Pengaruh Operasi Proyek Peningkatan Instalasi Pengolahan Limbah di Tianjin
Sebuah instalasi pengolahan air limbah di Tianjin menjalani proyek peningkatan dan renovasi dengan mengadopsi proses Bardenpho-MBBR yang Dimodifikasi, yang meningkatkan kualitas limbah dari standar Kelas A yang ditentukan dalam "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (GB 18918-2002) ke standar Kelas A dari standar lokal Tianjin DB 12/599-2015. Proses Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) melibatkan penambahan pembawa tersuspensi MBBR ke dalam reaktor, menyediakan tempat untuk menempelnya mikroba dan membentuk biofilm yang menempel, sehingga meningkatkan biomassa efektif dalam sistem dan mencapai penghilangan polutan. Proses MBBR menawarkan keunggulan seperti pembebanan perawatan yang tinggi, ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, kinerja perawatan yang stabil, manajemen operasional yang sederhana, dan pengoperasian proses yang fleksibel. Semakin banyak IPAL di Tiongkok yang mengadopsi proses MBBR untuk renovasi. Makalah ini menganalisis kinerja operasional IPAL Tianjin setelah peningkatannya, yang bertujuan untuk memberikan referensi untuk proyek peningkatan serupa.
1. Proses Penghapusan Nitrogen dan Fosfor Biologis Saat Ini
Tangki biologis asli menggunakan proses A²/O dengan kapasitas pengolahan 12.500 t/hari. Umur total lumpur desain adalah 14 hari, konsentrasi padatan tersuspensi cairan campuran (MLSS) adalah 3.500 mg/L, suhu air desain adalah 10 derajat, hasil lumpur adalah 0,936 kgSS/kgBOD, dan pemuatan lumpur adalah 0,082 kgBOD/kgMLSS. Kedalaman air efektif tangki biologis adalah 6 m, dengan total volume tangki 9.052,2 m³ dan total waktu retensi hidrolik (HRT) 17,4 jam. Distribusi HRT adalah: zona pemilih 0,58 jam, zona anaerobik 1,38 jam, zona anoksik 2,85 jam, zona ayunan 0,92 jam, dan zona aerobik 11,67 jam. Daur ulang lumpur adalah 100%, dan daur ulang internal minuman keras campuran adalah 300%. Tangki biologis asli terutama terdiri dari bagian aerobik-anoksik-anaerobik. Parameter pengoperasian dapat disesuaikan berdasarkan kondisi influen dan kebutuhan limbah untuk mencapai penghilangan nitrogen dan fosfor, dengan kualitas limbah yang memenuhi standar Grade A GB 18918-2002.
2. Gambaran Umum Proyek Peningkatan dan Renovasi
Peningkatan ini bertujuan untuk meningkatkan kualitas limbah agar memenuhi standar Kelas A dari standar lokal Tianjin "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (DB 12/599-2015). Kualitas influen dan efluen yang dirancang ditunjukkan padaTabel 1. Berdasarkan nilai TN influen dan efluen yang dirancang, untuk mencapai TN limbah di bawah 10 mg/L memerlukan laju denitrifikasi sebesar 75,6% dalam sistem tangki biologis. Tangki biologis asli menggunakan konfigurasi A²/O. Perhitungan berdasarkan konfigurasi tangki awal menunjukkan bahwa rasio daur ulang internal perlu ditingkatkan dari semula 200% menjadi 310%, seiring dengan penambahan sumber karbon eksternal dalam jumlah besar. Hal ini tidak hanya akan meningkatkan biaya operasional tetapi juga volume aliran daur ulang internal yang besar dapat mengganggu lingkungan anoksik. Hal ini dapat menyebabkan HRT aktual di zona anoksik menjadi kurang dari persyaratan minimum, sehingga mempengaruhi efisiensi denitrifikasi. Proses MBBR meningkatkan kemampuan denitrifikasi sistem dan meningkatkan kualitas limbah dengan menambahkan pembawa tersuspensi untuk meningkatkan konsentrasi biomassa di dalam tangki, sehingga memenuhi persyaratan peningkatan.
Tanpa mengubah volume tangki biologis yang ada, zona fungsional internal tangki biologis dikonfigurasi ulang. Konfigurasi A²/O asli (anaerob-anoksik-aerobik) telah dimodifikasi menjadi konfigurasi tahap 6-Bardenpho: zona anaerobik, zona anoksik, zona ayunan, zona aerobik, zona pasca-anoksik, dan zona pasca-aerobik. Secara khusus, zona pemilih asli diubah menjadi zona anaerobik. Zona anaerobik asli, zona ayunan (bagian depan), dan zona anoksik semuanya digunakan sebagai zona pra-anoksik. Bagian depan koridor pertama di zona aerobik asli disesuaikan menjadi zona ayunan. Koridor aerobik pertama, kedua, dan ketiga yang asli diubah menjadi zona MBBR, di mana ditambahkan pembawa tersuspensi, bersama dengan sistem penyaringan saluran masuk/keluar dan sistem aerasi tambahan bawah. Koridor aerobik keempat diubah menjadi-zona pascaanoksik. Zona ayunan asli secara fungsional dipartisi dan disesuaikan menjadi zona pasca{15}}anoksik dan pascaaerobik. Parameter tangki biologis yang direnovasi ditunjukkan padaTabel 2.
Mengenai operasi proses, cairan campuran dari zona aerobik didaur ulang ke zona anoksik, dan sumber karbon ditambahkan ke dalam zona anoksik. Bakteri denitrifikasi memanfaatkan sumber karbon untuk denitrifikasi guna menghilangkan nitrogen nitrat yang diproduksi di zona aerobik. Nitrogen nitrat sisa memasuki zona pasca-anoksik, tempat sumber karbon tambahan ditambahkan untuk melanjutkan denitrifikasi. Setelah renovasi, konsentrasi padatan tersuspensi minuman keras campuran (MLSS) adalah 4.000 mg/L, daur ulang lumpur 50%–100%, daur ulang internal minuman keras campuran 200%–250%, dan oksigen terlarut di zona MBBR adalah 2–5 mg/L. Diagram alir proses setelah renovasi ditunjukkan padaGambar 1.
3. Komisioning Sistem Setelah Renovasi Tangki Biologis
Setelah renovasi tangki biologis selesai, tahap commissioning dimulai. Lumpur yang telah dikeringkan dari IPAL lain ditambahkan ke tangki biologis, sehingga dengan cepat meningkatkan konsentrasi lumpur hingga di atas 3.000 mg/L dalam waktu singkat. Hal ini memperpendek periode budidaya dan aklimatisasi lumpur, sehingga memungkinkan penyalaan tangki biologis secara cepat dan pemulihan kapasitas penghilangan nitrogen dan fosfor. Selama masa operasi uji coba, karena aliran influen dan konsentrasi polutan yang relatif rendah, beban operasional aktual lebih rendah dibandingkan beban desain. Pendekatannya adalah dengan terlebih dahulu mengolah dan menyesuaikan lumpur aktif hingga sistem biologis stabil dan kualitas limbah memenuhi standar, kemudian menambahkan pembawa MBBR untuk pembentukan biofilm.
Setelah pembawa ditambahkan ke bagian aerobik tangki biologis, mereka direndam terlebih dahulu. Mikroorganisme secara bertahap menempel pada permukaannya. Secara visual, warna permukaan pembawa berubah dari putih menjadi kuning pucat karena semakin banyak mikroorganisme yang menempel dan biofilm menjadi lebih padat. Warna pembawa secara bertahap semakin dalam. Dua bulan setelah penambahan pembawa, pembentukan biofilm berjalan baik, dengan permukaan pembawa tampak coklat kekuningan-dan warnanya secara bertahap semakin dalam. Empat bulan setelah penambahan pembawa, biofilm pada permukaan pembawa tampak berwarna coklat tua dan padat. Perkembangan pembentukan biofilm dapat diamati secara intuitif berdasarkan perubahan warna pembawa, seperti yang ditunjukkan pada gambarGambar 2. Pada bulan Desember 2021, pemeriksaan mikroskopis lumpur aktif dari tangki biologis dan lumpur dari pembawa menunjukkan struktur flok kompak dengan sifat adsorpsi dan pengendapan yang baik. Secara visual, pembawa menunjukkan pembentukan biofilm yang jelas. Pemeriksaan mikroskopis mengidentifikasi organisme seperti Vorticella, Opercularia, dan Epistylis, dengan sesekali terlihat beberapa ciliate yang bergerak, yang menunjukkan selesainya tahap pembentukan biofilm.
4. Kinerja Operasional Setelah Renovasi Tangki Biologis
4.1 Kinerja Penghapusan COD dan BOD Setelah Renovasi
Nilai COD dan BOD limbah untuk tahun 2022 ditunjukkan padaGambar 3. COD limbah cair berkisar antara 10,2 hingga 24,9 mg/L, dengan rata-rata 18,0 mg/L. BOD limbah berkisar antara 2,1 hingga 4,9 mg/L, dengan rata-rata 3,4 mg/L. COD dan BOD limbah secara stabil memenuhi standar Kelas A lokal Tianjin. Sistem yang direnovasi ini tidak hanya menunjukkan kinerja penghilangan COD dan BOD yang baik namun juga mempertahankan tingkat COD dan BOD limbah yang stabil dan sesuai selama musim banjir, bahkan ketika beban influen aktual pabrik mencapai 110% dari kapasitas desainnya. Hal ini menunjukkan bahwa sistem mempunyai ketahanan yang baik terhadap beban kejut.
4.2 Performa Penghapusan TN dan NH₃-N Setelah Renovasi
Nilai limbah TN dan NH₃-N untuk tahun 2022 ditunjukkan padaGambar 4. TN berkisar antara 3,72 hingga 8,74 mg/L, dengan rata-rata 6,43 mg/L. NH₃-N berkisar antara 0,02 hingga 1,25 mg/L, dengan rata-rata 0,12 mg/L. Selama pengoperasian musim dingin, karena suhu yang lebih rendah, laju nitrifikasi dan denitrifikasi menurun. Dalam praktiknya, konsentrasi lumpur ditingkatkan hingga di atas 6.000 mg/L. Pengoperasian pada konsentrasi lumpur yang tinggi bermanfaat untuk meningkatkan ketahanan sistem biologis terhadap beban kejut, terutama pada suhu rendah. Sinergi antara konsentrasi lumpur yang tinggi dan biofilm yang melekat pada pembawa MBBR meningkatkan efek pengolahan sistem biologis.
Pembawa MBBR menyediakan lingkungan yang menguntungkan bagi komunitas mikroba, mendukung pertumbuhan dan reproduksi mereka. Setelah aklimasi dan maturasi, kapasitas nitrifikasi dan denitrifikasi biofilm menguat. Mikroorganisme menempel dan tumbuh berlapis pada permukaan pembawa, meningkatkan kepadatan zoogloea dan membentuk struktur lumpur yang besar, padat, dan stabil dengan cepat. Saat menghadapi perubahan kualitas air eksternal, mikroorganisme pada permukaan pembawa mengeluarkan zat polimer ekstraseluler (EPS) untuk perlindungan diri, sehingga mengurangi dampak perubahan kualitas air secara tiba-tiba pada mikroorganisme lapisan dalam.
Dalam IPAL yang menggunakan proses MBBR, fenomena nitrifikasi dan denitrifikasi simultan (SND) telah diamati di zona pembawa aerobik. Pengujian nilai TN influen dan efluen dari zona pembawa aerobik menunjukkan perbedaan sebesar 2–6 mg/L. Perbedaan ini lebih nyata, terutama ketika oksigen terlarut dalam tangki aerobik dikontrol di bawah 2 mg/L, yang menunjukkan SND lebih signifikan pada kondisi oksigen terlarut rendah. TN limbah dari tangki sedimentasi sekunder telah sepenuhnya memenuhi standar, yang berarti pembuangan TN telah selesai dalam tahap pengolahan biologis. Dalam pengoperasian sebenarnya, filter lapisan dalam-denitrifikasi beroperasi sebagai proses pengamanan. Dalam kondisi normal, berfungsi sebagai filter reguler untuk memastikan indikator SS memenuhi standar.
4.3 Kinerja Penghapusan TP dan SS Setelah Renovasi
Nilai TP dan SS limbah untuk tahun 2022 ditunjukkan padaGambar 5. TP limbah IPAL berkisar antara 0,04 hingga 0,22 mg/L, dengan rata-rata 0,10 mg/L. SS limbah berkisar antara 1 hingga 4 mg/L, dengan rata-rata 2,2 mg/L. Setelah peningkatan, TP limbah tangki sedimentasi sekunder sekitar 1,0 mg/L dan SS sekitar 26 mg/L. Dengan menambahkan besi klorida dan PAM ke dalam tangki sedimentasi berefisiensi tinggi untuk meningkatkan koagulasi dan melalui pemurnian lebih lanjut dalam filter dasar denitrifikasi, TP dan SS limbah secara stabil memenuhi standar Kelas A lokal Tianjin, dan nilai warnanya berkurang secara signifikan.
5. Kesimpulan
Untuk memenuhi standar Kelas A lokal Tianjin, proses A²/O asli di IPAL diubah menjadi konfigurasi lima-tahap Bardenpho, yang menggabungkan proses MBBR di bagian aerobik untuk meningkatkan pembuangan nitrogen biologis, mengurangi limbah TN dan NH₃-N. Selama musim banjir dengan arus berlebih, semua indikator secara konsisten memenuhi standar, menunjukkan ketahanan dampak yang baik. Setelah renovasi tangki biologis, rasio daur ulang internal adalah 200%–300%, daur ulang lumpur eksternal adalah 50%–100%, konsentrasi lumpur adalah 4.000–6.000 mg/L, oksigen terlarut di zona aerobik dikontrol pada 3–5 mg/L, dan oksigen terlarut di zona anaerobik dikontrol pada 0,2–0,5 mg/L. Pada tahun 2022, kualitas limbah IPAL adalah: COD 10,2–24,9 mg/L, rata-rata 18,0 mg/L; BOD 2,1–4,9 mg/L, rata-rata 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, rata-rata 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, rata-rata 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, rata-rata 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, rata-rata 2,2 mg/L. Semuanya secara stabil memenuhi standar Kelas A dari standar lokal Tianjin "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (DB 12/599-2015).