Review Penghematan Energi dan Pengurangan Karbon Sistem Aerasi di Instalasi Pengolahan Air Limbah
Pada akhir tahun 2020, Tiongkok memiliki 4.326 instalasi pengolahan air limbah (IPAL) tingkat kota ke atas, yang mengolah 65,59 miliar meter kubik air limbah setiap tahunnya, dengan konsumsi listrik tahunan sebesar 33,77 miliar kWh, yang mencakup 0,45% dari total konsumsi listrik nasional. Pada tahun 2020, unit konsumsi listrik per meter kubik air yang diolah adalah 0,405 kWh/m³ untuk IPAL yang menerapkan standar Kelas A atau lebih tinggi dari "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (GB 18918-2002), dan 0,375 kWh/m³ untuk IPAL yang menerapkan standar di bawah Kelas A. Angka-angka ini jauh lebih tinggi daripada rata-rata di negara maju. Meskipun rata-rata konsentrasi polutan yang berpengaruh di IPAL Tiongkok kurang dari 50% dibandingkan di negara-negara maju, unit konsumsi listrik per polutan yang dihilangkan setidaknya 100% lebih tinggi. Oleh karena itu, masih terdapat potensi besar untuk penghematan energi dan pengurangan karbon di IPAL Tiongkok.
Emisi karbon dari IPAL mencakup emisi langsung dan tidak langsung. Menurut "Spesifikasi Teknis untuk-Evaluasi Operasi Rendah Karbon pada Instalasi Pengolahan Air Limbah" (T/CAEPI 49-2022), emisi karbon langsung terutama terdiri dari CH₄, N₂O, dan CO₂ dari pembakaran bahan bakar fosil. Emisi tidak langsung mencakup emisi yang terkait dengan pembelian listrik, panas, dan bahan kimia. Sebagaimana didefinisikan oleh Panel Antarpemerintah tentang Perubahan Iklim (IPCC), CO₂ yang dihasilkan dari proses degradasi biologis dalam pengolahan air limbah tidak termasuk dalam penghitungan emisi karbon. Di antara berbagai unsur emisi karbon dalam IPAL, konsumsi listrik memberikan kontribusi proporsi yang paling tinggi. Jiang Fuhai et al., berdasarkan sampel 10 IPAL, menemukan bahwa bobot kontribusi konsumsi listrik terhadap emisi karbon berkisar antara 31% hingga 64%. Hu Xiang et al., menganalisis 22 IPAL di cekungan Danau Chaohu, melaporkan bahwa emisi karbon dari konsumsi listrik menyumbang 61,55% hingga 73,56%. Semakin rendah konsentrasi influen dan semakin tinggi standar limbah, semakin tinggi pula proporsi emisi karbon langsung, khususnya yang berasal dari konsumsi listrik. Sistem aerasi mengkonsumsi lebih dari 50% total listrik IPAL. Efektivitas operasional sistem aerasi berdampak langsung pada penghilangan nitrogen dan fosfor. Aerasi yang berlebihan menyebabkan konsumsi sumber karbon endogen yang tidak perlu dalam air limbah, mengurangi efisiensi penghilangan nitrogen dan fosfor secara biologis, sehingga meningkatkan dosis sumber karbon eksternal dan bahan kimia penghilang fosfor, yang pada gilirannya meningkatkan emisi karbon dari konsumsi bahan kimia. Oleh karena itu, penghematan energi dalam sistem aerasi merupakan kunci pengurangan karbon di IPAL, sehingga penelitian mengenai teknologi hemat energi sistem aerasi menjadi sangat penting.
1. Alasan Konsumsi Energi Tinggi dalam Sistem Aerasi IPAL Tiongkok
1.1 Beban Influen Aktual Lebih Rendah Dari Beban Rencana
Beban influen rendah mencakup laju aliran rendah dan konsentrasi polutan rendah. Ini adalah penyebab utama aerasi yang berlebihan. Aerasi yang berlebihan tidak hanya meningkatkan konsumsi listrik tetapi juga menghabiskan sumber karbon endogen dalam air limbah secara berlebihan dan meningkatkan konsentrasi oksigen terlarut dalam tangki anaerobik dan anoksik, sehingga mengganggu pembuangan nitrogen dan fosfor. Hal ini memerlukan peningkatan dosis sumber karbon dan bahan kimia penghilang fosfor, sehingga meningkatkan emisi karbon terkait.
1.1.1 Laju Aliran Rendah
Biasanya, pada tahun-tahun awal setelah pembangunan IPAL, aliran influen sering kali gagal mencapai kapasitas desain karena lambatnya pembangunan perkotaan atau pembangunan jaringan saluran pembuangan. Selain itu, pada gabungan area sistem saluran pembuangan atau wilayah dengan air hujan dan pencampuran limbah yang parah, aliran-cuaca kering jauh lebih rendah dibandingkan aliran cuaca-basah, sehingga mengakibatkan fluktuasi aliran yang besar. Hal ini memerlukan pengaturan dan pengendalian laju aerasi yang lebih tepat; jika tidak, aerasi berlebihan selama periode-aliran rendah sering terjadi, sehingga memengaruhi efisiensi penghilangan karbon, nitrogen, dan fosfor serta meningkatkan konsumsi listrik dan bahan kimia.Gambar 1menunjukkan variasi volume pengolahan air limbah di Kota Changsha antara musim kemarau dan musim hujan. Volume pengolahan-musim hujan 30%–40% lebih tinggi dibandingkan pada musim kemarau. Fluktuasi musiman dalam volume pengolahan memerlukan pengendalian sistem aerasi yang lebih tepat.
1.1.2 Konsentrasi Influencer Rendah
Konsentrasi polutan yang sebenarnya di IPAL kota di Tiongkok umumnya jauh lebih rendah dibandingkan nilai desain. Dalam desain IPAL, kualitas pengaruh biasanya didasarkan pada proyeksi jangka menengah-hingga-panjang-dengan jaringan saluran pembuangan yang lengkap. Menurut "Standar Desain Teknik Air Limbah Luar Ruang" (GB 50014-2021), kebutuhan oksigen biokimia (BOD₅) selama lima hari untuk air limbah domestik dihitung sebesar 40–60 g/(orang·d), umumnya sebesar 40 g/(orang·d). Dengan pembuangan air limbah per kapita sebesar 200–350 L/(orang·d) di sebagian besar kota, konsentrasi BOD₅ desain biasanya berkisar antara 110 hingga 200 mg/L. Statistik menunjukkan bahwa 68% IPAL di Tiongkok memiliki rata-rata tahunan BOD₅ influen di bawah 100 mg/L, dan 40% memiliki rata-rata tahunan di bawah 50 mg/L. Dari perspektif konsentrasi influen versus aerasi yang diperlukan, sebagian besar IPAL Tiongkok memiliki sistem aerasi yang dirancang dengan situasi "motor berukuran besar untuk gerobak kecil"-dikonfigurasi dengan-blower berkapasitas tinggi sementara kebutuhan udara sebenarnya rendah. Konfigurasi ini dengan mudah menyebabkan aerasi berlebihan dan peningkatan konsumsi energi.
1.2 Konfigurasi Jumlah Peralatan Aerasi yang Tidak Wajar
Banyak IPAL yang mengkonfigurasi jumlah unit peralatan aerasi secara tidak wajar karena tidak memperhitungkan kondisi operasional{0}}beban rendah yang sering terjadi. Misalnya, banyak IPAL-berukuran kecil dan menengah biasanya mengonfigurasi blower dalam pengaturan "2 tugas + 1 siaga" (total 3) dalam desain ruang blower, yang optimal dalam kondisi aliran dan kualitas desain. Namun, dalam kondisi beban influen rendah, mengoperasikan satu blower saja pada output minimumnya dapat menyebabkan aerasi berlebih dan peningkatan konsumsi daya. Meskipun memasang penggerak frekuensi variabel (VFD) atau cara lain untuk mengurangi pasokan udara dapat menghindari aerasi berlebih, tindakan ini dapat mengalihkan pengoperasian blower dari zona efisiensi tinggi, sehingga mengurangi efisiensi dan membuang-buang energi. Mengingat konsentrasi influen yang umumnya rendah, strategi seperti menambah jumlah blower sekaligus mengurangi kapasitas masing-masing unit harus dipertimbangkan untuk memenuhi kebutuhan regulasi permintaan udara selama periode beban rendah. Secara historis, anggaran yang terbatas dan tingginya biaya impor blower berkinerja tinggi menyebabkan konfigurasi unit menjadi lebih sedikit. Dengan semakin matangnya teknologi blower{17}}berperforma tinggi dalam negeri dan pengurangan biaya, kondisi kini mendukung optimalisasi konfigurasi blower guna mencapai penghematan energi dan pengurangan karbon.
1.3 Rendahnya Efisiensi Peralatan Aerasi
Beberapa IPAL lama, yang dibangun dengan teknologi pada masanya, menggunakan peralatan aerasi dengan-efisiensi-energi-yang tinggi. Berdasarkan standar teknologi dan efisiensi energi saat ini, peralatan seperti Roots blower, blower sentrifugal-kecepatan rendah multi-tahap, aerator cakram, dan aerator sikat dianggap berefisiensi-rendah, biasanya berkisar antara efisiensi 40% hingga 65%-15% hingga 40% lebih rendah dibandingkan blower sentrifugal berkecepatan tinggi modern. Selain itu, pada IPAL yang menggunakan aerasi terdifusi gelembung halus dalam proses Anaerobik-Anoksik-Oksik (A₂/O) atau Anoksik-Oksik (A/O), penuaan atau penyumbatan pada diffuser mengurangi efisiensi transfer oksigen dan meningkatkan resistensi, sehingga meningkatkan konsumsi energi blower.
1.4 Konfigurasi Pencampur yang Tidak Wajar di Tangki Biologis
Pada saluran oksidasi dengan aerator permukaan, peralatan ini berfungsi baik sebagai aerasi maupun fungsi pencampuran/pendorongan. Ini adalah desain yang masuk akal pada kondisi beban desain. Namun, dalam kondisi-beban rendah, pengurangan atau penghentian aerasi mungkin diperlukan, namun untuk mencegah pengendapan lumpur atau pemisahan cairan-padat, kecepatan aliran yang memadai harus dipertahankan, sehingga memaksa aerator terus beroperasi dan menyebabkan aerasi yang berlebihan, pembuangan nutrisi yang buruk, dan pemborosan energi. Untuk operasi yang lebih-efisien energi pada beban rendah, saluran oksidasi harus dilengkapi dengan mixer submersible yang dikonfigurasi dengan benar.
Dalam proses A₂/O dan A/O, tangki aerobik biasanya ditutupi seluruhnya dengan-penyebar gelembung halus tanpa mixer khusus, yang mengandalkan aerasi yang cukup untuk mencegah pengendapan. Pada beban rendah, mengurangi aerasi atau menerapkan aerasi terputus-putus untuk menghindari-aerasi berlebihan dapat dengan mudah menyebabkan pengendapan lumpur, sehingga memengaruhi pengolahan. Untuk beroperasi lebih efisien pada beban rendah, tangki aerobik A₂/O dan A/O harus mempertimbangkan penambahan mixer yang sesuai.
2. Pendekatan Teknis Penghematan Energi dan Pengurangan Karbon pada Sistem Aerasi IPAL
2.1 Penggantian dengan-Peralatan Aerasi Efisiensi Tinggi
IPAL yang masih menggunakan peralatan berefisiensi rendah seperti Roots blower, blower sentrifugal berkecepatan rendah multi-tahap, aerator cakram, atau aerator sikat, atau yang peralatannya sudah sangat tua dan tidak efisien, harus melakukan evaluasi efisiensi energi dari perspektif penghematan energi dan pengurangan karbon dan segera menggantinya dengan model baru yang berefisiensi tinggi. Saat ini, blower-kecepatan tinggi seperti blower sentrifugal-kecepatan tinggi satu tahap, blower bantalan magnetik, dan blower bantalan udara yang digunakan pada IPAL berukuran besar biasanya memiliki efisiensi antara 80% dan 85%. Namun, pasar saat ini kekurangan produk blower sentrifugal berkecepatan-berkapasitas tinggi{14}}kecil. IPAL dengan kapasitas di bawah 2.000 m³/hari masih mengandalkan peralatan yang kurang efisien seperti Roots blower, dengan efisiensi umumnya antara 40% dan 65%, yang menunjukkan potensi perbaikan yang signifikan. Oleh karena itu, mengembangkan peralatan aerasi skala kecil yang lebih efisien akan sangat bermanfaat bagi penghematan energi dan pengurangan karbon di IPAL berukuran kecil.
2.2 Konversi dari Aerasi Permukaan menjadi-Aerasi Tersebar Gelembung Halus
Dengan kedalaman air yang sesuai,-aerasi yang disebarkan gelembung halus lebih hemat-energi dibandingkan aerasi permukaan. Mengubah saluran oksidasi dari permukaan menjadi-aerasi terdifusi gelembung halus dapat memberikan hasil penghematan-energi yang baik. Dari proyek retrofit yang dilaksanakan, konversi tersebut tidak hanya menghasilkan penghematan energi yang signifikan namun juga meningkatkan efisiensi penghilangan unsur hara biologis. Studi Chen Chao mencatat bahwa setelah satu IPAL dikonversi, total konsumsi listrik menurun sebesar 24,7%, sementara tingkat penghilangan nitrogen amonia, COD, dan total fosfor meningkat masing-masing sebesar 30,39%, 5,39%, dan 2,09%. Xie Jici dkk. melaporkan penghematan energi sebesar 0,09–0,12 kWh/m³ setelah konversi serupa, dengan peningkatan signifikan dalam efisiensi penghilangan unsur hara biologis. Dalam aerasi gelembung halus, efisiensi transfer oksigen berkorelasi positif secara linier dengan kedalaman air. Di bawah kedalaman kritis tertentu, efisiensinya mungkin lebih rendah dibandingkan aerasi permukaan. Secara umum, kedalaman air lebih dari 4 m dianggap sebagai kondisi yang sesuai untuk mengubah saluran oksidasi menjadi aerasi terdifusi gelembung halus.
3. Pendekatan Teknis Penghematan Energi dan Pengurangan Karbon pada Sistem Aerasi IPAL
3.1 Penggantian dengan-Peralatan Aerasi Efisiensi Tinggi
IPAL yang masih menggunakan peralatan berefisiensi rendah seperti Roots blower, blower sentrifugal berkecepatan rendah multi-tahap, aerator cakram, atau aerator sikat, atau yang peralatannya sudah sangat tua dan tidak efisien, harus melakukan evaluasi efisiensi energi dari perspektif penghematan energi dan pengurangan karbon dan segera menggantinya dengan model baru yang berefisiensi tinggi. Saat ini, blower-kecepatan tinggi seperti blower sentrifugal-kecepatan tinggi satu tahap, blower bantalan magnetik, dan blower bantalan udara yang digunakan pada IPAL berukuran besar biasanya memiliki efisiensi antara 80% dan 85%. Namun, pasar saat ini kekurangan produk blower sentrifugal berkecepatan-berkapasitas tinggi{14}}kecil. IPAL dengan kapasitas di bawah 2.000 m³/hari masih mengandalkan peralatan yang kurang efisien seperti Roots blower, dengan efisiensi umumnya antara 40% dan 65%, yang menunjukkan potensi perbaikan yang signifikan. Oleh karena itu, mengembangkan peralatan aerasi skala kecil yang lebih efisien akan sangat bermanfaat bagi penghematan energi dan pengurangan karbon di IPAL berukuran kecil.
3.2 Konversi dari Aerasi Permukaan ke-Aerasi Penyebaran Gelembung Halus
Dengan kedalaman air yang sesuai,-aerasi yang disebarkan gelembung halus lebih hemat-energi dibandingkan aerasi permukaan. Mengubah saluran oksidasi dari permukaan menjadi-aerasi terdifusi gelembung halus dapat memberikan hasil penghematan-energi yang baik. Dari proyek retrofit yang dilaksanakan, konversi tersebut tidak hanya menghasilkan penghematan energi yang signifikan namun juga meningkatkan efisiensi penghilangan unsur hara biologis. Studi Chen Chao mencatat bahwa setelah satu IPAL dikonversi, total konsumsi listrik menurun sebesar 24,7%, sementara tingkat penghilangan nitrogen amonia, COD, dan total fosfor meningkat masing-masing sebesar 30,39%, 5,39%, dan 2,09%. Xie Jici dkk. melaporkan penghematan energi sebesar 0,09–0,12 kWh/m³ setelah konversi serupa, dengan peningkatan signifikan dalam efisiensi penghilangan unsur hara biologis. Dalam aerasi gelembung halus, efisiensi transfer oksigen berkorelasi positif secara linier dengan kedalaman air. Di bawah kedalaman kritis tertentu, efisiensinya mungkin lebih rendah dibandingkan aerasi permukaan. Secara umum, kedalaman air lebih dari 4 m dianggap sebagai kondisi yang sesuai untuk mengubah saluran oksidasi menjadi aerasi terdifusi gelembung halus.
3.3 Teknologi Aerasi Intermiten
Untuk IPAL dengan konsentrasi influen yang rendah,-aerasi intermiten aliran berkelanjutan secara efektif mengatasi masalah pembuangan nutrisi yang buruk dan konsumsi energi yang tinggi yang disebabkan oleh-aerasi yang berlebihan. Ini melibatkan aliran influen dan efluen yang berkelanjutan sementara sistem aerasi beroperasi dalam siklus on/off aerasi. Mengikuti penelitian ARAKI et al. tahun 1986 tentang aerasi intermiten untuk menghilangkan nitrogen dalam saluran oksidasi, banyak peneliti telah melakukan studi eksperimental. Hou Hongxun dkk. melakukan uji coba-skala penuh di IPAL 100.000 m³/hari menggunakan aerasi-aliran terputus-putus yang berkelanjutan dalam saluran oksidasi, mencapai peningkatan total penyisihan nitrogen sebesar 20%, peningkatan total penyisihan fosfor sebesar 49%, dan pengurangan total konsumsi energi pembangkit sebesar 21%. He Quan et al., dalam uji coba saluran oksidasi IPAL seluas 40.000 m³/hari menggunakan siklus 2-jam aktif/2-jam nonaktif, menemukan bahwa dibandingkan dengan aerasi berkelanjutan, aerasi intermiten menghemat 42% energi aerasi, meningkatkan total penyisihan nitrogen sebesar 9,6%, dan total penyisihan fosfor sebesar 6,9% pada kondisi suhu rendah di musim dingin. Zheng Wanlin dkk., dalam uji coba proses WWTP A₂/O 40.000 m³/hari menggunakan siklus 3-hidup/3 jam mati, mempertahankan kualitas limbah yang sesuai standar yang stabil sekaligus menghemat konsumsi listrik sebesar 18,3%. Saat ini, penerapan aerasi intermiten aliran kontinu dalam skala penuh masih terbatas, dan masih terdapat beberapa tantangan teknis.
Untuk proses A₂/O yang menggunakan{0}}aerasi gelembung halus, ada dua faktor yang membatasi penerapan aerasi intermiten secara luas. Pertama, blower sentrifugal berkecepatan tinggi menghasilkan desibel tinggi, kebisingan yang tajam saat dinyalakan; sering bersepeda untuk pengoperasian yang terputus-putus menimbulkan polusi suara. Kedua, siklus start-stop yang sering terjadi pada blower bantalan magnet/udara menyebabkan bantalan non--kontak berulang kali bersentuhan dengan rumahan, sehingga mudah menyebabkan kerusakan bantalan, meningkatkan tingkat kegagalan, dan mengurangi masa pakai.
Saat menerapkan aerasi intermiten pada saluran oksidasi atau proses A₂/O, kecepatan pencampuran yang memadai selama periode non-aerasi harus dipastikan, sehingga berpotensi memerlukan mixer tambahan untuk mencegah pengendapan lumpur. Konsentrasi nitrogen amonia dapat meningkat dengan cepat selama non-aerasi, sehingga berisiko terlampaui secara instan. Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengatur dan menyesuaikan siklus aerasi secara ilmiah, meningkatkan penghematan energi dan penghilangan polutan dengan lebih baik sekaligus menghindari kelebihan nitrogen amonia secara instan.
Kekhawatiran IPAL terhadap potensi kelebihan nitrogen amonia seketika merupakan hambatan utama dalam penerapan aerasi intermiten secara luas. Pada bulan Januari 2022, Kementerian Ekologi dan Lingkungan mengeluarkan konsultasi mengenai rancangan amandemen GB 18918-2002, yang utamanya mengusulkan penambahan batas maksimum yang diperbolehkan untuk pengukuran tunggal. Batasan pengukuran tunggal yang diusulkan ini jauh lebih tinggi daripada batas rata-rata harian awal, sementara rata-rata harian tetap tidak berubah. Misalnya, untuk standar Kelas A, pengukuran tunggal di bawah 10 mg/L (15 mg/L di bawah 12 derajat ) dapat diterima jika rata-rata harian tetap di bawah 5 mg/L (8 mg/L di bawah 12 derajat ). Jika diterapkan, amandemen ini dapat membantu mengatasi permasalahan peraturan mengenai pelampauan sesaat dari aerasi intermiten, sehingga memfasilitasi penerapannya dalam proses saluran oksidasi.
3.4 Teknologi Aerasi yang Tepat
Laju aliran IPAL dan konsentrasi influen berfluktuasi secara signifikan, bahkan sepanjang hari, menyebabkan kebutuhan udara bervariasi. Mengandalkan penyesuaian berbasis pengalaman-secara manual membuat kontrol yang tepat menjadi sulit dan dapat membahayakan stabilitas kualitas limbah. Dengan kemajuan dalam data besar dan kecerdasan buatan, konsep aerasi yang tepat telah muncul. Teknologi aerasi yang tepat telah diterapkan di beberapa IPAL, biasanya mencapai penghematan energi 10%–20% dalam sistem aerasi. Menggabungkan aerasi yang tepat dengan modifikasi proses lainnya dapat memberikan hasil yang lebih baik. Zhu Jie dkk. menerapkan retrofit aerasi yang tepat dalam IPAL proses A/O multi-tahap, sehingga mencapai penghematan energi sebesar 49,8% dalam sistem aerasi. Aerasi yang tepat dan cerdas mewakili arah masa depan yang penting untuk penghematan energi dan pengurangan karbon. Keterbatasan saat ini terdapat pada kemampuan{13}}realtime dan akurasi akuisisi dan analisis data untuk sistem ini. Dibutuhkan lebih banyak terobosan teknologi dalam kontrol blower dan katup yang tepat secara real-time dan distribusi udara yang akurat.
4. Kesimpulan
Penghematan energi dalam sistem aerasi adalah kunci pengurangan karbon di IPAL. Alasan utama tingginya konsumsi energi dalam sistem aerasi IPAL Tiongkok adalah beban masuk yang rendah, yang dengan mudah menyebabkan-aerasi berlebihan, pemborosan listrik, dan peningkatan emisi karbon baik dari listrik maupun bahan kimia. Alasan lainnya termasuk peralatan yang sudah tua/efisiensi-rendah dan konfigurasi peralatan aerasi dan pencampuran yang tidak wajar. Cara efektif untuk mencapai penghematan energi dan pengurangan karbon mencakup penggantian peralatan aerasi-efisiensi rendah dengan-efisiensi tinggi, mengubah permukaan menjadi-aerasi tersebar gelembung halus, dan menerapkan teknologi seperti aerasi-aliran terputus-putus yang berkelanjutan dan aerasi yang presisi.