Studi Kasus Proses MBBR+ACCA untuk Peningkatan dan Rekonstruksi Instalasi Pengolahan Air Limbah Perkotaan
Dengan latar belakang pertumbuhan ekonomi Tiongkok yang pesat, laju industrialisasi dan urbanisasi telah meningkat secara signifikan. Proses ini pasti disertai dengan peningkatan pembuangan air limbah industri dan limbah domestik dari tahun-ke-tahun, yang memperburuk masalah polusi air dan berdampak pada pembangunan peradaban ekologi berkelanjutan di Tiongkok. Dengan penerapan Rencana Aksi Pencegahan dan Pengendalian Pencemaran Air secara komprehensif, persyaratan pembuangan yang lebih ketat telah diberlakukan pada instalasi pengolahan air limbah perkotaan di seluruh negeri. Standar lokal di beberapa kota telah mencapai kualitas air kuasi-Kelas IV, dan untuk limbah yang dibuang ke badan air sensitif, indikator tertentu secara bertahap mendekati standar Kelas III untuk air permukaan. Namun, sisa polutan dalam air limbah perkotaan setelah pengolahan biologis sebagian besar berupa senyawa organik yang tidak dapat terurai secara hayati dengan kemampuan terurai secara hayati yang buruk. Mengandalkan teknologi peningkatan biologis tradisional saja tidak cukup untuk memenuhi standar emisi yang semakin ketat.
Kokas aktif memiliki sistem mesopori yang sangat berkembang yang mampu menyerap polutan makromolekul dalam air. Dengan kekuatan mekanik yang tinggi, stabilitas, kinerja adsorpsi yang baik, dan biaya yang relatif ekonomis, telah banyak diterapkan dalam pengolahan air limbah industri yang sulit terurai. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi filtrasi yang menggunakan kokas aktif sebagai media juga telah menemukan penerapan tertentu dalam pengolahan lanjutan instalasi air limbah kota, sehingga mencapai hasil yang baik dalam menghilangkan polutan secara maksimal. Menggabungkan contoh teknik dari proyek peningkatan di instalasi pengolahan air limbah di Provinsi Henan, penulis mengadopsi proses MBBR+ACCA (Activated Coke Circulator Adsorpsi) untuk meningkatkan pengolahan air limbah perkotaan. Indikator COD, NH₃-N, dan TP limbah cair memenuhi standar air Kelas III GB 3838-2002, sehingga memberikan referensi untuk proyek peningkatan di instalasi pengolahan air limbah lainnya.
1. Situasi Dasar Instalasi Pengolahan Air Limbah
Total kapasitas desain instalasi pengolahan air limbah ini adalah 50.000 m³/hari, yang terdiri dari kapasitas desain Tahap I sebesar 18.000 m³/hari dan kapasitas desain Tahap II sebesar 32.000 m³/hari. Ini terutama mengolah limbah domestik perkotaan dan sejumlah kecil air limbah industri. Peningkatan versi selesai pada tahun 2012, dengan limbah yang memenuhi standar Kelas 1A dari Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota GB 18918-2002. Proses utamanya adalah AO multitahap + filter denitrifikasi + tangki sedimentasi berkepadatan tinggi. Alur proses ditunjukkan padaGambar 1.
Saat ini, instalasi pengolahan air limbah beroperasi mendekati kapasitas penuh. Berdasarkan data operasional saat ini, dengan pemeliharaan pabrik yang baik, kualitas limbah dapat dipertahankan secara stabil pada standar Kelas 1A GB 18918-2002. Konsentrasi limbah COD, BOD₅, NH₃-N, TN, dan TP masing-masing berkisar antara 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L, dan 0,19-0,42 mg/L.
Sebelum peningkatan ini, pabrik tersebut menghadapi masalah-masalah berikut: 1) Layar yang menua dan rusak di bagian pra-perawatan memungkinkan sejumlah puing mengambang masuk ke dalam tangki biologis, sehingga dengan mudah menyumbat pompa dan mempengaruhi pengolahan selanjutnya; 2) Penghapusan TN yang tidak stabil selama suhu musim dingin yang rendah dan fluktuasi kualitas dan kuantitas air yang signifikan; 3) Volume tangki yang tidak mencukupi pada tangki biologis Tahap I dan pembagian zona anoksik yang tidak wajar, menyebabkan efisiensi penyisihan TN yang buruk dan dosis bahan kimia yang tinggi untuk penambahan sumber karbon berikutnya; 4) Sistem aerasi asli menggunakan blower sentrifugal tradisional yang sudah ketinggalan zaman dengan konsumsi energi yang tinggi; 5) Penyumbatan parah pada media filter pada filter denitrifikasi, pencucian balik yang tidak tuntas, dan kesulitan dalam pengoperasian yang stabil; 6) Seringnya kegagalan peralatan pencampuran dan pengadukan di tangki sedimentasi dengan kepadatan tinggi; 7) Seringnya terjadi kegagalan pada dua mesin penyaring sabuk yang ada untuk pengeringan lumpur, kadar air yang tinggi dari lumpur yang dikeringkan, volume lumpur yang besar, dan biaya pembuangan lumpur yang tinggi; 8) Kurangnya fasilitas pengendalian bau untuk sistem pengolahan awal dan pengolahan lumpur; 9) Sistem kendali pusat yang usang dengan kapasitas penyimpanan data yang terbatas dan hilangnya sebagian besar fungsi operasi jarak jauh.
2. Desain Kualitas Air
Dengan mempertimbangkan data kualitas air operasional selama bertahun-tahun dari instalasi, dengan tingkat kepercayaan 90% dan termasuk margin tertentu, maka kualitas pengaruh desain dapat ditentukan. Berdasarkan persyaratan kualitas lingkungan badan air penerima, limbah COD, BOD₅, NH₃-N, dan TP yang ditingkatkan harus memenuhi standar air Kelas III GB 3838-2002, sedangkan TN dan SS akan mematuhi standar awal. Kualitas pengaruh dan limbah desain ditunjukkan padaTabel 1.
3. Peningkatan Konsep dan Alur Proses
3.1 Konsep Peningkatan
Berdasarkan kualitas limbah desain, peningkatan ini menetapkan persyaratan yang lebih tinggi untuk COD, BOD₅, NH₃-N, dan TP. Mempertimbangkan proses pabrik saat ini, karakteristik kualitas air, dan permasalahan yang ada, fokusnya adalah pada peningkatan penghilangan COD, NH₃-N, dan TP sambil memastikan penghilangan TN yang stabil. Selain itu, terbatasnya ruang yang tersedia di pabrik yang ada mengharuskan pemanfaatan penuh potensi struktur yang ada melalui pembaruan peralatan, intensifikasi proses, dan renovasi, yang bertujuan untuk menghilangkan COD, NH₃-N, TN, dan TP secara efektif. Oleh karena itu, memanfaatkan tangki AO multi-tahap asli dan menambahkan pembawa tersuspensi untuk membentuk proses MBBR lumpur aktif biofilm-hibrida dapat secara efektif meningkatkan stabilitas pengolahan dan ketahanan terhadap beban kejut. Biofilm dengan umur lumpur yang panjang pada pembawa cocok untuk pertumbuhan nitrifikasi dan mempertahankan konsentrasi nitrifikasi yang tinggi, sehingga secara signifikan meningkatkan kapasitas nitrifikasi sistem. Biofilm padat di dalam pembawa memiliki umur lumpur yang panjang, menampung populasi bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi dalam jumlah besar, memungkinkan nitrifikasi-denitrifikasi (SND) secara simultan dan dengan demikian memperkuat penyingkiran TN. Oleh karena itu, proses MBBR sangat-cocok untuk peningkatan pabrik ini.
Berdasarkan pengalaman proyek peningkatan serupa, untuk memastikan kepatuhan COD dan TP yang stabil, fasilitas pengolahan safeguard tambahan masih diperlukan selain proses yang ada ditambah dengan MBBR. Kokas aktif, sebagai bahan berpori, menunjukkan kinerja adsorpsi yang lebih signifikan dibandingkan dengan karbon aktif, secara efektif menghilangkan COD, SS, TP, warna, dll. Selain itu, kokas yang diaktifkan secara biologis dapat memanfaatkan mikroorganisme yang menempel untuk mendegradasi bahan organik, memungkinkan regenerasi situs adsorpsi sambil menyerap polutan. Mekanisme keseimbangan dinamis ini memungkinkan pengoperasian sistem yang berkelanjutan dan stabil. Proses Adsorpsi Sirkulasi Kokas Aktif (ACCA) menggunakan kokas aktif sebagai medianya, yang mengintegrasikan filtrasi dan adsorpsi. Ia menggunakan udara bertekanan untuk mengangkat dan membersihkan media filter. Melalui zonasi-aliran terbalik dan desain aliran seragam, hal ini memastikan kontak penuh antara kokas aktif dan air limbah, mencapai peningkatan kualitas air terbaik dan menjamin kepatuhan limbah cair yang stabil.
Untuk peralatan pabrik yang sudah tua dan rusak, peralatan tersebut akan diganti dengan peralatan yang berteknologi maju dan hemat energi-untuk mengurangi biaya operasional. Secara khusus, layar pra-perawatan akan diganti dengan layar halus yang dimasukkan secara internal untuk mencegat rambut dan serat, mencegah penyumbatan layar retensi pembawa MBBR.
3.2 Alur Proses
Alur proses yang ditingkatkan ditunjukkan padaGambar 2. Untuk memenuhi kebutuhan head, stasiun pompa pengangkat baru telah ditambahkan. Filter tipe V-yang baru dibuat berfungsi sebagai unit perlakuan awal untuk adsorpsi kokas teraktivasi berikutnya, sehingga memastikan stabilitas sistem ACCA. Air mentah melewati saringan dan ruang pasir untuk menghilangkan benda-benda yang mengapung, rambut, dan partikulat sebelum memasuki tangki biologis MBBR hibrid untuk meningkatkan penghilangan nitrogen. Cairan campuran kemudian memasuki clarifier sekunder untuk pemisahan padatan. Supernatan diangkat melalui stasiun pompa baru ke dalam filter denitrifikasi dan tangki sedimentasi dengan kepadatan tinggi. Efluen kemudian diangkat oleh stasiun pompa baru ke dalam filter tipe V-dan tangki adsorpsi kokas yang diaktifkan dua-tahap untuk pengolahan lanjutan, selanjutnya menghilangkan COD, TP, SS, warna, dll. Efluen akhir didesinfeksi sebelum dibuang.
4. Parameter Desain Unit Pengolahan Utama
4.1 Tangki Biologis
Tangki biologis Tahap I yang ada dibagi menjadi dua kelompok dengan volume tangki yang relatif kecil namun strukturnya kuat. Oleh karena itu, untuk peningkatan ini, sambil memenuhi persyaratan ketinggian, dinding tangki dinaikkan sebesar 0,5 m. Setelah renovasi, total volume efektif adalah 10.800 m³, dengan total HRT 14,4 jam dan HRT zona anoksik 6,4 jam, meningkatkan waktu retensi anoksik untuk meningkatkan penyingkiran TN. Tangki biologis Tahap II yang ada memiliki volume efektif 19.600 m³, total HRT 14,7 jam, dan HRT zona anoksik 6,8 jam. Proyek ini melibatkan penggantian sistem aerasi dan beberapa pencampur submersible yang sudah tua di tangki biologis Tahap I dan II, serta menambahkan pembawa tersuspensi dan sekat penahan. Pembawanya terbuat dari poliuretan atau material komposit berperforma tinggi lainnya, dengan spesifikasi kubik 24 mm, luas permukaan spesifik 4.000 m²/m³, dan rasio pengisian 20%. AOR sistem pengolahan biologis adalah 853,92 kg O₂/jam, dengan laju suplai udara 310,36 Nm³/menit.
4.2 Stasiun Pompa Angkat dan Tangki Air Limbah
Stasiun pompa angkat baru dibangun untuk memompa limbah dari-tangki sedimentasi berkepadatan tinggi ke filter tipe V-untuk pengolahan lebih lanjut. Tangki air limbah menyimpan air limbah backwash dari filter. Pompa kecil digunakan untuk memompa air limbah backwash secara merata ke dalam tangki biologis Tahap II untuk menghindari beban kejut. Tiga pompa pengangkat sekunder dipasang (2 tugas + 1 siaga, Q=1,300 m³/jam, H=12 m, N=75 kW), dengan kontrol penggerak frekuensi variabel (VFD). Tangki air limbah backwash dilengkapi dengan 2 pompa transfer (1 tugas + 1 siaga, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) dan satu mixer submersible (N=2.2 kW) untuk mencegah sedimentasi.
4.3 V-Jenis Filter
Filter tipe V-baru dibuat dengan dimensi struktural 36,9 m (L) × 29,7 m (W) × 8,0 m (H). Menggunakan media filter pasir kuarsa homogen. Filter dibagi menjadi 6 sel yang disusun dalam dua baris. Pipa saluran keluar setiap sel memiliki katup pengatur listrik untuk mengontrol pengoperasian ketinggian air yang konstan. Proses backwashing dapat diatur melalui PLC. Laju filtrasi desain adalah 7,0 m3/jam, laju filtrasi paksa adalah 8,4 m3/jam, dan area filtrasi sel tunggal adalah 49,4 m². Intensitas air backwash adalah 11 m³/(m²·h), intensitas udara backwash adalah 55 m³/(m²·h), dan intensitas sapuan permukaan adalah 7 m³/(m²·h). Durasi backwash adalah 10 menit. Siklus backwash adalah 24 jam (dapat disesuaikan), mencuci satu sel dalam satu waktu. Ukuran media pasir kuarsa 1-1,6 mm dengan k₈₀ < 1,3. Pelat filter monolitik yang dicetak di tempat digunakan.
4.4 Tangki Adsorpsi Kokas Aktif
Tangki adsorpsi kokas aktif baru dibangun dengan dimensi struktural 49,5 m (L) × 30,15 m (W) × 11,0 m (H). Ini menggunakan konfigurasi filtrasi dua-tahap dengan total 36 sel, 18 sel per tahap. Laju filtrasi maksimum adalah 6,02 m³/(m²·h), dengan rata-rata 4,63 m³/(m²·h). Dimensi sel-tahap tunggal-pertama adalah L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, dengan waktu kontak lapisan kosong (EBCT) 1,4 jam. Dimensi sel-tahap tunggal-kedua adalah L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, dengan EBCT 1,08 jam. Sistem ini menggunakan 2.000 ton kokas aktif dengan ukuran partikel 2-8 mm, dilengkapi dengan mesin cuci kokas bergerak, distributor air, bendungan inlet/outlet, dll.
4.5 Bangunan Coke Aktif
Bangunan kokas aktif yang baru dibangun untuk menyimpan kokas aktif dan menyuplainya ke tangki adsorpsi. Dimensi strukturalnya adalah 33,5 m (L) × 13,0 m (W) × 6,5 m (H). Peralatan tambahan utama meliputi: 1 layar getar dewatering kokas yang diaktifkan, 3 pompa pengumpan kokas (2 tugas + 1 siaga, Q=40 m³/jam, H=25 m, N=7.5 kW), 2 pompa pelepasan filtrat (1 tugas + 1 siaga, Q=120 m³/jam, H=20 m, N=18.5 kW), 2 kompresor udara (1 tugas + 1 siaga, Q=7.1 m³/mnt, N=37 kW), dan tangki penerima udara (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Ruang Pengeringan Piring-dan-Rangka
Ruang pengurasan lumpur-dan-bingkai baru dibangun di sebelah ruang pengurasan lumpur yang sudah ada. Karena keterbatasan ruang, satu set alat penyaring pelat-dan-bingkai (luas filter 300 m²) telah dikonfigurasi, yang berfungsi sebagai cadangan untuk alat penyaring sabuk. Fasilitas tambahan mencakup satu tangki pengkondisian (volume efektif 80 m³). Kuantitas lumpur adalah 6.150 kg DS/hari, dengan kadar air lumpur umpan kental sebesar 97% dan kadar air kue dewatered sebesar 60%. Perlengkapan tambahan utama meliputi: 2 pompa pengumpan (1 tugas + 1 siaga, Q=60 m³/jam, H=120 m, N=7.5 kW), 2 pompa air tekan (1 tugas + 1 siaga, Q=12 m³/jam, H=187 m, N=11 kW), 1 pompa cuci (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 pompa dosis (1 tugas + 1 siaga, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 kompresor udara (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 set tangki penerima udara (V=5 m³, P=1.0 MPa), dan 1 set unit persiapan PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Sistem Pengendalian Bau
Sistem kontrol bau biofiltrasi baru ditambahkan dengan laju aliran udara desain 12.000 m³/jam. Pipa plastik yang diperkuat kaca (GRP) digunakan untuk mengumpulkan dan menghilangkan bau dari sistem pretreatment dan pengolahan lumpur. Rangka baja tahan karat dan papan ketahanan PC digunakan untuk menyegel peralatan pra-perawatan.
4.8 Pembaruan Fasilitas Lainnya
- Diganti dengan 2 saringan halus yang disalurkan secara internal dengan bukaan 5 mm, dengan konveyor sekrup dan tangki air cuci, V=10 m³ dan 2 pompa air cuci (1 tugas + 1 siaga, Q=25 m³/jam, H=70 m, N=11 kW).
- Diganti dengan 4 blower suspensi udara yang lebih efisien, dikontrol VFD (3 tugas + 1 siaga, Q=130 m³/mnt, P=63 kPa, N=150 kW).
- Mengganti media filter pada filter denitrifikasi yang ada dengan media keramik berukuran 1.800 m³ (ukuran partikel 3-5 mm).
- Mengganti 2 agitator pencampur di-tangki sedimentasi berkepadatan tinggi (kecepatan 60-80 rpm, N=5.5 kW), 4 agitator flokulasi (kecepatan 10-20 rpm, N=2.2 kW), dan tube settlement (260 m²).
- Mengganti belt filter press dengan belt lebar 2 m dan kompresor udara serasi, 1 set.
- Memanfaatkan ruang kendali pusat yang asli, peralatan, instrumen yang diperbarui, dan kendali terpusat yang sudah ada, membangun sistem komunikasi data di seluruh pabrik untuk mencapai komunikasi data antara ruang kendali pusat dan gardu induk, serta otomatisasi kendali proses produksi.
5. Kinerja Operasional dan-Indikator Ekonomi Teknis
5.1 Kinerja Operasional
Setelah selesainya proyek peningkatan ini, semua unit pengolahan telah beroperasi dengan stabil. Data pemantauan kualitas air influen dan efluen tahun 2023 disajikan padaTabel 2.
Seperti yang ditunjukkan, konsentrasi limbah rata-rata untuk COD, NH₃-N, TN, TP, dan SS adalah 11,2, 0,18, 8,47, 0,15, dan 2,63 mg/L, dengan tingkat penyisihan rata-rata masing-masing sebesar 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75%, dan 97,38%. Limbah COD, NH₃-N, dan TP secara konsisten memenuhi standar air Kelas III GB 3838-2002.
Proyek yang ditingkatkan telah beroperasi selama hampir dua tahun. Hasilnya menunjukkan bahwa proses MBBR+ACCA stabil, efisien, dan menghasilkan limbah-berkualitas tinggi, menunjukkan ketahanan yang kuat terhadap beban kejut dan kondisi-suhu rendah. Bahkan dengan suhu air musim dingin minimum sebesar 9,4 derajat dan fluktuasi kualitas air yang signifikan, kualitas limbah tetap stabil dan memenuhi standar pembuangan. Sebelum dan sesudah peningkatan, dosis sumber karbon tidak meningkat, namun penyisihan TN meningkat secara signifikan. Hal ini karena, di satu sisi, mikroorganisme nitrifikasi yang menempel pada pembawa MBBR tumbuh dan terakumulasi dalam lingkungan aerobik yang stabil, sehingga menghasilkan nitrifikasi yang lebih sempurna. Di sisi lain, nitrat dihilangkan lebih lanjut di tangki MBBR yang ditingkatkan dan tangki anoksik. Sistem ACCA akhir bertindak sebagai pengaman, selanjutnya menyerap dan menghilangkan COD, TP, SS, dll. yang membandel, sehingga kualitas limbah menjadi lebih stabil. Selain itu, setelah implementasi proyek, pabrik ini dapat menghasilkan air reklamasi berkualitas tinggi, sehingga menjadi landasan bagi penggunaan kembali air di masa depan.
5.2 Teknis-Indikator Ekonomi
Total investasi untuk proyek ini adalah 86,937,600 RMB, terdiri dari biaya konstruksi dan pemasangan sebesar 74,438,500 RMB, biaya lain-lain sebesar 7,593,500 RMB, biaya darurat sebesar 4,101,600 RMB, dan modal kerja awal sebesar 804,000 RMB. Setelah pengoperasian sistem stabil, biaya listrik tambahan untuk seluruh pabrik adalah 0,11 RMB/m³, biaya kokas aktif adalah 0,39 RMB/m³, sehingga total peningkatan biaya pengoperasian sekitar 0,50 RMB/m³.
6. Kesimpulan
- Proyek ini menerapkan pembaruan peralatan, intensifikasi proses, dan renovasi di instalasi pengolahan air limbah yang ada, dan menambahkan pengolahan lanjutan, sehingga meningkatkan efisiensi penghilangan COD, NH₃-N, TN, dan TP.
- Setelah peningkatan, dengan menggunakan proses utama "MBBR+ACCA", limbah COD, NH₃-N, dan TP meningkat secara stabil dari Kelas 1A menjadi standar air permukaan Kelas III, dan pembuangan TN meningkat secara signifikan.
- Praktek menunjukkan bahwa proses ini beroperasi secara stabil dan efisien, tahan terhadap guncangan beban, menghasilkan limbah{0}}berkualitas tinggi, dan menambah biaya pengoperasian sekitar 0,50 RMB/m³. Hal ini dapat menjadi referensi untuk proyek peningkatan dan inisiatif penggunaan kembali air di instalasi pengolahan air limbah lainnya.