Napredno čiščenje voda z ultrazvokom in kavitacijo

Predstavitev problema Cilj biološkega čiščenja odpadnih voda je popolna mineralizacija, oz. pretvorba organskih spojin do ogljikovega dioksida in vode, vendar temu vedno ni tako. Nekatere spojine so namreč biološko nerazgradljive ali zelo slabo razgradljive, zato so za njihovo odstranitev iz sistema ključnega pomena drugi, abiotski postopki čiščenja, kot so npr. membranska filtracija, UV razgradnja, napredni oksidacijski postopki (AOP, Advanced Oxidation Processes), potencialno možnost pa predstavlja tudi kavitacija. Cilji raziskave Predlagana raziskava je usmerjena v izboljšanje učinka delovanja čistilnih naprav s pomočjo kavitacije.  S kavitacijo bomo delovali na dveh nivojih: 1. S pomočjo izredno velikih tlakov in temperatur, ki spremljajo kavitacijo, želimo doseči razbitje težje biorazgradljivih majhnih organskih molekul na lažje biorazgradljive intermediate. 2. Z razbijanjem večjih delcev želimo povečati njihovo aktivno površino, s tem pa pospešiti nadaljnji proces hidrolize in biorazgradnje. Kavitacijo bomo sklopili s procesom konvencionalne biološke razgradnje z aktivnim blatom in dokazali večji celokupen učinek čiščenja. Izvirnost rezultatov V dosedanji praksi pri čiščenju odpadnih vod na čistilnih napravah se kavitacija ne uporablja. Sicer obstajajo določeni laboratorijski poizkusi, vendar metode do sedaj še niso dostopne za širšo uporabo. Z opravljenimi raziskavami tako želimo na teoretičnem nivoju pridobiti ustrezne izkušnje in znanja ter končno tudi pospešiti prenos znanja in tehnologije na aplikativni nivo oz. v prakso. Metode dela, organiziranost in izvedljivost projekta V prvi fazi bomo preučevali ultrazvočno generirano kavitacijo, v drugi fazi pa hidrodinamično generirano kavitacijo. Potrebno bo karakterizirati obratovalne parametre, npr. volumski tok, tlak in temperatura. Poleg tega bomo proces čiščenja in razgradnje opazovali tudi na mikro nivoju s hidrofonom in z vizualizacijo. Sledila bo sklopitev kavitacije z že obstoječo pilotno čistilno napravo z aktivnim blatom in pa uporaba v ribogojnici. Kot kriterij za oceno učinkovitosti kavitacije in oceno celokupnega delovanja pilotne čistilne naprave po sklopitvi s kavitacijo bomo uporabili modelne težko biorazgradljive spojine iz vrst razširjenih zdravilnih učinkovin, kot so nesteroidne protivnetne učinkovine, pomirjevala, antilipidemiki in drugi. Njihovo eliminacijo med procesom kavitacije bomo spremljali s pomočjo kemijske analizne metode, ki je že vpeljana v Laboratoriju za organsko kemijsko analizo okolja IJS. Analizna metoda vključuje ekstrakcijo analitov (t.j. modelnih zdravilnih učinkovin) na trdnem nosilcu, temu pa sledita derivatizacija in analiza s plinsko kromatografijo sklopljeno z masno spektrometrično detekcijo. Kot merilo za biorazgradljivost večjih delcev bomo uporabili parameter BPK-5 (biološka potreba po kisiku v 5-ih dneh), uspešnost kavitacije bomo sledili tudi z opazovanjem distribucije števila in velikosti delcev pred in po kavitaciji. Relevantnost in vpliv rezultatov Pričakujemo, da bo uporaba kavitacije zmanjašala uporabo dragih kemikalij, ki jih je sicer potrebno dodajati v procesu čiščenja in po drugi plati spet pomenijo določeno tveganje za okolje. Kavitacija kot fizikalni postopek v očiščeno vodo ne dodaja nobenih kamikalij, niti ne vpliva na okolje po izpustu očiščene vode. V današnjem času, ko se vedno več pozornosti polaga na mikroonesnažila, kot so hormnoski motilci, pričakujemo, da bo razviti postopek čiščenja odpadnih voda s pomočjo kavitacije občutno znižal njihovo prisotnost v očiščeni vodi. Predvidevamo, da bomo kavitacijo lahko uporabili tudi za dezinfekcijo tako odpadne kot pitne vode.

Rezultati predlaganega projekta izkazujejo po našem mnenju visoko stopnjo znanstvene relevantnosti, saj smo v projektu odgovorili na številna še odprta vprašanja, ki smo jih identificirali v pregledu stanja tehnike. Zaradi interdisciplinarnosti je projekt doprinesel napredek v vseh tangiranih raziskovalnih področjih, t.j.: (1) v strojništvu, oz. mehaniki fluidov, v poglobljenih znanjih o ultrazvočni in hidrodinamski kavitaciji in razvojem novih tehnologij in naprav, ki omogočajo tako kavitacijo. (2) v ekološkem inženirstvu smo z uporabo kavitacije: (a) odprli nove poti za zmanjšanje porabe dragih in/ali okolju in ljudem nevarnih kemikalij, (b) razvili postopke in naprave za pospešen razkroj biološko sicer težko razgradljivih snovi (čistilne naprave, bioplinarne), (c) razvili postopke in naprave za čiščenje vode za različne namene, npr. v ribogojstvu, za namakanje, za kopalne vode, itd. (3) v javnem zdravstvu so rezultati raziskav vodili do novih tehnologij in naprav za dezinfekcijo pitnih in odpadnih voda ter tako zmanjšali porabo kemikalij (4) v kemijski analitiki so rezultati projekta doprinesli k razvoju novih analiznih metod, ki podpirajo določevanje razgradnih produktov, ki bodo nastajali v naših procesih, kar bo vodilo do postavitve hipotez o možnih razgradnih poteh opazovanih prioritetnih onesnažil (priority pollutants, PP) Prav tako smo prepričani, da v današnjem svetu, kjer je znanost vedno bolj prepletena, inter- in multi-disciplinarna, bodo rezultati naših raziskav našli pot tudi v druge veje znanosti in stroke.

Pričakujemo, da bo uporaba kavitacije zmanjšala uporabo dragih kemikalij, ki jih je sicer potrebno dodajati v procesu čiščenja in po drugi plati spet pomenijo določeno tveganje za okolje. Kavitacija kot fizikalni postopek v očiščeno vodo ne dodaja nobenih kemikalij, niti ne vpliva na okolje po izpustu očiščene vode. V današnjem času, ko se vedno več pozornosti polaga na mikroonesnažila, kot so ostanki zdravilnih učinkovin in kemijskih povzročiteljev hormonskih motenj, pričakujemo, da bo razviti postopek čiščenja odpadnih voda s pomočjo kavitacije občutno znižal njihovo prisotnost v očiščeni vodi. Predvidevamo, da bomo kavitacijo lahko uporabili tudi za dezinfekcijo tako odpadne kot pitne vode.