تكنولوجيا معالجة المياه بالموجات فوق الصوتية

تكنولوجيا معالجة المياه بالموجات فوق الصوتية

في السنوات الأخيرة، حظيت البيئة البيئية باهتمام متزايد. ولذلك، وفي السياق الحالي الذي يتسم بالقيود البيئية وقيود الموارد المتزايدة الشدة، فإن توفير حماية أفضل لها أمر ملح وذو أهمية. تعتبر البيئة المائية عنصرا حاسما في البيئة الايكولوجية. إن الفشل في حمايتها بشكل فعال ومعالجة تلوث المياه بشكل فعال لن يؤثر بشكل مباشر على الحياة اليومية للسكان فحسب، بل سيؤدي أيضًا إلى صراعات ومشاكل اجتماعية مختلفة، مما يعيق التنمية البشرية.

تستخدم تقنية معالجة المياه بالموجات فوق الصوتية التجويف والتأثيرات الحرارية للموجات فوق الصوتية لمعالجة موارد المياه بعمق. إنها سهلة التشغيل، وصديقة للبيئة، وخالية من التلوث، وتلبي احتياجات التنمية المستدامة. تستعرض هذه المقالة، بدءًا من الموجات فوق الصوتية وتحليل طرق معالجة المياه التقليدية، مساهمة تكنولوجيا معالجة المياه بالموجات فوق الصوتية في تلوث المياه من وجهات نظر مختلفة، بما في ذلك أنواع المسطحات المائية وطرق التطبيق والآليات والعوامل المؤثرة، وتقدم آفاق التطوير المستقبلي لمعالجة المياه بالموجات فوق الصوتية.

يُشار إلى الموجات فوق الصوتية عمومًا على أنها موجات صوتية ذات تردد اهتزاز يتراوح بين 20 كيلو هرتز و10 ميجا هرتز، بالإضافة إلى الموجات المرنة المتولدة في وسط ما. حاليًا، يستكشف العديد من الباحثين، محليًا ودوليًا، دمج الموجات فوق الصوتية مع معالجة المياه، على أمل إزالة الملوثات من المياه بشكل فعال. يمكن أن تعمل الموجات فوق الصوتية على البكتيريا الموجودة في الحمأة المنشطة، مما يعزز كفاءة إزالة الملوثات عن طريق زيادة النشاط البكتيري. يمكن للإشعاع بالموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة أن يزيد بشكل فعال من النشاط البيولوجي للحمأة الحبيبية لأكسدة الأمونيوم اللاهوائية. يمكن أن تعمل الموجات فوق الصوتية على الملوثات العضوية في الماء، وبالتالي تحسين تكوين وبيئة مياه الصرف الصحي وزيادة معدلات تدهور مياه الصرف الصحي. عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية عبر السائل، فإنها تتسبب في اهتزاز الجزيئات الموجودة في الوسط، مما يؤدي إلى تسريع تصادمات الجزيئات وإخضاعها لقوى ميكانيكية أكبر، وبالتالي إزالة الأوساخ أو التلوث الملتصق بسطح الوسط. علاوة على ذلك، يمكن أن تعمل الموجات فوق الصوتية على الإنزيمات، مما يزيد من نشاطها ويحسن كفاءة إزالة الملوثات. في حين أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تساعد في إزالة الملوثات العضوية من المياه، إلا أن لها أيضًا قيودًا، مثل استهلاك الطاقة، والتطبيق المحدود، والعوامل التي تؤثر على كفاءة معالجة الملوثات. لذلك، أصبحت كيفية تحسين كفاءة إزالة الموجات فوق الصوتية، وتقليل استهلاك الطاقة، وتوسيع نطاق تطبيقها موضوعًا ساخنًا للبحث.

أنواع المياه المعالجة بالموجات فوق الصوتية

يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لمعالجة مجموعة واسعة من أنواع المياه، بما في ذلك مياه الصرف الصحي المنزلية، ومياه الصرف الصناعي، والمياه السطحية، ومياه الصرف الصحي البحرية، ومياه الصرف الصحي غير العضوية عالية الأمونيا والنيتروجين، ومياه الصرف الصحي الأرضية النادرة، ومياه الصرف الصحي المنزلية ذات درجة الحرارة المنخفضة. مياه الصرف الصحي المنزلية ذات أهمية خاصة لحياة الإنسان. تشير مياه الصرف الصحي المنزلية إلى المياه التي يتم تصريفها من الحياة اليومية والأنشطة التجارية والصناعية، وخاصة من المنازل والمدارس والمستشفيات والمحلات التجارية والأماكن العامة والمؤسسات الصناعية. وتحتوي هذه الصرف الصحي على كمية كبيرة من المواد العضوية وغير العضوية، مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون واليوريا ونيتروجين الأمونيا، ومواد غير عضوية مثل الطمي والحطام. علاوة على ذلك، تحتوي مياه الصرف الصحي المنزلية أيضًا على عدد كبير من الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض وبيض الطفيليات. تشكل هذه الملوثات تهديدًا كبيرًا للبيئة وصحة الإنسان، مما يستلزم العلاج الفوري. في بعض الحالات، يتم استخدام الموجات فوق الصوتية لتعطيل بنية المادة العضوية في مياه الصرف الصحي، مما يعزز التحلل الميكروبي. علاوة على ذلك، فإن تأثيرات التجويف والإثارة للموجات فوق الصوتية تساعد في تخثر وترسيب المواد الصلبة العالقة. تشير مياه الصرف الصناعي إلى مياه الصرف الصحي الناتجة أثناء الإنتاج الصناعي، بما في ذلك مياه الغسيل، ومياه التبريد، والمياه المستخدمة في تنظيف المعدات والمواقع.

تحتوي هذه المياه العادمة على المواد الخام الصناعية المفقودة والمنتجات الوسيطة والمنتجات الثانوية والملوثات الناتجة أثناء عملية الإنتاج. تحتوي مياه الصرف الصناعي عادة على تركيزات عالية من الملوثات وتركيبة معقدة، مما يشكل مخاطر كبيرة على البيئة والنظم البيئية. ويتطلب معالجة مياه الصرف الصحي المتخصصة لتلبية المعايير قبل التصريف. على سبيل المثال، تستخدم إحدى الشركات المصنعة للإلكترونيات معدات الموجات فوق الصوتية عالية التردد لمعالجة مياه الصرف الصحي. تعمل التأثيرات الميكانيكية والكيميائية للموجات فوق الصوتية على تكسير الهياكل الجزيئية للمواد العضوية والزيوت الموجودة في مياه الصرف الصحي، وتقسيمها إلى جزيئات أصغر لتسهيل معالجتها.

تطبيقات تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية في معالجة المياه

يمكن استخدام تقنية الموجات فوق الصوتية بمفردها أو بالاشتراك مع تقنيات معالجة المياه الأخرى. بشكل عام، الموجات فوق الصوتية وحدها غير فعالة في تحلل الملوثات وتستهلك الكثير من الطاقة. توفر التقنيات المدمجة كفاءة أعلى وتكاليف أقل، مما يمثل اتجاه تطوير مستقبلي واعد لتطبيقات الموجات فوق الصوتية.

تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية وحدها

1. التعقيم والتطهير

يمكن لتقنية الموجات فوق الصوتية أن تخفف سطح الغشاء محليًا من خلال تجويف الحالة المستقرة، مما يجعل الخلايا أكثر نفاذية للخلايا الأخرى أثناء عملية التراص. وهذا يسرع تبادل المواد عبر غشاء الخلية ويعزز تنقية مياه الصرف الصحي. يتم تحقيق أهداف التطهير والتعقيم في المقام الأول عن طريق تدمير جدران الخلايا البكتيرية، مما يؤدي إلى موت البكتيريا. تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية يمكن أن تحفز أيضا تأثير الرنين في البكتيريا، مما يزيد من تعزيز فعالية التعقيم. في حين أن تقنية الموجات فوق الصوتية فعالة للغاية في تعقيم وتطهير مياه الشرب ومياه حمامات السباحة ومياه الصرف الصحي في المستشفيات، فإن تأثير التجويف يمكن أن يتسبب في تفاعل النيتروجين والأكسجين المذاب في الماء وإنتاج منتجات ثانوية غير عضوية تحتوي على النيتروجين. إذا تم تصريف المنتجات الثانوية مباشرة في البيئة دون معالجة، فإنها يمكن أن تلوث المسطحات المائية بل وتشكل مخاطر طويلة المدى على صحة الإنسان.

2. التحلل الحيوي

تُستخدم تقنية الموجات فوق الصوتية في المقام الأول في عمليات المعالجة البيولوجية، وذلك في المقام الأول لتقليل سمية مياه الصرف الصحي وزيادة نسبة BOD5/COD، وبالتالي تعزيز قابليتها للتحلل البيولوجي. الكائنات الحية الدقيقة هي العوامل الأساسية في المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي. في الوقت الحالي، لا تزال معظم محطات معالجة مياه الصرف الصحي تستخدم طرق المعالجة البيولوجية التقليدية لمعالجة المواد العضوية القابلة للذوبان والقابلة للتحلل بسهولة. ومع ذلك، فإن فعالية العلاج البيولوجي التقليدي تتأثر بشكل كبير بنوعية وكمية التأثير. غالبًا ما تكون فعالية العلاج ضعيفة عندما تتقلب جودة وكمية التأثير بشكل كبير، أو عندما يحتوي على مواد معاندة. غالبًا ما تعمل الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة على تعزيز كفاءة المعالجة البيولوجية من خلال التأثيرات الميكانيكية والحرارية والتجويف والأضرار. تتجلى الآليات التي تعمل بها الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة على تعزيز التفاعلات البيولوجية في المقام الأول بالطرق التالية: 1) تعزيز نقل الكتلة: زيادة نفاذية غشاء الخلية وتسهيل نقل المواد داخل وخارج الخلايا؛ 2) زيادة نشاط الإنزيم: تعزيز دخول المواد المتفاعلة إلى المراكز النشطة للإنزيم وخروج المنتجات منها، مما يقلل من تثبيط نشاط الإنزيم الناتج عن تراكم المستقلبات الثانوية، وبالتالي زيادة نشاط الإنزيم وتعزيز التفاعلات المحفزة بالإنزيم؛ 3) تسريع نمو الخلايا: يمكن أن يؤدي تردد الموجات فوق الصوتية المناسبة وكثافتها ومدتها إلى تعزيز كفاءة التمثيل الغذائي الخلوي بشكل عام وتسريع نمو الخلايا.

3. تعزيز تجديد الكربون المنشط

يمكن للموجات فوق الصوتية تعزيز تجديد الكربون المنشط من خلال التجويف الصوتي. عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية من خلال السائل، فإنه يولد فقاعات التجويف. ينتج عن الانهيار الفوري لفقاعات التجويف هذه موجات صدمية شديدة ونفاثات دقيقة. تعمل هذه التأثيرات الفيزيائية على تعزيز امتصاص المواد الممتزة من مسام الكربون المنشط، وبالتالي تحسين كفاءة التجديد. ليو تشنغ وآخرون. درس فعالية وآلية الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد على تجديد الكربون المنشط. أظهرت النتائج أن الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد تعمل على تحسين مؤشر امتصاص الكربون المنشط ويمكنها أيضًا الحفاظ على قابلية التحلل الحيوي العالية للكربون المنشط البيولوجي إلى حد ما. لقد اعتقدوا أن ارتفاع درجة الحرارة والضغط العالي والتدفقات الدقيقة وتدفقات السوائل الدقيقة الناتجة عن تمزق فقاعات التجويف أثناء عملية الموجات فوق الصوتية عززت تجديد الكربون المنشط.