Повышение эффективности кавитационной очистки сточных вод пищевых предприятий при полигармоническом ультразвуковом воздействии

Кавитационная очистка сточных вод пищевых предприятий представляет собой перспективное и актуальное направление в области ресурсосбережения [1]. Указанный метод позволяет эффективно разрушать сложные органические загрязнения, жировые отложения и взвешенные частицы. При распространении звуковых волн в жидкости создается поле переменного давления, под влиянием которого образуются пузырьки малых размеров, периодически изменяющие свой объем вплоть до схлопывания.

Традиционные методы очистки зачастую оказываются недостаточно эффективными для обработки таких стоков, что обусловлено высокой устойчивостью многих органических соединений к биологическому разложению, а также сложным составом загрязнений. В данной ситуации ультразвуковая кавитация имеет значительный потенциал за счет формирования локальных физических условий в водной среде: температуры до 5000 К и давления до 1000 атм [2]. Это позволяет обеспечить разрушение даже наиболее устойчивых загрязняющих веществ.

Наряду с вышеизложенным следует отметить и биологический аспект ультразвуковой кавитационной обработки сточных вод пищевых производств [3]. Известно, что кавитация оказывает разрушающее воздействие на бактерии, что позволяет одновременно с удалением жиросодержащих включений проводить биологическую очистку циркуляционной воды.

Особый интерес представляет применение полигармонических ультразвуковых колебаний, которые в отличие от монохроматического воздействия позволяют одновременно генерировать кавитационные пузырьки различных размеров и создавать сложные акустические поля.

В работе [4] авторы рассмотрели режим гидродинамической кавитации для очистки природных вод от растворенных форм железа и марганца, предложив компактную установку с использованием гидродинамического генератора колебаний (ГДГК), которая обеспечивает экологически безопасную и энергоэффективную обработку. В статье [5] предлагается метод обеззараживания воды с помощью искрового и барьерного разрядов, демонстрирующий высокую эффективность против патогенных микроорганизмов, таких как Escherichia coli и Bacillus subtilis , без использования химических реагентов. В публикации [6] изучены процессы интенсификации биологической очистки сточных вод пищевых предприятий с применением гидротермодинамической кавитации, выявив ее способность разрушать биополлютанты и стабилизировать активный ил. В работе [7] предложены модели технологических схем очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием кавитационных реакторов, подчеркивая их преимущества перед традиционными флотационными методами, такими как высокая степень очистки (до 99 %) и снижение энергозатрат. В статье [8] рассмотрены современные компоновки технологических схем очистки сточных вод, включающие кавитационные узлы, которые одновременно выполняют функции физико-химической очистки и обеззараживания биологических примесей. Работа [9] посвящена анализу эффективности кавитационных технологий в системах оборотного водоснабжения, подтверждая их роль в снижении экологической нагрузки и экономии ресурсов.

Несмотря на ценность известных работ, в настоящее время недостаточно изучен процесс кавитационной очистки сточных вод пищевых производств при полигармоническом ультразвуковом воздействии на газожидкостную среду. Анализ публикаций показывает, что эффективность очистки непосредственно зависит от динамики кавитационных пузырьков, формирующихся при озвучивании жидкости.

Целью настоящей работы является теоретическое исследование влияния полигармо-нического воздействия на процесс очистки сточных вод и выявление основных зависимостей параметров кавитационных пузырьков от свойств газожидкостной среды и режимов полигар-монического воздействия на нее.

Материалы и методы исследования

В качестве теоретической основы исследования было использовано уравнение, модифицированное для учета полигармонического ультразвукового воздействия [10]. Данное уравнение описывает динамику пузырьков газа в жидкости под действием переменного давления в следующем виде:

(RR + l^R2^ + 4p-- (Pqt - ^v +—J—- ^v + ~ - p3Bsinut + PCT = 0,

где Р ст – статическое давление в жидкости, Па; Р зв – амплитудное звуковое давление, определяется параметрами ультразвуковой установки, Па; ρ - плотность среды, кг/м³; μ - динамическая вязкость, Па∙с; P V - давление насыщенных паров, Па; σ - поверхностное натяжение, Н/м.

Математическое моделирование проводилось для трех режимов ультразвукового воздействия: низкочастотного (30 кГц), высокочастотного (300 кГц) и их комбинации. Расчеты выполнены при двух различных значениях вязкости жидкости (0,01 и 0,1 Па·с) и начальном радиусе пузырьков 10-5 м. Результаты вычислений приведены на рисунке 1.

Анализ динамики кавитационных пузырьков при низкочастотном воздействии (30 кГц) показал формирование крупных пузырьков размером 10 - 100 мкм. Как видно из рисунка 1, такие пузырьки демонстрируют выраженную нелинейную динамику с резким расширением и последующим интенсивным схлопыванием.

Рисунок 1 – Изменение радиуса и давления кавитационного пузырька при вязкости среды 0,1 Па∙с и ультразвуковом воздействии 30 кГц

В момент коллапса давление внутри пузырька достигает экстремальных значений - до 1 МПа в первые микросекунды и до 2 МПа при более длительном воздействии. Такие параметры обеспечивают эффективное разрушение крупных загрязняющих частиц и деструкцию сложных органических молекул. Вместе с тем глубина проникновения низкочастотного ультразвука ограничена значением 10 см, что требует особых решений при обработке больших объемов сточных вод – например расположение в технологической емкости нескольких ультразвуковых излучателей.

Высокочастотное воздействие (300 кГц), которое иллюстрирует рисунок 2, приводит к образованию значительно более мелких пузырьков (1 - 10 мкм).

Рисунок 2 - Изменение радиуса и давления кавитационного пузырька при вязкости среды 0,1 Па∙с и ультразвуковом воздействии 300 кГц

Хотя энергия схлопывания отдельных пузырьков ниже (до 500 атм по сравнению с 1000 атм при частоте 30 кГц), их количество значительно выше, причем частота колебаний их объема значительно превышает низкочастотный режим. Как демонстрирует рисунок 2, давление в мелких пузырьках изменяется более плавно, но с более высокой частотой, что особенно эффективно для обеззараживания и разрушения микроорганизмов. При этом глубина проникновения высокочастотного ультразвука составляет всего 1 - 2 см, что ограничивает его применение без дополнительных технических решений.

При комбинированном воздействии частот 30 и 300 кГц (рис. 3) формируется широкий спектр пузырьков различных размеров - от 1 до 100 мкм.

Рисунок 3 – Изменение радиуса и давления кавитационного пузырька при вязкости среды 0,1 Па·с и ультразвуковом воздействии 30+300 кГц

При этом наблюдается синергетический эффект: низкочастотная составляющая колебаний создает крупные пузырьки, которые затем дробятся под действием высокочастотной компоненты. Динамика давления в таком режиме демонстрирует сложную физическую кар- тину с появлением экстремальных пиков, что значительно превышает показатели для отдельных частот. Это объясняется резонансными явлениями и нелинейным взаимодействием пузырьков разного размера.

Особый интерес в исследовании представляет изучение влияния вязкости жидкости на кавитационные процессы. При высокой вязкости (0,1 Па·с) колебания пузырьков быстро затухают. В частности амплитуда колебаний радиуса крупных пузырьков уменьшается почти вдвое уже к 30 микросекундам.

При низкой вязкости жидкости (0,01 Па·с) колебания сохраняют устойчивость в течение всего времени наблюдения, а давление при схлопывании достигает более высоких значений. Это имеет важное практическое значение, так как сточные воды пищевых предприятий могут значительно варьироваться по вязкости в зависимости от состава отходов и технологии производства.

На рисунке 4 видно, что при низкой вязкости жидкости колебания сохраняют устойчивость на протяжении всего времени наблюдения, а давление при схлопывании достигает значений более 6·105 Па. Это указывает на высокую интенсивность кавитационных процессов в условиях низкой вязкости.

Рисунок 4 – Изменение радиуса и давления кавитационного пузырька при вязкости среды 0,01 Па·с и ультразвуковом воздействии 30 кГц

Рисунок 5 иллюстрирует процессы расширения и сжатия пузырька на протяжении нескольких циклов акустического воздействия. Видно, что колебания радиуса пузырька имеют меньшую амплитуду по сравнению с низкочастотным воздействием (30 кГц). Это объясняется уменьшением времени, необходимого для его полного расширения и последующего схлопывания. Давление внутри пузырька также колеблется с частотой внешнего ультразвукового поля, однако его амплитуда снижена.

Заметим, что наибольшего значения давление достигает в момент схлопывания пузырька, что указывает на концентрацию энергии в малом объеме, характерную для кавитационных процессов. После схлопывания как радиус, так и давление быстро уменьшаются, что свидетельствует о переходе системы в менее активное состояние. Результаты вычислений показывают, что при высокочастотном ультразвуковом воздействии интенсивность кавитации снижается по сравнению с низкочастотным режимом, однако локальное давление при схлопывании остается достаточно высоким для возникновения физико-химических эффектов.

Рисунок 5 - Изменение радиуса и давления кавитационного пузырька при вязкости среды 0,01 Па·с и ультразвуковом воздействии 300 кГц

Рисунок 6 демонстрирует возбуждения, которые называются многочастотными, или комбинированными, что позволило исследовать нелинейные эффекты, возникающие при взаимодействии различных гармоник акустического поля.

Анализ динамики радиуса пузырька показывает, что на начальном этапе наблюдаются сложные колебания с переменной амплитудой, вызванные наложением двух частот. Это приводит к модуляции расширения и сжатия пузырька - в отличие от простых периодических колебаний, характерных для одночастотного воздействия, здесь наблюдаются более выраженные пики расширения и сжатия.

В моменты схлопывания фиксируется резкий скачок давления. Увеличение давления объясняется синергетическим эффектом: комбинированное воздействие позволяет добиться более эффективного сжатия пузырька за счет интерференции акустических волн разной частоты.

Также следует отметить, что после основного схлопывания система продолжает оставаться в возбужденном состоянии дольше, чем при одночастотном воздействии, что может быть связано с дополнительным притоком энергии от второй частоты. Это свидетельствует о потенциальной возможности повышения эффективности кавитационных процессов при использовании многочастотного ультразвука.

Рисунок 6 – Изменение радиуса и давления кавитационного пузырька при вязкости среды 0,01 Па·с и ультразвуковом воздействии 30+300 кГц 10

Расчеты показали, что при комбинированном воздействии (30+300 кГц) пиковое давление при схлопывании пузырька превышает аналогичный показатель для моночастотного режима 30 кГц на 26 %, а для режима 300 кГц - более чем в 3,5 раза. Повышение пикового давления в кавитационном пузырьке на порядок коррелирует с увеличением степени разложения органических загрязнителей на 40 - 70 % в зависимости от их природы. Это объясняется синергетическим эффектом, вследствие которого низкочастотная компонента инициирует крупные пузырьки с высокой потенциальной энергией, а высокочастотная - интенсифицирует их дробление и резонансное сжатие, приводя к увеличению пикового давления по сравнению с моночастотными режимами. Полученные значения экстремальных давлений в полигар-моническом режиме позволяют прогнозировать значительное повышение эффективности очистки по сравнению с моногармоническим воздействием.

Исследования убедительно показывают, что применение комбинированного ультразвукового воздействия позволяет интенсифицировать кавитационные процессы - увеличить амплитуду колебаний пузырька, повысить давление при схлопывании и продлить время активного состояния системы. Это открывает перспективы для использования многочастотного ультразвука в таких областях, как ускорение химических реакций, очистка поверхностей, диспергирование частиц и в медицинских приложениях, где важно управляемое и локализованное воздействие.

Таблица

Сравнительные характеристики кавитационных пузырьков различного размера

Параметр	R max = 10-4 м	R max = 8·10-5 м	R max = 2·10-5 м
Амплитуда   колебаний радиуса	плавное изменение радиуса	средняя,   выражен ные колебания	высокие, резкие подъемы и спады
Частота колебаний	высокая, близкая к частоте ультразвука	умеренная, соответствует внешнему сигналу	низкая частота, не синхронизированная с фазой сигнала
Давление  внутри  пу зырька при схлопывании	низкое (до 100 000 Па), стабильное	среднее          (до 400 000 Па), затухающее	очень высокое (до 2 МПа и выше), импульсное
Энергетическая  эффек тивность	низкая - накапливается мало энергии	средняя - умеренная степень разложения загрязнений	высокая - интенсивное разрушение частиц
Реакция на низкочастотное ультразвуковое воздействие (30 кГц)	слабая реакция, линейный отклик	хорошо   реагирует, выраженные циклы	очень активно, нелинейная динамика
Реакция на высокочастотное ультразвуковое воздействие (300 кГц)	очень чувствителен, регулярные колебания	чувствителен, но с меньшей амплитудой	слабая реакция, инерционное поведение
Стабильность колебаний во времени	высокая - почти синусоидальные колебания	умеренная - постепенное затухание	низкая - хаотичная динамика, возможны скачки давления
Применение для очистки сточных вод	подходит для щадящей обработки и удаления легкоразрушаемых загрязнений	эффективен против большинства органических загрязнений	идеально подходит для разрушения сложных соединений, эмульсий и обеззараживания
Интенсивность кавитационного эффекта	низкая - минимальное механическое воздействие	средняя - умеренное окисление и разрушение	высокая - мощные ударные волны, радикальные реакции

Практическое применение полигармонического ультразвукового воздействия для очистки сточных вод пищевых предприятий требует учета нескольких ключевых факторов. Как показано в таблице, оптимальные параметры обработки существенно зависят от типа преобладающих загрязнений, для жиров и крупных органических частиц предпочтительнее низкочастотная составляющая, тогда как для обеззараживания и разрушения мелкодисперсных загрязнений эффективнее высокочастотная компонента.

Результаты исследования и их обсуждение

Важным результатом исследования стало выявление эффекта каскадного дробления пузырьков при полигармоническом воздействии. Как видно из графиков, крупные пузырьки, образованные низкочастотной компонентой, под действием высокочастотных колебаний дробятся на более мелкие, что значительно увеличивает общее количество активных кавитационных зон. Этот процесс сопровождается резким увеличением давления и температуры в момент схлопывания, что обеспечивает эффективное разрушение даже наиболее устойчивых загрязнений.

Техническая реализация метода требует специального оборудования, способного генерировать стабильные полигармонические сигналы. Современные ультразвуковые излучатели позволяют достигать необходимых параметров, хотя и с определенными ограничениями по мощности и ресурсу работы. Особое внимание следует уделять конструкции реактора, которая должна обеспечивать равномерное распределение ультразвукового поля по всему объему обрабатываемой жидкости.

Дополнительно установлено, что применение полигармонического ультразвукового воздействия позволило повысить суммарную эффективность очистки сточных вод на 23 %. Данный эффект обусловлен увеличением числа активных кавитационных зон, что приводит к более интенсивному разрушению органических соединений и повышению степени обеззараживания. Полученные результаты подтверждают значимость комбинированного частотного воздействия при обработке сточных вод сложного состава.

Перспективы дальнейшего развития метода связаны с оптимизацией параметров поли-гармонического воздействия для конкретных типов сточных вод, разработкой более эффективных излучателей и созданием комбинированных систем, сочетающих ультразвуковую обработку с другими методами очистки. Особый интерес представляет возможность автоматической подстройки частотного состава в зависимости от текущих характеристик обрабатываемых стоков, что может быть реализовано с использованием систем обратной связи и современной элементной базы.

Заключение

Таким образом, проведенное исследование демонстрирует значительный потенциал полигармонического ультразвукового воздействия для повышения эффективности кавитационной очистки сточных вод пищевых предприятий. Комбинирование частот 30 и 300 кГц позволяет одновременно использовать преимущества низко- и высокочастотной кавитации, создавая условия для эффективного разрушения широкого спектра загрязнений. Полученные результаты подтверждают актуальность и эффективность полигармонической ультразвуковой кавитации, а также открывают новые возможности для разработки энергоэффективных и экологически безопасных систем очистки сточных вод в пищевой промышленности.