Berbagai Solusi untuk Pemulihan Fosfor dari Lumpur Limbah Perkotaan

Fosfor merupakan sumber daya mineral penting yang pasokan alaminya menyusut dengan cepat. Oleh karena itu, pemerintah Jerman menetapkan melalui peraturan bahwa mulai 2029 sebagian besar fosfor harus dipulihkan dari lumpur limbah. Penerapan ultrasonik berdaya tinggi membuka berbagai pilihan untuk mengintensifkan pemulihan fosfor dari lumpur limbah perkotaan.

Instalasi Pengolahan Lumpur Limbah dan Daur Ulang Fosfor

Fosfor merupakan unsur penting yang banyak digunakan sebagai pupuk dan bahan baku dalam industri kimia murni dan farmasi. Karena sumber daya yang tersedia menyusut dengan cepat, pemerintah Jerman telah memberlakukan undang-undang yang mewajibkan semua instalasi pengolahan air limbah perkotaan untuk menetapkan langkah-langkah pemulihan fosfor dari lumpur limbah perkotaan. Penerapan ultrasonik berkinerja tinggi menawarkan berbagai pilihan pengolahan yang secara signifikan meningkatkan efisiensi pemulihan fosfor.

Instalasi pengolahan air limbah menggunakan ultrasonik untuk meningkatkan pencernaan lumpur dan pemulihan nutrien seperti fosfor.

Disintegrasi Lumpur Limbah dengan Ultrasonik untuk Meningkatkan Pemulihan Fosfor

Pemaparan lumpur limbah terhadap gelombang ultrasonik berdaya tinggi telah terbukti secara jelas meningkatkan disintegrasi biomassa dalam lumpur limbah. Berbagai penelitian telah menunjukkan manfaat pengolahan lumpur aktif sisa dengan ultrasonik, dan berbagai sistem ultrasonik industri beroperasi di instalasi pengolahan air limbah perkotaan di Jerman.
Praperlakuan ultrasonik terhadap substrat dalam lumpur limbah memberikan beberapa efek menguntungkan bagi proses pencernaan anaerobik. Manfaat ini mencakup pengurangan ukuran partikel, peningkatan laju hidrolisis, dan pemendekan waktu retensi hidraulik.
Gaya geser kavitasi yang dihasilkan oleh gelombang ultrasonik berintensitas tinggi / berfrekuensi rendah menyebabkan perombakan morfologi flok lumpur dan struktur mikroba dalam lumpur.
Tim peneliti Nguyen menunjukkan dalam penelitian mereka “bahwa penerapan ultrasonik sangat efektif dalam mengurangi ukuran partikel biomassa, dengan mencapai penurunan hingga ukuran partikel rata-rata >78,78% yang sebanding dengan durasi dan intensitas paparan iradiasi ultrasonik. Hal ini menunjukkan bahwa partikel lumpur mengalami disintegrasi dan ukuran partikel lumpur menurun, berdasarkan hubungan berbanding terbalik antara waktu sonikasi dan ukuran partikel flok. Penerapan ini sangat efektif, meskipun pengamatan flok lumpur sebelum perlakuan menunjukkan bahwa flok lumpur padat dan sangat kompak, tersusun dari banyak subkompartemen dengan inti yang kompak, kelompok sel, koloni bakteri, protozoa, dan bakteri berfilamen, serta unsur lainnya. Analisis efluen menunjukkan bahwa proses ultrasonik secara signifikan merusak integritas struktural flok lumpur dari semua ukuran. Potongan flok diperkecil hingga ≤6,5 μm pada kondisi perlakuan optimal, dan terlarut dalam bubur lumpur setelah 5–10 min perlakuan ultrasonik dengan frekuensi ultrasonik rendah sebesar 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Lumpur limbah yang terdisintegrasi secara efisien, yaitu lumpur yang disonikasi, menunjukkan peningkatan sifat pemisahan yang signifikan sehingga memungkinkan pemisahan fraksi kaya fosfor dari biomassa dan fraksi menyerupai gel serta air. Kavitasi ultrasonik mendisrupsi struktur sel biomassa dalam lumpur limbah dan mempermudah fraksinasi selanjutnya menjadi tiga fraksi, yaitu (i) serat kaya selulosa, (ii) gel kaya nutrien, dan (iii) cairan yang mudah difermentasi. Ketiga fraksi lumpur ini dapat diproses lebih lanjut, misalnya untuk pemulihan fosfor, penghilangan logam berat, dan sebagainya.

Presipitasi Fosfor secara Kimia Basah yang Diintensifkan dengan Ultrasonik

Ultrasonikasi merupakan teknik yang dikenal luas dan telah lama digunakan dalam bidang kimia untuk presipitasi mineral, partikel, dan kristal yang berhasil dan efektif. Untuk pemulihan fosfor dari lumpur limbah, sonikasi diterapkan guna mendorong dan mempercepat presipitasi struvit. Struvit (magnesium amonium fosfat) merupakan mineral fosfat dengan rumus NH₄MgPO₄·6H₂ O, yang menawarkan solusi sederhana untuk menghilangkan fosfor dalam bentuk terikat dari lumpur limbah.
Selama proses kristalisasi / presipitasi struvit, ion PO₄^3-, NH₄⁺, dan Mg²⁺ dikeluarkan dari fase cair akibat presipitasi struvit, hingga reaksi mencapai kesetimbangan.

Kristal struvit yang diendapkan dari efluen peternakan babi.
(gambar dan penelitian: ©Kim et al. 2017)

Ketika ultrasonikasi diterapkan sebagai praperlakuan lumpur sebelum proses presipitasi struvit, kavitasi yang diinduksi secara ultrasonik menghasilkan pencampuran menyeluruh pada tingkat molekuler yang menyediakan luas permukaan aktif untuk pertumbuhan kristal. Peningkatan laju pelarutan zat ekstraseluler dan intraseluler juga mendukung presipitasi struvit dengan meningkatkan bioavailabilitas ion NH₄⁺ dan PO₄^3- . Perlakuan sonikasi mempermudah perpindahan massa melalui bubur lumpur, yang disebabkan oleh kavitasi ultrasonik.
Sonikasi juga dapat diterapkan pada cairan karbonisasi hidrotermal, di mana fosfor didaur ulang sebagai struvit dari cairan karbonisasi hidrotermal melalui ekstraksi dan presipitasi berbantuan ultrasonik.
Baca selengkapnya tentang presipitasi struvit skala besar untuk pemulihan fosfor dari lumpur limbah!

Sono-Fenton untuk Pelepasan Fosfor dari Lumpur Limbah

Penelitian Gong et al. (2015) menunjukkan efisiensi praperlakuan gabungan ultrasonik–Fenton (juga dikenal sebagai sono-Fenton) untuk disintegrasi lumpur limbah. Penerapan perlakuan ultrasonik–Fenton secara signifikan meningkatkan pelepasan karbon, nitrogen, dan fosfor. Perlakuan sono-Fenton meningkatkan nitrogen total (N) dan fosfor (P) masing-masing sebesar 1,7 dan 2,2 kali lipat dibandingkan dengan perlakuan Fenton saja. Setelah perlakuan sono-Fenton, lumpur menunjukkan ukuran partikel yang jauh lebih halus dan mikrostruktur yang lebih renggang berdasarkan mikroskopi elektron pemindai. Dengan menggunakan resonansi spin elektron, intensitas sinyal OH• tertinggi meningkat dari 568,7 pada perlakuan Fenton menjadi 1106,3 setelah perlakuan sono-Fenton. Hal ini menunjukkan bahwa perlakuan sono-Fenton menginduksi disintegrasi lumpur dan secara signifikan meningkatkan pelepasan karbon organik, nitrogen, dan fosfor.

Sel Bahan Bakar Mikroba yang Diintensifkan dengan Ultrasonik

Praperlakuan ultrasonik terhadap lumpur limbah mendorong pelarutan berbagai senyawa organik dari matriks lumpur, yang selanjutnya mempercepat elektrohidrogenesis mikroba.
More dan Ghangrekar (2010) mengaitkan efek menguntungkan praperlakuan sonikasi pada sel bahan bakar mikroba dengan peningkatan aktivitas enzimatik serta ketersediaan protein, polisakarida, dan enzim ekstraseluler, yang dilepaskan dari lapisan dalam flok lumpur ke lapisan luar melalui sonoporasi ultrasonik dan disrupsi sel, sehingga meningkatkan efisiensi pemanfaatan substrat. Untuk meningkatkan perolehan listrik dari sel bahan bakar mikroba, diperlukan peningkatan kemampuan bakteri dalam mentransfer elektron ke zat padat ekstraseluler. Transfer elektron ekstraseluler ini dapat terjadi melalui kontak langsung antara permukaan sel dan permukaan padatan atau secara tidak langsung melalui mediator yang disebut eksogen dan endogen. Untuk transfer elektron langsung antara bakteri dan permukaan elektrode, elektron harus mencapai membran luar sel. Fenomena ini mungkin terjadi akibat praperlakuan ultrasonikasi yang diberikan pada inokulum ketika energi spesifik yang dipasok memadai; sehingga mendukung efisiensi Coulomb yang lebih tinggi.
Proses elektrolisis mikroba yang diintensifkan dengan ultrasonik dapat digabungkan dengan proses fermentasi lanjutan untuk pengolahan lumpur.

Pengolahan Lumpur Limbah secara Sonoelektrokimia

Elektrokoagulasi merupakan 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 pasivasi pada elektrode. Lapisan pasif yang terbentuk pada permukaan elektrode seiring waktu secara drastis mengurangi efisiensi sistem elektrokoagulasi, dan ultrasonik merupakan metode sederhana untuk menghilangkan lapisan pasivasi ini secara kontinu selama operasi, sementara sonikasi sekaligus meningkatkan kapasitas pemrosesan sistem elektrokoagulasi. Gelombang ultrasonik menguraikan endapan yang terbentuk pada permukaan elektrode dan menghasilkan spesies radikal dalam jumlah besar untuk menghilangkan polutan dengan menciptakan titik-titik bertekanan tinggi di dalam larutan selama fenomena kavitasi. Dengan menggabungkan elektrokoagulasi dan ultrasonik, karena terbentuknya permukaan baru pada elektrode akibat kavitasi atau aliran mikro, pengurangan ketebalan lapisan distribusi diperkuat oleh peningkatan laju perpindahan massa. Sonoelektrokoagulasi meningkatkan jumlah koagulan yang terbentuk dibandingkan dengan elektrokoagulasi, dan flokulasi ditingkatkan melalui pencampuran ekstrem serta oksidasi akibat pembentukan radikal bebas; dengan demikian, efisiensi yang diinginkan dapat dicapai dalam waktu sesingkat mungkin.
(Moradi et al., 2021)

Keunggulan Sonoelektrokimia dan Sonoelektrokoagulasi

“Sonoelektrokimia merupakan penggabungan energi ultrasonik dalam sistem elektrokimia yang menawarkan beberapa keunggulan, termasuk penghilangan gelembung gas pada permukaan elektrode, penghilangan gas dari larutan, perusakan lapisan difusi Nernst, peningkatan perpindahan massa spesies elektroaktif melalui lapisan ganda, serta aktivasi dan pembersihan permukaan elektrode. Manfaat dalam elektrokimia ini menghasilkan peningkatan efisiensi proses (efisiensi elektrode dan arus), peningkatan laju dan hasil elektrokimia, penurunan tegangan sel dan potensial lebih elektrode, peningkatan material hasil elektrodeposisi dalam hal kekerasan, kualitas, porositas, dan ketebalan, serta penekanan pengotoran elektrode dan pelepasan gas pada permukaan elektrode.” (Foroughi et al., 2021)
Baca selengkapnya tentang peralatan sonoelektrokimia dan aplikasinya!

Sistem Ultrasonik Industri untuk Pengolahan Lumpur Limbah

Sistem berkinerja tinggi Hielscher Ultrasonics merupakan andalan yang dapat dipercaya di instalasi pengolahan air limbah dan lumpur limbah. Sistem ultrasonik Hielscher menghasilkan ultrasonik berdaya tinggi pada 20kHz, yang menciptakan kavitasi akustik intens. Efek perlakuan ultrasonik berdaya tinggi kami mencakup disrupsi sel dan disintegrasi, perpindahan massa yang tinggi, disinfeksi, penguraian polimer, pelepasan enzim, dan homogenisasi lumpur. Sonikasi berintensitas tinggi meningkatkan efisiensi pengolahan melalui pembentukan radikal oksidatif dan peningkatan jumlah lokasi nukleasi, sehingga memastikan koagulasi dan flokulasi yang lebih baik. Pembangkitan gaya kavitasi ultrasonik yang intens beserta efeknya secara andal dan kontinu memungkinkan integrasi prosesor ultrasonik berdaya tinggi kami untuk berbagai aplikasi guna meningkatkan perolehan energi dan nutrien dari lumpur limbah.

• Disintegrasi lumpur limbah dengan ultrasonik
• Pencernaan anaerobik yang diintensifkan dengan ultrasonik
• Pemulihan nutrien berharga (fosfor, nitrogen, magnesium, kalsium, kalium, dan sebagainya)
• Penghilangan kontaminan seperti logam berat

Dengan menawarkan prosesor ultrasonik yang dilengkapi reaktor alir dalam berbagai ukuran, Hielscher Ultrasonics memiliki sistem pengolahan air limbah dan lumpur dengan ultrasonik yang ideal untuk fasilitas lumpur limbah Anda.
Desain modular memungkinkan pemasangan beberapa unit ultrasonik secara paralel dengan mudah, sehingga pengolahan yang andal dan efisien dapat dilakukan untuk volume berapa pun.
Sistem ultrasonik Hielscher berdaya tinggi / berkapasitas pemrosesan tinggi meningkatkan efisiensi dan hasil pengolahan biomassa dalam lumpur limbah.
Semua ultrasonikator kami dilengkapi fitur pembersihan di tempat (CIP).
Cocok untuk pengolahan yang menantang: Lumpur limbah sering mengandung material berserat dengan kandungan selulosa tinggi yang sulit didisintegrasi. Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan. Amplitudo setinggi ini merupakan cara efektif untuk mendisrupsi struktur seluler selulosa, lignin, dan dinding sel yang kuat pada material lainnya. Desain reaktor sel alir kami yang dioptimalkan memastikan pola aliran ideal serta perlakuan ultrasonik yang seragam dan efisien terhadap lumpur yang diumpankan.

Kami Bekerja Sama dengan Integrator Sistem dan Insinyur Instalasi Pengolahan 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 sama dengan integrator sistem yang berpengalaman dalam perancangan dan otomatisasi instalasi pemurnian tersebut. Tim insinyur desain dan insinyur teknis kami merekomendasikan konfigurasi ultrasonik optimal untuk volume lumpur yang ditargetkan, menyediakan informasi sistem terperinci, gambar CAD, serta layanan pemasangan dan pelatihan pengoperasian. Hal ini memungkinkan pelaksanaan integrasi ultrasonik berkinerja tinggi di instalasi pengolahan limbah secara konstruktif dan berorientasi pada tujuan. Silakan hubungi kami jika Anda tertarik mengintegrasikan prosesor ultrasonik kami untuk meningkatkan pengolahan lumpur!

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:

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