Technologie de traitement de l'eau par ultrasons

Technologie de traitement de l'eau par ultrasons

Ces dernières années, l’environnement écologique a fait l’objet d’une attention croissante. Par conséquent, dans le contexte actuel de contraintes de plus en plus sévères en matière d’environnement et de ressources, il est urgent et important de mieux les protéger. Le milieu aquatique est une composante cruciale de l’environnement écologique. L’incapacité à la protéger efficacement et à lutter efficacement contre la pollution de l’eau aura non seulement un impact direct sur la vie quotidienne des résidents, mais déclenchera également divers conflits et problèmes sociaux, entravant le développement humain.

La technologie de traitement de l’eau par ultrasons utilise la cavitation et les effets thermiques des ultrasons pour traiter en profondeur les ressources en eau. Il est simple à utiliser, respectueux de l'environnement et sans pollution, répondant aux besoins du développement durable. Cet article, commençant par les ultrasons et analysant les méthodes traditionnelles de traitement de l'eau, examine la contribution de la technologie de traitement de l'eau par ultrasons à la pollution de l'eau sous divers angles, notamment les types de masses d'eau, les méthodes d'application, les mécanismes et les facteurs d'influence, et offre des perspectives pour le développement futur du traitement de l'eau par ultrasons.

Les ondes ultrasonores sont généralement appelées ondes sonores ayant une fréquence de vibration comprise entre 20 kHz et 10 MHz, ainsi que les ondes élastiques générées dans un milieu. Actuellement, de nombreux chercheurs, tant au niveau national qu'international, explorent l'intégration des ultrasons au traitement de l'eau, dans l'espoir d'éliminer efficacement les polluants de l'eau. Les ultrasons peuvent agir sur les bactéries présentes dans les boues activées, améliorant ainsi l’efficacité de l’élimination des polluants en augmentant l’activité bactérienne. L'irradiation ultrasonique de faible intensité peut augmenter efficacement l'activité biologique des boues granulaires d'oxydation anaérobie de l'ammonium. Les ultrasons peuvent agir sur les polluants organiques présents dans l'eau, améliorant ainsi la composition et l'environnement des eaux usées et augmentant les taux de dégradation des eaux usées. Lorsque les ultrasons se propagent à travers un liquide, ils font vibrer les particules du milieu, accélérant les collisions moléculaires et les soumettant à des forces mécaniques plus importantes, éliminant ainsi la saleté ou la contamination fixée à la surface du milieu. De plus, les ultrasons peuvent agir sur les enzymes, augmentant leur activité et améliorant l’efficacité de l’élimination des polluants. Bien que les ultrasons puissent aider à éliminer les polluants organiques de l’eau, ils présentent également des limites, telles que la consommation d’énergie, une application limitée et des facteurs affectant l’efficacité du traitement des polluants. Par conséquent, comment améliorer l’efficacité de l’élimination des ultrasons, réduire la consommation d’énergie et étendre son application est devenu un sujet de recherche brûlant.

Types d'eau traitée par ultrasons

Les ultrasons peuvent être utilisés pour traiter une grande variété de types d'eau, notamment les eaux usées domestiques, les eaux usées industrielles, les eaux de surface, les eaux usées marines, les eaux usées inorganiques à haute teneur en ammoniac et en azote, les eaux usées de terres rares et les eaux usées domestiques à basse température. Les eaux usées domestiques sont particulièrement importantes pour la vie humaine. Les eaux usées domestiques font référence aux eaux rejetées par la vie quotidienne et les activités commerciales et industrielles, principalement des maisons, des écoles, des hôpitaux, des magasins, des lieux publics et des entreprises industrielles. Ces eaux usées contiennent une grande quantité de matières organiques et inorganiques, telles que des protéines, des glucides, des graisses, de l'urée et de l'azote ammoniacal, ainsi que des matières inorganiques telles que du limon et des débris. En outre, les eaux usées domestiques contiennent également un grand nombre de micro-organismes pathogènes et d’œufs de parasites. Ces polluants constituent une menace importante pour l’environnement et la santé humaine, nécessitant un traitement rapide. Dans certains cas, les ultrasons sont utilisés pour perturber la structure de la matière organique présente dans les eaux usées, favorisant ainsi la dégradation microbienne. De plus, les effets de cavitation et d’agitation des ultrasons facilitent la coagulation et la sédimentation des matières en suspension. Les eaux usées industrielles font référence aux eaux usées générées lors de la production industrielle, notamment l’eau de lavage, l’eau de refroidissement et l’eau utilisée pour le nettoyage des équipements et des sites.

Ces eaux usées contiennent des matières premières industrielles perdues, des produits intermédiaires, des sous-produits et des polluants générés au cours du processus de production. Les eaux usées industrielles présentent généralement des concentrations élevées de polluants et une composition complexe, ce qui présente des risques importants pour l'environnement et les écosystèmes. Cela nécessite un traitement spécialisé des eaux usées pour répondre aux normes avant leur rejet. Par exemple, un fabricant d’électronique utilise un équipement à ultrasons haute fréquence pour traiter les eaux usées. Les effets mécaniques et chimiques des ultrasons décomposent les structures moléculaires de la matière organique et du pétrole présents dans les eaux usées, les décomposant en molécules plus petites pour un traitement plus facile.

Applications de la technologie ultrasonique dans le traitement de l’eau

La technologie ultrasonique peut être utilisée seule ou en combinaison avec d’autres technologies de traitement de l’eau. Généralement, les ultrasons seuls sont inefficaces dans la dégradation des polluants et consomment beaucoup d’énergie. Les technologies combinées offrent une efficacité plus élevée et des coûts inférieurs, ce qui représente une direction de développement future prometteuse pour les applications ultrasoniques.

Technologie ultrasonique seule

1. Stérilisation et désinfection

La technologie ultrasonique peut amincir localement la surface de la membrane grâce à une cavitation en régime permanent, rendant les cellules plus perméables aux autres cellules pendant le processus d'empilement. Cela accélère l’échange de matières à travers la membrane cellulaire et favorise l’épuration des eaux usées. Ses objectifs de désinfection et de stérilisation sont principalement atteints en détruisant les parois cellulaires bactériennes, entraînant la mort bactérienne. La technologie ultrasonique peut également induire un effet de résonance chez les bactéries, améliorant encore son efficacité de stérilisation. Bien que la technologie ultrasonique soit très efficace pour stériliser et désinfecter l’eau potable, l’eau de piscine et les eaux usées des hôpitaux, l’effet de cavitation peut provoquer une réaction de l’azote et de l’oxygène dissous dans l’eau et produire des sous-produits inorganiques contenant de l’azote. Si les sous-produits sont rejetés directement dans l’environnement sans traitement, ils peuvent polluer les plans d’eau et même présenter des risques à long terme pour la santé humaine.

2. Biodégradation

La technologie ultrasonique est principalement utilisée dans les processus de prétraitement biologique, principalement pour réduire la toxicité des eaux usées et augmenter le rapport DBO5/DCO, favorisant ainsi leur biodégradabilité. Les micro-organismes sont les principaux agents du traitement biologique des eaux usées. Actuellement, la plupart des stations d’épuration utilisent encore des méthodes de traitement biologique traditionnelles pour traiter les matières organiques solubles et facilement dégradables. Cependant, l’efficacité du traitement biologique traditionnel est considérablement affectée par la qualité et la quantité des influents. L'efficacité du traitement est souvent médiocre lorsque la qualité et la quantité de l'influent fluctuent de manière significative, ou lorsqu'il contient des substances récalcitrantes. Les ultrasons de faible intensité améliorent souvent l'efficacité du traitement biologique grâce à des effets mécaniques, thermiques, de cavitation et de dommages. Les mécanismes par lesquels les ultrasons de faible intensité favorisent les réactions biologiques se manifestent principalement des manières suivantes : 1) Transfert de masse amélioré : augmentation de la perméabilité de la membrane cellulaire et facilitant le transport de substances vers et hors des cellules ; 2) Augmentation de l'activité enzymatique : amélioration de l'entrée des réactifs dans et de la sortie des produits des centres actifs enzymatiques, réduction de l'inhibition de l'activité enzymatique provoquée par l'accumulation de métabolites secondaires, augmentant ainsi l'activité enzymatique et favorisant les réactions catalysées par les enzymes ; 3) Croissance cellulaire accélérée : une fréquence, une intensité et une durée appropriées des ultrasons peuvent améliorer l’efficacité métabolique cellulaire globale et accélérer la croissance cellulaire.

3. Régénération favorisée du charbon actif

Les ultrasons peuvent favoriser la régénération du charbon actif grâce à la cavitation acoustique. Lorsque les ultrasons se propagent dans un liquide, ils génèrent des bulles de cavitation. L’effondrement instantané de ces bulles de cavitation produit d’intenses ondes de choc et microjets. Ces effets physiques favorisent la désorption des adsorbats des pores du charbon actif, améliorant ainsi l'efficacité de la régénération. Liu Cheng et coll. étudié l'efficacité et le mécanisme des ultrasons basse fréquence sur la régénération du charbon actif. Les résultats ont montré que les ultrasons à basse fréquence amélioraient l’indice d’adsorption du charbon actif et pouvaient également maintenir dans une certaine mesure la haute biodégradabilité du charbon actif biologique. Ils pensaient que les microjets et les flux de microliquides à haute température et haute pression générés par la rupture des bulles de cavitation au cours du processus ultrasonique favorisaient la régénération du charbon actif.