Ультразвуковая кавитация позволила ускорить очистку биореакторов

Группа ученых Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) представила новую технологию очистки сточных вод, сочетающую сетчатый биореактор с механизмом ультразвуковой самоочистки на основе кратковременной кавитации. Разработка позволяет значительно повысить производительность очистки, снизить энергопотребление и сократить эксплуатационные затраты по сравнению с традиционными мембранными биореакторами (MBR). Данные о разработке опубликованы в журнале Nature Water.

В традиционных MBR-системах разделение очищенной воды и биомассы осуществляется с помощью мембран, которые со временем подвергаются загрязнению. Это требует регулярной химической и механической очистки, а также замены мембран, что существенно увеличивает стоимость эксплуатации. Новая система, получившая название mesh bioreactor (MeBR), использует сетку с размером ячеек от 10 до 200 микрометров, на поверхности которой формируется биослой из удерживаемых частиц и микроорганизмов, выполняющий функцию фильтрации.

Ключевым элементом технологии стала интеграция пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей, создающих кавитацию микропузырьков. Их быстрое формирование и схлопывание обеспечивает удаление загрязнений с поверхности сетки без необходимости остановки процесса. Полная очистка сетки занимает до 10 секунд в аэробных условиях и до 3,8 секунды в анаэробных режимах при очистке бытовых сточных вод.

По данным авторов, производительность системы достигает 148–307 литров на квадратный метр сетки в час, что в 10–20 раз превышает показатели традиционных мембранных биореакторов. При этом содержание взвешенных веществ в очищенной воде остается ниже 20 мг/л, что превышает требования стандартов Гонконга и соответствует нормативам сброса, действующим в большинстве стран мира.

Энергопотребление технологии составляет от 2,5 до 47 Вт·ч на кубический метр сточных вод, что значительно ниже показателей существующих решений. Испытания продолжительностью более 120 дней, а также дополнительные тесты на реальных городских сточных водах показали сохранение механической прочности сеток и стабильное качество очистки.

По оценке разработчиков, использование новой технологии позволяет сократить стоимость очистки сточных вод примерно до половины от затрат, характерных для традиционных MBR-систем. Авторы отмечают, что решение может быть применимо как на муниципальных очистных сооружениях, так и в промышленном секторе, особенно в условиях роста объемов сточных вод, ужесточения нормативов и увеличения стоимости энергии.