Tecnologia di trattamento dell'acqua ad ultrasuoni

Tecnologia di trattamento dell'acqua ad ultrasuoni

Negli ultimi anni, l’ambiente ecologico ha ricevuto una crescente attenzione. Pertanto, nell’attuale contesto di vincoli ambientali e di risorse sempre più severi, proteggerlo meglio è urgente e importante. L’ambiente acquatico è una componente cruciale dell’ambiente ecologico. La mancata protezione efficace e l’incapacità di affrontare efficacemente l’inquinamento idrico non solo avranno un impatto diretto sulla vita quotidiana dei residenti, ma scateneranno anche vari conflitti e problemi sociali, ostacolando lo sviluppo umano.

La tecnologia di trattamento dell'acqua ad ultrasuoni utilizza la cavitazione e gli effetti termici degli ultrasuoni per trattare in profondità le risorse idriche. È semplice da utilizzare, rispettoso dell'ambiente e privo di inquinamento, soddisfacendo le esigenze dello sviluppo sostenibile. Questo articolo, partendo dagli ultrasuoni e analizzando i metodi tradizionali di trattamento dell'acqua, esamina il contributo della tecnologia di trattamento dell'acqua ad ultrasuoni all'inquinamento dell'acqua da varie prospettive, inclusi tipi di corpi idrici, metodi di applicazione, meccanismi e fattori che influenzano, e offre prospettive per il futuro sviluppo del trattamento dell'acqua ad ultrasuoni.

Le onde ultrasoniche sono generalmente chiamate onde sonore con una frequenza di vibrazione compresa tra 20 kHz e 10 MHz, nonché onde elastiche generate in un mezzo. Attualmente molti ricercatori, sia a livello nazionale che internazionale, stanno esplorando l’integrazione degli ultrasuoni con il trattamento dell’acqua, sperando di rimuovere efficacemente gli inquinanti dall’acqua. Gli ultrasuoni possono agire sui batteri nei fanghi attivi, migliorando l'efficienza di rimozione degli inquinanti aumentando l'attività batterica. L'irradiazione ultrasonica a bassa intensità può aumentare efficacemente l'attività biologica dei fanghi granulari di ossidazione anaerobica dell'ammonio. Gli ultrasuoni possono agire sugli inquinanti organici presenti nell'acqua, migliorando così la composizione e l'ambiente delle acque reflue e aumentando i tassi di degradazione delle acque reflue. Quando gli ultrasuoni si propagano attraverso il liquido, fanno vibrare le particelle nel mezzo, accelerando le collisioni molecolari e sottoponendole a forze meccaniche maggiori, rimuovendo così lo sporco o la contaminazione attaccata alla superficie del mezzo. Inoltre, gli ultrasuoni possono agire sugli enzimi, aumentandone l’attività e migliorando l’efficienza di rimozione degli inquinanti. Sebbene gli ultrasuoni possano aiutare a rimuovere gli inquinanti organici dall’acqua, presentano anche dei limiti, come il consumo di energia, l’applicazione limitata e i fattori che influenzano l’efficienza del trattamento degli inquinanti. Pertanto, come migliorare l’efficienza della rimozione degli ultrasuoni, ridurre il consumo di energia ed espandere la sua applicazione è diventato un tema caldo di ricerca.

Tipi di acque trattate con ultrasuoni

Gli ultrasuoni possono essere utilizzati per trattare un'ampia varietà di tipi di acqua, tra cui liquami domestici, acque reflue industriali, acque superficiali, acque reflue marine, acque reflue inorganiche ad alto contenuto di ammoniaca e azoto, acque reflue di terre rare e acque reflue domestiche a bassa temperatura. Le acque reflue domestiche sono particolarmente rilevanti per la vita umana. Le acque reflue domestiche si riferiscono all'acqua scaricata dalla vita quotidiana e dalle attività commerciali e industriali, principalmente da case, scuole, ospedali, negozi, luoghi pubblici e imprese industriali. Questi liquami contengono una grande quantità di materia organica e inorganica, come proteine, carboidrati, grassi, urea e azoto ammoniacale, e materia inorganica come limo e detriti. Inoltre, le acque reflue domestiche contengono anche un gran numero di microrganismi patogeni e uova di parassiti. Questi inquinanti rappresentano una minaccia significativa per l’ambiente e la salute umana e richiedono un trattamento tempestivo. In alcuni casi, gli ultrasuoni vengono utilizzati per distruggere la struttura della materia organica nelle acque reflue, promuovendo la degradazione microbica. Inoltre, gli effetti di cavitazione e agitazione degli ultrasuoni aiutano nella coagulazione e nella sedimentazione dei solidi sospesi. Le acque reflue industriali si riferiscono alle acque reflue generate durante la produzione industriale, comprese l'acqua di lavaggio, l'acqua di raffreddamento e l'acqua utilizzata per la pulizia delle attrezzature e del sito.

Queste acque reflue contengono materie prime industriali perdute, prodotti intermedi, sottoprodotti e sostanze inquinanti generate durante il processo di produzione. Le acque reflue industriali presentano in genere elevate concentrazioni di inquinanti e una composizione complessa, che comportano rischi significativi per l’ambiente e gli ecosistemi. Richiede un trattamento specializzato delle acque reflue per soddisfare gli standard prima dello scarico. Ad esempio, un produttore di elettronica utilizza apparecchiature a ultrasuoni ad alta frequenza per trattare le acque reflue. Gli effetti meccanici e chimici degli ultrasuoni abbattono le strutture molecolari della materia organica e dell'olio nelle acque reflue, scomponendole in molecole più piccole per un trattamento più semplice.

Applicazioni della tecnologia ad ultrasuoni nel trattamento delle acque

La tecnologia ad ultrasuoni può essere utilizzata da sola o in combinazione con altre tecnologie di trattamento dell'acqua. In generale, gli ultrasuoni da soli sono inefficaci nella degradazione degli inquinanti e consumano molta energia. Le tecnologie combinate offrono maggiore efficienza e costi inferiori, rappresentando una promettente direzione di sviluppo futuro per le applicazioni a ultrasuoni.

Solo tecnologia ad ultrasuoni

1. Sterilizzazione e disinfezione

La tecnologia ad ultrasuoni può assottigliare localmente la superficie della membrana attraverso la cavitazione allo stato stazionario, rendendo le cellule più permeabili ad altre cellule durante il processo di impilamento. Ciò accelera lo scambio di materiale attraverso la membrana cellulare e promuove la purificazione delle acque reflue. I suoi obiettivi di disinfezione e sterilizzazione vengono raggiunti principalmente distruggendo le pareti cellulari batteriche, portando alla morte batterica. La tecnologia ad ultrasuoni può anche indurre un effetto di risonanza nei batteri, migliorando ulteriormente la sua efficacia di sterilizzazione. Sebbene la tecnologia a ultrasuoni sia altamente efficace nella sterilizzazione e disinfezione dell'acqua potabile, dell'acqua delle piscine e delle acque reflue ospedaliere, l'effetto di cavitazione può far reagire l'azoto e l'ossigeno disciolti nell'acqua e produrre sottoprodotti contenenti azoto inorganico. Se i sottoprodotti vengono scaricati direttamente nell’ambiente senza trattamento, possono inquinare i corpi idrici e persino comportare rischi a lungo termine per la salute umana.

2. Biodegradazione

La tecnologia ad ultrasuoni viene utilizzata principalmente nei processi di pretrattamento biologico, principalmente per ridurre la tossicità delle acque reflue e aumentare il rapporto BOD5/COD, promuovendone così la biodegradabilità. I microrganismi sono gli agenti primari nel trattamento biologico delle acque reflue. Attualmente, la maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue utilizza ancora metodi tradizionali di trattamento biologico per trattare la materia organica solubile e facilmente degradabile. Tuttavia, l’efficacia del trattamento biologico tradizionale è significativamente influenzata dalla qualità e dalla quantità degli affluenti. L'efficacia del trattamento è spesso scarsa quando la qualità e la quantità degli affluenti fluttuano in modo significativo o quando contengono sostanze recalcitranti. Gli ultrasuoni a bassa intensità spesso migliorano l’efficienza del trattamento biologico attraverso effetti meccanici, termici, di cavitazione e di danno. I meccanismi attraverso i quali gli ultrasuoni a bassa intensità promuovono le reazioni biologiche si manifestano principalmente nei seguenti modi: 1) Maggiore trasferimento di massa: aumento della permeabilità della membrana cellulare e facilitazione del trasporto di sostanze dentro e fuori le cellule; 2) Aumento dell'attività enzimatica: potenziamento dell'ingresso dei reagenti e dell'uscita dei prodotti dai centri attivi dell'enzima, riducendo l'inibizione dell'attività enzimatica causata dall'accumulo di metaboliti secondari, aumentando così l'attività enzimatica e promuovendo reazioni catalizzate da enzimi; 3) Crescita cellulare accelerata: frequenza, intensità e durata degli ultrasuoni adeguate possono migliorare l'efficienza metabolica cellulare complessiva e accelerare la crescita cellulare.

3. Promozione della rigenerazione del carbone attivo

Gli ultrasuoni possono favorire la rigenerazione del carbone attivo attraverso la cavitazione acustica. Quando gli ultrasuoni si propagano attraverso il liquido, generano bolle di cavitazione. Il collasso istantaneo di queste bolle di cavitazione produce intense onde d'urto e microgetti. Questi effetti fisici promuovono il desorbimento degli adsorbati dai pori del carbone attivo, migliorando così l'efficienza della rigenerazione. Liu Cheng et al. ha studiato l'efficacia e il meccanismo degli ultrasuoni a bassa frequenza sulla rigenerazione del carbone attivo. I risultati hanno mostrato che gli ultrasuoni a bassa frequenza hanno migliorato l’indice di assorbimento del carbone attivo e potrebbero anche mantenere in una certa misura l’elevata biodegradabilità del carbone attivo biologico. Credevano che l'alta temperatura, i microgetti ad alta pressione e i flussi di microliquidi generati dalla rottura delle bolle di cavitazione durante il processo ad ultrasuoni promuovessero la rigenerazione del carbone attivo.