超声波在钢厂沉淀池污泥中传输特性的研究

是钢铁企业污水处理过程中的一个关键环节 。目前好多企业及研 究人员把重点转移到超声波 的应用技术上来 ， 提 出超声波作为信号载体进行沉淀池 内各 项参数的监控测量。本文研究 了超声波在沉淀池污泥中的传输规律和衰减特性， 为超 声波检测技术在钢厂沉淀池 内的应用提供 了坚实有力的理论基础。
１ ． 转 炉 炼 钢 除 尘 废 水 处 理 技 术
水 的处 理 可 以产 生很 好 环 境 效 益 和 经 济 效 益 。
２ ． 超声波的理论基础 超 声波与其 它声波 在本质上是一致 的， 但 也有 自身的特点 。超声波 的
波长 比一般 的声波短 ， 具有较好 的方 向性 ， 能 穿透透 明的和不透明 的物质 ， 超 声波在沉淀池污泥 中是以纵波 的形式进行传播 。我们 在研究过程 中， 取
ｌ ｑ
式 中： ‘一质 点振动位移 ， Ｉ ｎ ； 一 液体的绝热体积弹性 系数，ｋ ｇ ／ ｍ 。
２ ） 超声波在沉淀池 中衰减特性研究 超声波衰减指的是超声波在通过媒质传播时 ， 声压 或声能随距离的增 加而渐渐减小 的现象 。 造 成衰减 的原因有三 点： 一、 超 声波声束 的扩散 ： 二、 介质 中的很小 的颗粒产生 的声波的散射现象 ； 三、 介质的吸收。 考虑 到粘滞 力与弹性力相 比很小 的情形 ， 从 而求 得粘滞吸收系数 的表 达式为 ：
我们 假设污泥一定且污泥 的密度 为 １ １ ０ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ｓ ，超声波在污泥 中的波
速 大约 为 １ ８ ５ ０ ｍ Ｊ ｓ 。
Ｐ ｏ
ａ ２ ￡ ～ａ 芒
，
荔
ａ ， 芒
从 曲线 图中可以看到随着超 声波频率 的增 加声吸收 系数 也会随 之增 加， 这样超 声波在传输过程 中能量损失越大 ， 传输能力也就越弱 。 超 声波信 号的频 率越大 ， 能量损 失也就越大从而传 输距 离就会越短 。而且这种现象 随着污泥粘度 的增加 变化趋 势越 明显。 ３ ） 污泥粘 度对声吸收系数的影 响
转炉除尘废水具有高硬度 、 高悬浮物 、 高ｐ Ｈ值等水质特 点。转炉除尘 废水 处理过程经过租颗 粒的预处理 然后去 除悬 浮物接着进行 水质稳定最 后进行污 泥脱水处理 四个 工艺共 同完成 ，不仅可 以回收 ９ ０ ％以上的水资
源， 同时还 能回收大量 的含铁污泥加 以烧结炼钢 。 由此可见 ， 对转炉 除尘废
ｏｃ ：
前面推导求得 的泥浆粘滞衰减系数 ，热传 导衰减系数 ａ ‘ 和散射衰 减系数 ａ ， 我们 便可 得知在超 声波 的传输过程 中的整体衰减系数 为 ：
＝
ｑ
＋０‘ ＜＋
＋ｏ Ｌ
！ ｆ 当 二 一墨ｐ ｌ Ｊ二 ２ １
缸 ｋ ｌ ２ ｐ ｌ ＋Ｐ ２
式中ｑ 。 为附加衰减系数， 一般情 况下可以忽略， 得 到：
科 学 研 究 超 声波在钢厂沉 淀池污泥 中传输特 性 的研究 稀 潆 涵
费冬妹 ， 安春燕 ， 冯
摘
彬， 戴
静
（ 华 北 理 工 大 学 迁 安 学 院 河 北 唐 山） 要： 钢铁行业是高耗水也 是产 生大量污水的行业 ， 沉淀池是钢 铁企业污水处理 中的一个 重要组成部分 ， 实时连续 的监测沉淀池 内各项工 业参数
一
个足够 小的体积元作 为研究对象 。 １ ） 超 声波 在沉淀池 污泥 中的波动规律 实 际钢厂沉 淀池 中的污泥存在很 多特殊性 ， 由于污泥本身属于不均匀
超声渡额牵 ０ 埘
图 １ 声吸 收系数与超声波频率 的关系 ２ ） 超声波频率对声吸收系数的影响
ａ ＝ ，
的多相流体 ， 有 固相 物质 ， 还有气 泡、 固体颗粒 等， 另外经 除尘流出 的转炉 污泥 中含有大量的 Ｔ Ｆ ｅ 、 Ｆ ｅ Ｏ等， 污泥含铁量达 ７ ０ ％左右 。 但 为了讨 论问题 简 单和数学方程推 导容易 ， 对 于污泥 类的非理 想介质仍做 一些假设 ： 沉淀 池 污泥 为粘性流体， 其粘度 为 ， 而且 是固态和液态二相混合流体 ； 流 体介 质是静 止的， 即初速 度为零 ； 流 体介质均匀 ， 密 度为 ｐ 。 ； 绝热过程 ， 不 随温 度 的变化而产生热交换； 小振幅声波， 各声学变量 是一 级微量 。 推导分析得到超声波非理想流体下关于位移 的波动方程 ：
ａｎ
污泥的粘度与声吸收系数成正比例关系。当污泥 的粘度越大随之声吸 收系数越高 ， 被吸收 的能量就越大 ， 也就是衰减掉的能量越多。同时观察不 同颜色 的曲线可 以看 出当超声波频 率越 大的 时候 声吸收衰减 系数随粘度
的变 化 更 快 更 明显 。
４ ） 污泥密度对声吸收系数 的影响
一
３ ． 超声波在沉淀池污泥中动态传输特性的研 究
１ ） 传输距离对超声波信号 的影 响 超 声波传输过程 中振幅 为 Ａ ，声波幅值与传输衰减系数和传输距 离 的关系为：
Ａ ＝ Ａｅ 一
４ ． 衰 减 平 均 因 子
式 中： ｄ ‘ 一热传导 引起的声吸收系数， ｍ ～； ｘ 一 热传导系数， ｗ ／ ｍ 。 ｃ； ｃ 一 定容 比热， ｋ Ｊ ／ ｋ ｇ ｏ ｃ ；ｃ 一 定压 比热 ， ｋ Ｊ ， ｋ ｇ 。 ｃ。 当散射方 向与声波方 向一致的时候。也就是散射方 向为 的时候 ， 即 ， 散射ｃ￣
等
理论计算及资料显示， 热传导的吸收系数 为：
ｚ （ ｒ －１ ） ｃ ｏ ￣
０ ‘ ＝
（
一
上）
２ ｐ ｏ Ｃ Ｐ ｃ
２ ｐ ｏ ｃ ｃ Ｃ Ｐ
随着污泥密度的增加接 收到的声幅值 会逐渐增大 ， 信 号的传 输能力变 强， 传输距离也会 增加 而且可 以看 出不 同粘度声吸收系数不 同， 泥浆粘度 越大 ， 声吸收系数随密度的变化越 快。