Developing an ultrasound-based water treatment system

Abstract

This dissertation examined the effects of ultrasound in different stages of a Wastewater Treatment Plant (WWTP), focusing on adsorption and oxidation processes. Additionally, it provided guidance for the proper design of an ultrasound-assisted equipment aimed at water treatment. Initially, the physical effects of ultrasound treatment on water were explored. The initial understanding of these phenomena guided the research in two distinct directions. On one hand, the feasibility of combining ultrasound treatment with existing adsorption mechanisms was investigated. On the other hand, the potential of this technology in isolation for wastewater treatment was examined. In the context of wastewater treatment, sensors were developed to monitor acoustic cavitation within the ultrasound equipment. After validating the sizing of this equipment, a study was conducted at a WWTP to evaluate the effectiveness of ultrasound treatment in water contaminated with various pollutants and organisms. The application of ultrasound proved impactful in the initial moments. When applied to ultra-filtered water, ultrasound treatment (Is=20.7 ± 1.6 W·cm−2 ) in the first 18 seconds resulted in a 2.7-fold increase in ORP and a 2.29-fold reduction in pH. The combination of ultrasound treatment with the organic compound ”Nutrimais da Lipor” in adsorption resulted in a Cu removal rate of 82%, surpassing conventional mechanical action by 4.3 times. The removal of CIP was accelerated, reaching the maximum adsorption capacity (70%) in 1 minute, being 1.75 times more effective than the mechanical approach. With the Kaolin adsorbent, both methods showed comparable results after 1 minute. Regarding the treatment of contaminated water at the WWTP, the developed sensors for monitoring acoustic cavitation identified cavitation thresholds and transition zones, confirming the geometric dimensions of the ultrasound chamber. Applying ultrasound treatment with different powers (200 W, 400 W, and 800 W) showed a significant variation in physicochemical parameters in the first 5 minutes, followed by stabilization and return to initial values. COD decreased in the first 2 to 5 minutes, then returned to initial values. These results highlight the potential of ultrasound treatment, especially in the initial stages of application, for accelerating processes and the possibility of integration with other methods.

A presente dissertação analisou os efeitos do ultrassom em diferentes fases de uma Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), com foco nos processos de adsorção e oxidação. Além disso, apresentou orientações para a conceção adequada de um equipamento auxiliado por ultrassom. Inicialmente, exploraram-se os efeitos físicos do tratamento por ultrassons na água. A compreensão inicial desses fenômenos orientou a pesquisa em duas direções distintas. Por um lado, investigou-se a viabilidade da combinação do tratamento por ultrassons com mecanismos já existentes de adsorção. Por outro lado, examinou-se o potencial desta tecnologia, de forma isolada, no tratamento de águas residuais. No âmbito do tratamento de águas residuais, foram desenvolvidos sensores para monitorizar a cavitação acústica dentro do equipamento de ultrassom. Após validar o dimensionamento deste equipamento, conduziu-se um estudo numa ETAR para avaliar a eficácia do tratamento por ultrassons em água contaminada por diversos poluentes e organismos. A aplicação do ultrassom mostrou-se impactante nos momentos iniciais. Quando aplicado em água ultrafiltrada, o tratamento por ultrassons (Is=20.7 ± 1.6 W·cm−2 ) nos primeiros 18 segundos provoca um aumento de 2.7 vezes do ORP e numa redução de 2.29 vezes do pH. A combinação de tratamento por ultrassons com o composto orgânico ”Nutrimais da Lipor” na adsorção, resultou numa taxa de remoção de Cu de 82%, superando 4.3 vezes a ação mecânica convencional. A remoção de CIP foi acelerada, atingindo a capacidade máxima de adsorção (70%) num 1 minuto, sendo 1.75 vezes mais eficaz que a abordagem mecânica. Com o adsorvente Caulim, ambos os métodos apresentaram resultados comparáveis após 1 minuto. Relativamente ao tratamento de água contaminada da ETAR, os sensores desenvolvidos para monitorizar a cavitação acústica permitiram identificar os limiares de cavitação e as zonas de transição, bem como confirmar as dimensões geométricas da câmara de ultrassom. Aplicando o tratamento por ultrassons com diferentes potências (200 W, 400 W e 800 W), observou-se uma variação acentuada nos parâmetros físico-químicos nos primeiros 5 minutos, seguida de estabilização e retorno aos valores iniciais. A COD diminuiu nos primeiros 2 a 5 minutos, para então retornar aos valores iniciais. Estes resultados destacam o potencial do tratamento por ultrassom, nomeadamente nas fases iniciais de aplicação, no acelerar de processos e na possibilidade de integração com outros.