Berbagai Solusi untuk Pemulihan Fosfor dari Lumpur Limbah Kota

Fosfor adalah mineral sumber daya penting, yang pasokan alaminya berkurang dengan cepat. Akibatnya, pemerintah Jerman memberlakukan dengan dekrit bahwa mulai tahun 2029 fosfor sebagian besar harus dipulihkan dari lumpur limbah. Penerapan ultrasound daya membuka berbagai opsi untuk mengintensifkan pemulihan fosfor dari lumpur limbah kota.

Pabrik Pengolahan Lumpur Limbah dan Daur Ulang Fosfor

Fosfor adalah elemen penting, banyak digunakan sebagai pupuk dan bahan baku dalam industri kimia dan farmasi. Karena sumber daya yang tersedia yang menyusut dengan cepat, pemerintah Jerman telah menerapkan undang-undang di mana semua pabrik pengolahan air limbah kota harus melakukan pengukuran untuk memulihkan fosfor dari lumpur limbah kota. Penerapan ultrasound berkinerja tinggi menawarkan berbagai pilihan pengobatan, yang meningkatkan efisiensi pemulihan fosfor secara signifikan.

Pabrik air limbah menggunakan ultrasound untuk meningkatkan pencernaan lumpur dan pemulihan nutrisi seperti fosfor.

Disintegrasi Lumpur Limbah Ultrasonik untuk Peningkatan Pemulihan Phorsphorus

Menyinari lumpur limbah dengan gelombang ultrasound yang kuat telah ditunjukkan dengan jelas untuk meningkatkan disintegrasi biomassa dalam lumpur limbah. Berbagai penelitian telah menunjukkan manfaat pengolahan lumpur aktif limbah ultrasonik dan berbagai sistem ultrasound industri berjalan di pabrik pengolahan air limbah kota di Jerman.
Perlakuan awal ultrasonik substrat dalam lumpur limbah memiliki beberapa efek menguntungkan untuk proses pencernaan anaerobik. Manfaat ini termasuk mengurangi ukuran partikel, meningkatkan laju hidrolisis, dan mempersingkat waktu retensi hidrolik.
Gaya geser kavitasi yang dihasilkan oleh gelombang ultrasound intensitas tinggi? frekuensi rendah menyebabkan pecahnya morfologi flok lumpur dan struktur mikroba lumpur.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Lumpur limbah yang hancur secara efisien, yaitu Lumpur sonikasi, menunjukkan sifat pemisahan yang meningkat secara signifikan yang memungkinkan untuk menghilangkan fraksi kaya fosfor dari biomassa dan fraksi seperti gel serta air. Kavitasi ultrasonik mengganggu struktur sel biomassa dalam lumpur limbah dan memfasilitasi fraksinasi berikutnya menjadi tiga fraksi (i) serat kaya selulosa, (ii) gel kaya nutrisi, dan (iii) cairan yang mudah difermentasi. Ketiga fraksi lumpur ini dapat diproses lebih lanjut, misalnya pemulihan fosfor, penghilangan logam berat, dll.

Presipitasi Kimia-Basah Fosfor yang Diintensifkan Secara Ultrasonik

Ultrasonikasi adalah teknik terkenal yang digunakan sejak lama dalam kimia untuk pengendapan mineral, partikel dan kristal yang siccessous dan berkhasiat. Untuk pemulihan fosforis dari lumpur limbah, sonikasi diterapkan untuk mempromosikan dan mempercepat pengendapan struvite. Struvite (magnesium amonium fosfat) adalah mineral fosfat dengan rumus NH₄MgPO₄· 6H₂ O, yang menawarkan solusi sederhana untuk menghilangkan fosfor dalam bentuk terikat dari lumpur limbah.
Selama proses kristalisasi? presipitasi struvite, ion PO₄^3-NH₄⁺, dan mg²⁺ dikeluarkan dari fase cair karena pengendapan struvite, sampai reaksi mencapai kesetimbangan.

Kristal struvite yang diendapkan dari limbah babi.(gambar dan studi: ©Kim et al. 2017)

Ketika ultrasonikasi diterapkan sebagai pra-perawatan lumpur sebelum proses pengendapan struvite, kavitasi yang diinduksi secara ultrasonik memberikan pencampuran menyeluruh pada tingkat molekuler yang menyediakan luas permukaan aktif untuk pertumbuhan kristal. Peningkatan laju pelarutan zat ekstraseluler dan intraseluler, selanjutnya menguntungkan pengendapan struvite dengan meningkatkan ketersediaan hayati NH₄⁺ dan PO₄^3- Ion. Perlakuan sonikasi menghasilkan transfer massa yang difasilitasi melalui bubur, yang disebabkan oleh kavitasi ultrasonik.
Sonikasi juga dapat diterapkan pada cairan karbonisasi hidrotermal, di mana fosfor didaur ulang sebagai struvite dari cairan karbonisasi hidrotermal melalui ekstraksi dan pengendapan yang dibantu ultrasonik.
Baca lebih lanjut tentang presipitasi struvite skala besar untuk pemulihan fosfor dari lumpur limbah!

Sono-Fenton untuk Pelepasan Fosfor dari Lumpur Limbah

Studi Gong et al. (2015) menunjukkan efisiensi pra-pengolahan ultrasound-Fenton gabungan (juga dikenal sebagai sono-Fenton) untuk disintegrasi lumpur limbah. Menerapkan perawatan ultrasound-Fenton secara signifikan meningkatkan pelepasan karbon, nitrogen, dan fosfor. Perlakuan sono-Fenton meningkatkan total nitrogen (N) dan fosfor (P) masing-masing sebesar 1,7 dan 2,2 kali lipat, jika dibandingkan dengan perlakuan Fenton saja. Setelah perawatan sono-Fenton, lumpur menunjukkan ukuran partikel yang jauh lebih halus dan struktur mikro yang lebih longgar berdasarkan pemindaian mikroskop elektron. Menggunakan resonansi spin elektron, intensitas sinyal OH• tertinggi meningkat dari 568,7 dengan perlakuan Fenton menjadi 1106,3 setelah perlakuan sono-Fenton. Ini menunjukkan bahwa perawatan sono-Fenton menginduksi disintegrasi lumpur dan meningkatkan pelepasan karbon organik, nitrogen, dan fosfor secara signifikan.

Sel Bahan Bakar Mikroba yang Diintensifkan Secara Ultrasonik

Pretreatment ultrasonik lumpur limbah mendorong pelarutan berbagai senyawa organik dari matriks lumpur, yang kemudian mempercepat elektrohidrogenesis mikroba.
More dan Ghangrekar (2010) berkontribusi pada efek menguntungkan dari pra-perawatan sonikasi pada sel bahan bakar mikroba untuk meningkatkan aktivitas enzimatik dan ketersediaan protein ekstraseluler, polisakarida dan enzim, yang dilepaskan dari lapisan dalam flok lumpur ke lapisan luar oleh sonoporasi ultrasonik dan gangguan sel, menghasilkan peningkatan efisiensi pemanfaatan substrat. Untuk meningkatkan pemanenan listrik dari sel bahan bakar mikroba, peningkatan kemampuan transfer elektron bakteri ke zat padat ekstraseluler diperlukan. Transfer elektron ekstraseluler ini dapat terjadi baik dalam kontak langsung antara permukaan sel dan permukaan padat atau secara tidak langsung melalui apa yang disebut mediator eksogen dan endogen. Untuk transfer elektron langsung antara bakteri dan permukaan elektroda, elektron harus mencapai membran luar sel. Fenomena ini mungkin terjadi karena pra-perawatan ultrasonikasi yang diberikan pada inokulum ketika energi spesifik yang disuplai memadai; karenanya, mendukung efisiensi Coulombic yang lebih tinggi.
Proses elektrolisis mikroba yang diintensifkan secara ultrasonik dapat dikombinasikan dengan proses fermentasi berikutnya untuk pengolahan lumpur.

Pengolahan Lumpur Limbah Sono-Elektrokimia

Elektrokoagulasi adalah proses sederhana, yang dapat dengan mudah diterapkan pada air limbah dan memungkinkan pengolahan volume besar secara efisien dan hemat biaya. Ultrasonikasi membantu mengatasi kelemahan utama proses elektrokoagulasi dengan mencegah pembentukan lapisan pasif dari elektroda. Film pasif yang terbentuk pada permukaan elektroda dari waktu ke waktu, secara drastis mengurangi efisiensi sistem elektrokoagulasi dan ultrasound adalah metode mudah untuk menghilangkan lapisan pasif ini secara terus menerus selama operasi, sementara pada saat yang sama sonikasi meningkatkan pergantian sistem elektrokoagulasi. Gelombang ultrasonik memecah sedimen yang terbentuk di permukaan elektroda dan menghasilkan spesies radikal dalam jumlah tinggi untuk menghilangkan polutan dengan menciptakan titik tekanan tinggi di dalam larutan selama fenomena kavitasi. Dengan menggabungkan elektrokoagulasi dengan ultrasonik, karena penciptaan permukaan baru pada elektroda dengan kavitasi atau micro-streaming, penurunan ketebalan lapisan distribusi diperburuk dengan meningkatkan laju perpindahan massa. Sono-elektrokoagulasi meningkatkan jumlah pembentukan koagulan dibandingkan dengan elektrokoagulasi, dan flokulasi ditingkatkan dengan pencampuran ekstrim dan oksidasi oleh pembentukan radikal bebas; Oleh karena itu mencapai efisiensi yang diinginkan dimungkinkan dalam waktu singkat.
(Moradi dkk., 2021)

Keuntungan Sonoelectrochemistry dan Sonoelectrocoagulation

“Sonoelectrochemistry is the combination of ultrasonic energy in an electrochemical system that offers several advantages, including gas bubble removal at the electrode surface, solution degassing, disruption of the Nernst diffusion layer, enhancement of the mass transport of electroactive species through the double layer, and the activation and cleaning of the electrode surface. These benefits in electrochemistry lead to improved process efficiencies (electrode and current efficiencies), increased electrochemical rates and yields, decreased cell voltages and electrode overpotentials, improved electrodeposited materials in terms of hardness, quality, porosity and thickness, and the suppression of electrode fouling and degassing at the electrode surface.” (Foroughi et al., 2021)
Baca lebih lanjut tentang peralatan sono-elektrokimia dan aplikasinya!

Sistem Ultrasonik Industri untuk Pengolahan Lumpur Limbah

Sistem berkinerja tinggi Hielscher Ultrasonics adalah pekerja keras yang andal di pabrik pengolahan lumpur air limbah dan limbah. Sistem ultrasonik Hielscher memberikan ultrasound berdaya tinggi pada 20kHz, yang menciptakan kavitasi akustik yang intens. Efek dari perawatan ultrasonik berdaya tinggi kami meliputi gangguan dan disintegrasi sel, transfer massa tinggi, desinfeksi, dekomposisi polimer, pelepasan enzim dan homogenisasi lumpur. Sonikasi intensitas tinggi meningkatkan efisiensi pengobatan melalui pembentukan radikal oksidatif dan dengan peningkatan situs nukleasi, memastikan koagulasi dan flokulasi yang lebih baik. Generasi yang andal dan berkelanjutan dari gaya kavitasi ultrasonik yang intens ini dan efeknya memungkinkan untuk mengintegrasikan prosesor ultrasonik kami yang kuat untuk berbagai aplikasi untuk meningkatkan panen energi dan nutrisi dari lumpur limbah.

• Disintegrasi ultrasonik lumpur limbah
• Pencernaan anaerobik yang diintensifkan secara ultrasonik
• Pemulihan nutrisi berharga (fosfor, nitrogen, magnesium, kalsium, kalium, dll.)
• Penghapusan kontaminan seperti logam berat

Menawarkan prosesor ultrasonik dengan reaktor flow-through pada berbagai ukuran, Hielscher Ultrasonics memiliki sistem pemboros limbah ultrasonik dan pengolahan lumpur yang ideal untuk fasilitas lumpur limbah Anda.
Desain modular memungkinkan pemasangan sederhana dari beberapa unit ultrasonik secara paralel, yang memungkinkan perawatan yang andal dan efisien dari volume apa pun.
Sistem ultrasonik berdaya tinggi? throughput tinggi Hielscher meningkatkan efisiensi dan hasil dalam pengolahan biomassa dalam lumpur limbah.
Semua ultrasonicator kami memiliki fitur pembersihan di tempat (CIP).
Cocok untuk perawatan yang menuntut: Lumpur limbah sering mengandung bahan berserat dengan kandungan selulosa tinggi, yang sulit hancur. Ultrasonik Hielscher’ prosesor ultrasonik industri dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Amplitudo tinggi seperti itu adalah cara yang efektif untuk mengganggu struktur seluler selulosa, lignin dan dinding sel yang kuat dari bahan lain. Desain reaktor sel aliran kami yang dioptimalkan memastikan pola aliran yang ideal dan perawatan ultrasonik yang seragam dan efisien dari lumpur yang diumpan.

Kami Bekerja dengan Integrator Sistem dan Insinyur Pabrik Lumpur Limbah

Sebagai produsen dan pembangun sistem unit modular ultrasonik berkinerja tinggi, Hielscher Ultrasonics bekerja sama dengan integrator sistem. Sebagian besar operator instalasi pengolahan air limbah dan lumpur limbah bekerja dengan integrator sistem, yang berpengalaman dalam desain dan otomatisasi pabrik pemurnian tersebut. Tim insinyur desain dan insinyur teknis kami merekomendasikan konfigurasi ultrasonik yang optimal untuk volume lumpur yang ditargetkan, memberikan informasi sistem terperinci, gambar CAD, serta layanan instalasi dan pelatihan operasional. Hal ini memungkinkan implementasi integrasi ultrasound berkinerja tinggi yang konstruktif dan berorientasi pada tujuan di instalasi pengolahan limbah. Silahkan hubungi kami jika Anda tertarik untuk mengintegrasikan prosesor ultrasonik kami untuk perawatan lumpur yang lebih baik!

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:

Hubungi kami sekarang untuk mendapatkan detail lebih lanjut tentang sistem pengolahan lumpur limbah ultrasonik Hielscher, opsi pemasangan, dan informasi teknis!