Studi Retrofit dan Kinerja Sistem-Aerasi Gelembung Halus di Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota

Studi Retrofit dan Kinerja Sistem-Aerasi Gelembung Halus di Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota

Perkenalan

Saat ini, proses pengolahan air limbah utama yang digunakan di China meliputi saluran oksidasi, SBR, lumpur aktif, dan lain-lain. Proses saluran oksidasi mempunyai permasalahan konsumsi energi yang tinggi, terutama pada bagian biologis yang menyumbang 65% –80% dari total konsumsi energi. Peralatan aerasi yang umum digunakan dalam proses saluran oksidasi meliputi sikat aerasi, cakram aerasi, aerator poros vertikal, dan-aerator gelembung halus. Misalnya, setelah instalasi pengolahan air limbah kota di kota tertentu berubah dari aerasi mekanis permukaan tradisional menjadi aerasi gelembung halus bawah, konsumsi energi menurun sebesar 20,11%, sementara kualitas air pengolahan menjadi lebih stabil. Selain itu, aerasi-gelembung halus memiliki karakteristik pasokan oksigen yang dikategorikan, yang dapat memberikan pasokan oksigen yang tepat sesuai dengan kebutuhan oksigen di berbagai area saluran oksidasi, sehingga semakin meningkatkan efisiensi penghilangan nitrogen dan fosfor.

Sistem aerasi permukaan pada instalasi pengolahan air limbah kota tertentu telah beroperasi selama lebih dari sepuluh tahun, dengan peralatan yang menua dan kesulitan operasional yang serius. Sulitnya memenuhi standar pembuangan terbaru, sehingga renovasi teknis menjadi mendesak. Proyek ini meningkatkan sistemnya menjadi sistem-aerasi gelembung halus, yang dapat mengurangi konsumsi energi secara signifikan, mengoptimalkan pengoperasian, memperpanjang masa pakai peralatan, dan mengurangi biaya pemeliharaan, selaras dengan kebijakan konservasi energi dan pengurangan emisi nasional. Proyek renovasi ini menerapkan praktik konstruksi ramah lingkungan selama pembongkaran dan pemasangan peralatan: daur ulang peralatan lama yang diklasifikasikan, penerapan instalasi prefabrikasi, dan penggunaan mesin-kebisingan rendah,-emisi rendah, mencapai penghematan energi-dimensi-konstruksi" dan mendukung pembangunan berkelanjutan dari instalasi pengolahan air limbah.

1 Ikhtisar Proyek

1.1 Situasi Saat Ini

Instalasi pengolahan air limbah kota di kota tertentu mempunyai kapasitas total 50.000 ton/hari, dibangun dalam tiga tahap. Tahap I mengadopsi proses saluran oksidasi, Tahap II dan proyek pengolahan lanjutan juga mengadopsi proses saluran oksidasi, dengan pengolahan lanjutan berikutnya menggunakan sedimentasi koagulasi + filtrasi media kain + proses desinfeksi ultraviolet. Fase III mengadopsi proses A²O yang dimodifikasi. Saat ini efluennya sudah memenuhi standar DB32/1072-2018.

1.2 Permasalahan yang Ada

1.2.1 Dampak Jaringan Pipa Eksternal

Air limbah dalam lingkup pengumpulan jaringan pipa pabrik ini mencakup kontribusi dari banyak perusahaan industri. Dalam pengoperasian sehari-hari, dapat terjadi dampak kelainan air limbah dari perusahaan industri yang menyebabkan nilai DO pada tangki biologis menjadi sangat rendah, bahkan mencapai 0 mg/L sehingga tidak memenuhi kebutuhan produksi. Sementara itu, karena perubahan kondisi eksternal, seiring dengan semakin banyaknya perusahaan industri di wilayah layanan yang membuang air limbah ke jaringan pipa, pabrik ini akan menghadapi kualitas air influensa yang lebih parah di masa mendatang. Ketika influen berfluktuasi, oksigen terlarut dalam tangki biologis akan berkurang secara signifikan, dan rentang penyesuaian volume aerasi dari cakram yang berputar menjadi terbatas. Dalam beberapa periode, DO dalam tangki aerobik mencapai 0 mg/L, yang memaksa pabrik untuk mengurangi kapasitas pengolahan sebagai responsnya, yang secara signifikan berdampak pada lingkungan aerobik tangki biologis dan kapasitas pengolahan.

1.2.2 DO Rendah pada Tangki Aerasi

Karena kegagalan fungsi cakram berputar yang menyebabkan rendahnya efisiensi oksigenasi aerator, selama operasi produksi sebenarnya, data operasi historis menunjukkan bahwa nilai DO rata-rata dari instrumen di tengah dan outlet tangki aerasi tidak melebihi 1 mg/L, dengan nilai DO terendah mencapai 0 mg/L, sangat mempengaruhi efektivitas reaksi biokimia.

1.2.3 Konsumsi Energi Tinggi

Tangki biologis Tahap I dan II pabrik ini berbentuk saluran oksidasi. Parit oksidasi tahap I menggunakan 8 buah aerator cakram berputar dengan daya 18,5 kW, dengan total daya aerator permukaan sebesar 148 kW. Saluran oksidasi fase II adalah jenis saluran Carrousel empat-saluran, menggunakan 13 aerator-self-priming Hitachi, termasuk 2 set berkekuatan 11 kW, 2 set berkekuatan 18,5 kW, dan 9 set berkekuatan 15 kW, dengan total daya aerator permukaan sebesar 194 kW. Dalam pengoperasian normal, untuk memastikan volume air yang cukup, karena rendahnya efisiensi oksigenasi pada peralatan pasokan oksigen yang ada, semua aerator harus dihidupkan sepenuhnya.

Konsumsi daya per ton air untuk aerator Tahap I dan II adalah: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/ton. Berdasarkan survei konsumsi daya sistem biologis di beberapa instalasi pengolahan air limbah domestik kota di sekitarnya, konsumsi energi untuk instalasi air limbah domestik kota berkapasitas 25.000 ton/hari yang menggunakan sistem aerasi gelembung halus bawah umumnya 0,09–0,1 RMB/ton. Konsumsi energi dari aerator cakram berputar adalah 2,4–2,7 kali lipat dibandingkan sistem aerasi gelembung halus bagian bawah, yang menunjukkan konsumsi energi yang relatif tinggi.

1.2.4 Tingkat Kegagalan Peralatan yang Tinggi

Seiring bertambahnya usia aerator cakram berputar, tingkat kegagalan peralatan secara bertahap meningkat. Setelah 11 tahun beroperasi di pabrik ini, sistem aerasi cakram berputar mengalami deformasi cakram, menyebabkan beban peralatan yang tinggi dan getaran yang signifikan. Penggunaan jangka panjang-menyebabkan kendornya bagian bawah, mengakibatkan ketidakselarasan pada kedua ujungnya dan masalah lainnya, menyebabkan peningkatan keausan bantalan dan tingkat kegagalan yang tinggi. Poros utama, impeler, kopling, dan roda gigi dasar telah mengalami beberapa kali perbaikan atau penggantian, yang pada dasarnya mencapai titik penggantian. Bantalan dan bilah kepala aerator dari-aerator self priming sudah sangat aus. Statistik terbaru menunjukkan bahwa pabrik tersebut mengalami hampir 30 perbaikan setiap tahunnya untuk aerator cakram berputar dan aerator pemancing otomatis.

2 Desain Solusi Teknis Retrofit

Pendekatan retrofit secara keseluruhan adalah: lepaskan aerator cakram berputar asli dan ganti dengan aerasi-gelembung halus bagian bawah, dengan penambahan blower yang sesuai; meninggikan bendungan limbah tangki biologis untuk meningkatkan kedalaman air efektif tangki biologis; tambahkan mixer di bagian aerobik menggunakan struktur saluran asli untuk mencegah akumulasi lumpur lokal.

2.1 Pemilihan dan Tata Letak Aerator

2.1.1 Parameter Cakram Aerator

Cakram aerator membran EPDM model DD330 dipilih, seperti yang ditunjukkan padaGambar 1, dengan parameter spesifik ditampilkan diTabel 1.

2.1.2 Tata Letak Cakram Aerator

Jumlah cakram aerator: Luas jaring dasar tangki Tahap I 864 m², luas jaring dasar tangki Tahap II 1.412 m², luas servis rata-rata 0,8 m²/cakram, dengan faktor keamanan 1,05–1,10. Jumlah akhir cakram aerator yang ditentukan: cakram Tahap I 1.150, cakram Tahap II 1.900.

Prinsip tata letak: Didistribusikan secara merata dalam pola kotak segitiga biasa. Jarak bebas dari dinding tangki lebih besar dari atau sama dengan 0,3 m untuk menghindari zona mati; jarak bebas dari dinding partisi saluran Lebih besar dari atau sama dengan 0,4 m untuk memudahkan pemeliharaan. Partisi sepanjang arah aliran air, dengan satu katup pengatur udara listrik per zona untuk mencapai kendali zona DO. Hindari lubang hisap pompa lumpur, bak pengambilan sampel, dan baki kabel, sesuaikan jarak secara lokal hingga 1,5 m sambil menjaga area servis per cakram Kurang dari atau sama dengan 0,8 m².

Ketinggian pemasangan dan tingkatan pipa: Permukaan atas cakram membran berjarak 0,25 m dari dasar tangki, memastikan perendaman lebih besar dari atau sama dengan 5,0 m pada ketinggian air minimum untuk mencegah lonjakan kipas. Pipa cabang menggunakan ABS DN50 dengan distribusi udara berlubang; pipa utama disusun melingkar, dengan kecepatan udara dikontrol pada 10–12 m·s⁻¹, material SS304. Sepasang fitting sambungan cepat flensa-disediakan untuk setiap 10 cakram, memungkinkan pengangkatan keseluruhan untuk pemeliharaan tanpa menguras tangki.

2.2 Optimasi Sistem Blower

2.2.1 Menambahkan Blower

Blower suspensi udara impor dibeli sebagai unit utama, dan ruang blower baru dibangun dengan tambahan saluran udara baja tahan karat.

2.2.2 Pemilihan Blower

Berdasarkan kondisi operasi aktual instalasi dan mempertimbangkan perubahan kualitas air di masa depan, konsentrasi COD influen dalam rencana retrofit tidak berbeda secara signifikan dari nilai desain, dengan konsentrasi rata-rata sekitar 320 mg/L. Konsentrasi BOD dihitung berdasarkan nilai desain Fase III sebesar 150 mg/L, dan indikator influen lainnya dihitung berdasarkan konsentrasi influen desain Fase III. Volume udara operasional yang dibutuhkan untuk Pabrik Tahap I dan II adalah 103,7 m³/mnt (6,225.1 m³/h, dua unit tugas dan satu standby, satu unit volume udara 50 m³/mnt).

Dengan mempertimbangkan berbagai faktor secara komprehensif, dua blower suspensi udara impor NX75-C060 dibeli sebagai unit utama untuk Tahap I dan II. Ruang blower baru perlu dibangun, sementara terletak di sisi selatan bengkel dewatering lumpur yang asli, dengan saluran udara baja tahan karat ditambahkan ke saluran oksidasi. Parameter blower: tekanan udara 0,049 MPa, volume udara 50 m³/menit, dengan daya keluaran maksimum 64,3 kW dalam kondisi pengoperasian ini.

2.2.3 Retrofit Sistem Aerasi

Metode aerasi diubah menjadi aerasi bawah. Tangki biologis Tahap I dan II menggunakan jumlah aerator cakram dan pipa aerasi UPVC yang sesuai. Pendekatan retrofit khusus: Tangki biologis Tahap I diharapkan menggunakan 780 set aerator cakram DD330 dan pipa aerasi UPVC, Tangki biologis Tahap II diharapkan menggunakan 1.276 set aerator cakram DD330 dan pipa aerasi UPVC, dengan volume udara operasi aerator tunggal sebesar 3,45 m³/jam. Tata letak kepala aerator ditunjukkan padaGambar 2 dan 3.

2.3 Optimasi Parameter Proses

2.3.1 Zonasi Saluran Oksidasi dan Strategi Pengendalian DO

Sepanjang arah aliran air saluran oksidasi, bagian aerasi dibagi menjadi empat zona. Zona 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Zona 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Zona 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Zona 4: DO 1,0–1,5 mg/L. Instrumen proses nitrogen amonia dipasang pada titik laju reaksi nitrifikasi tertinggi antara Zona 2 dan Zona 3, yang pada akhirnya mengendalikan limbah NH₃-N Kurang dari atau sama dengan 1,5 mg/L.

2.3.2 Optimasi Periode Aerasi

Modul "aerasi intermiten" ditambahkan ke sistem SCADA yang ada, membentuk instrumen DO online + loop tertutup ganda waktu untuk memastikan DO di tengah bagian aerobik tetap pada 0,2 mg/L. Jika LAKUKAN<0.2 mg/L at the end of the air-off period, an additional 5 minutes of micro-aeration is automatically added (to protect mixers). After the cycle count reaches 12 times (6×24/120=12), the blower is forced to rest for 30 minutes (to prevent overheating from frequent start-stop cycles).

3 Analisis Efek Retrofit

Dampak dari retrofit rekayasa ini terhadap operasi proses secara keseluruhan diperiksa dengan membandingkan perubahan polutan limbah sebelum dan sesudah retrofit.

3.1 Perbandingan Kualitas Air Efluen Sebelum dan Sesudah Retrofit

Kualitas air limbah sebelum dan sesudah retrofit cenderung stabil, seperti terlihat pada gambarGambar 4. Sebelum dan sesudah retrofit, rata-rata COD limbah cair tetap di bawah 30 mg/L, TP pada dasarnya tetap Kurang dari atau sama dengan 0,3 mg/L, NH₃-N Kurang dari atau sama dengan 1,5 mg/L, sedangkan TN berfluktuasi sekitar 10 mg/L. Kualitas air secara keseluruhan mencapai kuasi-standar air permukaan Kelas IV, jauh melebihi standar pembuangan yang disyaratkan untuk pembangkit listrik.

Untuk menganalisis secara lebih intuitif kemungkinan dampak retrofit terhadap kualitas air,-tren kualitas air limbah satu tahun sebelum dan sesudah retrofit dibandingkan, sehingga menghasilkanGambar 5. Terlihat dari gambar bahwa tanpa mempertimbangkan dampak perubahan konsentrasi influen, fluktuasi konsentrasi COD dan TP efluen setelah retrofit lebih stabil dibandingkan sebelum retrofit. Meskipun nilai rata-rata indikator nitrogen meningkat dibandingkan sebelum retrofit, tren keseluruhannya relatif stabil, sehingga menurunkan konsumsi energi pabrik secara keseluruhan dan penghematan bahan kimia.

3.2 Perbandingan Penghapusan Polutan Sebelum dan Sesudah Retrofit

Karena perbaikan sistem aerasi, konsumsi listrik pabrik secara keseluruhan menurun sebesar 1,7% dibandingkan sebelumnya, sementara kapasitas pengolahan meningkat sebesar 8,33%, dan pengurangan polutan juga meningkat, seperti yang ditunjukkan padaGambar 6. Setelah dihitung, penurunan COD meningkat sebesar 948,5 ton, TP meningkat sebesar 7,0 ton, NH₃-N meningkat sebesar 100,4 ton, dan TN meningkat sebesar 125,9 ton.

Penghapusan polutan sebenarnya juga berubah, seperti yang ditunjukkan padaTabel 2. Setelah retrofit, kecuali penurunan laju penghilangan NH₃-N, laju penghilangan untuk semua indikator lainnya meningkat.

3.3 Perbandingan Konsumsi Energi Sebelum dan Sesudah Retrofit

Konsumsi energi dari proyek retrofit ini ditunjukkan padaTabel 3. Setelah retrofit, konsumsi daya per ton air untuk sistem aerasi tangki biologis Tahap I menurun sebesar 67,3%, dan untuk Tahap II menurun sebesar 80,9%. Konsumsi daya rata-rata pabrik secara keseluruhan per ton air menurun sebesar 55,3%, yang menunjukkan efek-penghematan energi yang signifikan. Konsumsi daya pembangkit secara keseluruhan per ton air turun menjadi 0,21 kWh/m³, dalam kisaran nilai konsumsi energi untuk proses saluran oksidasi serupa secara nasional (0,292±0,192) kWh/m³. Konsumsi daya per satuan berat polutan sebelum dan sesudah retrofit untuk keseluruhan pembangkit listrik ditunjukkan pada gambarTabel 4. Setelah retrofit sistem aerasi pabrik secara keseluruhan, konsumsi daya per 1 kg perlakuan COD menurun sebesar 26,2%, per 1 kg perlakuan TP menurun sebesar 15,7%, per 1 kg perlakuan NH₃-N menurun sebesar 29,3%, dan per 1 kg perlakuan TN menurun sebesar 36,1%, hal ini menunjukkan efek-penghematan energi yang baik.

3.4 Perbandingan Kimia Sebelum dan Sesudah Retrofit

Sebelum retrofit, karena seringnya terjadi kegagalan sistem aerasi, DO dalam sistem biologis sulit dikendalikan, dan memenuhi standar indikator nitrogen memerlukan penambahan sumber karbon eksternal untuk memastikan efektivitas penghilangan. Setelah retrofit, penambahan sumber karbon eksternal pada dasarnya tidak diperlukan lagi. Setelah retrofit, efisiensi penghilangan fosfor biologis dan denitrifikasi meningkat secara signifikan, dan PAC kimia penghilangan fosfor serta PAM kimia pengurasan lumpur juga berkurang. Biaya bahan kimia tahunan turun sekitar 167.000 RMB dibandingkan sebelumnya. Perubahan spesifik ditunjukkan padaTabel 5.

3.5 Perbandingan Investasi Sebelum dan Sesudah Retrofit

Sebelum retrofit, biaya tahunan untuk aerator permukaan adalah 1,6281 juta RMB, dengan biaya perbaikan peralatan tahunan tidak kurang dari 250,000 RMB. Setelah retrofit, biaya tahunan untuk blower dan mixer adalah 714.600 RMB. Berdasarkan perhitungan ini, penghematan biaya listrik tahunan sebesar 913.500 RMB, ditambah penghematan biaya perbaikan tahunan sebesar 250.000 RMB, dengan total penghematan tahunan sebesar 1,1635 juta RMB. Berdasarkan total investasi sebesar 3,704 juta RMB, periode pengembaliannya adalah 3,18 tahun.

3.6 Stabilitas Proses

Sebelum retrofit, selama periode kerusakan, oksigen terlarut dalam tangki biologis sebagian besar dipertahankan di bawah 1,0 mg/L. Setelah retrofit, oksigen terlarut dalam tangki biologis rata-rata 1,5–2,0 mg/L. Tergantung pada konsentrasi influen dan kebutuhan proses, kisaran penyesuaian oksigen terlarut dapat mencapai 1,0–2,5 mg/L. Ketika konsentrasi influen tinggi, kadar oksigen terlarut normal dalam tangki biologis juga dapat dipertahankan dengan menyesuaikan keluaran blower. Oleh karena itu, setelah retrofit, kondisi kepatuhan limbah cair yang stabil terpenuhi.

4 Kesimpulan

Before technical renovation, this plant faced common problems with the oxidation ditch process: aging rotating discs → attenuation of oxygenation efficiency → insufficient DO, along with skyrocketing energy consumption and failure rates. Replacing them with a bottom fine-bubble aeration-mixer-blower system can reversely amplify the oxygen mass transfer coefficient, increase HRT in section A, and improve zonal oxygen supply precision, simultaneously enhancing denitrification without adding carbon sources. For similar plants: any oxidation ditch that has been in operation for ≥10 years, with aeration power consumption per ton of water >0,23 kWh, LAKUKAN sesering mungkin<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, bisa mereplikasi renovasi teknis ini. Berdasarkan penghematan listrik sebesar 55,3%, periode pengembalian modal selama 3,18{6}}tahun, dan manfaat marjinal berupa kenaikan tingkat pengurangan polutan sebesar 3%–5% dari contoh ini, investasi renovasi memiliki margin keselamatan yang tinggi dan dapat segera membuka potensi pengurangan karbon, sehingga memberikan kondisi yang dapat ditiru dan memadai untuk peningkatan lingkungan yang ramah lingkungan dan rendah karbon pada saluran oksidasi lama.