Penghapusan Nitrogen Tingkat Lanjut dalam IPAL: Desain Proses & Analisis Kinerja MBBR Biofilm Murni|Studi Kasus

Desain Rekayasa dan Kinerja Proses MBBR Biofilm Murni untuk Penghapusan Nitrogen Tingkat Lanjut

Dengan kemajuan komprehensif dalam konstruksi peradaban ekologi Tiongkok, standar pembuangan untuk instalasi pengolahan air limbah (IPAL) menjadi semakin ketat. Standar Tingkat A dari "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (GB 18918-2002) mensyaratkan TN Kurang dari atau sama dengan 15 mg/L, sedangkan standar lokal di wilayah seperti Beijing dan Shandong secara eksplisit menetapkan batas pada TN Kurang dari atau sama dengan 10 mg/L. Peningkatan standar ini melampaui batasan kualitas air saja, sehingga memberikan tuntutan yang lebih ketat terhadap stabilitas limbah cair. Oleh karena itu, terdapat kebutuhan mendesak untuk meningkatkan kapasitas penghilangan nitrogen dalam proses pengolahan. Salah satu pendekatannya adalah dengan meningkatkan dosis sumber karbon dalam proses yang ada untuk meningkatkan denitrifikasi, namun hal ini menyebabkan biaya operasional yang tinggi dan peningkatan emisi karbon. Alternatifnya, menambahkan fasilitas penghilangan nitrogen tingkat lanjut, yang seringkali menggunakan metode biofilm untuk memperkaya bakteri denitrifikasi secara efisien, dapat meningkatkan penyingkiran TN, mengurangi kebutuhan akan sumber karbon eksternal, dan menurunkan emisi karbon. Reaktor Biofilm Tempat Tidur Bergerak (MBBR), dengan keunggulan pengayaan bakteri fungsional yang kuat, tapak kecil, serta pengoperasian dan pemeliharaan yang sederhana, telah diterapkan secara luas dalam konstruksi, perluasan, dan peningkatan IPAL. Teknologi ini secara stabil dapat mencapai standar pembuangan yang lebih baik daripada kualitas air permukaan kuasi-Kelas IV dan memiliki potensi serta keuntungan yang signifikan untuk penghilangan nitrogen tingkat lanjut di IPAL. Artikel ini mengambil IPAL di Shandong sebagai studi kasus untuk menganalisis alasan desain dan kinerja operasional penerapan proses MBBR biofilm murni untuk penghilangan nitrogen tingkat lanjut, yang bertujuan untuk memberikan referensi teknis untuk denitrifikasi air limbah yang efisien.

1. Ikhtisar Proyek

1.1 Pengenalan Proyek

IPAL di Shandong dibangun dalam dua tahap. Tahap pertama, memanfaatkan proses BIOLAK, secara resmi dioperasikan pada bulan November 2003 dengan kapasitas pengolahan 40.000 m³/hari. Tata letak proses BIOLAK dan area yang tersedia untuk peningkatan ditunjukkan padaGambar 1. Awalnya, kualitas limbah memenuhi standar Grade B GB 18918-2002. Pada tahun 2020, melalui peningkatan dosis sumber karbon dan penambahan pengolahan lanjutan, kualitas limbah cair ditingkatkan ke standar Kelas A. Pada tahun 2023, setelah tiga tahun beroperasi, kualitas limbah secara keseluruhan secara umum dapat memenuhi standar Kelas A, namun hal ini menghadapi dua tantangan besar terkait penghilangan nitrogen:

Dosis Sumber Karbon Tinggi: Untuk mencapai target TN Kurang dari atau sama dengan 15 mg/L, diperlukan sumber karbon eksternal dalam jumlah besar. Perhitungan berdasarkan bagian proses menunjukkan rasio C/N sebesar 5,9, sedangkan proses AAO pada tahap kedua pabrik hanya memerlukan C/N sebesar 4,5–5,0 untuk memastikan kepatuhan TN yang stabil. Penambahan sumber karbon dalam jumlah besar juga berdampak buruk pada proses nitrifikasi aerobik, sehingga meningkatkan kebutuhan oksigen di zona aerobik.

Stabilitas Penghapusan Nitrogen yang Buruk: Karena nitrifikasi dan denitrifikasi terjadi di tangki yang sama dalam kondisi persyaratan yang berbeda, parameter operasional memerlukan penyesuaian yang sering berdasarkan perubahan influen. Pengendalian NH₃-N dan TN bersifat kontradiktif, sehingga sulit menjaga keseimbangan stabil antara nitrifikasi dan denitrifikasi. Ketahanan terhadap beban kejut sistem berada pada tingkat rata-rata, sehingga menyebabkan stabilitas limbah yang buruk.

Oleh karena itu, peningkatan proses BIOLAK yang asli diperlukan, dengan tujuan inti untuk menyelesaikan konflik antara nitrifikasi dan denitrifikasi, mengurangi biaya operasional penghilangan nitrogen, dan meningkatkan stabilitas limbah.

1.2 Tantangan Peningkatan

Karena proses BIOLAK tidak cocok untuk modifikasi dalam-tangki guna meningkatkan kinerja, rencananya adalah memperkuat pengolahan dengan membangun unit pembuangan nitrogen canggih yang baru. Proses BIOLAK yang awal berfokus terutama pada nitrifikasi dengan denitrifikasi sebagai proses sekunder, sedangkan proses baru akan berfokus pada denitrifikasi. Mengingat kebutuhan renovasi yang sebenarnya, proyek ini menghadapi dua tantangan besar: terbatasnya lahan yang tersedia untuk proses baru dan persyaratan efisiensi operasional yang tinggi.

Terbatasnya Lahan yang Tersedia untuk Proses Baru: Konstruksi baru harus diselesaikan di lokasi pabrik yang ada, yang pada dasarnya tidak memiliki lahan cadangan. Konstruksi hanya dapat dilakukan di jalur hijau yang berdekatan dengan tangki BIOLAK, dengan luas tersedia 400 m². Ini berarti tapak proyek baru per unit air yang diolah harus kurang dari atau sama dengan 0,01 m²/(m³·d).

Persyaratan Efisiensi Operasional Tinggi: Ini bukan peningkatan sederhana tetapi optimalisasi lebih lanjut dari zona fungsional biokimia. Unit baru ini diharapkan dapat menangani beban penghilangan nitrogen sebesar 20 mg/L. Proses ini tidak hanya harus diselesaikan di lahan terbatas tetapi juga perlu mengurangi dosis sumber karbon dibandingkan dengan denitrifikasi BIOLAK asli sekaligus memastikan kinerja denitrifikasi yang stabil. Oleh karena itu, tuntutan yang tinggi diberikan pada efisiensi penghilangan nitrogen dan efisiensi pemanfaatan sumber karbon.

2. Proses Perbandingan dan Seleksi

Setelah diolah dengan proses BIOLAK, limbah TN sebagian besar terdiri dari nitrogen nitrat. Saat ini, proses penghilangan nitrogen tingkat lanjut yang matang terutama menggunakan metode biofilm, yang ditandai dengan pengayaan mikroorganisme secara efisien pada permukaan pembawa dalam keadaan menempel, menawarkan efisiensi pengayaan bakteri fungsional yang jauh lebih tinggi dibandingkan proses lumpur aktif konvensional. Proses biofilm dapat dibagi lagi menjadi jenis-lapisan tetap dan-bergerak berdasarkan fluidisasi pembawa, seperti yang ditunjukkan padaGambar 2.Filter denitrifikasi, yang merupakan proses{0}}biofilm lapisan tetap, menggunakan media filter granular tetap sebagai pembawa pertumbuhan mikroba. Dengan menambahkan sumber karbon eksternal, mereka memanfaatkan denitrifikasi biofilm dan filtrasi media untuk mencapai penghilangan NO₃ secara bersamaan.^--N, SS, dan polutan lainnya. Keuntungannya mencakup kualitas air olahan yang stabil, tidak memerlukan alat penjernih sekunder, dan tata letak yang ringkas, menjadikannya banyak digunakan dalam peningkatan IPAL sebagai unit pengolahan tingkat lanjut untuk memperkuat pembuangan TN dari limbah sekunder. Namun, fokus operasional harus pada dampak C/N terhadap efisiensi denitrifikasi tingkat lanjut. Proyek peningkatan IPAL Pingtang Tahap I, juga dengan kapasitas 40.000 m³/hari, menggunakan filter denitrifikasi + flotasi udara terlarut (DAF) berefisiensi tinggi sebagai proses pengolahan lanjutan untuk meningkatkan TN limbah ke standar air permukaan kuasi-Kelas IV, mencapai luas tapak sekitar 0,045 m²/(m³·d), menghemat lahan dan memungkinkan pengolahan yang efisien, namun dengan C/N sebagai setinggi 18,34. Untuk memenuhi standar lokal baru untuk TN limbah, Pabrik Reklamasi Tanpa Air di Chengdu mengadopsi tangki sedimentasi dengan kepadatan tinggi dan filter dasar denitrifikasi dalam sebagai proses peningkatan, dengan C/N sebesar 5,7, sehingga mencapai pengolahan tingkat lanjut di bawah standar tinggi. IPAL Dingqiao di Haining tidak dapat memenuhi standar pembuangan Kelas A yang disyaratkan untuk Daerah Aliran Sungai Qiantang. Gao Feiya dkk. menggunakan filter lapisan dalam denitrifikasi untuk pengolahan TN tingkat lanjut, sekaligus menghilangkan SS dan TP, sehingga kualitas limbah mendekati standar kuasi-Kelas IV, namun dengan C/N tinggi sebesar 15,68, sehingga menyebabkan biaya penghilangan nitrogen yang tinggi. Selain itu, proses filter memerlukan pencucian balik secara rutin, biasanya menggunakan penggerusan udara-air, yang dapat memengaruhi stabilitas operasional.

ketidakstabilan dalam filter denitrifikasi, penelitian tentang penerapan denitrifikasi autotrofik (SAD) berbasis sulfur pada filter denitrifikasi telah mendapat perhatian. SAD memanfaatkan unsur sulfur atau senyawa sulfur sebagai donor elektron dalam kondisi anaerobik atau anoksik untuk mereduksi NO₃^--N sampai N₂. Ini menawarkan keuntungan seperti efisiensi denitrifikasi yang baik, tidak memerlukan sumber karbon organik, biaya operasional rendah, dan produksi lumpur rendah. Lagu Qingyuan dkk. mempelajari efek penghilangan nitrogen dari filter SAD pada limbah sekunder. Setelah mengoptimalkan kondisi percontohan, penghilangan nitrat tetap stabil di atas 95%, namun tingkat konsumsi media mencapai 20% per tahun, disertai dengan peningkatan konsentrasi sulfat limbah dan penurunan pH. Untuk menghindari risiko polusi sekunder dari SAD, Li Tianxin dkk. media yang disiapkan dengan membuat pelet campuran belerang dan bubuk batu kapur. Menambahkan sejumlah batu kapur ke dalam lapisan filter akan menetralkan keasaman yang dihasilkan dan menghasilkan endapan CaSO₄, menurunkan konsentrasi sulfat limbah dan secara efektif mengatasi masalah produksi asam dan kadar sulfat yang tinggi. Namun, batu kapur menempati ruang yang dimaksudkan untuk media donor elektron dalam sistem, sehingga melemahkan kapasitas denitrifikasi tingkat lanjut, meningkatkan kesadahan limbah, dan meningkatkan biaya operasional. Penelitian saat ini mengenai teknologi SAD terutama dilakukan pada skala laboratorium dan percontohan, dengan pengalaman teknik yang tidak memadai sebagai referensi. Penelitian terapan lebih lanjut diperlukan sebelum-promosi skala industri.

MBBR adalah representasi umum dari proses biofilm{0}}bed terfluidisasi dan teknologi pengolahan air limbah baru yang telah mendapat perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir. Ia menggunakan pembawa tersuspensi dengan kepadatan mendekati air untuk secara khusus memperkaya mikroorganisme, membentuk biofilm untuk mencapai penghilangan nitrogen tingkat lanjut. Proses biofilm lapisan terfluidisasi juga menghindari masalah penyumbatan media dan pencucian balik. Saat ini, MBBR biofilm murni untuk denitrifikasi IPAL tingkat lanjut memiliki pengalaman operasional yang sukses selama lebih dari 20 tahun di luar negeri dan penerapannya semakin luas di Tiongkok. Zheng Zhijia dkk. menggunakan proses MBBR biofilm murni dua tahap untuk denitrifikasi tingkat lanjut. Pada C/N=4.0, nitrogen nitrat limbah sistem stabil pada (1,87 ± 1,07) mg/L, dengan rata-rata tingkat penghilangan TN sebesar 93,3%. IPAL zona pengembangan di kota tertentu membangun biotangki MBBR baru sebagai pengolahan lanjutan tersier untuk meningkatkan denitrifikasi. Beban penghilangan TN pada bagian anoksik dari biofilm MBBR murni adalah 1,1 g/(m²·d), sehingga meningkatkan keandalan sistem denitrifikasi. Gao Yanbo dkk., yang bertujuan untuk meningkatkan kapasitas pabrik awal, membangun tangki biofilm MBBR biofilm murni dua tahap AO-yang baru, mencapai TN limbah yang stabil di bawah 5 mg/L dengan efisiensi denitrifikasi yang tinggi. Dengan demikian, proses MBBR biofilm murni menunjukkan potensi besar untuk menghilangkan nitrogen tingkat lanjut di IPAL, menggabungkan keunggulan seperti efisiensi pemanfaatan sumber karbon yang tinggi, beban pengolahan yang tinggi, dan jejak yang kecil. Namun, hal ini juga menimbulkan tuntutan peralatan yang lebih tinggi, sehingga membutuhkan peralatan yang andal untuk mendukung operasi proses yang stabil. Perbandingan proses penghilangan nitrogen tingkat lanjut yang umum ditunjukkan padaTabel 1.

Berdasarkan perbandingan komprehensif, meskipun proses SAD tidak memerlukan penambahan sumber karbon, namun penerapannya saat ini belum matang dan membawa risiko polusi sekunder, sehingga tidak dipertimbangkan untuk peningkatan ini. Meskipun filter denitrifikasi digunakan secara luas, filter ini sebagian besar digunakan dalam peningkatan IPAL di mana TN influen/limbah desain seringkali 15/12 mg/L, sehingga mampu menangani beban pembuangan TN yang relatif kecil. Karena proyek ini memerlukan pemenuhan-permintaan penghilangan TN yang tinggi dan jangka panjang, pengoperasian akan memperpendek siklus pencucian balik filter secara signifikan, sehingga meningkatkan kesulitan operasional dan ketidakstabilan. Proses MBBR biofilm murni menggabungkan keunggulan seperti efisiensi pemanfaatan karbon yang tinggi, tidak perlu pencucian balik, aplikasi yang matang, dan tidak ada polusi sekunder. Mempertimbangkan tantangan proses dan persyaratan renovasi, proyek ini akhirnya memilih pembangunan tangki bio-MBBR biofilm murni baru (selanjutnya disebut sebagai tangki MBBR) sebagai solusi penghilangan nitrogen tingkat lanjut untuk tahap pertama, dirancang dengan C/N=4.5, dan periode pengembalian investasi yang direncanakan selama 7,37 tahun.

3. Rencana Pembangunan Baru

3.1 Alur Proses

Alur proses pengolahan air limbah setelah renovasi ditunjukkan padaGambar 3. Influen tanaman melewati saringan halus, ruang pasir pusaran, dan tangki sedimentasi primer sebelum memasuki tangki bio-BIOLAK untuk menghilangkan bahan organik, nitrogen amonia, dll. Kemudian diangkat dengan pompa ke dalam tangki MBBR untuk menghilangkan TN lebih lanjut. Tangki MBBR dirancang untuk TN influen 35 mg/L dan TN limbah kurang dari atau sama dengan 15 mg/L. Limbah MBBR diangkat dengan pompa sekunder ke pengolahan lanjutan yang sudah ada di pabrik untuk pemisahan cairan padat dan pembuangan lumpur. Limbah akhir didesinfeksi sebelum dibuang ke sungai penerima. Lumpur berlebih dikentalkan, dikeringkan, dan diangkut-ke luar lokasi untuk dibuang.

3.2 Tangki MBBR Baru

Tangki MBBR menggunakan proses AO, dibuat menggunakan tangki Lipp untuk perakitan modular, selesai dalam 30 hari. Total waktu retensi hidrolik sistem (HRT) adalah 1,43 jam. Pembawa tersuspensi aerobik dan anoksik khusus tipe SPR-III ditambahkan ke dalam tangki, dengan rasio pengisian 60% di zona aerobik dan 55% di zona anoksik. Pembawanya berbentuk silinder pipih, diameter 25 mm dan tinggi 10 mm, dengan luas permukaan spesifik efektif lebih besar dari atau sama dengan 800 m²/m³. Zona anoksik dilengkapi dengan pencampur frekuensi 4 MBBR-variabel khusus-(tipe daya kimia SPR), masing-masing N=5.5 kW, memberikan fluidisasi yang seragam dan cukup untuk pembawa. Setelah pematangan biofilm, 2 mixer dioperasikan secara rutin, dan 2 mixer lainnya sebagai standby panas. Zona aerobik menggunakan blower ulir untuk aerasi. Sebuah blower tunggal memiliki kapasitas udara 14,50 m³/mnt, tekanan 90 kPa, N=22 kW. Satu set diffuser pipa berlubang khusus zona aerobik (tipe SPR) dipasang. Karena rendahnya volume aerasi yang dibutuhkan, blower Tahap I yang ada biasanya dapat dimanfaatkan, dengan blower baru dan blower Tahap I berfungsi sebagai cadangan bersama. Layar intersepsi material baru (tipe SPR), setebal 12 mm, dengan masa pakai yang dirancang selama 30 tahun, dipasang di zona aerobik dan anoksik.

3.3 Fasilitas Pendukung Baru

• Sistem Berpengaruh: Limbah dari bio-tangki BIOLAK dialirkan ke tangki MBBR. 4 dipasang pompa saluran masuk (2 tugas, 2 siaga), masing-masing dengan Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistem Dosis Sumber Karbon: Limbah biotangki BIOLAK Tahap I-hanya mengandung COD yang sulit dimanfaatkan. Untuk memastikan denitrifikasi tingkat lanjut di zona anoksik tangki MBBR, natrium asetat digunakan sebagai sumber karbon eksternal. 4 pompa pengukur dipasang (2 tugas, 2 siaga), masing-masing dengan Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.