Penerapan Proses AAO yang Dimodifikasi dalam Pengolahan Air Limbah Domestik Tambang Batubara
Air limbah domestik di tambang batu bara terutama berasal dari kantin staf, asrama, kantor, ruang cuci, dan kamar mandi, dengan saluran pembuangan air mandi mencapai lebih dari 55% dari total volume. Debit air mandi relatif terkonsentrasi sehingga menyebabkan fluktuasi aliran yang signifikan. Ditandai dengan konsentrasi organik yang lebih rendah dan padatan tersuspensi (SS) yang lebih tinggi, drainase pemandian sangat berbeda dari limbah rumah tangga pada umumnya. Pola pembuangannya yang tidak teratur dengan aliran air limbah lainnya berkontribusi terhadap variabilitas kualitas air yang besar.
Sebagian besar tambang batu bara di Tiongkok berlokasi di daerah terpencil dimana biaya transportasi lumpurnya tinggi. Oleh karena itu, proses pengolahan dengan hasil lumpur yang lebih rendah harus dipilih. Seiring dengan berkembangnya tambang dan bertambahnya jumlah staf, aliran air limbah seringkali melebihi kapasitas desain awal, sehingga memerlukan proses dengan kemampuan beradaptasi yang kuat terhadap Perubahan kualitas dan kuantitas air dalam tapak yang sama. Di bawah kebijakan lingkungan yang semakin ketat yang mewajibkan penggunaan kembali limbah yang telah diolah tanpa pembuangan, proses harus menghasilkan kualitas limbah yang tinggi dan stabil.
Saat ini, proses AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic) adalah pilihan utama dalam pengolahan air limbah kota. Artikel ini menganalisis efektivitas penerapan Proses AAO yang Dimodifikasi (AAO + Suspended Carrier Process) untuk air limbah domestik tambang batubara, berdasarkan karakteristik uniknya.
1. Proses AAO yang Dimodifikasi
Proses AAO adalah konfigurasi aliran paling sederhana untuk menghilangkan nitrogen dan fosfor secara simultan. Bakteri berfilamen tidak dapat berkembang biak secara luas pada kondisi anaerobik, anoksik, dan aerobik yang bergantian, sehingga mencegah penggumpalan lumpur. Tidak memerlukan penambahan bahan kimia, hanya pencampuran ringan dalam tangki anaerobik dan anoksik, sehingga menghasilkan biaya pengoperasian yang rendah. Lumpur tersebut memiliki kandungan fosfor yang tinggi sehingga memberikan nilai pupuk yang baik.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, daur ulang internal ini menghabiskan banyak energi. Efluen yang memasuki clarifier sekunder harus mempertahankan tingkat oksigen terlarut (DO) tertentu untuk mencegah kondisi anaerobik dan pelepasan fosfor, namun tidak terlalu tinggi untuk menghindari gangguan denitrifikasi dalam tangki anoksik melalui cairan campuran daur ulang.
Proses AAO yang Dimodifikasi (AAO + Proses Pembawa yang Ditangguhkan) secara efektif mengurangi kelemahan ini. Hal ini meningkatkan massa mikroba dalam tangki biologis, meningkatkan pemuatan volumetrik, mencapai pemisahan lengkap waktu retensi hidrolik (HRT) dan waktu retensi lumpur (SRT), memperkuat ketahanan terhadap beban kejut hidrolik dan organik, menghasilkan kualitas limbah yang baik bahkan dengan sumber rendah karbon, menghasilkan lumpur yang lebih sedikit dan lebih stabil (mengurangi kebutuhan kapasitas penanganan lumpur di hilir). Limbah tersebut dapat memenuhi standar kualitas air "The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water" (GB/T 18920-2020) dan "Code for Design of Coal Preparation Engineering" (GB 50359-2016) untuk pencucian batubara. Hou Feng dkk. menerapkan proses pembawa tersuspensi AAO+ di instalasi pengolahan air limbah bawah tanah, mencapai standar Kelas 1A per "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (GB 18918-2002), dengan indikator utama (COD, BOD5, NH3-N, TP) mencapai standar Kelas IV per "Standar Kualitas Lingkungan untuk Air Permukaan" (GB 3838-2002). Hao Ruigang dkk. menggunakan "Oksidasi Bio-kontak A/O + Flokulasi Pusaran Berlubang + Sedimentasi Tabung Miring + Filtrasi Pasir Aktif" dalam perluasan pabrik air limbah domestik tambang batubara, sehingga mencapai kualitas limbah yang lebih baik daripada Kelas 1A. Yan Ziyu dkk. juga mencapai hasil yang baik dengan menggunakan proses biofilm untuk retrofit pengolahan air limbah domestik tambang batubara yang ada. Proses AAO yang Dimodifikasi memungkinkan peningkatan kapasitas dan peningkatan kualitas limbah di pabrik yang ada dengan sedikit modifikasi.
Proses ini melibatkan penambahan pembawa tersuspensi ke tangki anoksik dan aerobik, yang menggabungkan keunggulan proses lumpur aktif dan biofilm. Ini memiliki fitur pemuatan volumetrik yang tinggi, biomassa yang besar, efisiensi pengolahan yang tinggi, kemampuan beradaptasi yang kuat terhadap nutrisi, peningkatan stabilitas proses, dan penghilangan nutrisi yang baik. Ini membentuk biofilm aktif yang sangat terspesialisasi, meningkatkan efisiensi per volume dan stabilitas reaktor, memungkinkan reaktor yang lebih kecil. Lumpur biofilm sloughing mengandung lebih banyak protozoa/metazoa, memiliki kepadatan lebih tinggi dan ukuran partikel lebih besar, menghasilkan kemampuan pengendapan yang baik dan pemisahan cairan padat-yang mudah. Hal ini memungkinkan pemisahan SRT-HRT secara menyeluruh, menghilangkan penggumpalan lumpur, dan cocok untuk air limbah yang kaya akan bahan organik larut.
2.1 Studi Kasus
Sebuah tambang batubara di Kota Yan'an, sekitar 16 km dari Kota Zichang, memiliki instalasi pengolahan air limbah domestik dengan kapasitas desain 1200 m³/hari. Prosesnya adalah: "Screen + Equalization Tank + AAO dengan Suspended Carriers + Advanced Treatment (Koagulasi-Sedimentasi-Filtrasi) + Disinfeksi". Lumpur diolah melalui "Pengentalan Gravitasi + Pengeringan Tekan Sekrup". Limbah tersebut memenuhi batas yang lebih ketat *GB/T 18920-2020* dan GB 50359-2016 untuk air pencucian batubara. Air yang telah diolah digunakan kembali untuk tanaman hijau tambang dan sebagai air tambahan di pabrik persiapan batubara. Kualitas pengaruh/limbah desain sudah masukTabel 1. Alur proses ditunjukkan padaGambar 1.
Air limbah melewati saringan (celah 5 mm, sudut pemasangan 75 derajat) ke dalam tangki pemerataan (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, kedalaman efektif 2,95 m, volume 247,8 m³, HRT 4,13 jam), memenuhi persyaratan GB 50810-2012. Dua mixer mencegah pengendapan. Tiga pompa submersible (2 tugas +1 siaga, Q=32.5 m³/jam, H=17 m, N=4 kW) mengangkat air ke tangki biologis.
Sistem biologis terdiri dari dua rangkaian paralel. Per kereta:
- Tangki Anaerob: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, kedalaman efektif 4,5 m, HRT 1,5 jam.
- Tangki Anoksik: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, kedalaman efektif 4,25 m, HRT 2,83 jam.
- Tangki Aerobik: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, kedalaman efektif 4,0 m, HRT 10,0 jam.Total HRT sistem adalah 15,75 jam. Pembawa yang ditangguhkan (rasio pengisian 80%, luas permukaan spesifik 600 m²/m³) dipasang di tangki aerobik. Rasio-udara terhadap-Air Desain adalah 13,7:1. Tiga Roots blower (2 tugas +1 siaga, Q=6.84 m³/mnt, N=11 kW, P=44.1 kPa) digunakan. Rasio Daur Ulang Lumpur adalah 100%, Rasio Daur Ulang Minuman Keras Campuran adalah 200%.
Dua clarifier sekunder periferal-inlet/outlet (masing-masing L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m) memiliki laju pembebanan permukaan sebesar 1,2 m³/(m²·h) dan HRT sebesar 2,5 jam.
Pemurni air terintegrasi (menggabungkan koagulasi, sedimentasi, filtrasi) memberikan pengolahan lanjutan untuk menghilangkan SS dan fosfor lebih lanjut.
Pengolahan lumpur mencakup pengentalan gravitasi (tangki baja karbon Φ2,5 m×5,0 m) yang diikuti dengan dewatering dengan mesin press ulir. Poliakrilamida (PAM) diberi dosis 3,0–5,0 kg/t padatan kering sebelum dikeringkan. Kue lumpur yang dikeringkan setiap hari kurang dari atau sama dengan 150 kg dengan kadar air Kurang dari atau sama dengan 80%, diangkut ke luar-lokasi.
Disinfeksi menggunakan generator ClO2 di lokasi (dosis klorin efektif 120 g/jam) yang diberikan pada saluran masuk sumur jernih. Sumur jernih mempunyai volume efektif 250 m³, memberikan waktu kontak 4,2 jam.
Pabrik ini dilengkapi dengan pemantauan online yang ekstensif (pengukur aliran, residu klorin, pH, DO, COD, kekeruhan, tingkat/konsentrasi lumpur) dan sistem kontrol otomatis untuk pompa, blower, pencucian balik, takaran bahan kimia, dan pencampuran, memastikan pengoperasian yang cerdas dan tanpa pengawasan.
2.2 Analisis Kinerja
Pabrik tersebut menyelesaikan commissioning pada tahun 2021 dan telah beroperasi selama lebih dari dua tahun. Kualitas influen/efluen aktual tahun 2024 ditunjukkan padaTabel 2.
Rasio BOD5/N yang berpengaruh adalah 5,5, yang menunjukkan rendahnya rasio karbon-terhadap-nitrogen (C/N), yang semakin menurun di musim panas karena infiltrasi curah hujan dan perubahan kebiasaan. Suhu musim dingin yang ekstrem di Yan'an bisa mencapai -21 derajat. Kualitas efluen sebenarnya lebih baik daripada desain, dengan tingkat pembuangan mencapai: COD 97.8%, BOD5 99.7%, SS 99.7%, NH3-N 93.5%, TP 87.10%, memenuhi standar pencucian batubara dan batubara.
Massa biofilm aktif dalam tangki anoksik/aerobik mencapai 125 g/m² pembawa, setara dengan MLSS sebesar 13 g/L-empat kali lipat dari lumpur aktif konvensional. Mikroorganisme berada dalam fase respirasi endogen, menghasilkan produksi lumpur harian sekitar 1/3 dari metode konvensional, dengan kemampuan pengendapan yang lebih baik, memungkinkan peralatan pengolahan lumpur yang lebih kecil.
Meskipun oksidasi bio-kontak dapat berjalan tanpa daur ulang lumpur, penelitian yang dilakukan oleh Xiong Ren dkk. menunjukkan bahwa sistem dengan daur ulang mencapai tingkat penghilangan COD, TN, NH3-N, SS yang lebih tinggi dan mengurangi hasil lumpur sebesar 29,6%. Desain ini menggabungkan daur ulang campuran minuman keras, dengan fleksibilitas operasional berdasarkan kualitas limbah.
Pabrik (1200 m³/hari) menempati lahan seluas 1.350,3 m², dengan investasi modal sebesar 20 juta CNY dan biaya operasional sebesar 1,05 CNY/m³.
Dibandingkan dengan AAO konvensional, yang memerlukan SRT yang lebih lama untuk pengoperasian suhu rendah yang efektif, proses yang dimodifikasi ini mempertahankan kesederhanaan penghilangan nutrisi secara bersamaan sekaligus memperkaya komunitas biologis dengan pembawa. Pemisahan SRT-HRT meningkatkan stabilitas bio-, memastikan pengoperasian yang andal dalam kondisi C/N rendah dan suhu-rendah. Kestabilan limbah dapat dipertahankan dengan sedikit atau tanpa daur ulang lumpur, sehingga memungkinkan pengurangan lumpur di lokasi dan menurunkan biaya penanganan lumpur. Kesederhanaannya dan tidak adanya bulking membuatnya sangat cocok untuk pengolahan air limbah domestik tambang batubara.
3. Riset Optimasi Proses AAO
Proses AAO yang dimodifikasi biasanya dirancang per parameter dalam "Standar Desain Teknik Air Limbah Luar Ruang" (GB 50014-2021). Namun, optimalisasi parameter operasional (HRT, SRT, aerasi, rasio daur ulang, MLSS) khusus untuk air limbah tambang batubara diperlukan untuk mengidentifikasi kondisi optimal untuk desain dan operasi di masa depan.
Dalam AAO konvensional, lumpur didaur ulang dari tangki aerobik ke tangki anaerobik, membawa nitrat dan DO tinggi, yang dapat mengganggu pembuangan fosfor biologis. Proses Universitas Cape Town (UCT) dapat dipertimbangkan, di mana lumpur didaur ulang ke tangki anoksik, cairan nitrifikasi ke tangki anoksik, dan daur ulang tambahan dari tangki anoksik ke anaerobik ditambahkan untuk meningkatkan penghilangan bio-P.
Pengolahan lumpur dapat menghabiskan 50–60% biaya operasional pabrik. Teknologi pengurangan lumpur-di lokasi harus diadopsi. MLSS yang tinggi dalam bio-tangki AAO yang dimodifikasi menghasilkan rasio F/M yang tinggi, sehingga dapat terjadi pelepasan metabolisme, sehingga mendorong pengurangan lumpur dan menurunkan biaya penanganan lumpur. Fokus masa depan harus pada penerapan-teknologi pengurangan di tempat seperti pertumbuhan samar melalui mikro-lisis, proses Pengendapan-Anaerobik Oksik (OSA), dan pelepasan metabolisme dalam pengolahan air limbah tambang batubara.
Proses ini cocok untuk retrofit pabrik AAO yang ada di tambang batu bara. Menambahkan pembawa ke tangki anoksik/aerobik dapat meningkatkan kualitas limbah, meningkatkan kapasitas, dan meningkatkan stabilitas sistem. Untuk instalasi dengan persyaratan limbah yang lebih ketat, mengganti penjernih sekunder dengan sistem MBR dapat meningkatkan kualitas air lebih lanjut.
4. Kesimpulan
- Proses AAO yang Dimodifikasi cocok untuk meningkatkan sistem AAO yang ada di tambang batubara guna meningkatkan stabilitas, meningkatkan kapasitas, atau memenuhi standar yang lebih ketat.
- Saat mengolah air limbah domestik tambang batubara, limbahnya dapat memenuhi standar *GB/T 18920-2002* untuk pengairan jalan/penghijauan dan standar GB 50359-2016 untuk air pencucian batubara, sehingga menunjukkan kemampuan beradaptasi yang kuat terhadap perubahan kualitas dan kuantitas air.
- Proses ini menghasilkan lumpur yang stabil dengan kemampuan pengendapan yang baik dan pemisahan yang mudah, menghasilkan lumpur yang lebih sedikit, dan mengurangi biaya pengolahan lumpur.