，污泥可以迅速吸收超声波的能量，但是，能量主要消耗在污泥中80％以上含量的水分子，造成所有的水分子的振动加剧，而针对结合水、细胞内水而言，它们能吸收的能量反而是少数，因此，实际破壁效率差。

(2)污泥的胶质性状，使污泥本身就成为一种缓冲体，超声波在污泥中的能量传递犹如声波在橡皮中一样，能量损耗大、效率低下，一定程度这种缓冲还可以保护污泥中的微生物细胞壁。

(3)超声波的驻波效益，加之不少工艺采用长方体的容器，内壁平面的反射，更是增加了驻波的形成。以波长为10mm的超声波为例，空间上会形成半波长(即5mm)间隔的能量趋于零的作用点，使其能量分布犹如强弱点构成的网格，超声波工作时，造成大量需要破壁的污泥颗粒处于声波能量辐射较低、甚至为零的点，从而成为“漏网之鱼”，大幅度降低了超声波对污泥颗粒破壁的效率。

(4)虽然也有考虑使用通过高压射流的方式，使污泥流体撞击容器中的撞击板上，从而使污泥流体成为较小的颗粒，一部分结合水和细胞壁因撞击破碎。但是，流体射流其撞击的速率有一个上限，即声波的速率，流体的射流速度不能超过音速，超过则要形成音爆，显然在容器中是不可能的，因此，通过高速射流撞击的最高速率会受到限制，设计效果并不理想。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于提供一种市政污泥超声波对冲破壁机，充分利用污水槽的发酵池内厌氧反应产生的热能，对存水弯部进行加热，彻底解决了污水排污管冻结的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种市政污泥超声波对冲破壁机，包括罐体，所述罐体内设有多根的超声频率不同的超声波振动棒，所述超声波振动棒竖直设置于罐体内，所述罐体中部设有一对高速流体喷头，所述高速流体喷头对称且相对设置于罐体上，所述超声波振动棒设置于高速流体喷头之间，所述罐体底部设有出料口。

作为优选，所述超声波振动棒为长条形，且超声波振动棒的横截面为两头尖尖的流线型，所述超声波振动棒的流线型方向与高速流体喷头的流体喷射方向相同。

作为优选，所述超声波振动棒为两根或两根以上。

作为优选，所述罐体顶部设有驱动超声波振动棒的超声波发生器。

作为优选，所述罐体由罐身和盖体组成，所述罐身整体呈圆筒形，罐身的底部呈圆锥形，所述盖体呈圆弧形。

作为优选，所述盖体通过紧固螺栓与罐身的顶部固定连接。

作为优选，所述出料口处设有超声波反射装置，所述超声波反射装置由反射片、连接杆和固定杆组成，所述反射片的顶面为内凹的曲面，所述反射片位于罐体内，且与出料口之间留有间隙。

作为优选，所述连接杆固定于反射片的背面，所述连接杆通过固定杆固定于出料口内。

作为优选，所述内凹面的弧度大于罐身底部的锥度。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型罐体内设置多根超声频率不同的超声波振动棒，可通过双(多)频率超声波对冲驻波，使即便产生驻波，也可以通过不同频率的超声波所产生驻波的波峰和波谷不可能重叠的物理原理，对冲了一部分能量弱的区域，使能量分布密度更为均匀。

(2)本实用新型与静态超声波破壁和低流速超声波破壁技术相比较，高速运动的污泥颗粒运动可降低驻波能量死角影响。在从高速流体喷头喷出到跌落到底部的过程中，污泥颗粒与罐壁碰撞和颗粒之间的相互碰撞，不断和快速地改变轨迹，从而有效地规避了驻波能量死角的影响，实现更高效率的能量覆盖。

(3)污泥在罐体的两侧对称性地对冲喷射撞击和超声波的作用下，在破壁机罐体内部空间中成为分散的雾状颗粒密布在破壁机内部空间中，形成“三相共存”环境。三相物质中，气相不利于超声波的传递，液相分子团颗粒很小也不容易吸收能量，而更容易吸收能量的就是颗粒最大的固相物质，因此，这样的环境条件下，超声能量更能集中到需要破壁的污泥颗。

(4)而且本实用新型的射流对冲喷射较其他喷射工艺设计而言，射流对冲在颗粒碰撞时的相对速率是单边速率的2倍，通过2倍喷射速率的物理对撞，部分间隙水和结合水被分离，部分污泥颗粒在强烈对撞中实现破壁。同时，污泥经旋转喷射的被雾化后，再经过高速对撞，雾化效果更好，使污泥以更小的颗粒分布在罐体中。由于对称的冲击力相等，使罐体能获得力的相对平衡，增加设备稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的内部结构示意图；

图3为本实用新型的驻波分布示意图；

图4为本实用新型超声波振动棒的。

图中：1、罐体；11、罐身；12、盖体；2、高速流体喷头；3、超声波振动棒；4、超声波发生器；5、出料口；6、反射片；7、连接杆；8、固定杆。

具体实施方式

下面将对本实用新型作进一步说明。

实施例：一种市政污泥超声波对冲破壁机，参见图1、图2，包括罐体1，所述罐体1内设有多根的超声频率不同的超声波振动棒3，所述超声波振动棒3竖直设置于罐体1内，所述罐体1中部设有一对高速流体喷头2，所述高速流体喷头2对称且相对设置于罐体1上，所述超声波振动棒3设置于高速流体喷头2之间，所述罐体1底部设有出料口5。

本实用新型在罐体1内设置多根超声频率不同的超声波振动棒3，可通过双(多)频率超声波对冲驻波，采用不止一个频率的超声波同时工作的工艺，使即便产生驻波，也可以通过不同频率的超声波所产生驻波的波峰和波谷不可能重叠的物理原理，对冲了一部分能量弱的区域，使能量分布密度更为均匀。

本实用新型与静态超声波破壁和低流速超声波破壁技术相比较，高速运动的污泥颗粒运动可降低驻波能量死角影响。在从高速流体喷头2喷出到跌落到底部的过程中，污泥颗粒与罐壁碰撞和颗粒之间的相互碰撞，不断和快速地改变轨迹，从而有效地规避了驻波能量死角的影响，实现更高效率的能量覆盖，参见图3。

污泥在罐体1的两侧对称性地对冲喷射撞击和超声波的作用下，在破壁机罐体1内部空间中成为分散的雾状颗粒密布在破壁机内部空间中，形成“三相共存”环境，即固相(污泥颗粒和结合水)，液相(脱离的结合水及间隙水)，气相(空气和水蒸气)。三相物质中，气相不利于超声波的传递，液相分子团颗粒很小也不容易吸收能量，而更容易吸收能量的就是颗粒最大的固相物质，因此，这样的环境条件下，超声能量更能集中到需要破壁的污泥颗。

而且本实用新型的射流对冲喷射较其他喷射工艺设计而言，射流对冲在颗粒碰撞时的相对速率是单边速率的2倍，如果高压泵使单边喷射速率超过170m/s，则相对碰撞速率就超过音速340m/s，而这时单边喷射未超过音速并不会产生音爆现象，不会对设备产生影响，而且相对碰撞速率可趋近于2倍音速，使本实用新型的喷射撞击效果远高于单边喷射效果。通过2倍喷射速率的物理对撞，部分间隙水和结合水被分离，部分污泥颗粒在强烈对撞中实现破壁。同时，污泥经旋转喷射的被雾化后，再经过高速对撞，雾化效果更好，使污泥以更小的颗粒分布在罐体1中。由于对称的冲击力相等，使罐体1能获得力的相对平衡，增加设备稳定性。

工艺流程：市政污泥经前级处理后，得到含水量在75—99％之间呈流体状的污泥，经过高压泵输送到高速流体喷头2，进入本实用新型的超声波对冲破壁机内进行破壁处理，污泥通过高速流体喷头2在罐体1的两侧对称性地对冲喷射，在破壁机罐体1内部空间中对撞，在高速对撞的作用下，污泥成为分散的雾状颗粒密布在破壁机内部空间中，污泥颗粒分散在罐体1内部空间的时候，被安装在罐体1内部的超声波振动棒3发出的两种及两种以上不同波长的超声波同时作用，利用超声波的穿透性、温热效应及空化效应，达到对颗粒装的污泥进行破壁的目的，破壁后的污泥经过罐体1下端的管道流出进行后续污水处理。

所述超声波振动棒3为长条形，且超声波振动棒3的横截面为两头尖尖的流线型，如图4，两头尖尖的形状便于喷射的污泥从两侧分流，两侧的弧形曲线便于污泥绕过超声波振动棒3，与对向污泥之间产生碰撞，所述超声波振动棒3的流线型方向与高速流体喷头2的流体喷射方向相同，由于污泥射流速度快，撞击力强，因此特别将超声波振动棒3的横截面设计成流线型，使对冲的污泥射流可以顺流绕过而实现对冲，同时减少对超声波振动棒3本身的撞击力。所述超声波振动棒3采用金属材质，具有较好的抗冲击性。

所述超声波振动棒3为两根或两根以上，本实施例以两根超声波振动棒3为例，根据设备大小以及需要可增加超声波振动棒3的设置数量，所述罐体1顶部设有驱动超声波振动棒3的超声波发生器4，超声波发生器4使超声波振动棒3产生波长2cm以下、高速振动频率大于17KHz的超声波。

技术参数：

技术参数补充说明

1、频率选择

超声波选用采用频率为16-200kHz，在选择两组对冲互补的超声波频率时，如果一组选择了50kHz频率，则另一组可选择123kHz频率，两个频率的超声波长之间的关系不是整数倍关系，以增大不同频率超声波形成驻波后相互能量分布的对冲补偿能力。

2、超声波发生器的功率选择

超声波发生器的功率选择，与罐体的体积和污泥的流速相关，以罐体体积为12m³、污泥(含水量80％)流量为5T/h为例，为确保破壁效果，超声波在罐体中的声能密度应不低于0.1W/mL，则两组超声波发生器的功率和为24KW，即两组不同频率的超声波发生器功率分别为12KW和12KW。如果将流量提高到10T/h，则需要将两组超声波发生器的功率分别提高到24KW和24KW。

3、工作处理量

由于市政污水处理量巨大，本实用新型按照污泥(含水量80％)流量为5T/h为例，8小时工作日每天可处理40T，24小时可处理120T，能满足10万T级别污水处理厂每日所产生的剩余污泥。

本实用新型采用高速流体喷头2，污泥经过高压泵再经旋转高速流体喷头2形成高速射流，高速流体喷头2为大口径(通常在3mm以上)污泥、泥浆专用高速流体喷头2，可以避免堵塞。污泥高速射流为旋转、雾化的颗粒状态，两侧对称喷射在罐体1中高速对撞。

内壁平面的反射，更是增加了驻波的形成。以波长为10mm的超声波为例，空间上会形成半波长(即5mm)间隔的能量趋于零的作用点，使其能量分布犹如强弱点构成的网格，超声波工作时，造成大量需要破壁的污泥颗粒处于声波能量辐射较低、甚至为零的点，从而成为“漏网之鱼”，大幅度降低了超声波对污泥颗粒破壁的效率。

罐体1的形状对设备内的超声波环境影响很大，如果内壁为平面设计，它的反射容易使驻波的形成，本实用新型所述罐体1由罐身11和盖体12组成，所述罐身11整体呈圆筒形，大幅度减少了平面反射超声波的可能性，罐身11的底部呈圆锥形，所述盖体12呈圆弧形，所述盖体12通过紧固螺栓与罐身11的顶部固定连接。罐身11和盖体12的圆筒内壁形状不易形成平面反射减少了驻波产生，只有在出料口5处会有超声波会溢出，所以本实用新型在出料口5处设计了超声波反射装置，所述超声波反射装置由反射片6、连接杆7和固定杆8组成，所述反射片6的顶面为内凹的曲面，所述内凹面的弧度大于罐身11底部的锥度，由于需要进行污泥的排出，罐体1底部需要一定的锥度，超声波通过罐体1底部的锥度向超声波反射装置的反射片6汇集，并通过反射片6返回设备中部，因此避免了超声损耗，且其为曲面避免了平面反射而不易有驻波产生，同时避免了超声波从出料口5溢出，所述反射片6位于罐体1内，且与出料口5之间留有间隙，反射片6与出料口5之间的间隙用于破壁后的污泥排出。所述连接杆7固定于反射片6的背面，所述连接杆7通过固定杆8固定于出料口5内，实现了反射片6的安装固定。

本实用新型与现有技术相比较具有显著的进步，以热解破壁为例，将1T20℃的污泥加热至60℃，一般需要耗费电能11.6KWH(度)，经过两小时的时间持续加温保持60℃的温度，污泥破壁率约为85％，整个过程共需电能合计13.6KWH(度)，且时间超过两小时，运转周期较慢；再以直接将超声波振子放入污泥的方式为例，虽然其破壁效果比直接加热更好，但是，超声波的能量大多直接转化成热能，本质上是以热解破壁为主，实践数据表明，将1T20℃的污泥处理到破壁率85％，由于超声波比热泄露更多，但效率比热传递更好，因此，需要耗费1个小时以上时间和超过12KWH(度)电能的电能，虽然也比较耗能，但处理周期缩短。不过，由于其能耗依然较高，因此采用超声波直接将流体污泥破壁的实践案例较少。相比使用电能，通过燃烧天然气加热污泥进行热解甚至烘干的方式成本更低一些，单纯从热解的能耗成本角度讲，用天然气代替电力肯定是划算的。但是，一方面天然气管道架设难度较高，另一方面通过天然气燃烧的方式碳排放量较大也是问题，因此，目前主流的和提倡的污泥破壁脱水采取的是无热干化技术。

本实用新型在污泥、空气(含水蒸气)、水三相共存的空间里，以超声波发生器24KW规格为例，污泥输送泵功率为10KW，每小时处理5T，合计耗电能34KWH(度)，以污泥破壁率同样达到85％为标准，本实用新型破壁1T的电能消耗为6.8KWH(度)，远低于热解破壁和传统的超声波破壁技术，由于在流动中处理，其处理效率远高于热解和其他方法需要停留时间的工艺，设备的体积也更小、占用的空间也更少，且没有碳排放的问题。

以上对本实用新型所提供的一种市政污泥超声波对冲破壁机进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本实用新型的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种市政污泥超声波对冲破壁机，包括罐体，其特征在于：所述罐体内设有多根的超声频率不同的超声波振动棒，所述超声波振动棒竖直设置于罐体内，所述罐体中部设有一对高速流体喷头，所述高速流体喷头对称且相对设置于罐体上，所述超声波振动棒设置于高速流体喷头之间，所述罐体底部设有出料口。

2.根据权利要求1所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述超声波振动棒为长条形，且超声波振动棒的横截面为两头尖尖的流线型，所述超声波振动棒的流线型方向与高速流体喷头的流体喷射方向相同。

3.根据权利要求2所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述超声波振动棒为两根或两根以上。

4.根据权利要求2所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述罐体顶部设有驱动超声波振动棒的超声波发生器。

5.根据权利要求1所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述罐体由罐身和盖体组成，所述罐身整体呈圆筒形，罐身的底部呈圆锥形，所述盖体呈圆弧形。

6.根据权利要求5所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述盖体通过紧固螺栓与罐身的顶部固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述出料口处设有超声波反射装置，所述超声波反射装置由反射片、连接杆和固定杆组成，所述反射片的顶面为内凹的曲面，所述反射片位于罐体内，且与出料口之间留有间隙。

8.根据权利要求7所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述连接杆固定于反射片的背面，所述连接杆通过固定杆固定于出料口内。

9.根据权利要求1所述的一种市政污泥超声波对冲破壁机，其特征在于：所述超声波振动棒采用金属材质。

Images