فن‌آوری آلتراسونیک در دفع پسماند حاصل از تصفیه فاضلاب خانگی
آب شیرین یکی از منابع اصلی تولید آب آشامیدنی است. با توجه به افزایش آلودگی‌های ناشی از حوادثی مانند سیل و خشک‌سالی و همچنین فعالیت‌های شهرنشینی، شرایط این منبع رو به وخامت است. به‌منظور تولید آب با کیفیت بالا از منابع بسیار آلوده، مواد شیمیایی در کارخانه‌های تصفیه معمول به آب اضافه می‌شوند. این عمل باعث ایجاد مشکلات بهداشتی جدی مانند تشکیل محصولات جانبی گندزدا (DBP) و افزایش مانده‌های منعقد کننده (به‌عنوان مثال آلومینیوم) در آب تصفیه شده می‌شود. ترکیب تکنیک‌های عاری از مواد شیمیایی با فرآیندهای معمولی می‌تواند یک راه‌حل بالقوه برای چنین مشکلاتی باشد. هنگام ارزیابی تکنیک‌های مختلف، به نظر می‌رسد فرایند آلتراسونیک یک انتخاب معقول برای بهبود عمل حذف آلاینده‌ها از آب سطحی باشد. در این مقاله مشکل آلودگی آب شیرین را بررسی کرده و به طور دقیق گزینه‌های عاری از مواد شیمیایی را برای تصفیه آب بررسی می‌کنیم. تمرکز این مقاله بر ارائه بحث‌های مهم و عمیق در مورد اصول، مکانیسم‌ها و راه‌کار فناوری آلتراسونیک برای استفاده در تصفیه آب است. توصیه‌هایی برای بهترین مکان و تنظیمات عملیاتی کاربرد آلتراسونیک در تصفیه آب معمولی بر اساس صرفه‌جویی در مصرف انرژی و معیار حداقل تأثیر بر پایین دست ارائه خواهد شد. و در ادامه به معرفی محصول جدید شرکت فراسنج ابزار یعنی دستگاه تصفیه پسماند فاضلاب با فن‌آوری آلتراسونیک و ذکر ویژگی‌ها و توانایی‌های آن خواهیم پرداخت.
چالش‌های موجود در تصفیه آب با روش‌های سنتی
آب عنصر اساسی سیستم‌های زنده است. آب حمل مواد مغذی و مواد زائد را در بدن موجودات زنده تسهیل می‌کند. آب‌های سطحی یکی از منابع مهم تولید آب آشامیدنی هستند. اخیراً، آب‌های سطحی به دلیل اثرات توسعه فعالیت‌های انسانی و تغییرات آب و هوایی که در شکل نشان داده شده است، به طور فزاینده‌ای توسط میکروارگانیسم‌ها، مواد آلی، و ذرات جامد آلوده شده‌اند. این افزایش غلظت آلاینده‌های سطحی آب منجر به افزایش در هزینه مربوط به تصفیه آب شده است. درنتیجه افزایش آلودگی، کیفیت آب تولیدی نیز رو به وخامت گذاشته است. طبق آمار سازمان بهداشت جهانی(WHO) پنج میلیون مورد مرگ در سال در سراسر جهان ناشی از آب آشامیدنی بی‌کیفیت است. این مشکلات باعث شده است که افزایش تصفیه آب‌های سطحی برای مقابله با افزایش سطح آلودگی، برای فعالیت‌های تحقیقاتی فعلی تبدیل به یک هدف شود.
از نظر فنی، عملکرد سیستم‌های تصفیه آب سطحی به کارایی فرآیندهای تصفیه در از بین بردن آلاینده‌ها بستگی دارد. سیستم‌های تصفیه آب سطحی معمولی از انعقاد / لخته سازی، تصفیه و ضدعفونی تشکیل شده‌اند. تعدادی از مشکلات عملیاتی و بهداشتی در فرآیند تصفیه آب‌های سطحی درنتیجه افزایش آلودگی ایجاد می‌شود. شایع‌ترین این مشکلات، سطح بالای مواد منعقد کننده خطرناک فلزی باقیمانده مانند آلومینیوم، رسوب واسطه‌های تصفیه و تشکیل مواد جانبی ضدعفونی‌کننده خطرناک (DBP) است.
فلزات باقیمانده می‌توانند مشکلات عملیاتی و بهداشتی ایجاد کنند. افزایش غلظت آلومینیوم در آب باعث افزایش کدورت شده که باعث ایجاد رسوب در فیلتراسیون تصفیه و تداخل در ماده گندزدا می‌شود. علاوه بر مشکلات فنی، آلومینیوم باقیمانده موجود در آب تصفیه شده می‌تواند باعث اختلالات عصب پاتولوژیک، بیماری‌های عصبی (به‌عنوان مثال آلزایمر) و بیماری‌های کلیوی شود.
رسوب واسط‌های جاذب یا فیلتراسیون یکی دیگر از چالش‌هایی است که معمولاً فرآیندهای تصفیه آب آشامیدنی با آن روبرو می‌شود. رسوب‌گذاری می‌تواند درنتیجه رسوب مواد مختلف مانند ذرات جامد، آلاینده‌های آلی، آلاینده‌های معدنی و میکروارگانیسم‌ها روی سطوح مختلف فیلتر ایجاد باشد. رسوب فیلترها باعث ایجاد هزینه اضافی و تأخیر در روند تصفیه و همچنین کاهش کیفیت آب تولید شده می‌شود. میکروارگانیسم‌های موجود در محیط تصفیه نه‌تنها به‌عنوان یک منبع پنهان پاتوژن‌ها عمل می‌کنند بلکه محصولات متابولیکی سمی را نیز در سیستم‌های تصفیه آب آزاد می‌کنند.
تشکیل DBPها نتیجه واکنش یک ماده ضدعفونی‌کننده (مانند کلر و ازن) با ماده‌ای آلی است. DBPها شامل طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی جهش‌زا و سرطان‌زا هستند که برای انسان و محیط زیست تهدید محسوب می‌شوند. دو کلاس شایع DBPها در آب آشامیدنی عبارت‌اند از: تری هالومتانها (THM) و اسیدهای هالواستیک (HAA). کل THMها مجموع چهار ترکیب است: کلروفرم، برمودیکلرومتان، دیبرموکلرومتان و برمفورم. HAAها شامل نه ترکیب است که مشتقات HAAها (به‌عنوان مثال ، مونو-، دی-، و تری هالواستتیک اسید) و ید و برم حاوی HAA را شامل می‌شود. شایع‌ترین HAAها اسید di و trihaloacetic هستند. مطالعات اپیدمیولوژیک و سم‌شناسی نشان داد که قرار گرفتن انسان در معرض آب کلردار حاوی DBPها ممکن است منجر به سرطان مثانه، وخیم شدن عملکرد کبد، سیستم کلیوی و عصبی و بیماری‌های مادرزادی شود. بنابراین حداکثر میزان آلودگی DBPها برای کشوهای مختلف در سراسر جهان تعیین شده است. به‌عنوان مثال حداکثر میزان آلودگی THM در استرالیا ۲۵۰ میکروگرم بر لیتر است، درحالی‌که حداکثر میزان آلودگی مونوکلرو استیک اسید (MCAA)، دی کلرواستیک اسید (DCAA) و تری کلرواستیک اسید (TCAA) به ترتیب برابر ۱۵۰، ۱۰۰و ۱۰۰ میکروگرم بر لیتر است.
روش‌های فیزیکی برای تصفیه آب آشامیدنی
تلاش‌های بسیاری به سمت به حداقل رساندن چالش‌های موجود در سیستم‌های تصفیه آب سطحی انجام شده است. بدیهی است که افزایش روزافزون آلودگی‌ها و مواد شیمیایی سنتی که برای تصفیه استفاده می‌شوند، دلایل اصلی این چالش‌ها است. ازاین‌رو، مقادیر مواد شیمیایی اضافه شده به آب باید بدون به خطر انداختن کیفیت آب تصفیه شده به حداقل برسد. برای این منظور، روش‌های تصفیه بدون مواد شیمیایی (روش‌های فیزیکی) در طرح‌های تصفیه آب سطحی استفاده می‌شود. در اینجا لازم به ذکر است که اینجا به آلودگی‌های آلی و میکروبی پرداخته‌ایم. ازاین‌رو، بحث در بخش‌های بعدی به جنبه‌های مربوط به حذف چنین آلودگی‌ها مرتبط می‌شود.
روش‌های متداول تصفیه فیزیکی شامل میدان پالس الکتریکی و تخلیه پلاسما، میدان مغناطیسی، کاویتاسیون هیدرودینامیکی، اشعه ماوراء بنفش (UV) و آلتراسونیک است. ترکیبی از روش‌های تصفیه فیزیکی مانند نور ماوراء بنفش و آلتراسونیک و تصفیه فیزیکی-شیمیایی مانند آلتراسونیک و کلرو دی اکسید، آلتراسونیک و ازن و در نهایت اشعه ماوراء بنفش و ازن نیز توصیه می‌شود.
آلودگی‌های ارگانیک
آلودگی آلی آب‌های سطحی طبیعی با وجود ماده آلی طبیعی (NOM) در منابع آب مشخص می‌شود. NOMها را می‌توان بر اساس اندازه به ذرات کربن آلی (POC) و کربن آلی محلول (DOC) طبقه‌بندی کرد. نسبت NOM که از فیلتر ۰٫۴۵ میکرومتر عبور می‌کند به‌عنوان DOC شناخته می‌شود، درحالی‌که کسر باقیمانده به‌عنوان POC شناخته می‌شود. حالت دوم فقط ۱۰٪ NOMها را تشکیل می‌دهد و به‌راحتی می‌توانید از آب خارج شوند. بنابراین، باید به بهبود حذف DOCها از آب طبیعی توجه شود.
آلودگی‌های میکروبی
گونه‌های مختلفی از میکروب‌ها در آب‌های سطحی وجود دارند. آلودگی میکروبی آب به طور معمول از طریق شاخص‌هایی مانند coliform و E.coli ارزیابی می‌شود. مکانیسم‌های حذف/غیر فعال‌سازی میکروبی با استفاده از روش‌های تصفیه فیزیکی مشابه با حذف NOMها است. عوامل به شدت اکسید کننده تولید شده، ساختار میکروب‌ها را ضعیف می‌کنند و مقاومت آن‌ها را در برابر شرایط محیطی اطراف تضعیف می‌کنند. آسیب ساختاری میکروبی مشابه می‌تواند با اثرات مکانیکی قوی مانند تلاطم‌های قدرتمند و موج‌های شوک ایجاد شود. به‌طورکلی تکنیک‌های ضدعفونی‌کننده اشعه ماوراء بنفش و الکتریسیته بر اثرات شیمیایی متکی هستند اما در تکنیک‌های آلتراسونیک و کاویتاسیون هیدرودینامیکی، اثرات مکانیکی نقش برجسته‌تری دارند.
تا آنجا که به بهره‌وری فرایند مربوط می‌شود، اشعه ماورای بنفش و تکنیک‌های الکتریکی، مضرات جهش‌زایی و عملکرد پایین در آب گل آلود را دارند. کاویتاسیون هیدرودینامیکی نیز دارای محدودیت‌هایی است. در مقابل، فناوری آلتراسونیک دارای مزایای سازگاری با محیط زیست و اجرای آسان و کنترل خوب است که در بخش‌های بعدی بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.
تکنولوژی آلتراسونیک
اصول عملکردی آلتراسونیک
آلتراسونیک یک موج طولی است که فرکانس آن بین ۱۶ کیلوهرتز تا ۵۰۰ مگاهرتز است. انتشار امواج آلتراسونیک از طریق آب باعث ایجاد چرخه متناوب فشار مثبت و منفی می‌شود. وقتی میزان فشار مافوق صوت از مقاومت کششی مایع بیشتر شود، حباب‌های حفره‌ای ایجاد می‌شوند. در طول چرخه منفی فشار اولتراسونیک حباب‌های حفره‌ای شکل گرفته و حباب‌های گازی موجود در مایع به اندازه‌ای بزرگ‌تر از اندازه اصلی آن‌ها رشد می‌کنند. برخی حباب‌ها به دلیل انتقال گاز در کنار پوسته حباب (انتشار rectified) یا پیوستن به حباب‌های دیگر به اندازه بسیار بزرگ رشد می‌کنند و در نهایت در سطح آب شناور می‌شوند. حباب‌های دیگر در طی چرخه مثبت موج آلتراسونیک منفجر می‌شوند. از نظر شدت انفجار، دو نوع حباب وجود دارد. حباب‌هایی با فروپاشی ملایم “حباب‌های پایدار” و حباب‌هایی با فروپاشی شدید “حباب‌های ترانزیت”. دو منبع برای حباب‌های تولید شده در آب مافوق صوت وجود دارد: گاز محلول در آب و گاز حبس شده در شکاف سطوح جامد. تشکیل حباب از گاز محلول معمولاً به‌عنوان کاویتاسیون همگن خوانده می‌شود، درحالی‌که تشکیل حباب روی مرز مشترک جامدات-مایعات به‌عنوان کاویتاسیون ناهمگن خوانده می‌شود.
مکانیزم‌های فیزیکی و شیمیایی حباب‌های ترانزیتی به دلیل اثرات قدرتمند حاصل از فروپاشی چنین حباب‌هایی از منظر تصفیه آب مورد توجه هستند. این تأثیرات با تولید مناطق موضعی با دمای بالا و فشاری به ترتیب در حدود ۵۰۰۰ کلوین و ۵۰۰ اتمسفر، که معمولاً به‌عنوان نقاط گرم شناخته می‌شود، نشان داده می‌شود. مشخصات دمایی مناطق موضعی نقاط گرم که تغییر می‌کنند ماهیت واکنش‌های رخ داده در هر منطقه را تعیین می‌کند. سه منطقه شناخته شده از نقاط داغ عبارت‌اند از:
۱-مرکز گرمایشی(Thermolytic center)
مرکز ترمولیتیک، مرکز حباب کاویتاسیونی را نشان می‌دهد. در هنگام فروپاشی حباب، دما و فشار این منطقه به ترتیب تقریباً به ۵۰۰۰K و ۵۰۰ اتمسفر می‌رسد. فاز مواد در این منطقه گازی است، بنابراین می‌توان استنباط کرد که درجه حرارت بالا در این منطقه می‌تواند به گرما زدایی DOCهای فرار منجر شود و بخار آب در منطقه وجود داشته باشد. تجزیه حرارتی بخار آب رادیکال‌های آزاد تولید می‌کند که می‌توانند بیشتر DOCهای فرار را تجزیه کنند.
۲-منطقه سطحی
منطقه سطحی بین پوسته حباب و محلول حجمی است. ضخامت این منطقه در حدود ۲۰۰ نانومتر است و طول عمر این منطقه در حدود ۲ میکرو ثانیه است. درجه حرارت در این منطقه در فروپاشی نهایی حباب تقریباً به ۲۰۰۰K می‌رسد. فاز ماده در این منطقه یک سیال فوق بحرانی است. درجه حرارت بالا در منطقه سطحی، تجزیه حرارتی و اکسیداسیون DOCهای غیر فرار را تسهیل می‌کند.
۳-منطقه محلول حجمی
در منطقه محلول حجمی، فشار این منطقه با فشار محیط برابر است. درحالی‌که، درجه حرارت، بسته به پارامترهای عامل آلتراسونیک متغیر است. رادیکال‌های هیدروکسیل در منطقه محلول حجمی تولید پراکسید هیدروژن می‌کنند، که به نوبه خود می‌تواند DOC های غیر فرار را اکسیده کند.
نوسانات و فروپاشی حباب باعث ایجاد جریان صوتی، ریز جریان‌ها، میکروجت‌ها، آشفتگی، موج ضربه‌ای و تنش برشی می‌شود. جریان آکوستیک به دلیل عبور امواج آلتراسونیک به‌عنوان حرکت مایع همرفتی تعریف می‌شود. ریزجریان، حرکت مایع در ناحیه مجاور حباب‌های در حال نوسان است. میکروجت، حرکت مایع حاصل از فروپاشی متقارن حباب‌های نزدیک مرز جامد-مایع است. اثرات فیزیکی و شیمیایی آلتراسونیک برای از بین بردن آلودگی‌های آلی و میکروبی قابل استفاده است.
تأثیر کاویتاسیون صوتی بر روی آلاینده‌های آب
شکل زیر اثرات فیزیکی و شیمیایی آلتراسونیک را بر روی آلاینده‌های آب را نشان می‌دهد. اثرات فیزیکی مانند تلاطم‌های قدرتمند و امواج ضربه‌ای می‌تواند ساختارهای آلی و میکروبی را از هم جدا کند.
اثرات شیمیایی آلتراسونیک از طریق آزادسازی گونه‌های واکنش‌دهنده شدید که توانایی شکافتن پیوندهای شیمیایی دارند مشهود است. واکنش دهنده‌ها واسط‌های کوتاه مدت هستند؛ بنابراین انتظار می‌رود تأثیر آن‌ها فقط در مدت کوتاهی از فروپاشی حباب رخ دهد. همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد ترکیبات فرار به دلیل اثرات رادیکال‌های آزاد احتمالاً در مرکز گرما تجزیه می‌شوند.
ترکیبات غیر فرار موجود در آب به دو گروه تقسیم می‌شوند: ترکیبات آب‌گریز و غیر آب‌گریز. ماهیت دفع‌کنندگی ترکیبات آب‌گریز نسبت به آب باعث می‌شود که این ترکیبات در منطقه مجاور حباب‌های فروپاشی جمع شوند که به نوبه خود تجزیه شیمیایی ناشی از آلتراسونیک این ترکیبات توسط رادیکال‌های آزاد را تسهیل می‌کند. همان‌طور که در شکل نشان داده شد. اما موضوع در ترکیبات غیر آب‌گریز غیر فرار متفاوت است. این ترکیبات در ناحیه اطراف حباب مشابه آنچه در منطقه انحلال حجمی داشتیم است. بنابراین این ترکیبات یا از لحاظ شیمیایی توسط رادیکال‌های آزاد و محصولات جدید آن‌ها از هم جدا می‌شوند یا از طریق برش مکانیکی و امواج ضربه‌ای ناشی از نوسانات حباب و فروپاشی آن از بین می‌روند. بسیاری از محققان ظرفیت تنش برشی و امواج شوک در شکستن ساختار زنجیره‌ای مواد آلی پلیمری یا باز شدن ساختار حلقه از مواد آلی حلقوی را گزارش کرده‌اند. علاوه بر این شرایط شدید در مرکز حباب در حال فروپاشی و مناطق اطراف آن می‌تواند منجر به تشکیل اسیدها شود که می‌تواند حلالیت اسید هیومیک (humic acid) را کاهش داده و درنتیجه باعث تخریب آن توسط اثرات فیزیکی شود.
اگرچه آلاینده‌های معدنی خارج از محدوده این بحث هستند، اما لازم به ذکر است که ریز جریان‌ها و تولید اکسید کننده‌ها که با فروپاشی حباب تحریک می‌شوند اصلی‌ترین مکانیسم حذف آلتراسونیک برای این آلاینده‌ها هستند.
روش‌های تولید امواج آلتراسونیک
امواج آلتراسونیک معمولاً با استفاده از مبدل‌ها با تبدیل انرژی الکتریکی به لرزش تولید می‌شوند. دو نوع مبدل وجود دارد: پیزو الکتریک و مغناطیسی. این مبدل‌ها در شکل نشان داده شده است. در مبدل‌های پیزوالکتریک، لرزش از طریق تحریک کریستال پیزوالکتریک با جریان الکتریکی ایجاد می‌شود، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است. در مورد مبدل‌های مغناطیسی تحریک‌کننده، جریان الکتریکی از طریق سیم‌پیچ‌ها منتقل می‌شود و باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود که باعث انقباض و گسترش هسته فرومغناطیسی می‌شود (در بیشتر موارد از نیکل Terfenol-D)، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است. اگرچه عملکرد مبدل‌های مغناطیسی از عملکرد مبدل‌های پیزوالکتریک پیشی می‌گیرد، مطالعات محدودی در مورد استفاده از این مبدل‌ها برای مصارف تصفیه آب وجود دارد.
نحوه انجام فرایند
موج آلتراسونیک در دو حالت مداوم و پالسی قابل استفاده است. حالت مداوم در مقایسه با حالت پالس بیشتر برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالت پالسی، عملیات برای مدت زمان مشخصی قطع می‌شود. دوره‌ای که آلتراسونیک عمل می‌کند به پالس معروف است. درحالی‌که زمان خاموشی معمولاً به‌عنوان وقفه نامیده می‌شود. پالس و وقفه به ترتیب به صورت دوره‌های روشنی و خاموشی مشخص می‌شوند. نسبت روشنی به خاموشی معمولاً با R نشان داده می‌شود. اعمال آلتراسونیک در حالت پالسی به دلیل به حداقل رساندن اندازه ابر حباب که در نزدیکی سطح پرتودهی مخصوصاً در سطوح توان بالا رخ می‌دهد. در طول دوره خاموشی حباب‌های ابری به طور نامطلوبی حل می‌شوند و یا در سطح شناور می‌شوند و انرژی کمتری توسط حباب‌ها جذب و پراکنده می‌شود، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است. جنبه‌های مثبت استفاده از آلتراسونیک پالسی شامل بهبود انتقال آلاینده‌ها به مکان‌های واکنش حباب در حال فروپاشی، بزرگ شدن مکانی منطقه فعال و استفاده از انرژی باقیمانده آکوستیک در دوره خاموشی است. آلتراسونیک در حالت پالسی همچنین باعث افزایش درجه حرارت می‌شود که می‌تواند برای بعضی از برنامه‌های تصفیه آب مانند فیلتراسیون نامطلوب باشد.
استفاده از آلتراسونیک پالسی همیشه به بهبود عملکرد منجر نمی‌شود. این بستگی به استفاده از قدرت مناسبی برای نسبت R انتخاب شده دارد. ازاین‌رو بهینه‌سازی نسبت پالس و سطح قدرت از اهمیت بالایی برای کاربردهای آلتراسونیک پالسی برخوردار است. با استفاده از آلتراسونیک پالسی برای از بین بردن آلودگی‌های آب در مطالعاتی فقط به نمونه‌های آب مصنوعی پرداخته شده است اما مطالعات اخیر توانایی آلتراسونیک پالسی را در از بین بردن آلاینده‌های آب طبیعی نشان داده است.
پارامترهای مؤثر بر کارایی آلتراسونیک
عملکرد آلتراسونیک نیز مانند سایر فن‌آوری‌های تصفیه، تحت تأثیر عوامل مختلفی است. این عوامل می‌توانند به سه گروه تقسیم شوند: شرایط کار سیستم، خصوصیات واسط و جنبه‌های مربوط به طراحی. پارامترهای عملیاتی تجهیزات آلتراسونیک شامل قدرت، فرکانس، زمان تصفیه، نحوه کارکرد و شکل امواج تحریک(یعنی سینوسی، مثلثی و غیره) می‌باشد. مشخص شده است که افزایش قدرت منجر به اثرات شدیدتر آلتراسونیک می‌شود. با این وجود شدت قدرت به طور معمول از یک روند لگاریتمی پیروی می‌کند، طوری که افزایش بیش از حد مشخص فقط باعث پیشرفت کمی می‌شود. فرکانس رابطه مستقیمی با آستانه کاویتاسیون دارد. بنابراین هرچه فرکانس بالاتر باشد قدرت لازم برای تولید حباب کاویتاسیون بیشتر می‌شود. همان‌طور که در بخش قبلی بحث شد حالت پالسی اعمال آلتراسونیک نسبت به حالت مداوم دارای انرژی بیشتری است. در بین شکل‌های امواج تحریک رایج، موج مربعی دارای بالاترین تأثیر آلتراسونیک است.
خصوصیات واسط مانند ویسکوزیته، فشار، دما و محتویات ناخالصی‌های جامد و گازی می‌تواند بر شدت اثرات آلتراسونیک تأثیر بگذارد. ویسکوزیته بر تولید و فروپاشی حباب‌های کاویتاسیونی تأثیر منفی دارد. انتشار امواج فراصوت از طریق محیط ویسکوز، به دلیل وجود نیروهای چسبندگی بالا دشوار است، ازاین‌رو در شرایط آکوستیک کمتر اثربخشی کمتری حاصل می‌شود. در مورد سیستم تصفیه آب معمولی سطحی، انتظار نمی‌رود در ویسکوزیته آب تغییری ایجاد شود و ازاین‌رو می‌توان اثر این فاکتور را نادیده گرفت. تأثیر فشار محیط در آلتراسونیک فقط در هنگام تصفیه در اتاقک‌های بسته سیستم تصفیه قابل استفاده است. افزایش فشار محیط دو اثر متضاد دارد: کاهش میزان بخار در حباب در حال فروپاشی که منجر به فروپاشی مؤثرتر حباب می‌شود و در عین حال بر رشد حباب تأثیر منفی می‌گذارد و منجر به فروپاشی با شدت کمتر می‌شود. دمای محیط به روشی مشابه بر عملکرد آلتراسونیک تأثیر می‌گذارد. افزایش دما تشکیل حباب‌ها را به دلیل کاهش ویسکوزیته واسط تسهیل می‌کند. با این حال، میزان بخار موجود در حباب‌های تشکیل شده زیاد است و منجر به فروپاشی با شدت کمتر (اثرات کوشن) می‌شود. لازم به ذکر است که افزایش دمای محیط می‌تواند باعث شکست در میکروب‌ها و واکنش‌های شیمیایی تحت تأثیر آلتراسونیک شود. این بدان معنی است که اثر درجه حرارت به‌تنهایی بر عملکرد آلتراسونیک مثبت است.
تأثیر ذرات جامد و حباب‌های گازی محلول به طبیعت آن‌ها و هدف از تصفیه بستگی دارد. حباب‌های ایجاد شده از گازهای دارای ضریب گرمای ویژه بالا، در مقایسه با حباب‌های که از گازهای با ضریب گرمای ویژه پایین تولید می‌شوند اثرات کاویتاسیون بهتری دارند (درجه حرارت بالاتر و تعداد بیشتر رادیکال‌ها). اگر هدف از بین بردن میکروب‌ها یا حذف DOCها باشد ذرات جامد در آب می‌توانند سودمند باشند . در مورد تصفیه آب‌های سطحی، گاز محلول بیشتر هوا بوده و باعث اثرات صوتی نسبتاً بالایی را در مقایسه با سایر گازها مانند اکسیژن و آرگون نشان می‌دهد. حضور مواد جامد در آب‌های سطحی اجتناب‌ناپذیر است، و آن‌ها می‌توانند مخلوطی از سنگ‌دانه‌های خاک باشند که DOCها را در معرض آلتراسونیک قرار می‌دهند همچنین ذرات جامدی که باعث کاویتاسیون ناهمگن می‌شوند.
جنبه‌های طراحی محرک آلتراسونیک مانند شکل محرک و ارتفاع مایع نقش مهمی در توزیع همگن انرژی آکوستیک و یکنواختی تصفیه در کل حجم تصفیه شده دارند. معمولاً محرک‌های دارای خمیدگی (مانند مخروطی یا استوانه‌ای) در استفاده از قدرت آلتراسونیک در مقایسه با محرک‌های استاندارد مستطیل شکل مؤثرتر هستند. این امر به علت بازتاب امواج از دیواره‌های خمیده در جهت‌های مختلف، به سمت آب و درنتیجه ایجاد اثرات آکوستیک بیشتر است. با این حال محرک‌هایی که دارای سطوح مسطح هستند، برای تهیه تجهیزات نظارتی و اندازه‌گیری آسان‌تر طراحی و اصلاح می‌شوند. ارتفاع مایع بر عملکرد آلتراسونیک تأثیر منفی دارد. هر چه آلودگی‌ها از منبع آلتراسونیک دورتر باشند، تصفیه کمتری خواهیم داشت. جالب اینجاست که در یک مطالعه در مورد تأثیر ارتفاع مایع بر فعالیت شیمیایی آلتراسونیک در فرکانس‌های مختلف نشان داده شد که در بیشترین ارتفاع مورد بررسی (۵۰۰ میلی‌متر)، آلتراسونیک فرکانس پایین منجر به بالاترین توان شیمیایی در مقایسه با سایر فرکانس‌های آزمایش شده (> 100 کیلوهرتز) شد. به همین ترتیب گزارش شده که فرکانس پایین منجر به توزیع بهتر انرژی آکوستیک در حجم‌های بزرگ می‌شود. این نشان می‌دهد که عمل آلتراسونیک با فرکانس پایین، پتانسیل موفقیت بیشتری در سطح صنعتی را دارد.
کاربردهای متنوع آلتراسونیک در تصفیه آب‌های سطحی
فناوری آلتراسونیک برای اهداف تصفیه آب آشامیدنی نیاز به تخصص چند رشته‌ای مانند شیمی، مهندسی برق، مهندسی شیمی، علوم مواد و غیره دارد. روش‌های بسیاری برای تعیین ظرفیت تجهیزات آلتراسونیک در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی آکوستیک مفید وجود دارد. در بین تمام تکنیک‌های توصیف انرژی، روش اندازه‌گیری کالری(calorimetric) به دلیل سادگی و مقرون به‌صرفه بودن بیشترین کاربرد را دارد. با این حال، این روش باید با دقت مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از یک مکان واحد برای اندازه‌گیری دما به‌عنوان نماینده‌ای برای کل حجم تابش شده مناسب نیست(به خصوص برای سطوح کم انرژی). جنبه دیگری که باید با دقت مورد توجه قرار گیرد، اتلاف گرما از طریق همرفت در زمان ثبت دما است. از دست رفتن گرماي همرفتي در كاربرد با توان بالا و عملكرد پالسی قابل توجه‌تر خواهد بود. در قدرت‌های آلتراسونیک بالا، افزایش دما سریع است که باعث می‌شود اتلاف انرژی حرارتی از طریق دیواره‌های ظرف حاوی جو به اتمسفر تسریع شود. در مورد آلتراسونیک پالسی، برای به دست آوردن درجه حرارت محسوس، مدت زمان تابش طولانی نیاز است و این باعث می‌شود زمان کافی برای انتقال گرمای تولید شده به اتمسفر داده شود. این امر توضیح می‌دهد که چرا برخی از مطالعات بهره‌وری حداقل ۳۰٪ را برای محرک آلتراسونیک شیپوری گزارش کرده‌اند، درحالی‌که برخی دیگر راندمان را ۶۰-۷۰٪ برای همان نوع محرک گزارش کرده‌اند، زیرا در مورد دوم از یک محرک پیچیده آدیاباتیک استفاده شده است که مانع از دست رفتن حرارت همرفتی می‌شود.
بسیاری از تلاش‌ها برای توسعه محرک‌های آلتراسونیک دارای رویکردهای برجسته‌ای شامل: محرک‌های چند مرحله‌ای، سلول‌های جریان، مبدل‌های سوپر پوزیشن با فرکانس‌های مشابه یا متفاوت و استفاده از بازتاب کننده‌ها بودند. به نظر می‌رسد که رویکرد چند مبدله و بازتابنده ترکیبی یک استراتژی امیدوار کننده برای محرک‌های آلتراسونیک است زیرا تعامل امواج ساطع شده از مبدل‌ها و امواج منعکس شده از بازتاب کننده‌ها باعث می‌شود منطقه فعال در محرک بزرگ شود. با این وجود لازم به ذکر است که در اکثر این تحقیقات از مقیاس بالای از مبدل‌های پیزوالکتریک تجاری موجود در بازار استفاده می‌شود که عمدتاً بر اساس تحریک موج سینوسی کار می‌کنند. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که برخی از شکل‌های موج به غیر از موج سینوسی می‌توانند منجر به تحریک بهتر مبدل‌ها شوند. بنابراین در استفاده از انواع دیگر مبدل‌ها و شکل‌های موجی در کاربردهای صنعتی، انجام تحقیقاتی بیشتر و کارآمدتر ضروری است.
کاربرد آلتراسونیک در فرآیندهای تصفیه آب و تصفیه پسماند فاضلاب
انعقاد یا لخته سازی
استفاده معمول آلتراسونیک در فرایند انعقاد به‌عنوان یک پیش تصفیه برای بهبود روند حذف جلبک‌های آبی-سبز است. وجود جلبک‌های سبز-آبی در سیستم تصفیه آب با مشکلات زیادی از جمله انسداد منافذ غشایی، طعم و بوی نامطلوب ، تولید DBPها و رهاسازی ترکیبات سمی مانند میکروسیستین‌ها همراه است. مکانیسم آلتراسونیک برای از بین بردن جلبک‌ها به تخریب واکوئل‌های گازی که عامل شناور بودن جلبک‌ها هستند نسبت داده می‌شود. از بین بردن جلبک‌ها نیاز به استفاده از فرکانس پایین، قدرت ورودی متوسط و زمان تصفیه کوتاه دارد.
استفاده از آلتراسونیک با توان کم برای مدت زمان کوتاه در برنامه‌های حذف جلبک‌ها می‌تواند مشکل فصلی شکوفه‌های جلبکی را برطرف کند، اما مشکلات انواع دیگر آلودگی که در طول سال رخ می‌دهد را برطرف نمی‌کند. برای اجرای بهتر آلتراسونیک در تصفیه آب، استفاده از توان آلتراسونیک متوسط تا زیاد و تصفیه طولانی باید برای چنین کاربردهایی اعمال شود. مشخص شده که آلتراسونیک نه‌تنها قادر به از بین بردن آلاینده‌ها است، بلکه ساختار آلاینده‌های باقیمانده را نیز تغییر می‌دهد و باعث می‌شود که آن‌ها در فرآیندهای تصفیه پایین دست نیز قابل تحمل‌تر باشند. همچنين مشاهده شد كه كاربرد آلتراسونیک باعث حذف تشكيل پسماندها شده و لجن انعقادي یا لخته شده را کوچکتر می‌کند.
فیلتراسیون
فن‌آوری آلتراسونیک توسط بسیاری از تحقیقات به‌منظور کاهش مشکلات رسوب در تصفیه غشاء‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. فناوری غشایی با کمک آلتراسونیک به دو روش قابل استفاده است: تمیز کردن یا تکنیک‌های پیش از تصفیه. تمیز کردن آلتراسونیک فیلتراسیون غشایی می‌تواند به طور مستقیم یا غیر مستقیم انجام شود. در تمیز کردن آلتراسونیک غشایی مستقیم، هیچ مانعی وجود ندارد که غشاء را از تابش آلتراسونیک جدا کند. در تمیز کردن آلتراسونیک غشاء غیرمستقیم، غشاء توسط بدنه سلول تابش مستقیم آلتراسونیک حفظ می‌شود.
گندزدایی
آلتراسونیک به‌عنوان مؤثرترین روش گندزدایی برای همه اشکال آلودگی میکروبی و قارچی شناخته می‌شود. همان‌طور که توضیح داده شد، اثرات ضد ویروس قدرتمند آلتراسونیک به اثرات شیمیایی و مکانیکی قوی ناشی از فروپاشی حباب حفره‌ای برمی‌گردد. گندزدایی معمولاً پس از فیلتراسیون در انتهای فرآیند تصفیه آب سطحی انجام می‌شود. هدف از گندزدایی، ضدعفونی کردن آب و جلوگیری از رشد میکروبی در آب هنگام حرکت در شبکه توزیع است. با این حال از آنجا که آلتراسونیک هیچ اثر باقیمانده‌ای ندارد، استفاده از آلتراسونیک در مراحل اولیه تصفیه آب سطحی مفید خواهد بود.
نتیجه‌گیری
چالش‌های اخیر در صنعت تصفیه آب آشامیدنی ناشی از منابع آلودگی روزافزون و استفاده از روش‌های سنتی تصفیه شیمیایی در این مقاله شد. تلفیق تکنیک‌های فیزیکی در طرح تصفیه آب آشامیدنی معمولی به‌عنوان یک راه‌حل بالقوه برای این چالش‌ها پیشنهاد شد. در بین تکنیک‌های معمول فیزیکی، فن‌آوری آلتراسونیک امیدوارکننده‌ترین گزینه به نظر می‌رسد. آلتراسونیک می‌تواند اثرات قدرتمندی در تولید و فروپاشی حباب‌های ناپایدار ایجاد کند. این اثرات با تولید گونه‌های بسیار اکسید کننده قدرتمند و اثرات مکانیکی قوی قادر به از بین بردن میکروب‌ها و کانی آلاینده‌های آلی هستند. استفاده مناسب از اثرات آلتراسونیک تنها از طریق درک رابطه بین پارامترهای آلتراسونیک و خواص آب مورد بررسی حاصل می‌شود. تأثیر برخی از پارامترهای آلتراسونیک مانند توان و فرکانس برای اهداف مختلف تصفیه به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال در این مقاله سعی شده است به سایر پارامترهای مهم دیگر مانند تکنیک‌های تولید امواج آلتراسونیک، نحوه کار و شکل موج‌های تولید شده توجه شود. به نظر می‌رسد بهترین تنظیمات آلتراسونیک برای استفاده در تصفیه آب، توان متوسط تا زیاد برای مدت طولانی تصفیه، فرکانس پایین، حالت پالسی و موج مربع شکل است که با استفاده از مبدل مغناطیس تولید می‌شود. پس از ارزیابی سناریوهای ترکیبی احتمالی آلتراسونیک با فرآیندهای اصلی تصفیه آب آشامیدنی، نتیجه گرفته شد که استفاده از آلتراسونیک قبل از انعقاد مفیدترین گزینه است زیرا سایر ترکیبات ممکن است اثرات جانبی پایین دست را ایجاد کنند. ازاین‌رو تحقیقات عمیق بیشتر برای ترکیب‌های پیشنهادی برای کارهای تحقیقاتی آینده توصیه می‌شود.
محصول جدید شرکت فراسنج ابزار در دفع پسماند حاصل از تصفیه پسماند فاضلاب خانگی با فن‌آوری آلتراسونیک
شرکت فراسنج ابزار به عنوان یکی از شرکت‌های پیشرو در صنعت آب و فاضلاب کشور، با بکارگیری دانش روز همواره در جهت تعالی و پیشرفت کشور گام برداشته است. شرکت در این راستا با استفاده از نیروهای جوان و متخصص در واحدهای مطالعاتی، تولید و خدمات و با غلبه به تمام مشکلات جاری در ادامه روند رو به رشد خود موفق به طراحی و تولید دستگاه دفع پسماند تصفیه پسماند فاضلاب خانگی با فناوری آلتراسونیک شد. از جمله ویژگی‌های این دستگاه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فرکانس کاری ۲۰-۳۵KHz
- دارا بودن ماژول‌های مجزای فراصوت، هر کدام با توان یک کیلو وات
- منبع تغذیه با تنظیم خودکار فرکانس، توان و زمان روشنی و خاموشی
- طراحی ماژولار و هماهنگ با چیدمان تصفیه‌خانه‌های فاضلاب
- پردازش دو متر مکعب لجن در ساعت (در دستگاه ۵KW)
- امکان تغییر ظرفیت پردازش با تغییر تعداد ماژول‌های فعال