Pengaruh Teknologi Gabungan A2O-MBBR + CWs untuk Mengolah Air Limbah Domestik Pedesaan
Dalam beberapa tahun terakhir, negara bagian telah secara mendalam mempromosikan strategi pembangunan revitalisasi pedesaan, dengan fokus pada perbaikan lingkungan hidup, dan meningkatkan tuntutan terhadap pengolahan air limbah domestik pedesaan. Saat ini, proses utama pengolahan air limbah domestik pedesaan mencakup metode biologis, metode ekologi, dan proses gabungan, yang sebagian besar berasal dari pengolahan air limbah perkotaan. Namun, wilayah pedesaan mempunyai karakteristik populasi yang tersebar, sehingga menimbulkan berbagai masalah seperti tingginya penyebaran air limbah, kesulitan dalam pengumpulan, skala pengolahan yang kecil, tingkat pemanfaatan sumber daya yang rendah, dan fasilitas pengolahan yang tidak memadai. Selain itu, terdapat perbedaan yang signifikan dalam kualitas dan kuantitas air limbah, lokasi geografis, iklim, dan tingkat ekonomi antar wilayah, sehingga sulit untuk melakukan standarisasi teknologi pengolahan; Penerapan teknologi pengolahan air limbah perkotaan secara sederhana tidaklah mungkin dilakukan. Infrastruktur pengumpulan air limbah, seperti jaringan saluran pembuangan, seringkali tidak memadai di daerah pedesaan. Pengumpulan air limbah mudah dipengaruhi oleh gabungan luapan saluran pembuangan dan infiltrasi air tanah, yang mengakibatkan rendahnya konsentrasi organik dalam air limbah dan semakin sulitnya pembuangan nitrogen biologis. Fluktuasi besar dalam kualitas dan kuantitas air limbah di daerah pedesaan mempersulit pemeliharaan konsentrasi biomassa yang stabil di fasilitas pengolahan. Selain itu, suhu musim dingin yang rendah membatasi kapasitas pengolahan biologis, sehingga menyebabkan rendahnya efisiensi dan kualitas limbah yang tidak stabil sehingga rentan melebihi standar dalam proses lumpur aktif tradisional. Oleh karena itu, terdapat kebutuhan mendesak untuk mengembangkan teknologi pengolahan air limbah yang sesuai dengan kondisi lokal, dengan ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, pengoperasian jangka panjang yang stabil,-konsumsi energi yang rendah, dan efisiensi pengolahan yang tinggi.
Daerah pedesaan di Tiongkok cenderung lebih menyukai teknologi pengolahan air limbah domestik yang murah-berbiaya-mudah-dikelola, dengan kombinasi proses biologi dan ekologi menjadi arah penelitian utama. Saat ini, peralatan pengolahan air limbah terpadu yang banyak digunakan di daerah pedesaan sebagian besar menggunakan proses seperti Anaerobic-Anoxic-Oxic (A2O) dan Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Studi menunjukkan bahwa proses MBBR lebih mengandalkan desain fasilitas dibandingkan pengendalian operasional yang tepat, sehingga tidak memerlukan tenaga teknis profesional untuk pengaturannya, sehingga memudahkan pengoperasian dan pemeliharaan. Hal ini lebih cocok untuk kebutuhan praktis pengolahan air limbah domestik pedesaan dimana tenaga teknis terbatas. Keunggulannya antara lain konsentrasi biomassa yang tinggi, ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, efisiensi pengolahan yang tinggi, dan tapak yang kecil. Penelitian Luo Jiawen dkk. menunjukkan bahwa menambahkan media MBBR ke proses A2O dapat meningkatkan kapasitas pengolahan air limbah secara signifikan. Zhou Zhengbing dkk., dalam proyek air limbah domestik pedesaan, merancang proses gabungan filter aerasi biologis dua-anaerobik/anoksik-tahap, sehingga mencapai kualitas limbah stabil yang memenuhi standar Kelas A GB 18918-2002 "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota". Selain itu, Lahan Basah Buatan (CWs) sering digunakan untuk pengolahan air limbah domestik pedesaan. Misalnya, Zhang Yang dkk. menggunakan biochar sebagai bahan pengisi untuk memodifikasi lahan basah yang dibangun, tingkat penyisihan TN, TP, dan COD masing-masing dapat mencapai 99,41%, 91,40%, dan 85,09%. Penelitian sebelumnya oleh kelompok kami juga menunjukkan bahwa pengisi biochar lumpur dapat meningkatkan kinerja penghilangan nitrogen dan fosfor pada lahan basah yang dibangun, meningkatkan efisiensi dan efektivitas pengolahan sistem secara keseluruhan, dan membuat sistem lebih tahan terhadap beban kejut. Berdasarkan penelitian di atas, untuk mengeksplorasi kombinasi teknologi yang cocok untuk pengolahan air limbah domestik pedesaan dan mengatasi tantangan seperti kesulitan dalam mempertahankan konsentrasi biomassa yang stabil, lemahnya ketahanan terhadap beban kejut, dan kualitas limbah yang cenderung berfluktuasi dan melebihi standar di fasilitas pengolahan air limbah pedesaan, penulis menempatkan proses A2O-MBBR di awal, mengisinya dengan pembawa biofilm tersuspensi untuk menciptakan lingkungan lumpur aktif film (IFAS) tetap yang terintegrasi, meningkatkan konsentrasi lumpur sistem, dan meningkatkan efisiensi pengolahan. Mempertimbangkan pemanfaatan ekologis dari lahan kosong yang tersedia seperti kolam dan cekungan di daerah pedesaan, dan menggabungkan lahan basah buatan sebagai proses pengolahan pemolesan, metode seperti menggunakan lumpur pengisi biochar, mensirkulasi ulang cairan nitrifikasi, dan menanam tanaman di bawah air digunakan untuk meningkatkan stabilitas operasional lahan basah komposit. Dengan demikian, proses gabungan A2O-MBBR + CWs dibangun.
Dalam studi ini, dengan menggunakan air limbah mentah dari instalasi pengolahan air limbah desa di Hefei sebagai objek pengolahan, penyiapan eksperimental skala percontohan dari proses gabungan A2O-MBBR + CWs dibuat. Pengaruh perubahan suhu air musiman terhadap kinerja pengolahannya diselidiki. Indikator polutan dalam influen dan limbah dipantau selama pengoperasian untuk mengetahui efisiensi pembuangan dan stabilitas operasional. Pada saat yang sama, kelayakan ekonomi dari proses tersebut dianalisis. Tujuannya adalah untuk memberikan referensi data dan dasar penerapan teknologi gabungan lahan basah buatan A2O+ dalam proyek pengolahan air limbah domestik pedesaan di Tiongkok, dan untuk menawarkan referensi dalam mempromosikan pengolahan air limbah domestik dan membangun desa-desa yang indah dan ramah lingkungan di daerah pedesaan.
1. Pengaturan Eksperimental dan Metode Penelitian
1.1 Alur Proses Gabungan
Eksperimen proses gabungan A2O-MBBR + CWs mengadopsi serangkaian operasi unit A2O, lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon, dan kolam ekologi. Unit A2O terdiri dari tangki kontak anoksik anaerobik -bingung dan tangki membran aerobik (MBBR). Tangki anaerobik sekat dan zona aerasi tangki MBBR aerobik diisi dengan media pembawa biofilm tersuspensi untuk menyediakan permukaan perlekatan bagi mikroorganisme untuk membentuk biofilm. Lumpur aktif dan biofilm di dalam tangki hidup berdampingan, membentuk sistem IFAS, yang dapat menjaga biomassa sistem secara stabil. Tangki anoksik yang membingungkan meningkatkan proses denitrifikasi melalui resirkulasi cairan nitrifikasi. Tangki MBBR aerobik memiliki sistem aerasi di bagian bawah untuk meningkatkan kinerja nitrifikasinya. Port dosis Poli Aluminium Klorida (PAC) dipasang di dalam tangki untuk menghilangkan bahan kimia tambahan fosfor, sehingga memungkinkan penghilangan fosfor secara efisien. Unit CW mencakup lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon dan kolam ekologi tanaman terendam. Lahan basah yang dibangun dengan aliran bawah permukaan berbasis karbon mengadopsi sistem filtrasi pengisi tiga tahap. Cakram aerasi dipasang di bagian bawah zona pengisi untuk mencuci kembali media guna mengurangi penyumbatan. Kolam ekologi tumbuhan terendam memiliki lapisan substrat batu kapur di bagian bawah dan ditanami tanaman terendam-yang tahan dingin Vallisneria natans dan Potamogeton crispus. Pengaturannya ditempatkan di luar ruangan. Termometer dipasang di kolam ekologi untuk memantau perubahan suhu air musiman. Alur proses terperinci dari proses gabungan A2O-MBBR + CWs ditunjukkan padaGambar 1.
1.2 Desain Pengaturan dan Parameter Operasional
Pengaturan eksperimental dibuat menggunakan pelat polipropilena setebal 10 mm. Tangki anaerobik penyekat diisi dengan media pembawa biofilm persegi dan berisi pelat penyekat. Rasio resirkulasi minuman keras campuran untuk tangki anoksik berpenyekat adalah 50%~150%, dan juga berisi pelat penyekat. Tangki MBBR aerobik dibagi dengan penyekat menjadi zona aerasi aerobik dan zona sedimentasi. Zona aerasi diisi dengan media pembawa tersuspensi MBBR dengan perbandingan udara-terhadap-air 6:1~10:1. Zona sedimentasi memiliki dosing port PAC dan pelat miring untuk bantuan sedimentasi. Lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon: zona pengisi primer diisi dengan batu kapur (diameter ~5 cm), zona pengisi sekunder dengan zeolit (diameter ~3 cm), dan zona pengisi tersier dengan pengisi biochar lumpur (diameter ~0,5~1,0 cm). Ketinggian filler untuk setiap zona adalah 75 cm. Zona celah selebar 4 cm ditetapkan antara zona pengisi primer dan sekunder untuk fungsi seperti penambahan sumber karbon eksternal, observasi, dan pemeliharaan/pengosongan (tidak ada sumber karbon yang ditambahkan selama percobaan ini). Kolam ekologi tanaman yang terendam diisi dengan pengisi batu kapur (diameter ~3 cm) pada ketinggian 20 cm. Tanaman yang terendam ditanam dengan jarak tanam 10 cm dan jarak tanam 10 cm. Percobaan ini menggunakan air limbah mentah dari instalasi pengolahan air limbah desa di Hefei sebagai influen. Masa percobaan mulai 25 Mei 2022 sampai dengan 17 Januari 2023 yang berjumlah 239 hari. Tanaman yang terendam dipanen satu kali pada tanggal 2 Desember dengan frekuensi kurang lebih setiap 6 bulan sekali. Kapasitas pengolahan air limbah yang dirancang adalah 50~210 L/hari. Parameter desain terperinci dari pengaturan ditunjukkan padaTabel 1.
1.3 Metode Eksperimental
1.3.1 Desain Eksperimental
1.3.1.1 Uji Kapasitas Pengolahan Air Limbah Optimal
Setelah operasi uji coba pengaturan eksperimental berhasil (kualitas limbah cair yang stabil), uji kapasitas pengolahan air limbah yang optimal dilakukan mulai 25 Mei 2022 hingga 30 Juni 2022. Dalam kondisi mempertahankan rasio udara-ke-air tangki aerobik sebesar 6:1, rasio resirkulasi cairan nitrifikasi sebesar 100%, dan penggunaan PAC (kandungan Al2O3 28%) sekitar 3,7 g/hari, kapasitas pengolahan air limbah dari instalasi ditingkatkan secara bertahap (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/hari). Perubahan kualitas limbah dipantau untuk mengetahui kapasitas pengolahan air limbah yang optimal di instalasi. Selama periode ini, suhu air bervariasi antara 24,5~27,1 derajat. Untuk memastikan kepatuhan limbah yang stabil di musim dingin, standar limbah yang diadopsi adalah standar Kelas A GB 18918-2002 "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota".
1.3.1.2 Uji Kinerja Perawatan Keseluruhan Proses Gabungan
Periode pengujian adalah dari 1 Juli 2022 hingga 17 Januari 2023. Kapasitas pengolahan air limbah optimal ditetapkan sebesar 120 L/hari. Rasio udara-terhadap-air tangki aerobik adalah 6:1~10:1, dan rasio resirkulasi cairan campuran adalah 50%~150%. Indikator kualitas air influen dan efluen (TN, TP, NO3--T, NH4+-N, dan COD) dari setiap unit proses dipantau. Perubahan suhu air selama periode pengujian (dipengaruhi oleh iklim musiman) dicatat. Kinerja pengolahan proses gabungan A2O-MBBR + CWs untuk air limbah domestik pedesaan dianalisis, dan pengaruh perubahan suhu air musiman terhadap kinerja proses gabungan diselidiki.
1.3.2 Pengambilan sampel
Selama periode pengujian, sampel diambil secara tidak teratur (kira-kira 1~2 kali per minggu) untuk pengujian kualitas air. Sampel dikumpulkan dari influen pengaturan, limbah tangki anoksik anaerobik tersekat, limbah tangki MBBR aerobik, limbah lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon, dan limbah kolam ekologi tumbuhan terendam. Sampel influen diambil dari pipa saluran masuk instalasi, dan sampel limbah dari saluran keluar masing-masing unit. Pengujian indikator kualitas air diselesaikan pada hari yang sama saat pengambilan sampel. Indikator yang diuji meliputi TN, TP, NO3--T, NH4+-N, dan COD. Setiap kali sampel diambil, pembacaan suhu air dari termometer di kolam ekologi dicatat (bervariasi antara 0~32 derajat). Suhu air di kolam ekologi berubah secara alami seiring dengan perbedaan suhu musiman. Standar limbah yang dirancang untuk pengaturan eksperimental mengikuti standar Kelas A DB 34/3527-2019 "Standar Pembuangan Pencemar Air untuk Fasilitas Pengolahan Air Limbah Domestik Pedesaan". Konsentrasi influen yang dirancang dan standar efluen dirinci dalamTabel 2.
1.3.3 Metode Analisis Kualitas Air
Konsentrasi TN dalam sampel air ditentukan menggunakan HJ 636-2012 "Kualitas air - Penentuan total nitrogen - metode spektrofotometri UV pencernaan kalium persulfat basa". TIDAK3--Konsentrasi N ditentukan menggunakan HJ/T 346-2007 "Kualitas air - Penentuan nitrogen nitrat - Spektrofotometri ultraviolet (Percobaan)". NH4+-Konsentrasi N ditentukan menggunakan HJ 535-2009 "Kualitas air - Penentuan nitrogen amonia - spektrofotometri reagen Nessler". COD ditentukan menggunakan HJ 828-2017 "Kualitas air - Penentuan kebutuhan oksigen kimia - Metode dikromat". Konsentrasi TP ditentukan dengan menggunakan GB 11893-1989 "Kualitas air - Penentuan total fosfor - metode spektrofotometri Amonium molibdat".
2. Hasil dan Pembahasan
2.1 Pengaruh Kapasitas Pengolahan Air Limbah terhadap Kinerja Proses Gabungan
Seperti yang ditunjukkan diGambar 2 (a)(b), karena kapasitas pengolahan air limbah harian meningkat secara bertahap dari 50 L/hari menjadi 210 L/hari, efisiensi pembuangan TN dan NH4+-N tiap unit proses gabungan menunjukkan tren menurun. Tingkat penyisihan TN menurun dari 91,55% (50 L/hari) menjadi 52,17% (210 L/hari), dan NH4+-Tingkat penghilangan N menurun dari 97,47% (70 L/hari) menjadi 80,68% (210 L/hari). Hal ini karena peningkatan kapasitas pengolahan air limbah harian mengurangi waktu retensi hidrolik, memperpendek waktu yang tersedia bagi mikroorganisme untuk menguraikan polutan, sehingga mengakibatkan kinerja pengolahan menjadi lebih buruk. Diantaranya, unit A2O memberikan kontribusi paling besar terhadap TN dan NH4+-N penghapusan. Rata-rata konsentrasi TN influen untuk unit ini adalah 38,68 mg/L, efluen 16,87 mg/L, dengan tingkat penghilangan 56,29%. Rata-rata pengaruh NH4+-Konsentrasi N 36,29 mg/L, limbah 5,50 mg/L, dengan laju penyisihan 84,85%. Untuk lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon, konsentrasi TN influen rata-rata adalah 16,87 mg/L, limbah cair adalah 11,96 mg/L, dengan tingkat pembuangan sebesar 29,10%. Untuk kolam ekologi tumbuhan terendam, rata-rata konsentrasi TN influen adalah 11,96 mg/L, efluen 9,47 mg/L, dengan laju pembuangan 20,82%. Performa penghilangan nitrogen pada lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon lebih baik dibandingkan dengan kolam ekologi karena lingkungan anoksik anaerobik pada lahan basah aliran bawah permukaan lebih cocok untuk denitrifikasi. Namun, NH4+-Kinerja penghilangan N pada kolam ekologi lebih baik dibandingkan pada lahan basah aliran bawah permukaan. Rata-rata pengaruh NH4+-Konsentrasi N untuk lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon-adalah 5,50 mg/L, limbah cairnya 4,04 mg/L, dengan tingkat pembuangan hanya 26,53%. Untuk kolam ekologi, rata-rata pengaruh NH4+-Konsentrasi N 4,04 mg/L, limbah 2,38 mg/L, dengan tingkat penghilangan 41,07%. Hal ini karena lingkungan aerobik kolam ekologi lebih cocok untuk nitrifikasi, sehingga mengkonversi lebih banyak NH4+-N menjadi NO3--N, menghasilkan NH yang lebih tinggi4+-Tingkat penghapusan N. Ketika kapasitas pengolahan air limbah mencapai 150 L/hari, konsentrasi TN limbah adalah 15,11 mg/L, melebihi standar Grade A GB 18918-2002. Oleh karena itu, untuk memastikan kepatuhan TN yang stabil, kapasitas pengolahan air limbah maksimum adalah 120 L/hari. Ketika kapasitas pengolahan air limbah mencapai 210 L/hari, limbah NH4+-Konsentrasi N adalah 7,07 mg/L, melebihi standar Kelas A GB 18918-2002. Oleh karena itu, kapasitas pengolahan air limbah maksimum untuk NH4+-Kepatuhan N adalah 180 L/hari.
Seperti yang ditunjukkan diGambar 2 (c), rata-rata COD influen berada di bawah 100 mg/L, menunjukkan kandungan organik yang rendah. Peningkatan kapasitas pengolahan air limbah tidak berpengaruh signifikan terhadap penurunan COD, dengan tingkat penurunan COD antara 75%~90%. Seiring dengan peningkatan kapasitas pengolahan air limbah dari 50 L/hari menjadi 210 L/hari, rata-rata COD efluen adalah 19,16 mg/L, dengan COD limbah maksimum sebesar 26,07 mg/L, masih jauh di bawah standar 50 mg/L pada GB 18918-2002 Grade A. Unit A2O berkontribusi paling besar terhadap penyisihan COD karena perangkat aerasi dalam tangki MBBR aerobik menghasilkan aktivitas aerobik lingkungan, meningkatkan kapasitas biokimia mikroorganisme aerobik dan memperkuat penghilangan COD. Selain itu, resirkulasi cairan nitrifikasi dalam unit A2O memungkinkan tangki anoksik untuk lebih memanfaatkan bahan organik dalam air limbah sebagai sumber karbon, menghilangkan sebagian COD sekaligus meningkatkan denitrifikasi. Lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon memberikan kontribusi terbesar kedua terhadap penghilangan COD. Lingkungan anaerobik-anoksiknya kondusif untuk menggunakan bahan organik dalam air limbah sebagai sumber karbon, mendegradasi sebagian bahan organik sekaligus meningkatkan denitrifikasi, yang juga menyebabkan penghilangan TN lebih baik. Selain itu, lapisan substrat lahan basah aliran bawah permukaan dapat menyerap beberapa bahan organik. Kolam ekologis mempunyai pengaruh yang terbatas terhadap degradasi COD. Rata-rata COD influen untuk kolam ekologi adalah 22,21 mg/L, dan bahan organik yang paling mudah terurai secara hayati telah terdegradasi, meninggalkan bahan organik yang lebih sulit terurai.
Seperti yang ditunjukkan diGambar 2 (d), seiring dengan peningkatan kapasitas pengolahan air limbah, konsentrasi TP limbah tetap stabil. Peningkatan kapasitas pengolahan air limbah tidak berpengaruh signifikan terhadap pembuangan TP. Rata-rata konsentrasi TP influen adalah 3,7 mg/L, dan rata-rata konsentrasi efluen adalah 0,18 mg/L, dengan laju penyisihan rata-rata 95,14%, menunjukkan penyisihan TP yang baik. TP sebagian besar dihilangkan di unit A2O. Konsentrasi TP influen untuk unit A2O adalah 3,7 mg/L, dan limbahnya hanya 0,29 mg/L, lebih baik dari standar 0,5 mg/L pada GB 18918-Grade A tahun 2002. Hal ini karena unit A2O tidak hanya melakukan penghilangan fosfor secara biologis oleh organisme pengumpul fosfor (PAO) namun juga dilengkapi dengan penghilangan fosfor secara kimia dengan takaran 3,7 g/hari PAC. Kombinasi penghilangan fosfor secara biologis dan kimia menghasilkan lebih dari 90% fosfor dihilangkan dalam unit A2O. Aliran bawah permukaan lahan basah dan kolam ekologi terutama bergantung pada mekanisme seperti adsorpsi substrat, sedimentasi, serapan tanaman, dan degradasi mikroba untuk menghilangkan fosfor. Selain itu, konsentrasi TP yang memasuki lahan basah sudah mencapai 0,29 mg/L, sehingga pembuangan lebih lanjut menjadi lebih sulit. Gabungan alasan ini menyebabkan kinerja penghilangan TP secara umum di lahan basah dan kolam ekologi.
Oleh karena itu, untuk memastikan kepatuhan yang stabil terhadap semua indikator limbah dengan standar Kelas A GB 18918-2002, kapasitas pengolahan air limbah optimal untuk proses ini ditentukan sebesar 120 L/hari.
2.2 Kinerja Penghapusan Polutan dari Proses Gabungan
2.2.1 Kinerja Penghapusan COD
Seperti yang ditunjukkan diGambar 3, selama periode uji kinerja pengolahan secara keseluruhan (1 Juli 2022 hingga 17 Januari 2023, kapasitas pengolahan air limbah 120 L/hari), suhu air menunjukkan tren penurunan yang berfluktuasi, menurun dari 32 derajat menjadi 0 derajat. Laju penyisihan COD berfluktuasi, dan penurunan suhu air tidak berdampak nyata terhadap penyisihan COD. Dikombinasikan denganGambar 4, laju penyisihan COD bervariasi antara 66,16%~82,51%, terutama dipengaruhi oleh konsentrasi COD influen. Studi menunjukkan bahwa dalam kondisi anaerobik/anoksik, penghilangan COD terutama bergantung pada tindakan mikroba. Proses A2O-MBBR+CWs bergantian antara kondisi anaerobik-anoksik-oksik-anoksik-oksik, sehingga meningkatkan penghilangan COD. Selama pengoperasian, seiring dengan penurunan suhu air, meskipun COD influen berkisar antara 80~136 mg/L, COD limbah tetap stabil di bawah 50 mg/L, memenuhi standar Grade A DB 34/3527-2019, yang menunjukkan degradasi organik yang baik. Bagian A2O memberikan kontribusi paling besar terhadap penghilangan COD. Tangki kontak anaerobik-anoksik dengan penyekat memiliki tingkat penyisihan COD rata-rata sebesar 43,38%, terhitung 65,43% dari total penyisihan COD. Tangki MBBR aerobik memiliki tingkat pembuangan rata-rata sebesar 14,69%, terhitung 19,87% dari total. Bagian A2O berkontribusi lebih dari 85% terhadap penghilangan COD, memanfaatkan luas permukaan spesifik media yang besar dalam tangki anaerobik sekat dan tangki MBBR aerobik, konsentrasi lumpur yang tinggi, dan pembentukan rantai makanan dari bakteri → protozoa → metazoa, yang secara efektif mendegradasi bahan organik dalam air. Keanekaragaman hayati yang tinggi dari sistem IFAS memastikan penghilangan bahan organik dengan baik bahkan dengan perubahan suhu. Selain itu, bagian dari bahan organik terlarut dalam air limbah di tangki kontak anaerobik-anoksik yang dibingungkan akan digunakan sebagai sumber karbon oleh bakteri denitrifikasi. Sementara itu, minuman keras campuran yang disirkulasi ulang meningkatkan NO3--Konsentrasi N dalam tangki anoksik yang membingungkan, mendorong pemanfaatan sumber karbon dengan mendenitrifikasi bakteri untuk mengubah NO3--T/TIDAK2--N menjadi gas nitrogen. Laju penyisihan COD yang tinggi dalam tangki kontak anoksik anaerobik-sekat lebih lanjut memverifikasi bahwa proses ini dapat secara efisien memanfaatkan bahan organik dalam air limbah sebagai sumber karbon denitrifikasi. Lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon memiliki tingkat penyingkiran COD rata-rata sebesar 7,18%, yang menyumbang 9,18% dari total penyingkiran COD. Lingkungan anaerobik/anoksik di lahan basah aliran bawah permukaan kondusif bagi mikroorganisme yang menggunakan bahan organik sebagai sumber karbon, mencapai penghilangan COD sekaligus meningkatkan denitrifikasi. Penelitian terkait juga menunjukkan bahwa pengisi biochar dapat menyerap bahan organik melalui tarikan elektrostatik dan ikatan hidrogen antarmolekul. Oleh karena itu, lumpur pengisi biochar di aliran bawah permukaan lahan basah juga akan menyerap beberapa bahan organik. Kolam ekologi tanaman yang terendam memiliki rata-rata tingkat penyisihan COD hanya 3,68% karena COD yang masuk ke kolam sudah rendah yaitu rata-rata 30,59 mg/L, dan sebagian besar terdiri dari bahan organik tahan api, dihilangkan terutama melalui adsorpsi dan serapan tanaman, dengan efek yang terbatas.
2.2.2 Kinerja Penghapusan Nitrogen
Seperti yang ditunjukkan diGambar 3, seiring suhu air menurun secara bertahap dari 32 derajat menjadi 12 derajat, TN dan NH4+-N tingkat penghapusan berfluktuasi. Rata-rata tingkat penyisihan TN mencapai 75,61%, dan rata-rata NH4+-Tingkat penghapusan N mencapai 95,70%. Ketika suhu air turun di bawah 12 derajat, TN dan NH4+-Tingkat penghapusan N menunjukkan tren penurunan yang cepat, namun rata-rata tingkat penghapusan masing-masing masih mencapai 58,56% dan 80,40%. Hal ini karena penurunan suhu air musiman menghambat aktivitas mikroba, sehingga melemahkan kinerja denitrifikasi. Berdasarkan hasil statistik konsentrasi polutan influen dan efluen selama periode operasi proses gabungan (1 Juli 2022 hingga 17 Januari 2023) ditunjukkan padaTabel 3, rata-rata pengaruh TN dan NH4+-Konsentrasi N masing-masing adalah 36,56 mg/L dan 32,47 mg/L. NH4+-N menyumbang 88,81% dari TN. TIDAK berpengaruh3--N (0,01 mg/L) hampir dapat diabaikan. Rata-rata limbah TN dan NH4+-Konsentrasi N masing-masing adalah 11,69 mg/L dan 3,5 mg/L, keduanya memenuhi standar Kelas A DB 34/3527-2019. Rata-rata limbah NO3--Konsentrasi N adalah 6,03 mg/L, menunjukkan kapasitas nitrifikasi yang baik dari proses ini, mengubah NH4+-N sampai TIDAK3--N. Namun, akumulasi NO3--N dalam limbah menunjukkan masih ada ruang untuk denitrifikasi lebih lanjut. Seperti yang ditunjukkan diGambar 5 (a), penghapusan TN tertinggi di bagian A2O. Tangki kontak anoksik anaerobik -bingkisan memiliki tingkat penyisihan TN rata-rata sebesar 44,25%, dan tangki MBBR aerobik memiliki tingkat penyisihan TN rata-rata sebesar 9,55%. Hal ini merupakan hasil gabungan aksi bakteri nitrifikasi di zona aerobik dan bakteri denitrifikasi di zona anoksik. Lahan basah yang dibangun berbasis karbon-memiliki tingkat penyisihan TN rata-rata sebesar 11,07%, karena kemampuannya melepaskan sumber karbon dan lingkungan anaerobik/anoksiknya kondusif untuk denitrifikasi, sehingga mempertahankan kapasitas penyisihan nitrogen tertentu. Kolam ekologi tumbuhan terendam memiliki rata-rata tingkat penyisihan TN hanya 3,54%, dengan kinerja penyisihan umum, karena lingkungan aerobiknya tidak kondusif untuk denitrifikasi. Seperti yang ditunjukkan diGambar 5 (b), NH4+-Penghapusan N terutama diselesaikan di bagian A2O. Tangki kontak anaerobik-anoksik yang membingungkan memiliki NH4+-Tingkat penghilangan N sebesar 59,46%, dan tangki MBBR aerobik memiliki NH4+-Tingkat penghapusan N sebesar 24,24%. Bagian A2O menyumbang 93,57% dari total NH4+-N penghapusan. NH yang tinggi4+-Penyingkiran N di bagian A2O disebabkan oleh aerasi berkelanjutan dalam tangki MBBR aerobik, sehingga bakteri nitrifikasi dapat sepenuhnya memanfaatkan DO untuk mengubah NH4+-N sampai TIDAK3--N. Ini kemudian disirkulasikan kembali ke tangki anoksik, tempat bakteri denitrifikasi mengubah NO3--N hingga N2 untuk dihapus. Selama periode pengujian, rata-rata tingkat penyisihan TN adalah 68,40%, dan rata-rata NH4+-Tingkat penghilangan N adalah 89,45%, yang menunjukkan kinerja penghilangan nitrogen yang baik.
Seperti yang ditunjukkan diGambar 3, seiring dengan penurunan suhu air dari 32 derajat menjadi 0 derajat, laju penghilangan TN menurun dari maksimum 79,19% menjadi 51,38%. Dikombinasikan denganGambar 5 (a), when water temperature was >20 derajat, rata-rata laju penghilangan TN melebihi 75%, dengan konsentrasi limbah rata-rata 8,41 mg/L, karena aktivitas mikroba lebih tinggi pada kisaran 20~32 derajat, sehingga menghasilkan denitrifikasi yang lebih baik, konsisten dengan penelitian Zhang Na dkk. Ketika suhu air menurun dari 20 derajat menjadi 5 derajat, rata-rata laju penyisihan TN menurun menjadi 65,44%, dan konsentrasi limbah rata-rata meningkat menjadi 12,70 mg/L. Ketika suhu air 0~5 derajat, laju penyisihan TN rata-rata menurun menjadi 52,75%, dan konsentrasi limbah rata-rata meningkat menjadi 17,62 mg/L, yang menunjukkan adanya dampak tertentu pada penyisihan TN. Studi menunjukkan bahwa ketika suhu air menurun, aktivitas mikroba terhambat. Saat suhu air<5.6°C, microorganisms are basically dormant, and population numbers sharply decrease, limiting pollutant degradation. When water temperature <4°C, microorganisms begin to die. However, in this process, even when water temperature dropped to 0°C, the TN removal rate still reached 51.52%, and effluent always met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. This is because the IFAS system in the A2O section maintained high biomass concentration. During the test period, MLSS concentration in the baffled anaerobic-anoxic contact tank and aerobic MBBR tank reached 6,000~8,000 mg/L. Additionally, recirculation of nitrified liquid further enhanced denitrification. Furthermore, wastewater passed sequentially through the limestone, zeolite, and sludge biochar filler zones of the subsurface flow wetland, where anaerobic and aerobic reactions occurred simultaneously. Various organics adsorbed on filler surfaces and the slow-release of carbon sources from biochar filler promoted denitrification, further enhancing nitrogen removal. Research indicates that biochar can increase the abundance and diversity of denitrifying microorganisms in wetlands. Also, due to its structure, subsurface flow wetlands have some thermal insulation effect, helping maintain internal microbial activity. Under the influence of multiple factors, the combined process exhibited strong resistance to low-temperature shock, maintaining over 50% TN removal even at 0°C. In summary, when water temperature is >5 derajat, kinerja penghilangan TN bagus, dengan limbah stabil di bawah 15 mg/L. Pada titik ini, dengan mempertimbangkan penghilangan polutan lainnya, kapasitas pengolahan air limbah dapat ditingkatkan secara tepat.
Seperti yang ditunjukkan diGambar 3, seiring dengan penurunan suhu air secara bertahap, NH4+-Tingkat penghilangan N menurun dari maksimum 99,52% menjadi minimum 74,77%, dan limbah NH4+-Konsentrasi N meningkat dari minimal 0,17 mg/L menjadi 8,40 mg/L. Penurunan suhu air menghambat aktivitas bakteri nitrifikasi dan nitrifikasi, sehingga menurunkan NH4+-N removal. However, when water temperature >12 derajat, rata-rata limbah NH4+-Konsentrasi N adalah 1,58 mg/L. Ketika suhu air kurang dari atau sama dengan 12 derajat, rata-rata limbah NH4+-Konsentrasi N meningkat menjadi 6,58 mg/L, tetapi limbah NH4+-N selalu memenuhi standar Kelas A DB 34/3527-2019. Ketika suhu air 20~32 derajat, rata-rata NH4+-Tingkat penghapusan N melebihi 96%. Dikombinasikan denganGambar 5 (b), limbah NH4+-Konsentrasi N berada di bawah 2 mg/L dalam kisaran ini, menunjukkan aktivitas bakteri nitrifikasi yang tinggi dan NH keseluruhan yang sangat baik4+-N penghapusan. Ketika suhu air secara bertahap menurun dari 20 derajat menjadi 12 derajat, rata-rata NH4+-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 derajat cocok untuk pertumbuhan bakteri nitrifikasi, mendorong nitrifikasi. Oleh karena itu, NH4+-N mempertahankan tingkat penghapusan yang tinggi dalam kisaran 12~20 derajat. Ketika suhu air secara bertahap menurun dari 12 derajat ke 0 derajat, rata-rata NH4+-Tingkat penghapusan N masih mencapai 80%. Penelitian yang ada menunjukkan bahwa bakteri nitrifikasi hampir kehilangan kapasitas nitrifikasi pada 0 derajat. Namun, hasil penelitian ini menunjukkan bahwa bahkan pada 0 derajat, NH4+-Tingkat penghilangan N melebihi 75%, menunjukkan kinerja nitrifikasi yang baik dari proses ini pada suhu rendah. Hal ini karena sistem IFAS di bagian A2O-MBBR pada penelitian ini memiliki umur lumpur biofilm yang panjang hingga sekitar 1 bulan, sehingga laju nitrifikasi dalam tangki biokimia jauh lebih sedikit dipengaruhi oleh suhu dibandingkan proses lumpur aktif tradisional, sehingga secara signifikan meningkatkan kinerja nitrifikasi pada suhu musim dingin yang rendah. Penelitian Wei Xiaohan dkk. juga menunjukkan alasan utama ketidakpatuhan NH4+-Efluen N pada kondisi suhu air rendah tidak memiliki umur lumpur aktif yang cukup, dan dampak suhu terhadap aktivitas nitrifikasi bersifat sekunder. Oleh karena itu, meskipun penurunan suhu air mempengaruhi aktivitas nitrifikasi sampai batas tertentu, umur lumpur yang cukup dalam proses ini memastikan NH4+-N dihilangkan pada suhu rendah. Selama periode pengujian, rata-rata limbah NH4+-Konsentrasi N adalah 3,50 mg/L, dan proses gabungan menunjukkan kinerja nitrifikasi yang baik dan stabil.
2.2.3 Kinerja Penghapusan Fosfor
Seperti yang ditunjukkan diGambar 3, laju penghilangan TP sedikit bervariasi seiring dengan perubahan suhu air, dan tetap stabil di atas 94%. Dikombinasikan denganGambar 6, konsentrasi TP influen berkisar antara 3,03~4,14 mg/L, dan konsentrasi TP limbah berkisar antara 0,14~0,28 mg/L, memenuhi standar Grade A DB 34/3527-2019. Proses ini bergantung pada aksi gabungan penghilangan fosfor secara biologis (oleh PAO) dan penghilangan fosfor secara kimia (oleh PAC). Ketika suhu air menurun, aktivitas PAO terhambat, sehingga mempengaruhi penghilangan fosfor secara biologis. Namun, proses ini melengkapi penghilangan fosfor secara kimiawi dengan dosis 3,7 g/hari PAC, menjaga laju penghilangan TP tetap stabil dan mengurangi dampak perubahan suhu air terhadap penghilangan fosfor dalam proses gabungan. Unit A2O memiliki kinerja penghilangan TP terbaik. Konsentrasi TP rata-rata limbah anaerobik-unit anoksik adalah 2,48 mg/L, dengan laju pembuangan sebesar 32,61%. Konsentrasi TP rata-rata efluen unit aerobik adalah 0,29 mg/L, dengan laju penyisihan 59,51%. Tingkat penghapusan TP keseluruhan untuk unit A2O adalah 92,12%. Desain bagian A2O-MBBR yang membingungkan dapat menghilangkan sebagian besar nitrogen nitrat yang dibawa dalam cairan campuran yang disirkulasi ulang, sehingga memungkinkan PAO anaerobik melepaskan fosfor secara lebih menyeluruh di bagian anaerobik dan menyerap fosfor lebih penuh di bagian aerobik, sehingga meningkatkan penghilangan fosfor secara biologis. Selain itu, penghilangan fosfor kimiawi dengan pemberian dosis pada satu sisi tangki MBBR aerobik mempertahankan tingkat pembuangan TP yang stabil, dengan kualitas limbah yang lebih baik secara stabil dibandingkan standar Grade A DB 34/3527-2019. Penghapusan fosfor biologis di bagian A2O-MBBR terutama terjadi ketika PAO dalam tangki anaerobik yang dibingungkan menggunakan sumber karbon untuk mengubah sebagian bahan organik dan asam lemak volatil menjadi polihidroksialkanoat (PHA). Ketika air limbah mengalir dari tangki anaerobik ke tangki MBBR aerobik, PAO kemudian menggunakan PHA sebagai donor elektron untuk menyelesaikan penyerapan fosfor. Namun, kinerja penghilangan fosfor biologis mudah dipengaruhi oleh aktivitas PAO, dan suhu air yang rendah membatasi aktivitas PAO. Oleh karena itu, untuk mencapai penghilangan fosfor yang stabil, penghilangan fosfor secara kimiawi dimasukkan dalam desain proses. Selain itu, adsorpsi oleh lapisan substrat di lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon dan pertumbuhan tanaman yang terendam di kolam ekologi juga menyerap sejumlah fosfor.
Singkatnya, pengaturan ini beroperasi secara stabil selama periode pengujian, dengan kinerja penghilangan polutan yang baik secara keseluruhan. Proses gabungan A2O-MBBR + CW mencapai tingkat penghapusan rata-rata sebesar 68,40%, 89,45%, 73,94%, dan 94,04% untuk TN, NH4+-N, COD, dan TP, masing-masing. Konsentrasi limbah rata-rata masing-masing adalah 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L, dan 0,22 mg/L, semuanya memenuhi standar Grade A DB 34/3527-2019. Penelitian Wu Qiong dkk. menunjukkan bahwa A2O-MBBR adalah proses komposit lumpur aktif dan biofilm, yang memiliki kuantitas mikroba besar, umur lumpur panjang, pemuatan volumetrik tinggi, volume dan tapak kecil, ketahanan kuat terhadap beban kejut, kualitas limbah yang baik, dan pengoperasian yang stabil. Selain itu, kinerja denitrifikasi proses biofilm di musim dingin lebih baik dibandingkan proses lumpur aktif, sehingga lebih cocok untuk mengolah air limbah bersuhu rendah di musim dingin. Hal ini juga menjadi alasan utama atas kinerja penghilangan polutan yang baik pada bagian A2O-MBBR dalam penelitian ini. Proses gabungan A2O-MBBR + CWs dalam penelitian ini menambahkan zona perawatan pemolesan CWs berdasarkan proses A2O-MBBR, sehingga semakin meningkatkan kinerja pemurnian secara keseluruhan dan stabilitas operasional proses. Penghapusan TN dan NH4+-N tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan suhu air musiman, sedangkan penghapusan COD dan TP hampir tidak terpengaruh oleh suhu air musiman. Selama periode pengujian, produk ini menunjukkan ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, sehingga cocok untuk digunakan di daerah pedesaan dengan fluktuasi besar dalam kualitas dan kuantitas air limbah domestik.
2.3 Analisis Ekonomi dari Proses Gabungan
Biaya proses gabungan ini terutama mencakup biaya konstruksi dan biaya operasi pengolahan air limbah. Biaya konstruksi untuk menyiapkan pengaturan eksperimental, termasuk pembelian badan tangki, peralatan listrik tambahan, media, tanaman terendam, dan alat kelengkapan pipa, berjumlah sekitar 3.000 CNY. Berdasarkan kapasitas pengolahan air limbah maksimum selama percobaan sebesar 0,18 m³/hari, biaya konstruksi per m³ air limbah yang diolah adalah sekitar CNY 16,700. Biaya operasi terutama timbul dari operasi setup, termasuk konsumsi energi peralatan, biaya bahan kimia, biaya pembuangan lumpur, dan biaya tenaga kerja. Peralatan listrik meliputi: pompa umpan (daya 2 W, Q=2.8 m³/d), pompa resirkulasi (daya 2 W, Q=2.8 m³/d), aerator (daya 5 W, laju aerasi=5 L/mnt), dan pompa dosis peristaltik (daya 2 W). Dihitung berdasarkan daya pemakaian maksimum aktual: pompa umpan 0,13 W, pompa resirkulasi 0,19 W, aerator 1,25 W, dosing pump 2 W. Total daya pemakaian aktual 0,00357 kW, konsumsi daya harian 0,086 kWh. Konsumsi listrik per m³ air limbah yang diolah adalah 0,48 kWh. Menggunakan harga listrik industri 0,7 CNY/kWh, biaya listrik adalah 0,33 CNY/m³. Biaya bahan kimia PAC sekitar 2,4 CNY/kg, penggunaan 3,7 g/hari. PAC yang dibutuhkan per m³ air limbah adalah 20,56 g, biaya 0,05 CNY/m³. Biaya pembuangan lumpur=kuantitas lumpur × volume satuan biaya pembuangan lumpur. Produksi lumpur kering per ton air adalah 0,09 kg. Berdasarkan harga satuan pengangkutan dan pembuangan lumpur IPAL kota sebesar 60 CNY/ton, biaya pembuangan lumpur per ton air=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Karena pengaturan percontohan hanya memerlukan inspeksi berkala setelah pengoperasian, biaya tenaga kerja diperkirakan berdasarkan pengalaman teknik sebenarnya. Pabrik berkapasitas 10.000 ton per hari dioperasikan oleh 1~2 orang. Dengan asumsi gaji satu orang adalah 3.000 CNY/bulan, untuk 2 orang, indikator biaya tenaga kerja adalah sekitar 0,02 CNY/ton air. Detail biaya tertera diTabel 4. Singkatnya, biaya perawatan operasi adalah sekitar 0,46 CNY/m³. Namun, seiring dengan peningkatan kapasitas pengolahan air limbah, biaya konstruksi dan operasional per ton air akan menurun. Biaya konstruksi dan pengoperasian selama uji coba hanya untuk referensi.
3. Kesimpulan
Proses gabungan A2O-MBBR + CWs menunjukkan kinerja yang baik untuk pengolahan air limbah domestik pedesaan. Penghapusan TP dan COD sebagian besar tidak terpengaruh oleh perubahan suhu air. Tingkat penghapusan rata-rata untuk TN, NH4+-N, TP, and COD reached 68.4%, 89.45%, 94.02%, and 73.94%, respectively. When water temperature ≤5°C, effluent quality stably met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. When water temperature >5 derajat, kualitas limbah dapat memenuhi standar Grade A GB 18918-2002 "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota". Proses ini dapat secara efisien memanfaatkan bahan organik dalam sistem sebagai sumber karbon untuk meningkatkan denitrifikasi, mempertahankan penghilangan TN lebih dari 50% bahkan pada suhu air serendah 0 derajat.
Kapasitas pengolahan air limbah optimal untuk proses gabungan A2O-MBBR + CWs di musim dingin adalah 120 L/hari, dan 180 L/hari di luar-musim dingin. Perubahan suhu air musiman (menurun secara bertahap dari 32 derajat menjadi 0 derajat ) hanya berdampak tertentu pada penghilangan nitrogen melalui proses gabungan. Tingkat penyisihan TN menurun dari 79,19% menjadi 51,38%, dan NH4+-Tingkat penghapusan N menurun dari 99,52% menjadi 74,77%. Bahkan pada suhu 0 derajat, kualitas limbah secara stabil memenuhi standar Kelas A DB 34/3527-2019, dan standar NH4+-Tingkat penghapusan N masih mencapai 74,77%. Hal ini memanfaatkan sistem IFAS, dimana umur lumpur hingga 1 bulan memastikan nitrifikasi pada suhu rendah. Proses ini beroperasi secara stabil selama periode pengujian, menunjukkan ketahanan yang kuat terhadap perubahan suhu air.
Proses A2O-MBBR dimuka menggunakan dua jenis pembawa biofilm tersuspensi untuk penempelan mikroba, sehingga membentuk sistem IFAS. Lahan basah aliran bawah permukaan berbasis karbon menggunakan beberapa media pengisi termasuk biochar lumpur, batu kapur, dan zeolit, meningkatkan kinerja filtrasinya sekaligus menyediakan permukaan perlekatan yang luas bagi mikroorganisme, sehingga meningkatkan kapasitas pengolahan biologisnya. Proses A2O-MBBR dimuka dengan IFAS memiliki konsentrasi biomassa yang tinggi. Lahan basah komposit CW belakang berfungsi sebagai tahap pengolahan pemolesan, yang selanjutnya mengolah air limbah, menjadikan sistem keseluruhan lebih tahan terhadap beban kejut.
Proses gabungan A2O-MBBR + CWs cocok untuk mengolah air limbah domestik di daerah pedesaan dengan fluktuasi kualitas dan kuantitas yang besar. Ini beroperasi secara stabil dan efisien, dengan biaya perawatan sekitar 0,46 CNY/m³. Selain itu, bagian proses A2O-MBBR+CWs dapat disesuaikan secara fleksibel menurut standar, skenario, dan tujuan limbah yang berbeda. Proses gabungan ini dapat memberikan referensi data dan dasar untuk proyek pengolahan air limbah domestik pedesaan di Tiongkok, menawarkan jalur pemanfaatan sumber daya untuk lahan kosong yang tidak terpakai di daerah pedesaan, dan memiliki potensi penerapan pasar yang luas berdasarkan tren nasional (sangat menekankan pada peningkatan kualitas lingkungan pedesaan.