Tecnología de tratamiento de agua por ultrasonidos

Tecnología de tratamiento de agua por ultrasonidos

En los últimos años, el entorno ecológico ha recibido una atención cada vez mayor. Por lo tanto, en el contexto actual de limitaciones ambientales y de recursos cada vez más graves, protegerlo mejor es urgente e importante. El entorno acuático es un componente crucial del entorno ecológico. No protegerlo y abordar eficazmente la contaminación del agua no sólo afectará directamente la vida diaria de los residentes, sino que también desencadenará diversos conflictos y problemas sociales, lo que obstaculizará el desarrollo humano.

La tecnología de tratamiento de agua por ultrasonidos utiliza la cavitación y los efectos térmicos del ultrasonido para tratar en profundidad los recursos hídricos. Es fácil de operar, respetuoso con el medio ambiente y libre de contaminación, y satisface las necesidades del desarrollo sostenible. Este artículo, comenzando con el ultrasonido y analizando los métodos tradicionales de tratamiento de agua, revisa la contribución de la tecnología de tratamiento de agua por ultrasonidos a la contaminación del agua desde varias perspectivas, incluidos los tipos de masas de agua, los métodos de aplicación, los mecanismos y los factores que influyen, y ofrece perspectivas para el desarrollo futuro del tratamiento de agua por ultrasonidos.

Las ondas ultrasónicas generalmente se denominan ondas sonoras con una frecuencia de vibración entre 20 kHz y 10 MHz, así como ondas elásticas generadas en un medio. Actualmente, muchos investigadores, tanto a nivel nacional como internacional, están explorando la integración del ultrasonido con el tratamiento del agua, con la esperanza de eliminar eficazmente los contaminantes del agua. El ultrasonido puede actuar sobre las bacterias en los lodos activados, mejorando la eficiencia de eliminación de contaminantes al aumentar la actividad bacteriana. La irradiación ultrasónica de baja intensidad puede aumentar eficazmente la actividad biológica del lodo granular de oxidación de amonio anaeróbico. El ultrasonido puede actuar sobre los contaminantes orgánicos en el agua, mejorando así la composición y el medio ambiente de las aguas residuales y aumentando las tasas de degradación de las mismas. Cuando el ultrasonido se propaga a través del líquido, hace que las partículas del medio vibren, acelerando las colisiones moleculares y sometiéndolas a mayores fuerzas mecánicas, eliminando así la suciedad o la contaminación adherida a la superficie del medio. Además, los ultrasonidos pueden actuar sobre las enzimas, aumentando su actividad y mejorando la eficiencia de eliminación de contaminantes. Si bien el ultrasonido puede ayudar a eliminar los contaminantes orgánicos del agua, también tiene limitaciones, como el consumo de energía, la aplicación limitada y factores que afectan la eficiencia del tratamiento de contaminantes. Por lo tanto, cómo mejorar la eficiencia de la eliminación de ultrasonidos, reducir el consumo de energía y ampliar su aplicación se ha convertido en un tema candente de investigación.

Tipos de agua tratadas con ultrasonido

El ultrasonido se puede utilizar para tratar una amplia variedad de tipos de agua, incluidas aguas residuales domésticas, aguas residuales industriales, aguas superficiales, aguas residuales marinas, aguas residuales inorgánicas con alto contenido de amoníaco y nitrógeno, aguas residuales de tierras raras y aguas residuales domésticas de baja temperatura. Las aguas residuales domésticas son particularmente relevantes para la vida humana. Las aguas residuales domésticas se refieren al agua descargada de la vida diaria y de actividades comerciales e industriales, principalmente de hogares, escuelas, hospitales, tiendas, lugares públicos y empresas industriales. Estas aguas residuales contienen una gran cantidad de materia orgánica e inorgánica, como proteínas, carbohidratos, grasas, urea y nitrógeno amoniacal, y materia inorgánica como limo y escombros. Además, las aguas residuales domésticas también contienen una gran cantidad de microorganismos patógenos y huevos de parásitos. Estos contaminantes plantean una amenaza importante para el medio ambiente y la salud humana y requieren un tratamiento inmediato. En algunos casos, el ultrasonido se utiliza para alterar la estructura de la materia orgánica en las aguas residuales, promoviendo la degradación microbiana. Además, los efectos de cavitación y agitación del ultrasonido ayudan en la coagulación y sedimentación de sólidos suspendidos. Las aguas residuales industriales se refieren a las aguas residuales generadas durante la producción industrial, incluidas el agua de lavado, el agua de refrigeración y el agua utilizada para la limpieza de equipos y del sitio.

Estas aguas residuales contienen materias primas industriales perdidas, productos intermedios, subproductos y contaminantes generados durante el proceso productivo. Las aguas residuales industriales suelen tener altas concentraciones de contaminantes y una composición compleja, lo que plantea riesgos importantes para el medio ambiente y los ecosistemas. Requiere un tratamiento especializado de aguas residuales para cumplir con los estándares antes de su descarga. Por ejemplo, un fabricante de productos electrónicos utiliza equipos ultrasónicos de alta frecuencia para tratar aguas residuales. Los efectos mecánicos y químicos del ultrasonido descomponen las estructuras moleculares de la materia orgánica y el aceite en las aguas residuales, descomponiéndolas en moléculas más pequeñas para un tratamiento más fácil.

Aplicaciones de la tecnología ultrasónica en el tratamiento de agua

La tecnología ultrasónica se puede utilizar sola o en combinación con otras tecnologías de tratamiento de agua. Generalmente, el ultrasonido por sí solo es ineficiente en la degradación de contaminantes y consume mucha energía. Las tecnologías combinadas ofrecen mayor eficiencia y menores costos, lo que representa una prometedora dirección de desarrollo futuro para aplicaciones ultrasónicas.

Tecnología ultrasónica sola

1. Esterilización y Desinfección

La tecnología ultrasónica puede adelgazar localmente la superficie de la membrana mediante cavitación en estado estacionario, haciendo que las células sean más permeables a otras células durante el proceso de apilamiento. Esto acelera el intercambio de materiales a través de la membrana celular y promueve la purificación de las aguas residuales. Sus objetivos de desinfección y esterilización se logran principalmente mediante la destrucción de las paredes celulares bacterianas, lo que provoca la muerte bacteriana. La tecnología ultrasónica también puede inducir un efecto de resonancia en las bacterias, mejorando aún más su eficacia de esterilización. Si bien la tecnología ultrasónica es muy eficaz para esterilizar y desinfectar el agua potable, el agua de piscinas y las aguas residuales hospitalarias, el efecto de cavitación puede hacer que el nitrógeno y el oxígeno disueltos en el agua reaccionen y produzcan subproductos inorgánicos que contienen nitrógeno. Si los subproductos se vierten directamente al medio ambiente sin tratamiento, pueden contaminar los cuerpos de agua e incluso plantear riesgos a largo plazo para la salud humana.

2. Biodegradación

La tecnología ultrasónica se utiliza principalmente en procesos de pretratamiento biológico, principalmente para reducir la toxicidad de las aguas residuales y aumentar la relación DBO5/DQO, promoviendo así su biodegradabilidad. Los microorganismos son los agentes principales en el tratamiento biológico de aguas residuales. Actualmente, la mayoría de las plantas depuradoras de aguas residuales todavía utilizan métodos tradicionales de tratamiento biológico para tratar la materia orgánica soluble y fácilmente degradable. Sin embargo, la eficacia del tratamiento biológico tradicional se ve significativamente afectada por la calidad y cantidad del afluente. La eficacia del tratamiento suele ser deficiente cuando la calidad y cantidad del afluente fluctúan significativamente o cuando contiene sustancias recalcitrantes. El ultrasonido de baja intensidad a menudo mejora la eficiencia del tratamiento biológico a través de efectos mecánicos, térmicos, de cavitación y de daño. Los mecanismos por los cuales el ultrasonido de baja intensidad promueve reacciones biológicas se manifiestan principalmente de las siguientes maneras: 1) transferencia de masa mejorada: aumenta la permeabilidad de la membrana celular y facilita el transporte de sustancias dentro y fuera de las células; 2) Aumento de la actividad enzimática: mejora de la entrada de reactivos y la salida de productos de los centros activos enzimáticos, reduciendo la inhibición de la actividad enzimática causada por la acumulación de metabolitos secundarios, aumentando así la actividad enzimática y promoviendo reacciones catalizadas por enzimas; 3) Crecimiento celular acelerado: la frecuencia, intensidad y duración adecuadas del ultrasonido pueden mejorar la eficiencia metabólica celular general y acelerar el crecimiento celular.

3. Promoción de la regeneración con carbón activado

El ultrasonido puede promover la regeneración del carbón activado mediante cavitación acústica. Cuando el ultrasonido se propaga a través del líquido, genera burbujas de cavitación. El colapso instantáneo de estas burbujas de cavitación produce intensas ondas de choque y microchorros. Estos efectos físicos promueven la desorción de adsorbatos de los poros del carbón activado, mejorando así la eficiencia de la regeneración. Liu Cheng et al. Estudió la eficacia y el mecanismo del ultrasonido de baja frecuencia en la regeneración con carbón activado. Los resultados mostraron que los ultrasonidos de baja frecuencia mejoraron el índice de adsorción del carbón activado y también pudieron mantener la alta biodegradabilidad del carbón activado biológico hasta cierto punto. Creían que los microchorros de alta temperatura y alta presión y los flujos de microlíquidos generados por la ruptura de las burbujas de cavitación durante el proceso ultrasónico promovían la regeneración del carbón activado.