污泥处理设备中超声波振动系统的研制

楼成淦 朱广峰 决洋洋 楼将波

（杭州瑞利超声科技有限公司，杭州，310023）

在环境工程领域中，污（废）水处理是现阶段的重要内容，目前生物法是最为普遍的废水处理技术，可分为活性污泥法和生物膜法两大类[1-4]。前者是目前国内外应用最为广泛的城市生活污水及生产废水处理技术，有机物经过生物降解转化后会减少，但同时会产生大量的剩余污泥。污泥对环境具有污染性，因此，减少污泥排放量即意味着保护土地资源，具有重要的现实意义。为此，欧洲发达国家的科技人员一直在寻找减少污泥排放量的新方法。

超声波作用于污泥介质时，会对污泥絮状结构与微生物细胞壁产生破坏。当超声波达到一定的强度时，微生物的细胞壁会被粉碎，细胞质和酶从细胞中溶出，当其作为催化剂和补充营养回流到生化系统时，会使生化系统的降解效率和降解度大大提高，更多的污染物将会被转化为水和二氧化碳，因此，使用超声波处理方法可使污泥排放量得到消减[5-6]。

1 污泥处理设备概况

超声污泥处理设备工作频率为20 kHz、连续功率5 kW或6 kW，反应釜污泥处理量45 L左右。浓缩池的剩余污泥由污泥泵提升至超声波污泥处理设备中，污泥流量计测定污泥流速，流速由闸阀和电磁阀调节。污泥由底部进口流入反应设备，经超声处理后的破碎污泥由上端出口流出，回流至进水口。设备照片见图1。

超声波振动系统是超声波污泥处理设备研制的一项关键技术。为了获得比较理想的污泥处理效果，需要超声波振动系统具有高效的声能转换效率、大功率和大振幅。在国外相关技术报告[7-9]的基础上，本文设计了两种类型的超声波振动系统，分别为单晶堆大功率超声波换能器与杠铃式工具头组合振动系统、双晶堆大功率超声波换能器与葫芦型工具头组合振动系统，两套系统各有特点。

图1 超声污泥处理设备

2 大功率超声波换能器设计

2.1 单晶堆

大功率超声换能器的作用，是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，它的好坏决定了系统的可靠性和稳定性。为了提高换能器的功率容量，有源驱动材料采用尺寸为Ф55×Ф20×6 mm，由6片PZT8陶瓷圆环组成单晶堆驱动模块。换能器主要由前盖板（前盖板+变幅杆）、陶瓷圆环、后盖板、螺帽和螺杆等五部分组成。为了提高换能器的使用寿命，前盖板材料采用钛合金，通过螺杆提供预应力，换能器结构如图2所示。

图2 单晶堆换能器结构

采用有限元软件ANSYS建立换能器的空气动力学模型，进行模态分析、谐响应分析和端面振幅[10-11]分析，结果见图3～5和表1。图5（a）中紫色曲线表示电纳，蓝色表示电导；图5（b）中蓝色曲线表示振动位移。后文图9、22、27中曲线意义同图5。

图3 换能器的纵振模态

图4 换能器的振动位移分布

图5 换能器空气中的导纳和端面振幅分布

表1 仿真与实测数据比对

在上述计算基础上，设计制作了换能器，实物照片见图6。用阻抗测试仪对换能器进行了测试，得到空气中换能器的阻抗数据，见图7。

图6 换能器实物

图7 换能器实测的导纳曲线

2.2 双晶堆

为了增加污泥处理量和提高换能器不同处理介质的适应性，我们设计了采用双晶堆的大功率超声波换能器，结构如图8所示。

图8 双晶堆换能器结构

有源驱动材料采用尺寸为Ф55×Ф20×6 mm的PZT8陶瓷。换能器由前盖板（前盖板+变幅杆）、陶瓷圆环、中质量块、后盖板、螺帽和螺杆等六部分组成。为了提高换能器的使用寿命，前盖板材料采用钛合金，通过螺杆施加预应力。采用相同方法进行仿真设计，结果见图9～11和表2。

图9 换能器空气中的导纳和端面振幅分布

图10 换能器的纵振模态

图11 换能器的振动位移分布

表2 仿真与实测数据比对

在上述计算基础上，设计制作了换能器，实物照片见图12。采用阻抗测试仪对换能器进行了测试，得到空气中换能器的阻抗数据如图13所示。

图12 换能器实物

图13 换能器实测导纳曲线

将试验与理论计算结果进行比较，谐振频率两者基本吻合，电导值实测比理论计算结果大，原因应是ANSYS理论模型设置的阻尼系数与实际存在差异。

3 工具头设计

3.1 杠铃式

超声换能器的振动能量通过工具头的耦合向液体中辐射，声能的计算公式为

式中，ρ、c是被处理介质的密度和声速，ω是角频率，A和S是工具头的振幅和辐射面积。由上式可以看出，在特定的频率下，辐射声功率与工具头的振幅和辐射面积成正比，因此增加辐射声功率的方法有：提高工具头的振幅和增加工具头的辐射面积。工具头振幅的提高可以通过变幅杆振幅位移放大，辐射面积的增加可以通过扩大工具头的横向和纵向尺寸。

杠铃式工具头的优点是具有较大横向面积和振幅，且应力分布均匀，不存在应力集中点，抗疲劳特性比较好，最大振幅能达200 μm，能够满足工业化生产使用要求。设计中采用有限元软件和解析法对工具头的工作特性进行了分析，得到工具头的模态和位移分布，见图14～15，谐振频率为19.9 kHz。

图14 工具头振动模态

图15 工具头位移分布和应力分布

图16 杠铃式工具头实物

3.2 葫芦型

依据声辐射能量公式，为了提高辐射声功率，采用变幅杠与葫芦型工具头组合方式，这样既增加了工具头的辐射面积，又可以使工具头具有纵向辐射和由泊松效应引起的径向辐射，从而使换能器具有更好的声辐射性能。工具头的固定位置位于变幅杠的节点，整个工具头由一节变幅杠和4个λ/2的葫芦型结构组成，其中λ/2的两头为波峰和波谷，中间为波节。采用ANSYS软件建立工具头空气中的模型，进行模态分析，其纵振频率为20.16 kHz，工具头的振动模态和位移分布见图17～18。实物照片见图19。

图17 振动模态

图18 位移分布

图19 葫芦型工具头实物

4 组合一

将单晶堆换能器与杠铃式工具头组合在一起进行理论分析，计算振动系统的谐振频率、位移和导纳曲线等。用有限元软件建立振动系统的声学模型，计算得到相关的性能参数见图20～22，实测数据见图23，数据比对见表3。从图20～21中可以看出工具头前端振幅较大，组合系统的谐振频率实验与理论计算数据基本吻合。

图20 振动模态

图21 振动位移分布图

图22 换能器的导纳曲线

图23 换能器实际测量导纳曲线

表3 仿真与实测数据比对

图24 单晶堆换能器与杠铃式工具头组合

5 组合二

双晶堆大功率超声波换能器与葫芦型工具头组合振动系统的计算过程同组合一，得到相关的性能参数见图25～27，实测数据见图28，数据比对见表 4。从表中数据可知，试验与理论计算数据基本吻合。

图25 振动模态

图26 振动位移分布

图27 换能器的导纳曲线

图28 换能器实际测量导纳曲线

图29 双晶堆大功率超声波换能器与葫芦型工具头组合

表4 仿真与实测数据比对

6 结束语

本文研制的两型超声波振动系统已应用于超声波污泥处理设备。设备工作频率20 kHz，功率5 kW和6 kW，1套设备能满足日处理量2万方的污水系统。应用期间对污泥破碎效果、出水水质和污泥减量进行了分析和计算，污泥破碎率大约 2%，污泥减量27%左右。设备性能已达国内先进、接近国际先进水平。与国外设备存在一定差距的原因，分析后认为可能是超声波换能器结构件的加工精度（平整度、垂直度和光泽度）不够，造成换能器振动传递损耗较大、机声转换效率低、容易引起局部应力集中和发热，造成陶瓷元件开裂和性能退化。设备后续改进需要进一步优化换能器加工工艺。