超音波水処理技術

超音波水処理技術

近年、エコロジー環境への注目が高まっています。したがって、環境と資源の制約がますます厳しくなっている現在の状況では、環境と資源をより適切に保護することが緊急かつ重要です。水環境は生態環境の重要な要素です。それを効果的に保護し、水質汚染に効果的に対処できなければ、住民の日常生活に直接影響を与えるだけでなく、さまざまな社会紛争や問題を引き起こし、人類の発展を妨げることになります。

超音波水処理技術は、超音波のキャビテーションと熱効果を利用して、水資源を深く処理します。操作が簡単で、環境に優しく、無公害であり、持続可能な開発のニーズを満たします。本稿では、超音波を起点に伝統的な水処理手法の分析を行い、水域の種類、適用方法、メカニズム、影響要因など、さまざまな観点から水質汚濁に対する超音波水処理技術の寄与を検討し、超音波水処理の今後の発展について展望を示します。

超音波とは、一般的に振動周波数が20kHz～10MHzの音波と媒質中で発生する弾性波を指します。現在、国内外の多くの研究者が、水から汚染物質を効果的に除去することを期待して、超音波と水処理の統合を研究しています。超音波は活性汚泥中の細菌に作用し、細菌の活動を増加させて汚染物質の除去効率を高めます。低強度の超音波照射は、嫌気性アンモニア酸化粒状汚泥の生物活性を効果的に高めることができます。超音波は水中の有機汚染物質に作用するため、廃水の組成と環境が改善され、廃水の分解速度が高まります。超音波が液体中を伝播すると、媒体内の粒子が振動し、分子の衝突が加速され、より大きな機械的力が加えられるため、媒体の表面に付着した汚れや汚染物が除去されます。さらに、超音波は酵素に作用して酵素の活性を高め、汚染物質の除去効率を向上させることができます。超音波は水から有機汚染物質を除去するのに役立ちますが、エネルギー消費、限られた用途、汚染物質の処理効率に影響を与える要因などの制限もあります。したがって、超音波除去効率を向上させ、エネルギー消費を削減し、その用途を拡大する方法が注目の研究テーマとなっています。

超音波処理される水の種類

超音波は、家庭下水、産業廃水、地表水、海洋廃水、高アンモニアおよび窒素の無機廃水、レアアース廃水、低温家庭廃水を含む、さまざまな種類の水の処理に使用できます。生活排水は特に人間の生活に関係しています。生活排水とは、主に家庭、学校、病院、店舗、公共の場所、企業からの日常生活や商業・産業活動から排出される水を指します。この下水には、たんぱく質、炭水化物、脂肪、尿素、アンモニア態窒素などの有機物や無機物と、シルトや瓦礫などの無機物が多量に含まれています。さらに、生活下水には病原微生物や寄生虫の卵も大量に含まれています。これらの汚染物質は環境と人間の健康に重大な脅威をもたらすため、迅速な治療が必要です。場合によっては、超音波を使用して下水中の有機物の構造を破壊し、微生物の分解を促進します。さらに、超音波のキャビテーションおよび撹拌効果は、懸濁物質の凝固および沈降を助けます。産業排水とは、洗浄水、冷却水、設備や現場の清掃に使用される水など、工業生産中に発生する廃水を指します。

この廃水には、生産過程で発生した失われた工業用原材料、中間製品、副産物、汚染物質が含まれています。産業廃水は通常、汚染物質の濃度が高く、組成が複雑で、環境や生態系に重大なリスクをもたらします。排出前に基準を満たすために特殊な廃水処理が必要です。たとえば、電子機器メーカーは廃水を処理するために高周波超音波装置を使用しています。超音波の機械的および化学的効果は、廃水中の有機物と油の分子構造を分解し、より小さな分子に分解して処理を容易にします。

水処理における超音波技術の応用

超音波技術は、単独で使用することも、他の水処理技術と組み合わせて使用​​することもできます。一般に、超音波だけでは汚染物質の分解効率が悪く、多くのエネルギーを消費します。テクノロジーを組み合わせることで、より高い効率とより低いコストが実現し、超音波アプリケーションの将来の有望な開発方向を表しています。

超音波技術単独

1. 滅菌・消毒

超音波技術は、定常状態のキャビテーションを通じて膜表面を局所的に薄くすることができ、積層プロセス中に細胞が他の細胞に対してより透過しやすくなります。これにより、細胞膜を介した物質交換が促進され、廃水の浄化が促進されます。その消毒と滅菌の目的は、主に細菌の細胞壁を破壊し、細菌を死滅させることによって達成されます。超音波技術は細菌に共鳴効果を誘発し、殺菌効果をさらに高めることもできます。超音波技術は、飲料水、プールの水、病院の廃水の滅菌と消毒に非常に効果的ですが、キャビテーション効果により、水中の溶存窒素と酸素が反応し、窒素を含む無機副産物が生成される可能性があります。副産物が処理されずに環境に直接排出されると、水域を汚染し、さらには人間の健康に長期的なリスクをもたらす可能性があります。

2.生分解

超音波技術は主に生物学的前処理プロセスで使用され、主に廃水の毒性を軽減し、BOD5/COD 比を高め、それによって廃水の生分解性を促進します。微生物は、廃水の生物学的処理における主要な因子です。現在、ほとんどの下水処理場では、可溶性で分解しやすい有機物を処理するために依然として伝統的な生物学的処理方法が使用されています。しかし、伝統的な生物学的処理の有効性は、流入水の質と量によって大きく影響されます。流入水の質や量が大きく変動したり、難治性の物質が含まれている場合には、治療効果が低下することがよくあります。低強度の超音波は、多くの場合、機械的、熱的、キャビテーション、損傷効果によって生物学的処理の効率を高めます。低強度の超音波が生物学的反応を促進するメカニズムは、主に以下の形で現れます。 1) 物質移動の強化: 細胞膜の透過性を高め、細胞の内外への物質の輸送を促進します。 ２）酵素活性の増加：酵素活性中心への反応物の出入りを促進し、二次代謝産物の蓄積によって引き起こされる酵素活性の阻害を軽減し、それによって酵素活性を増加させ、酵素触媒反応を促進する。 3) 細胞増殖の加速: 適切な超音波周波数、強度、持続時間により、全体的な細胞代謝効率が向上し、細胞増殖が加速されます。

3. 活性炭再生の促進

超音波は、音響キャビテーションを通じて活性炭の再生を促進します。超音波が液体中を伝播すると、キャビテーション気泡が発生します。これらのキャビテーション気泡が瞬間的に崩壊すると、強烈な衝撃波とマイクロジェットが発生します。これらの物理的効果により、活性炭細孔からの吸着物の脱着が促進され、再生効率が向上します。 Liu Chengら。活性炭再生における低周波超音波の有効性とメカニズムを研究しました。その結果、低周波超音波により活性炭の吸着指数が向上し、生物活性炭の高い生分解性もある程度維持できることがわかりました。彼らは、超音波プロセス中のキャビテーション気泡の破裂によって生成される高温高圧のマイクロジェットとマイクロ液体の流れが活性炭の再生を促進すると信じていました。