Ultrazvuková technologie úpravy vody

Ultrazvuková technologie úpravy vody

Ekologickému prostředí se v posledních letech věnuje stále větší pozornost. V současném kontextu stále závažnějších omezení v oblasti životního prostředí a zdrojů je proto naléhavá a důležitá její lepší ochrana. Vodní prostředí je zásadní složkou ekologického prostředí. Neúčinná její ochrana a účinné řešení znečištění vody nejenže přímo ovlivní každodenní život obyvatel, ale také vyvolá různé sociální konflikty a problémy, které brání lidskému rozvoji.

Ultrazvuková technologie úpravy vody využívá kavitační a tepelné účinky ultrazvuku k hloubkové úpravě vodních zdrojů. Snadno se obsluhuje, je šetrný k životnímu prostředí a neznečišťuje, čímž splňuje potřeby udržitelného rozvoje. Tento článek, počínaje ultrazvukem a analýzou tradičních metod úpravy vody, shrnuje příspěvek technologie ultrazvukové úpravy vody ke znečištění vody z různých hledisek, včetně typů vodních útvarů, aplikačních metod, mechanismů a ovlivňujících faktorů, a nabízí vyhlídky pro budoucí vývoj ultrazvukové úpravy vody.

Ultrazvukové vlny jsou obecně označovány jako zvukové vlny s vibrační frekvencí mezi 20 kHz a 10 MHz, stejně jako elastické vlny generované v médiu. V současné době mnoho výzkumníků, jak v tuzemsku, tak v zahraničí, zkoumá integraci ultrazvuku s úpravou vody v naději, že účinně odstraní znečišťující látky z vody. Ultrazvuk může působit na bakterie v aktivovaném kalu, čímž zvyšuje účinnost odstraňování znečišťujících látek zvýšením bakteriální aktivity. Ultrazvukové ozařování s nízkou intenzitou může účinně zvýšit biologickou aktivitu granulovaného kalu anaerobní oxidace amonia. Ultrazvuk může působit na organické znečišťující látky ve vodě, čímž zlepšuje složení a prostředí odpadních vod a zvyšuje rychlost degradace odpadních vod. Když se ultrazvuk šíří kapalinou, způsobuje vibraci částic v médiu, urychluje molekulární srážky a vystavuje je větším mechanickým silám, čímž odstraňuje nečistoty nebo kontaminaci přichycenou na povrchu média. Kromě toho může ultrazvuk působit na enzymy, zvyšovat jejich aktivitu a zlepšovat účinnost odstraňování škodlivin. Zatímco ultrazvuk může pomoci odstranit organické znečišťující látky z vody, má také omezení, jako je spotřeba energie, omezené použití a faktory ovlivňující účinnost čištění znečišťujících látek. Jak zlepšit účinnost odstraňování ultrazvuku, snížit spotřebu energie a rozšířit jeho aplikaci se proto stalo horkým tématem výzkumu.

Druhy vody ošetřené ultrazvukem

Ultrazvuk lze použít k čištění široké škály typů vod, včetně domovních odpadních vod, průmyslových odpadních vod, povrchových vod, mořských odpadních vod, anorganických odpadních vod s vysokým obsahem amoniaku a dusíku, odpadních vod vzácných zemin a nízkoteplotních domovních odpadních vod. Domovní odpadní voda je zvláště důležitá pro lidský život. Domovní odpadní voda se vztahuje na vodu vypouštěnou z každodenního života a komerčních a průmyslových činností, především z domácností, škol, nemocnic, obchodů, veřejných míst a průmyslových podniků. Tyto odpadní vody obsahují velké množství organických a anorganických látek, jako jsou bílkoviny, uhlohydráty, tuky, močovina a amoniakální dusík, a anorganické látky, jako jsou bahno a nečistoty. Kromě toho domovní odpadní voda obsahuje také velké množství patogenních mikroorganismů a vajíček parazitů. Tyto znečišťující látky představují významnou hrozbu pro životní prostředí a lidské zdraví a vyžadují okamžitou léčbu. V některých případech se ultrazvuk používá k narušení struktury organické hmoty v odpadních vodách, což podporuje mikrobiální degradaci. Dále kavitační a míchací účinky ultrazvuku napomáhají koagulaci a sedimentaci nerozpuštěných látek. Průmyslové odpadní vody se týkají odpadních vod vznikajících během průmyslové výroby, včetně mycí vody, chladicí vody a vody používané pro čištění zařízení a staveniště.

Tato odpadní voda obsahuje ztracené průmyslové suroviny, meziprodukty, vedlejší produkty a znečišťující látky vznikající během výrobního procesu. Průmyslové odpadní vody mají obvykle vysoké koncentrace znečišťujících látek a složité složení, což představuje významné riziko pro životní prostředí a ekosystémy. Před vypuštěním vyžaduje specializované čištění odpadních vod, aby byly splněny normy. Například výrobce elektroniky používá k čištění odpadních vod vysokofrekvenční ultrazvukové zařízení. Mechanické a chemické účinky ultrazvuku rozkládají molekulární struktury organické hmoty a oleje v odpadní vodě a rozkládají je na menší molekuly pro snazší zpracování.

Aplikace ultrazvukové technologie při úpravě vody

Ultrazvukovou technologii lze použít samostatně nebo v kombinaci s jinými technologiemi úpravy vody. Obecně platí, že samotný ultrazvuk je při degradaci znečišťujících látek neúčinný a spotřebovává mnoho energie. Kombinované technologie nabízejí vyšší účinnost a nižší náklady, což představuje slibný budoucí směr vývoje pro ultrazvukové aplikace.

Samotná ultrazvuková technologie

1. Sterilizace a dezinfekce

Ultrazvuková technologie může lokálně ztenčit povrch membrány prostřednictvím kavitace v ustáleném stavu, díky čemuž jsou buňky během procesu stohování propustnější pro jiné buňky. To urychluje výměnu materiálu přes buněčnou membránu a podporuje čištění odpadních vod. Jeho cílů dezinfekce a sterilizace je primárně dosaženo ničením bakteriálních buněčných stěn, což vede k bakteriální smrti. Ultrazvuková technologie může také vyvolat rezonanční efekt u bakterií, což dále zvyšuje jejich sterilizační účinnost. Zatímco ultrazvuková technologie je vysoce účinná při sterilizaci a dezinfekci pitné vody, vody v bazénech a nemocniční odpadní vody, kavitační efekt může způsobit reakci rozpuštěného dusíku a kyslíku ve vodě a produkci vedlejších produktů obsahujících anorganický dusík. Pokud jsou vedlejší produkty vypouštěny přímo do životního prostředí bez úpravy, mohou znečišťovat vodní útvary a dokonce představovat dlouhodobá rizika pro lidské zdraví.

2. Biodegradace

Ultrazvuková technologie se primárně používá v procesech biologické předúpravy, především ke snížení toxicity odpadních vod a zvýšení poměru BSK5/CHSK, čímž se podporuje její biologická rozložitelnost. Mikroorganismy jsou primárními činiteli biologického čištění odpadních vod. V současné době většina čistíren odpadních vod stále používá tradiční biologické metody čištění k úpravě rozpustné, snadno rozložitelné organické hmoty. Účinnost tradiční biologické léčby je však významně ovlivněna přílivem kvality a kvantity. Účinnost léčby je často špatná, když kvalita a kvantita přítoku výrazně kolísá, nebo když obsahuje vzdorující látky. Ultrazvuk s nízkou intenzitou často zvyšuje účinnost biologického čištění prostřednictvím mechanických, tepelných, kavitačních a poškození. Mechanismy, kterými nízkointenzivní ultrazvuk podporuje biologické reakce, se projevují především těmito způsoby: 1) Zvýšený přenos hmoty: zvýšení permeability buněčné membrány a usnadnění transportu látek do buněk az buněk; 2) Zvýšená aktivita enzymu: posílení vstupu reaktantů do a výstupu produktů z aktivních center enzymů, snížení inhibice enzymové aktivity způsobené akumulací sekundárních metabolitů, čímž se zvýší aktivita enzymu a podpoří se reakce katalyzované enzymem; 3) Zrychlený růst buněk: Vhodná frekvence, intenzita a trvání ultrazvuku může zvýšit celkovou účinnost buněčného metabolismu a urychlit růst buněk.

3. Podporovaná regenerace aktivního uhlí

Ultrazvuk může podpořit regeneraci aktivního uhlí prostřednictvím akustické kavitace. Když se ultrazvuk šíří kapalinou, vytváří kavitační bubliny. Okamžitý kolaps těchto kavitačních bublin vytváří intenzivní rázové vlny a mikrotrysky. Tyto fyzikální účinky podporují desorpci adsorbátů z pórů aktivního uhlí, čímž zlepšují účinnost regenerace. Liu Cheng a kol. studovali účinnost a mechanismus nízkofrekvenčního ultrazvuku na regeneraci aktivního uhlí. Výsledky ukázaly, že nízkofrekvenční ultrazvuk zlepšil adsorpční index aktivního uhlí a mohl také do určité míry zachovat vysokou biologickou rozložitelnost biologického aktivního uhlí. Věřili, že vysoká teplota, vysokotlaké mikrotrysky a toky mikrokapaliny generované prasknutím kavitačních bublin během ultrazvukového procesu podporují regeneraci aktivního uhlí.