Penerapan Teknologi Pembersihan Kimia Online untuk Aerator Gelembung Halus di Instalasi Pengolahan Air Limbah
Aerator gelembung halus banyak digunakan sebagai peralatan aerasi di instalasi pengolahan air limbah karena strukturnya yang sederhana, efisiensi penggunaan oksigen yang tinggi, kinerja yang andal, pori-pori yang tahan terhadap penyumbatan, pencegahan aliran balik air limbah, distribusi tekanan melingkar yang seragam, masa pakai yang lama, pemasangan dan pemeliharaan yang mudah, dan biaya sistem yang rendah. Sebagai komponen utama pasokan oksigen dalam pengolahan air limbah, sistem aerasi gelembung halus rentan terhadap penyumbatan akibat pengotoran dan biofilm selama pengoperasian-jangka panjang, sehingga menimbulkan tantangan besar dalam mempertahankan kinerjanya. Teknologi pembersihan kimia online memberikan solusi efektif untuk masalah ini.
1. Terbentuknya dan Bahaya Tersumbatnya Gelembung Halus Aerator
Setelah dioperasikan dalam waktu lama, aerator gelembung halus rentan terhadap penyumbatan, biasanya dikategorikan sebagai "penyumbatan internal" dan "penyumbatan eksternal" berdasarkan bentuk penyumbatan polutan. "Penyumbatan internal" mengacu pada pengendapan partikel halus seperti partikel koloid dan makromolekul terlarut dari campuran cairan di dalam pori-pori, yang menyebabkan penyumbatan pori. "Penyumbatan eksternal" mengacu pada pengendapan zat kerak pada permukaan membran yang menghadap sisi air. Jenis penyumbatan ini cenderung terus meningkatkan resistensi pelepasan udara pada membran, menyebabkan peningkatan tekanan pada membran dan pembesaran ukuran pori secara bertahap. Seiring waktu, hal ini dapat dengan mudah menyebabkan robeknya membran. Setelah membran robek, dampaknya mulai dari hilangnya efisiensi aerasi hingga kerusakan struktural pada sistem, yang berpotensi mengharuskan penghentian untuk pemeliharaan atau penggantian aerator.
Masalah penyumbatan pada aerator gelembung halus membawa peningkatan risiko operasional:
- Dari segi biaya konsumsi listrik: Saat aerator tersumbat, tekanan pipa meningkat, memaksa blower beroperasi dalam kondisi-beban,-energi-konsumsi tinggi. Hal ini meningkatkan konsumsi daya dan juga mempengaruhi umur blower.
- Dari perspektif risiko lingkungan: Aerasi yang tidak merata mengurangi laju perpindahan oksigen, membatasi fleksibilitas kontrol proses, dan dapat sangat mempengaruhi kualitas limbah dalam kasus yang serius.
- Dari segi biaya ekonomi: Biaya pembersihan manual setelah mengosongkan tangki tinggi.
- Dari perspektif keselamatan: Pembersihan manual setelah pengosongan memerlukan pemasukan tangki untuk pembuangan lumpur, yang melibatkan pemasukan ruang terbatas dan pekerjaan listrik sementara, sehingga meningkatkan risiko bahaya listrik dan keselamatan pribadi.Gambar 1menunjukkan fenomena penumpukan lumpur akibat penyumbatan aerator.
Oleh karena itu, pemeliharaan dan pembersihan aerator gelembung halus secara rutin sangat penting untuk memastikan kinerja operasionalnya. Metode pemeliharaan dan pembersihan aerator tradisional memerlukan pengosongan total tangki reaksi biologis. Pemeliharaan-skala besar dan pembersihan fasilitas pengolahan air limbah dapat memengaruhi pengolahan dan pembuangan air limbah secara normal, atau memerlukan persetujuan dari departemen pemerintah terkait jika dilakukan di lokasi tertentu (seperti area yang tercakup dalam jaringan drainase perkotaan atau zona perlindungan sumber air minum). Proses ini melibatkan berbagai operasi berbahaya (misalnya, masuk ke ruang terbatas) dengan berbagai risiko dan kerugian, menimbulkan beban ekonomi yang signifikan dan potensi biaya (misalnya, koordinasi dengan hubungan pemerintah, berkurangnya kapasitas pengolahan selama pemeliharaan, penyesuaian kualitas air, risiko keselamatan) pada instalasi pengolahan air limbah. Tekanan dan tantangan yang ditimbulkan oleh pengosongan untuk pemeliharaan membuat kelayakan pengosongan rutin untuk pembersihan aerator menjadi relatif lemah.
Mengingat banyaknya kelemahan pembersihan manual tradisional setelah pengosongan-biaya tinggi, risiko operasional tinggi, dan efektivitas pembersihan yang kurang optimal-penelitian tentang pembersihan online aerator gelembung halus menggunakan perangkat pengukur bahan kimia online dalam kondisi aerasi normal sangatlah penting.
Studi ini memilih proyek pabrik sebagai lokasi uji lapangan untuk teknologi pembersihan kimia online. Pabrik tersebut memiliki total kapasitas pengolahan air limbah sebesar 600.000 ton per hari, dibangun dalam empat tahap. Proyek-tahap ketiga memiliki kapasitas pengolahan sebesar 100.000 ton per hari, menggunakan proses AAO; proyek-tahap keempat memiliki kapasitas pengolahan sebesar 200.000 ton per hari, menggunakan proses MBR. Kualitas limbah memenuhi standar Grade A GB 18918-2002 "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota". Pembersihan online dilakukan pada aerator gelembung halus di tangki aerobik tahap ketiga dan keempat, yang telah beroperasi selama 6-7 tahun.
2. Prinsip Teknologi Pembersihan Kimia Online
Teknologi pembersihan kimia online melibatkan penambahan bahan kimia tertentu ke sistem aerasi untuk melarutkan atau membubarkan zat yang menyumbat melalui tindakan kimia. Agen ini bisa bersifat asam, basa, pengoksidasi, atau pengkhelat. Misalnya, beberapa zat asam dapat melarutkan endapan basa seperti kalsium karbonat, sedangkan zat pengoksidasi dapat menguraikan sumbatan organik yang dihasilkan oleh mikroorganisme.
2.1 Analisis Polutan Umum
Polutan yang menempel pada permukaan aerator beragam, dan komposisinya berkaitan erat dengan karakteristik air limbah, proses pengolahan, dan kondisi operasional. Polutan umum dianalisis sebagai berikut:
- Polutan Anorganik: Termasuk senyawa kalsium dan magnesium, sulfida, oksida logam, dan hidroksida, terutama yang berasal dari pengendapan kimia dan supersaturasi ion. Dampak utamanya pada aerator meliputi penyumbatan pori-pori, penurunan efisiensi aerasi, peningkatan konsumsi energi sistem, peningkatan ketahanan aerasi, dan penurunan efisiensi transfer oksigen.
- Polutan Organik: Termasuk biofilm mikroba, partikel organik tersuspensi, lemak/minyak, dan koloid organik. Biofilm mikroba terutama terbentuk karena kolonisasi mikroba dan adhesi zat polimer ekstraseluler (EPS). Bahayanya termasuk menciptakan lingkungan mikro anaerobik dan melepaskan gas beracun (misalnya H₂S). Koloid organik terbentuk karena interaksi hidrofobik dan adsorpsi elektrostatik, menciptakan lapisan hidrofobik yang menghambat pelepasan gas dan mempengaruhi keseragaman aerasi.
- Polutan Komposit (Skala Campuran Anorganik-Organik): Termasuk kerak campuran biologis-kimia dan partikel lumpur, yang sebagian besar terbentuk melalui jebakan fisik dan ikatan kimia. Dampaknya antara lain menutupi permukaan aerator, mengurangi area aerasi efektif, mempercepat penuaan peralatan, dan memperpendek siklus perawatan.
Melalui inspeksi pemeliharaan sistem aerasi pabrik, masalah berikut teridentifikasi: ① Pengoperasian aerator di bawah air yang berkepanjangan, ditambah dengan peningkatan masa pakai, menyebabkan penuaan yang signifikan pada segel O-ring di titik sambungan, sehingga mengakibatkan kebocoran gas; ② Selama pengoperasian, pengendapan lumpur secara terus menerus dan penyesuaian pengendalian proses produksi mengakibatkan konsentrasi lumpur yang lebih tinggi di area tertentu, secara tidak langsung menyebabkan kerak yang parah pada permukaan membran aerator, seperti yang ditunjukkan padaGambar 2; ③ Ketika konsentrasi lumpur dalam tangki reaksi biologis terlalu tinggi, umur lumpur akan bertambah, meningkatkan kebutuhan oksigen terlarut untuk aktivitas mikroba normal dan meningkatkan kebutuhan pada sistem pasokan oksigen; ④ Peningkatan kepadatan cairan campuran dalam tangki aerasi meningkatkan resistensi, menyebabkan konsumsi daya yang lebih tinggi untuk aerasi mekanis atau blower; ⑤ Beberapa kotoran telah menembus pori-pori aerasi, mempengaruhi aerasi sistem, seperti yang ditunjukkan pada gambarGambar 3. Berdasarkan penyebab terbentuknya polutan, diketahui bahwa kerak pada permukaan aerator mengandung polutan anorganik, bahan organik, protein, dan lain-lain.
2.2 Pemilihan Bahan Pembersih
Untuk jenis polusi membran, bahan pembersih kimia yang sesuai perlu dipilih. Agen ini dapat menembus pori-pori aerasi di dinding pipa ke ruang antara membran dan dinding pipa, sehingga permukaan membran dan pori-porinya dibersihkan. Pemilihan jenis bahan pembersih harus didasarkan pada sifat fisikokimia membran, jenis polutan, dan tingkat pengotoran. Bahan pembersih harus dapat terurai secara hayati dan-tidak beracun bagi organisme, mampu menghilangkan kerak anorganik secara efektif dari dinding pipa udara dan di dalam diffuser. Produk tersebut harus memiliki kemampuan pembersihan yang baik terhadap penyumbatan (juga dikenal sebagai "penyumbatan-fase gas") yang disebabkan oleh kontaminan, partikel, atau debu di udara masuk sistem aerasi blower, kebocoran oli dari blower, dan karat dari pipa udara internal.
Bahan pembersih alkali termasuk natrium hidroksida, natrium karbonat, natrium fosfat, natrium silikat, kalium hidroksida, dll. Natrium hidroksida adalah bahan kimia umum dalam proses pengolahan air limbah untuk meningkatkan pH air limbah, sehingga dapat dipilih sebagai bahan pembersih basa.
Bahan pembersih yang bersifat asam antara lain asam sulfat, asam klorida, asam nitrat, asam sitrat, asam oksalat, asam fosfat, dll. Mengingat sitrat memiliki kemampuan pengkelat yang kuat untuk ion seperti mangan dan besi, dan dalam praktiknya, dibandingkan dengan asam mineral, asam sitrat relatif lemah, kurang korosif terhadap peralatan, lebih aman, dan mudah terurai secara hayati oleh mikroorganisme, asam sitrat dipilih sebagai bahan pembersih yang bersifat asam.
Tabel 1menunjukkan kategori dan kinerja bahan pembersih yang biasa digunakan untuk pengotoran membran.
2.3 Desain Alat Kebersihan Online
Mengingat tekanan dalam pengoperasian sistem aerasi gelembung halus dan banyaknya pipa cabang, merancang perangkat dosis online yang sesuai untuk aerator gelembung halus sangatlah penting. Alat pembersih dosing yang dirancang pada penelitian ini meliputi unit disolusi/pengenceran dan unit dosing, seperti terlihat padaGambar 4.
Unit pembubaran/pengenceran terutama terdiri dari tangki persiapan, pengaduk, dan pengukur level, yang digunakan untuk melarutkan dan mengencerkan bahan. Dengan menyuntikkan sejumlah air ke dalam tangki persiapan, menambahkan zat, dan memulai pengaduk, zat dengan konsentrasi tertentu dapat disiapkan untuk digunakan oleh unit takar.
Unit dosis terutama terdiri dari tangki dosis, katup buang, katup dosis, katup keseimbangan, katup umpan, dan beberapa sistem perpipaan. Bagian bawah tangki takar dihubungkan ke pipa takaran, yang selanjutnya bercabang menjadi beberapa sub-pipa takar. Semua sub-pipa takar dihubungkan satu-ke-satu dengan beberapa pipa cabang aerasi, yang selanjutnya dihubungkan ke beberapa aerator gelembung halus, sehingga mencapai tujuan membersihkan aerator gelembung halus.
Selama penerapan, lubang berukuran Φ15 mm dibor di setiap pipa cabang aerasi tangki reaksi biologis sebagai tempat pemberian dosis, yang melaluinya pipa dosis nilon dipasang untuk mengalirkan bahan ke aerator gelembung halus, sehingga mengurangi kehilangan bahan. Bersamaan dengan itu, dilakukan pengeboran lubang tambahan pada pipa cabang aerasi sebagai pipa gas penyeimbang untuk menyamakan tekanan antara dosing tank dan pipa cabang aerasi. Lubang yang dibor pada pipa cabang aerasi ditutup dengan sumbat selama pengoperasian normal, dan sambungan terminal cepat-dipasang selama pemberian dosis untuk memungkinkan pemasangan dan pelepasan dengan cepat.
3. Penerapan Alat Pembersih Dosing Online
Dalam percobaan pembersihan takaran online ini, aerator gelembung halus ditempatkan di tangki biologis. Larutan pembersih khusus disuntikkan ke dalam membran aerator gelembung halus melalui pipa cabang aerasi, memungkinkannya mengalir menuju sisi umpan untuk menguraikan bahan organik yang menempel pada permukaan membran, sehingga memulihkan perbedaan tekanan transmembran dan mencapai efek pembersihan. Desain eksperimen didasarkan pada tiga variabel: jenis bahan, konsentrasi bahan, dan waktu pembersihan. Skema pengujian ditunjukkan padaTabel 2.
3.1 Analisis Efek Pembersihan Dosis Online
Setelah pembersihan, pengamatan sensorik terhadap permukaan aerasi di lokasi menunjukkan ukuran gelembung yang lebih kecil keluar dari permukaan tangki aerasi dan aerasi yang lebih seragam.Gambar 5menunjukkan tampilan sensorik aerasi sebelum dan sesudah pembersihan.
Setelah pembersihan dengan jenis bahan dan konsentrasi yang berbeda, aerator secara konsisten menunjukkan peningkatan laju aliran dan penurunan tekanan pipa, dengan laju aliran pulih. Efisiensi aerasi dipulihkan ke tingkat yang berbeda-beda setelah perawatan dengan metode pembersihan yang berbeda. Data gabungan mengenai peningkatan aliran udara dan penurunan tekanan pipa menunjukkan bahwa jenis bahan, konsentrasi, dan waktu pembersihan yang berbeda memiliki efek yang berbeda-beda terhadap pemulihan aerator.Gambar 6 dan 7menunjukkan perubahan laju aliran dan tekanan masing-masing sebelum dan sesudah pembersihan.
Efisiensi pemulihan aerator setelah pembersihan natrium hidroksida sedikit lebih rendah dibandingkan setelah asam sitrat. Kelarutan natrium hidroksida yang tinggi dalam air menyebabkan pelepasan panas yang signifikan selama pembubaran. Ditambah dengan higroskopisitas, alkalinitas, dan sifat korosifnya yang kuat, sifat-sifat ini memerlukan tindakan pencegahan ekstra dalam pengoperasian praktis. Dari sudut pandang keselamatan operasi pembersihan, natrium hidroksida bukanlah bahan pembersih pilihan. Oleh karena itu, ketika memilih bahan pembersih, keselamatan dan kenyamanan operasionalnya harus dievaluasi secara cermat untuk memastikan keselamatan operator dan efektivitas pembersihan yang optimal.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa setelah pembersihan takaran online, aerasi dalam tangki biologis menjadi lebih seragam, laju aliran aerator gelembung halus meningkat, tekanan pipa menurun secara signifikan, dan efek pembersihan luar biasa.
3.2 Keuntungan Teknis
- Mengurangi Waktu Henti: Dibandingkan dengan pembersihan pembongkaran tradisional, pembersihan dosis online tidak memerlukan penghentian sistem aerasi, menghindari gangguan dalam proses pengolahan air limbah, dan mengurangi efisiensi pengolahan yang disebabkan oleh penghentian.
- Meningkatkan Efisiensi Pembersihan: Agen dapat menembus jauh ke dalam pori-pori, secara efektif membersihkan-untuk-menjangkau area yang tersumbat. Setelah penerapan di beberapa instalasi pengolahan air limbah domestik, keseragaman aerasi meningkat secara nyata, dan efisiensi transfer oksigen meningkat secara signifikan.
- Mengurangi Intensitas dan Biaya Tenaga Kerja: Menghilangkan kebutuhan akan pembongkaran dan pemasangan kembali aerator secara manual, mengurangi tenaga kerja manual dan risiko kerusakan peralatan akibat seringnya pembongkaran, sehingga menghemat biaya pemeliharaan. Biaya pembersihan kimia online untuk aerator gelembung halus adalah 0,47 RMB/ton, sedangkan biaya pembersihan manual tradisional untuk aerator lama adalah 13,3 RMB/ton. Diperkirakan penghematan tahunan pada biaya pembersihan aerator gelembung halus berjumlah 515.000 RMB. Dibandingkan dengan pembersihan manual tradisional pada aerator lama, pembersihan kimia secara online menawarkan keuntungan ekonomi yang signifikan.
- Memperpanjang Umur Peralatan Aerasi: Melalui pembersihan kimia online, efek aerasi aerator gelembung halus ditingkatkan secara efektif, meningkatkan kinerja aerator dan, sampai batas tertentu, memperpanjang masa pakai peralatan aerasi, sehingga secara efektif mengurangi beban blower.
- Memberikan Lebih Banyak Pilihan untuk Penjadwalan Produksi dan Rencana Pemeliharaan: Melalui pembersihan bahan kimia online, distribusi gelembung menjadi lebih seragam, tekanan pipa udara berkurang secara efektif, laju aliran meningkat secara signifikan, sangat meningkatkan laju transfer oksigen dan memberikan jaminan yang kuat untuk pengaturan kualitas air.
4. Kesimpulan
Teknologi pembersihan kimia online untuk aerator gelembung halus memiliki nilai penerapan yang signifikan di instalasi pengolahan air limbah. Melalui penerapannya yang rasional, masalah penyumbatan pada aerator gelembung halus dapat diatasi secara efektif, kinerja sistem aerasi ditingkatkan, waktu henti dan biaya operasional berkurang, serta pengoperasian instalasi pengolahan air limbah yang stabil dan efisien dapat dipastikan. Keterbatasan pembersihan manual tradisional akan mendorong industri menuju pembersihan online. Munculnya peralatan baru dan sistem kendali cerdas secara signifikan mengurangi kesulitan operasional pembersihan online. Ditambah dengan kebijakan dan peraturan lingkungan yang menekankan netralitas karbon dan daur ulang sumber daya air, yang secara tidak langsung akan mendorong penerapan teknologi pembersihan online. Di masa depan, formulasi bahan dapat dioptimalkan, dan teknologi pembersihan sinergis multi-agen dapat diteliti. Selain itu, strategi pengendalian takaran dan penelitian mengenai kecerdasan peralatan dapat dilakukan agar dapat lebih beradaptasi dengan kebutuhan berbagai instalasi pengolahan air limbah.