Die Wirkung des kombinierten Systems aus hydrodynamischer Kavitation, Ozon und Wasserstoffperoxid auf die Entfernung von Chlorophyll a und organischen Substanzen im Rohwasser

Jun 05, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10102 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein erhöhter Nährstoff- und Algengehalt kann in Gemeinden zu Trinkwasserproblemen führen. Schädliche Algenblüten beeinträchtigen Menschen, Fische, Meeressäugetiere, Vögel und andere Tiere. In der vorliegenden Studie haben wir den Einsatz eines kombinierten Systems [Hydrodynamische Kavitation, Ozon (O3) und Wasserstoffperoxid (H2O2)] zur Entfernung von Chlorophyll a und organischen Substanzen im Rohwasser untersucht. Der Einfluss verschiedener Betriebsbedingungen wie pH-Wert, Kavitationsdauer, Druck, Abstand, Durchflussrate, Ozondosis und Wasserstoffperoxidkonzentration wurde untersucht. Mithilfe der Taguchi-Entwurfsmethode wurden Experimente geplant und optimiert. Die kombinierte Systembehandlung führte zu einer maximalen Reduzierung von Chlorophyll a und dem gesamten organischen Kohlenstoff (TOC) bei einem optimalen pH-Wert von 5, einem Kavitationsdruck von 5 bar, einer Durchflussrate von 1 m3/h und einem Abstand von 25 cm von der Düsenplatte, O3 3 g/h und 2 g/l H2O2-Konzentrationen. Der effizienteste Faktor beim Abbau von TOC und Chlorophyll a war der Kavitationsdruck, basierend auf den prozentualen Beiträgen der einzelnen Parameter (38,64 Prozent bzw. 35,05 Prozent). Es wurde festgestellt, dass H2O2 den geringsten Einfluss auf die Abbaueffizienz hat (4,24 Prozent bzw. 4,11 Prozent).

Aufgrund des schnellen Bevölkerungswachstums, der Ausweitung der Landwirtschaft und Industrie, der schwindenden Süßwasserressourcen, der Waldschädigung, der Bodenerosion, des Klimawandels und wiederholter Dürren kommt es im Laufe der Zeit zu einer allmählichen Eutrophierung aller Gewässer. Ein wesentliches Ergebnis dieses Prozesses ist eine allgemeine Verringerung der Verfügbarkeit von nutzbarem Wasser und eine Zunahme der Bedeutung von Seen und anderen Wassereinzugsgebieten; Infolgedessen könnten viele Ressourcen für die sozioökonomische Entwicklung ernsthaft gefährdet sein1. Algenblüten können durch eine Verringerung der Wasserversorgung, eine Verringerung der See- und Reservoirtiefe, eine Zunahme der Stagnation, eine Zunahme von Nährstoffen aus verschiedenen Quellen und einen Temperaturanstieg ausgelöst werden2,3. Zahlreiche Probleme entstehen durch Algensubstanzen im Wasser, darunter (1) pH-Wert, Alkalität, Härte, gelöster Sauerstoff und organische Stoffe, (2) die Erhöhung der Gerinnungsdosis, (3) physikalische Indikatoren der Wasserqualität, wie Farbe, Geschmack , Geruch und Trübung, die sich dadurch verschlechtern, (4) Filterverstopfung und verringerter Filterlauf, (5) Der Chlorbedarf steigt und es entstehen Nebenprodukte der Desinfektion, (6) Algen verursachen auch andere Probleme wie die Bildung von Algen eine schleimige und gallertartige Schicht, die ätzend ist und andere Reinigungsprozesse stört. (7) Einige Algenarten können bei direktem Kontakt die Haut reizen und allergische Reaktionen auslösen. Es ist jedoch bekannt, dass verschiedene Algen schädliche Giftstoffe produzieren, die für den Menschen tödlich sind und in einigen extremen Fällen sogar zum Tod führen können4,5,6,7,8,9. Diese Probleme können gefiltertes Wasser unattraktiv und schädlich machen; Andererseits können sie auch die Kosten für die Trinkwasseraufbereitung erhöhen, indem sie mehr Chemikalien hinzufügen und die Arbeitsbelastung für die Mitarbeiter der Kläranlage erhöhen9.

Ein wichtiger Indikator zur Beschreibung von Biomasse, die Lichtenergie nutzt und autotroph ist, ist die Konzentration von Chlorophyll-a. Es ist ein entscheidender Parameter, der den Nährstoffzustand von Gewässern widerspiegelt und zur Schätzung der Phytoplankton-Biomasse und -Produktivität verwendet werden kann. Aufgrund ihrer geringen Größe, hohen Mobilität, geringen Dichte und negativ geladenen Oberfläche können Algenzellen in vielen bestehenden Wasseraufbereitungsanlagen nicht entfernt oder behandelt werden5,10,12. Algen aus Wasserquellen werden mit verschiedenen physikalischen, chemischen und biologischen Techniken bekämpft. Belüftung, Flotation mit gelöster Luft, Filtration, Abschäumen, Mischen, Membranprozesse, Ultraviolett, Ultraschall, Elektrolyse und andere verwandte Techniken werden eingesetzt, um schädliche Algen mithilfe der physikalischen Kontrollmethode zu verhindern. Das Management der Algenpopulation kann durch biologische Prozesse wie langsame Sandfilter oder Belebtschlamm erreicht werden. Die wichtigsten chemischen Prozesse sind Koagulation, Kupfersulfat, Aktivkohle, Nanopartikel, Oxidation, Wasserstoffperoxid und Chlorierung13,14,15,16,17,18,19. Die meisten Chemikalien sind jedoch überteuert und zu allgemein gehalten und schädigen Wasserorganismen, die nicht ihr eigentliches Ziel sind. Die meisten giftigen Chemikalienarten sind nicht artspezifisch, was das ökologische Gleichgewicht beeinträchtigen kann. Das Potenzial für Umweltschäden durch unsachgemäße chemische Anwendung ist geringer als das durch künstliches Mischen. Die Belüftungstechnologie kann aufgrund der hohen Wartungskosten (Arbeitskosten) und des erforderlichen Energieverbrauchs Nachteile haben und tötet die Algen nicht ab. Darüber hinaus fügen Wasserpflanzen viele Oxidationsmittel hinzu, was bedeutet, dass die von ihnen produzierten Desinfektionsnebenprodukte über dem erforderlichen Niveau liegen. Die Betriebskosten für die Algenentfernung in der Wasseranlage mittels Membranfiltration, Luftflotation und anderen Techniken sind hoch, wenn die Algenmenge im Wasser hoch ist. Der Al/Fe-Rückstand in aufbereitetem Wasser übersteigt manchmal die Obergrenze der Wassernormen, was eine ernsthafte Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt, auch wenn der Einsatz von Chemikalien zur Algenentfernung eine Sekundärverschmutzung verursacht. Die Oxidation von Cyanobakterien kann jedoch zur Zelllyse führen. Wenn intrazelluläre organische Substanz (IOM) in großen Mengen freigesetzt wird, kann die Wasserqualität darunter leiden10,20,21,22.

In hydrodynamischen Kavitationsreaktoren (HC) entstehen Hohlräume aufgrund von Druckschwankungen, die in der Flüssigkeit infolge des Durchgangs durch die Verengung (z. B. Drosselventil, Blende, Venturi usw.) auftreten23,24,25 . Unter Kavitation versteht man die Bildung und sofortige Implosion von Hohlräumen in einer Flüssigkeit, die schnellen Druckänderungen ausgesetzt ist. Die kinetische Energie der Flüssigkeit erhöht sich beim Durchgang durch das Hindernis auf Kosten des lokalen Drucks. Die Flüssigkeit verdampft und bildet eine Reihe von Hohlräumen, wenn der Druck am Hals der mechanischen Stenose bzw. Vena Contracta unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt. Die Hohlräume kollabieren schließlich, wenn der Druck hinter der mechanischen Stenose ansteigt. Der Hohlraumkollaps führt zur Bildung von Hotspots, zur Freisetzung reaktiver freier Radikale, zur Reinigung oder Erosion der Oberfläche und zu einer Verbesserung des Massentransports. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass sich Wassermoleküle unter diesen Umständen in Hydroxyl- (∙OH) und Wasserstoffradikale (∙H) aufspalten, die die chemische Zusammensetzung der Algenzellwand angreifen und bis zum Zerfall schwächen können. Während des Kavitationskollapses haben diese lokalisierten Hotspots Temperaturen von etwa 5000 K, Drücke von 1000 Atmosphären und eine Lebensdauer von wenigen Mikrosekunden. Ein weiterer Inaktivierungsmechanismus beinhaltet eine Schädigung der Photosynthesewege26,27,28,29. Hydrodynamische Kavitation schädigt Algenzellen, indem sie Gasvakuolen und Zellwände zerstört und die Photosyntheseaktivität verringert. Ein weiterer Mechanismus des hydrodynamischen Kavitationsprozesses wird in der Literatur erwähnt20,30,31,32. B. thermischer Abbau. Viele Studien haben gezeigt, dass der durch hydrodynamische Kavitation allein erreichte Mineralisierungsgrad aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit der Erzeugung oxidierender Radikale unzureichend ist. Die Kombination von HC mit geeigneten anderen fortgeschrittenen Oxidationsprozessen (AOPs) kann dazu beitragen, die Prozesseffizienz und damit die aktuellen Arbeitsziele bei der Entwicklung hybrider Behandlungsansätze zu steigern33,34,35,36. Der Algenabbau wird durch einen doppelten Mechanismus dank der kombinierten Verwendung von HC, O3 und H2O2 erleichtert. Die Verbindung wird durch Hydroxylradikale abgebaut, die beim direkten Angriff von Ozon- und Wasserstoffperoxidmolekülen entstehen. Darüber hinaus wurde die Beseitigung der Stofftransportbeschränkungen des Prozesses durch hohe Turbulenzen verursacht, die durch hydrodynamische Kavitation verursacht wurden37,38,39. Der Einsatz experimenteller Designtechniken kann jedoch hilfreich sein, um den Prozess effizient zu rationalisieren und die Anzahl der Experimente zu verringern. Der Taguchi-Designansatz ist eine beliebte experimentelle Designtechnik zur Prozessmodellierung und -bewertung. Ziel dieses Ansatzes ist die Verbesserung der Antwortgröße, die von mehreren Prozessparametern beeinflusst wird. Darüber hinaus garantiert es eine effektive Prozessdesignleistung. In den letzten Jahren kam es am Sanandaj-Vahdat-Staudamm im Iran häufig zu Algen-Eutrophierung. Anschließend wurde das Wasser auf Geschmack und Aroma getestet. Wassernutzer haben daraufhin ihre Missbilligung und Besorgnis über die Sicherheit und Qualität des Wassers zum Ausdruck gebracht. Ziel dieser Studie ist es, die Wirkung eines kombinierten Systems aus hydrodynamischer Kavitation, Ozon und Wasserstoffperoxid auf die Entfernung von Chlorophyll-A und organischen Substanzen im Rohwasser zu bewerten. Der Abstand der Blende vom Anfang des Kavitationsrohrs wurde in dieser Untersuchung berücksichtigt, während dieser Faktor in früheren Studien nicht untersucht wurde.

Dieses Wasser wurde für das Pilotprojekt verwendet, da es die Eigenschaften des in die Sanandaj-Wasseraufbereitungsanlage eingehenden Wassers aufwies, die unterschiedlich sind (Tabelle 1). Der Versuchsaufbau zur Nutzung von Ozon und Wasserstoffperoxid in Verbindung mit hydrodynamischer Kavitation ist in Abb. 1 dargestellt. Darin befindet sich ein Jet-Flow-Loop und ein 20-L-Polyethylentank. Das Kühlwasserkreislaufsystem regelt die Temperatur des Wassers im Reaktor. Eine von Electrogen erworbene Kreiselpumpe mit 2 PS (CB210) wurde verwendet, um das durch die Kavitationseinrichtung fließende Wasser durch ein angebrachtes Stahlrohr mit 25 mm Innendurchmesser zu pumpen. Beim Vergleich von Düsen mit derselben Strömungsquerschnittsfläche erzeugen Mehrlochdüsen mehr Hohlräume als Einlochdüsen. Daher wurde eine 5-Loch-Öffnungsplatte (1 mm) verwendet. Der Druck wurde mit zwei Manometern (Modell EN837, Dragon) gemessen. Die erforderliche Ozonkonzentration wurde durch einen Ozongenerator (hergestellt von Pakzhi Company) erzeugt. Während des Experiments wurde der Tank mit 35 Prozent w/v analytischem Wasserstoffperoxid (H2O2) gefüllt, das von Merck in Deutschland bezogen wurde. Zur Durchführung der Analyse wurde der TOC-Analysator (Analytic, Jena, Deutschland) verwendet. Zur Analyse von Chlorophyll a wurden jeweils ein Spektrophotometer (Hach DR 4000U) und die Standardanweisungen der Methode (Plankton-10200) verwendet40.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.

Als Hauptparameter für die Untersuchung des hydrodynamischen Kavitationsprozesses wurden sieben Parameter ausgewählt, darunter pH-Wert (5, 7, 9), Verweilzeit (20, 60, 90 min), Kavitationsdruck (1, 3, 5 bar) und Durchfluss Rate (1, 3, 5 m3/h), der Abstand der Öffnung vom Anfang des Kavitationsrohrs (25, 50, 75 cm), Ozonkonzentration (0, 2, 3 g/h) und Wasserstoffperoxidkonzentration (0, 1, 2 g/l). Als zwei Faktoren wurden Chlorophyll a (Algenindex) und TOC gewählt.

Die Taguchi-Methode ist ein wirksamer Ansatz zur Problemlösung, der Produktivität, Ertrag und Prozessleistung steigert. Durch den systematischen Einsatz der statistischen Versuchsplanung, auch Robust Design genannt, besteht Taguchis Hauptziel darin, die Variabilität um den Zielwert der Produkteigenschaften zu verringern. Taguchi erklärte, dass das Framework aus drei Hauptkomponenten besteht: (1) Systemdesign (es kann die beste Kombination von Materialien und Verfahren umfassen), (2) Design der Parameter (einschließlich der besten Richtlinien für das anerkannte Design). Komponenten), (3) Toleranzdesign: Sehen Sie sich die Faktoren an, die eine wesentliche Rolle bei der Produktqualität spielen41,42. Die erforderliche Variation im Design wird dann durch die dann ermittelten Toleranzgrenzen bereitgestellt. Durch die Bewertung des Einflusses von Variablen auf die Entfernungseffizienz (Reaktion) können experimentelle Ergebnisse anhand des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) analysiert werden. Ein dimensionsloser Parameter (Metrik), bekannt als Signal-Rausch-Verhältnis, misst die Diskrepanz zwischen einer Antwort und dem gewünschten Wert. Üblicherweise werden drei Arten der Signal-Rausch-Analyse verwendet. Niedriger ist besser (LB), nominell besser (NB) bzw. höher ist besser (HB). Es wurde ein größeres S/N gewählt, da das primäre Ziel der Optimierung in dieser Studie darin bestand, die höchste Entfernungseffizienz zu erreichen. Daher ist für den größeren das S/N-Verhältnis ein besseres Kriterium in der Gleichung. (1) ist:

Das n stellt die Anzahl der Wiederholungen des Experiments dar und der EF stellt die Ergebnisse der Messungen dar. Die Entfernungseffizienz von Chlorophyll a und TOC ergibt sich aus Gl. (2), wobei C1 und C2 die Anfangs- und Gleichgewichtskonzentrationen der Schadstoffe (Chlorophyll a bzw. TOC) sind. Nach dem Entwurf des Experiments unter Verwendung der Taguchi-Methode für die sieben Parameter wurden 27 Durchführungsschritte vorgeschlagen. Die Tabellen 2 und 3 enthalten Einzelheiten zu jedem Experiment. Jedes Experiment wurde zweimal durchgeführt, in das Modell eingefügt und dann analysiert. Hier wird die Analyse des statistischen Mittelwertansatzes (ANOM) genutzt, um ideale Bedingungen zu erzeugen43,44. Zunächst sollte der Durchschnitt des S/N-Verhältnisses jedes Faktors auf einer bestimmten Ebene berechnet werden (Gleichung 3).

Dabei ist [(S/N) Faktor = I] das S/N-Verhältnis von Faktor I in Level i, I ist das mittlere S/N-Verhältnis von Faktor I auf Level i, nIi bezeichnet die Anzahl der Instanzen von Faktor I in Level i I, und die Reihenfolge des Auftretens in den Tabellen 4 und 5 ist die j-te. Jeder kontrollierbare Faktor.

Der Einfluss auf die Trennung von Chlorophyll a und TOC wird auch mithilfe der statistischen Technik der Varianzanalyse (ANOVA) untersucht. Der prozentuale Beitrag jedes Faktors, RF, wird durch Gleichung angegeben. (4):

Der Freiheitsgrad (DF) jedes Parameters ist eine Zahl kleiner als die Anzahl der Stufen im Faktor, die in dieser Studie zwei beträgt.

Die Gesamtsumme der Quadrate, SST, wird durch Gl. (5)

Gleichung (6) wird verwendet, um den Wert von EFT zu bestimmen. Dabei bezeichnen m (27 Experimente) und n (zwei Wiederholungen) die Anzahl der Experimente bzw. die Anzahl der Experimente.

Die Summe der Faktorquadrate (SSF) wird mit Gleichung berechnet. (7):

EFkF der Durchschnitt der Messergebnisse eines bestimmten Faktors in der k-ten Ebene.

Darüber hinaus wird die Fehlervarianz VEr durch Gl. (8):

Für jede Testbedingung wird das S/N-Verhältnis in den Tabellen 2 und 3 berechnet. Das maximale Signal-Rausch-Verhältnis unter den 27 Tests ist in diesen Tabellen in Fettschrift angegeben. Gemäß den Tabellen 4 und 5 sind die idealen Bedingungen zur Entfernung von TOC und Chlorophyll a wie folgt: pH = 5, Retentionszeit = 90 min, Kavitationsdruck = 5 bar, Wasserdurchfluss = 1 m3/h, Blendenabstand = 25 cm , Ozonwert = 3 g/h und H2O2-Konzentration = 2 g/l. Das Bestätigungsexperiment wurde unter den oben genannten idealen Umständen durchgeführt, der EF von Chlorophyll a und der TOC wurden gemessen und das S/N-Verhältnis berechnet. Tabelle 6 zeigt, dass der Effizienzunterschied zwischen den optimalen und Test-5-Bedingungen für Chlorophyll a etwa 1,7 Prozent und für TOC etwa 19,75 Prozent betrug. Aufgrund der unterschiedlichen 30-minütigen Retentionszeit und der Notwendigkeit, den pH-Wert anzupassen, ist Lauf 5 im Hinblick auf den Verbrauch von Ozon und Wasserstoffperoxid kostengünstiger als der Idealzustand.

Einfluss der untersuchten Faktoren Die Produktion von Hydroxylradikalen (Gl. 1) ist der primäre Mechanismus des Schadstoffabbaus durch den hydrodynamischen Kavitationsprozess9,10,11. Durch hydrodynamische Kavitation entstehen Hydroxylradikale, deren Menge und Geschwindigkeit durch Variablen und Reaktorbedingungen beeinflusst werden. Die Haupteinflüsse auf die Entfernung von TOC und Chlorophyll a sind in den Abbildungen dargestellt. 2 bzw. 3. Diesen Zahlen zufolge hat Wasserstoffperoxid den vernachlässigbarsten Einfluss auf den Kavitationsdruck und einen größeren Einfluss auf den Kavitationsdruck.

Hauptwirkungsdiagramm für Mittel zur Chlorophyllentfernung.

Hauptwirkungsdiagramm für Mittel zur TOC-Entfernung.

Der pH-Wert des Wassers ist ein wichtiger Parameter, um das Ausmaß des Abbaus der organischen Schadstoffe durch den HC-Prozess zu bestimmen. Abbildung 4 zeigt die prozentuale Verringerung von Chlorophyll a und TOC der Wasserprobe bei Änderung des pH-Werts. Es wurde festgestellt, dass mit einem Anstieg des pH-Werts von 5 auf 9 auch die prozentuale Reduzierung abzunehmen begann (Abb. 5). Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie verursacht Kavitation die größte Verschlechterung beim Betrieb in einer sauren Umgebung und eine weniger starke Verschlechterung beim Einsatz in einer alkalischen Umgebung. Algen in Wasserquellen haben normalerweise eine negative Ladung (Zeta-Potenzial), und die idealen Werte hängen auch vom pKa-Wert der spezifischen Verbindungen während der Verarbeitung ab. Das Zetapotential (ZP) der Algenzellen muss destabilisiert werden, um die Entfernung von Algenzellen bei der Wasserreinigung zu verbessern. In sauren Medien ist die Bildung von %∙OH-Radikalen bevorzugt und weist auch eine höhere Oxidationskapazität auf. „Außerdem ist die Rekombinationswahrscheinlichkeit der ∙OH-Radikale gering, was zu einer höheren Anzahl von ∙OH-Radikalen in der Lösung führt, die die Zielverunreinigung abbauen. Mit einem Anstieg des pH-Werts findet die Rekombination der ∙OH-Radikale statt, wodurch ihre Fähigkeit verringert wird.“ um die Zielverunreinigung abzubauen. Zahlreiche Studien stützen diesen Befund und betonen, dass mit steigendem pH-Wert die Entfernungseffizienz von Parametern abnimmt.“ Mehrere Studien haben dies bestätigt, wenn der pH-Wert steigt und die Entfernungseffizienz der Parameter abnimmt47,48,49,50,51,52.

Der Einfluss der Retentionszeit auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Der Einfluss des pH-Werts auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Der Kavitationsfluss, das Ozon und die Wasserstoffperoxid-Injektion nehmen mit zunehmender Kavitationsdauer zu, was auch die Geschwindigkeit beschleunigt, mit der freie Radikale produziert und Schadstoffe abgebaut werden. Die Produktion freier Radikale und die Geschwindigkeit, mit der sich organische Stoffe und Chlorophyll zersetzen, nehmen mit zunehmender Kavitationsdauer zusammen mit der Kavitationsströmung, der Ozoninjektion und der Wasserstoffperoxidinjektion ebenfalls zu. Die Chlorophyll a- und TOC-Werte der kavitierten Flüssigkeit dürften mit zunehmender Verarbeitungszeit weiter sinken, was aber auch zu einem höheren Energiebedarf für den Vorgang führen dürfte. Diese Abbildung veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Kontaktzeit und der Entfernungseffizienz von Chlorophyll a und TOC. Andere Studien haben diese Ergebnisse bestätigt50,51,52,53.

Wenn die Flüssigkeit durch Verengungen wie die Öffnung fließt, fällt der Druck an der Vena-Verengung unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, was dazu führt, dass die Flüssigkeit aufblitzt und eine Reihe von Blasen erzeugt, die später platzen, wenn der Druck stromabwärts der Verengung wiederhergestellt wird. Das Photosynthesesystem und die Membranstruktur von Algenzellen können durch hohen Druck und die beim HC-Prozess entstehenden Hydroxylradikale beschädigt werden. Somit werden die Wirksamkeit der Kavitation und die Entstehung freier Radikale durch den Druck beeinflusst. Ergebnisse dazu, wie sich der Einlassdruck auf die Ergebnisse dieser Studie auswirkte. Abbildung 6 zeigt, wie Änderungen des Einlassdrucks zu einer Erhöhung des Prozentsatzes der Chlorophyll-a- und TOC-Entfernung führen. Dies liegt daran, dass mit steigendem Einlassdruck mehr Hohlräume entstehen, was zu einem Anstieg des Prozentsatzes der OH-Radikalbildung und des organischen Abbaus führt20,54,55,56. Jadhav et al. demonstrierten die Entfernung von Imidacloprid mithilfe eines Kavitationsgeräts in Kombination mit Oxidationsmitteln und berichteten, dass eine Erhöhung des Einlassdrucks von 5 auf 15 bar die Abbaueffizienz von Imidacloprid steigerte57. Die Forschungsergebnisse bestätigten frühere Studien, in denen festgestellt wurde, dass die Kavitationseffizienz mit einem Druck von bis zu 5 bar zunimmt58,60. Eine Erhöhung des Kavitationsdrucks führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Fluids an der Öffnungsöffnung und dann werden mehr Kavitationsblasen erzeugt und auch die Intensität der Kavitation nimmt zu, was zur Bildung von mehr %∙OH-Radikalen und einem stärkeren Abbau der organischen Substanz führt Inhalt49.

Der Einfluss von Druck auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Der gewünschte Vorteil besteht darin, dass hydrodynamische Kavitationsreaktoren Verunreinigungen mehr als einmal in einem einzigen Betrieb verarbeiten können. Anderen Studien zufolge wird die Zersetzung vereinfacht und die Anzahl der pro Schadstoffeinheit erzeugten freien Radikale steigt, wenn die Durchflussrate verringert wird60,61. Abbildung 7 zeigt auch, wie die Ergebnisse dieser Studie mit denen anderer Studien übereinstimmen.

Der Einfluss von Flow auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Die Entfernungseffizienz von Chlorophyll a und TOC nahm mit abnehmendem Abstand der Blende vom Kavitationsrohr zu, wie die Ergebnisse der Studie zeigen (Abb. 8). Dies könnte mit einem Loch im Niederdruckbereich zusammenhängen, das eine längere Verweilzeit hat. Darüber hinaus entstehen Löcher und Wärme in der Lochplatte, wenn das Wasser, das von der Pumpe mit Energie und Druck angereichert wurde, auf die Lochplatte trifft. Die Geometrie der Kavitationseinrichtungen beeinflusst den Wirkungsgrad des hydrodynamischen Kavitationsreaktors. Die Geometrie von Kavitationsgeräten hängt also davon ab, wie lange der Hohlraum im Niederdruckbereich verbleibt. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Ursache für die Steigerung der Algenentfernungseffizienz in Abständen in der Nähe der Lochplatte mit dem primären Kavitationsrohr die Verlängerung der Kavitationsdauer eines Hohlraums in einem Niederdruckbereich ist. Da über eine kurze Distanz die einfallende Energie und Druckänderung zunimmt und der Abstand zwischen der Blende und dem Startpunkt des Kavitationsrohrs abnimmt, nimmt die Kavitationsintensität wahrscheinlich zu. Somit hängt die Wirksamkeit der hydrodynamischen Kavitation von der Position der Blende ab20,59,63,64,65,66.

Der Einfluss der Entfernung auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Mithilfe der ozonunterstützten hydrodynamischen Kavitation kann die Oxidationsintensität von Schadstoffen erhöht und gleichzeitig der Ozonverbrauch gesenkt werden. Bei der hydrodynamischen Kavitation durch Ozon wurde bestätigt, dass die Oxidation von Schadstoffen unmittelbar nach der Ozoninjektion erfolgt. Der kombinierte Betrieb von Ozon und Kavitation sorgt dafür, dass Schadstoffe nicht nur direkt durch Ozon angegriffen werden, sondern auch durch Hydroxylradikale abgebaut werden. Außerdem tragen die durch Kavitation erzeugten lokalen Turbulenzen zum Stoffübergang von Ozon aus der Gasphase in die Masse bei, sodass die Reaktionsgeschwindigkeit von Ozon mit Schadstoffmolekülen aufgrund der hohen Stoffübergangswiderstände im Wasser nicht sehr wichtig ist. Darüber hinaus dissoziiert Ozon in Gegenwart von Kavitation und erzeugt atomaren Sauerstoff (∙O), der weiter mit Wassermolekülen reagiert und hochreaktive ∙OH-Radikale erzeugt. Die kombinierte Wirkung der Zugabe von Ozon und HC verbesserte die Abbaueffizienz in beiden pH-Bereichen (Säuregrad und Alkalität) im Vergleich zur alleinigen HC-Behandlung oder zur alleinigen Ozonbehandlung. Dies liegt daran, dass der kombinierte Betrieb von Ozonierung und HC einen synergistischen Effekt erzielt52,67,68,69,70. In Abb. 9 ist zu erkennen, dass die Wirkung von Ozon auf die Entfernung von Chlorophyll größer ist als die von TOC. Der Grund dafür ist vermutlich die Zerstörung von Algengasvakuolen durch Ozon. In dieser Grafik ist auch zu sehen, dass die Effizienz der Schadstoffentfernung mit zunehmender Ozonkonzentration zunimmt. Der Grund ist der Anstieg der Produktion freier Radikale pro Schadstoff, der mit früheren Studien übereinstimmt70,71.

Der Einfluss von O3 auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Mit zunehmender H2O2-Dosierung (0–2 g/l) sind die Ergebnisse für den Abbau von Chlorophyll a und TOC in Abb. 10 dargestellt. Die Entstehung und der anschließende Angriff von Hydroxylradikalen ist ein entscheidender Mechanismus, der den Abbau von Schadstoffen durch HC-H2O2 unterstützt (Gleichungen 16–18). Da Wasserstoffperoxid die Oxidation von Chlorophyll a und TOC durch die Bildung von ∙OH beschleunigt, steigt die Effizienz der Entfernung von Chlorophyll a und TOC mit zunehmender Wasserstoffperoxidkonzentration. In Gegenwart von HC und H2O2 führte die Dissoziation von H2O2 und Wasser aufgrund der durch Kavitation erzeugten hohen Druck- und Temperaturbedingungen zu zahlreichen Anstiegen der Hydroxyl-H2O2-Beladung. H2O2 wurde unter Kavitation ständig dissoziiert, was zu einer verstärkten Bildung von Hydroxylradikalen führte. H2O2 verstärkt den durch Hydroxylradikale verursachten Abbauprozess, indem es als häufigere Quelle dieser Hydroxylradikale fungiert. In einer ähnlichen Studie zur Behandlung tatsächlicher Industrieabwässer wurde ebenfalls festgestellt, dass die Wirksamkeit der hydrodynamischen Kavitation durch den Einsatz in Kombination mit H2O2 deutlich gesteigert wird. Es wurde festgestellt, dass das Ausmaß der TOC-Reduktion mit zunehmender H2O2-Beladung zunahm. Andere verwandte Studien haben die Ergebnisse bestätigt70,72,73,74,75,76.

Der Einfluss von H2O2 auf die Entfernung von Chlorophyll a und TOC.

Zunächst wird REkF ermittelt und in den Tabellen 7 und 8 dargestellt. REkF ist der Mittelwert der gemessenen Ergebnisse für den Faktor auf der k-ten Ebene. Durch Ersetzen von REkF und RET (Chlorophyll a: 58,45 und TOC: 41,28) in Gl. (7) Die faktorielle Summe der Quadrate, SSF, für jeden Faktor wurde für jeden Faktor berechnet und in Tabelle 9 bestimmt. Unter Verwendung von Gl. (5) wurde die Gesamtquadratsumme SST berechnet. Durch Ändern von SSF und SST in Gl. (8) wurde die Fehlervarianz VER ermittelt. Durch Ersetzen von SSF, SST, VER und DOFF in Gl. (4) Um den prozentualen Beitrag jedes Faktors RF zu bestimmen, sind die Ergebnisse in Tabelle 9 aufgeführt.

Hydrodynamische Kavitationssysteme wurden als eine neue Form von Mehrphasenreaktoren erkannt, die eine günstige Oxidation erzeugen können, einschließlich lokalisierter Hotspots, Turbulenzen und reaktiver freier Radikale innerhalb des Systems. In dieser Studie wurden Chlorophyll a und TOC mithilfe einer Kombination aus hydrodynamischer Kavitation, Ozon und Wasserstoffperoxid aus Wasser entfernt. Die idealen Bedingungen zur Entfernung von Chlorophyll a und TOC sind wie folgt: Kavitationsdruck von 5 bar, Retentionszeit von 90 min, pH-Wert: 5, Durchfluss von 1 m3/h, Abstand von der Öffnung von 25 cm, Ozon von 3 g/h und Wasserstoffperoxid von 2 g/l. Anhand der prozentualen Beiträge jedes Faktors wurde der Kavitationsdruck als der Faktor identifiziert, der beim Abbau von TOC und Chlorophyll a am wirksamsten war (38,64 Prozent bzw. 35,5 Prozent). Es wurde festgestellt, dass H2O2 den geringsten Einfluss auf die Abbaueffizienz hatte (4,24 Prozent bzw. 4,11 Prozent). Im Folgenden sind die Themen und künftigen Forschungsrichtungen aufgeführt, die angesichts der Ergebnisse der Studie sorgfältig geprüft werden sollten.

Der Abstand der Blende vom Anfang des Kavitationsrohrs wurde in dieser Studie berücksichtigt, in früheren Studien jedoch nicht. In dieser Studie wurden Distanzen von 25, 50 und 75 cm bewertet; Zukünftige Studien könnten jedoch zusätzliche Entfernungen untersuchen.

Die Zugabe von Ozon erhöhte die Wirksamkeit der Schadstoffentfernung und verkürzte gleichzeitig die Zeit, die zum Erreichen dieses Ergebnisses erforderlich war. Der Hauptnachteil der alleinigen Verwendung von Ozon in Wasseraufbereitungsanlagen ist der Stoffübergang, hydrodynamische Kavitation kann jedoch den Stoffübergang von Ozon aus der Gasphase ins Wasser erhöhen.

In dieser Studie war der synergistische Effekt der Kombination hydrodynamischer Kavitation mit Wasserstoffperoxid und Ozonoxidantien minimal. Schuld daran können Veränderungen der organischen Belastung und des Algeneintrags in die Kläranlage sein (Tabelle 1). Auf diese Weise konnte die Forschung mit tatsächlichem Rohwasser durchgeführt werden, das in die Sanandaj-Aufbereitungsanlage gelangte.

Im Laufe dieser Studie veränderten sich mehrere Parameter, darunter die Belastung mit organischem Material, der Niederschlag, die Temperatur des Zulaufwassers und die Algenbelastung, was sich darauf auswirkte, wie effektiv die Algen entfernt wurden.

Aufgrund ihrer hohen Effizienz bei der Zerstörung von Mikroalgen bietet die hydrodynamische Kavitation großes Potenzial für die Behandlung nährstoffreicher Wässer. Da keine Sekundärverschmutzung entsteht, ist die hydrodynamische Kavitation auch eine nachhaltige Minderungstechnik.

Enthält Daten, die für die Analyse im Manuskript erforderlich sind. Der korrespondierende Autor ist bereit, die Daten zu klären und stellt entsprechend der Anfrage alle erforderlichen Datensätze zur Verfügung.

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Diese Studie stammt aus einer Doktorarbeit an der Hamadan University of Medical Sciences. Der Stellvertreter für Forschung und Technologie der Hamadan-Universität für medizinische Wissenschaften und die Wasser- und Abwassergesellschaft Kurdistans stellten alle Mittel für die Studie bereit.

Die Studie wurde vom Stellvertreter für Forschung und Technologie der Hamadan University of Medical Sciences (Nr. 140003182237) und der Water and Waste Water Company of Kurdistan unterstützt.

Abteilung für Umweltgesundheitstechnik, School of Public Health, Forschungszentrum für Gesundheitswissenschaften, Hamadan University of Medical Sciences, Hamadan, Iran

Reza Shokoohi, Alireza Rahmani, Ghorban Asgari und Esmaeil Ghahramani

Fakultät für Chemie, Universität Kurdistan, Sanandaj, Kurdistan, Iran

Maysam Ashrafi

Forschungsinstitut für Gesundheitsabteilung, Forschungszentrum für Umweltgesundheit, Medizinische Universität Kurdistan, Sanandaj, Iran

Esmaeil Ghahramani

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Zustimmung zur Veröffentlichung Alle einigen sich auf das Datum des Manuskripts und reichen das endgültige Manuskript zur Genehmigung beim Journal of Scientific Report ein.

Korrespondenz mit Esmaeil Ghahramani.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Shokoohi, R., Rahmani, A., Asgari, G. et al. Die Wirkung des kombinierten Systems aus hydrodynamischer Kavitation, Ozon und Wasserstoffperoxid auf die Entfernung von Chlorophyll a und organischen Substanzen im Rohwasser. Sci Rep 13, 10102 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37167-0

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Eingegangen: 23. April 2023

Angenommen: 16. Juni 2023

Veröffentlicht: 21. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37167-0

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