Perbandingan Proses AO Dua{0}}tahap dan Tiga-tahap: Sebuah Rekayasa Perspektif
Saat ini, sebagian besar instalasi pengolahan air limbah (IPAL) di Tiongkok mengadopsi proses berbasis lumpur aktif-untuk pengolahan air limbah. Diantaranya, hampir setengahnya menggunakan proses Anoxic-Oxic (AO). Proses AO menawarkan keuntungan seperti operasi yang stabil dan biaya rendah. Namun, efisiensi penyisihan total nitrogen (TN), biasanya berkisar antara 60% hingga 80%, dibatasi oleh rasio daur ulang internal. Dengan semakin ketatnya persyaratan nasional untuk penghilangan nitrogen, proses AO-tahap konvensional sering kali kesulitan memenuhi permintaan pengolahan TN. Proses AO multi{10}}tahap telah muncul. Dengan menghubungkan dua atau lebih tahap AO secara seri, nitrat yang dihasilkan pada tahap aerobik sebelumnya menyediakan substrat untuk denitrifikasi pada tahap anoksik berikutnya. Hal ini mencapai tujuan mengurangi rasio daur ulang internal sekaligus meningkatkan penghapusan TN secara keseluruhan. Namun, tahapan yang berlebihan juga dapat meningkatkan kompleksitas operasional. Oleh karena itu, konfigurasi yang paling umum diterapkan di China saat ini adalah proses AO dua{15}}tahap dan tiga-tahap. Makalah ini menyajikan analisis perbandingan proses AO dua{18}}tahap dan tiga{19}}tahap menggunakan IPAL di Tiongkok Selatan sebagai studi kasus, yang bertujuan untuk memberikan referensi dalam pemilihan rute teknis dalam proyek serupa.
1 Ikhtisar Proyek
IPAL di Tiongkok Selatan mencakup area seluas 8 hektar. Kapasitas desain awalnya adalah 90.000 m³/hari, dengan kualitas limbah yang harus memenuhi standar Kelas A dari "Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (GB 18918-2002) dan "Batas Pembuangan Polutan Air" Provinsi Guangdong (DB 44/26-2001) (selanjutnya disebut sebagai "Kelas Semu V"). Pabrik itu beroperasi dengan kapasitas penuh. Menurut perencanaan yang relevan, diperlukan perluasan. Standar limbah cair di masa depan, berdasarkan status saat ini, perlu mempertimbangkan persyaratan jangka panjang TN Kurang dari atau sama dengan 10 mg/L. Dengan mempertimbangkan kondisi aktual lokasi secara komprehensif, skala konstruksi sipil untuk perluasan ini ditetapkan sebesar 70.000 m³/hari. Pabrik ini akan beroperasi pada kapasitas 50.000 m³/hari dalam waktu dekat dan mencapai skala 70.000 m³/hari dalam jangka panjang, sehingga total kapasitas pengolahan pabrik menjadi 160.000 m³/hari. Kualitas air influen dan efluen yang dirancang ditunjukkan pada gambarTabel 1.
Karena keterbatasan lokasi, rencana awal perluasan mengadopsi rute proses "Multi-tahap AO + Periferal-Dalam Periferal-Tangki Sedimentasi Persegi Panjang Keluar +-Tangki Sedimentasi Efisiensi Tinggi + Pelat Serat-dan-Filter Rangka". Struktur sipil dari semua unit utama dibangun untuk skala 70.000 m³/hari, sementara peralatan dipasang untuk kapasitas 50.000 m³/hari. Tangki biologis akan menggunakan proses AO multi-tahap dalam waktu dekat. Dalam jangka panjang, penambahan bahan pembawa yang ditangguhkan akan menciptakan proses lumpur aktif biofilm hibrid untuk memenuhi permintaan perluasan kapasitas sebesar 40%. Untuk desain ini, kondisi hidrolik dipertimbangkan untuk skala 70.000 m³/hari, sedangkan pengolahan biologis dirancang untuk skala 50.000 m³/hari. Karena proyek ini bermaksud mengadopsi proses AO{25}}tahap multi-tahap, perbandingan antara AO dua{26}}tahap dan tiga{27}}tahap dilakukan.
2 Perbandingan Proses AO Dua-Tahap dan Tiga-Tahap
2.1 Alur Proses
Prinsip inti dari proses AO multi-tahap adalah memanfaatkan nitrat yang dihasilkan pada tahap aerobik sebelumnya untuk denitrifikasi pada tahap anoksik berikutnya, sehingga mengurangi rasio daur ulang internal. Secara teoritis, lebih banyak tahapan menghasilkan penghilangan TN yang lebih baik, namun pengendalian menjadi lebih kompleks. Dalam praktik teknik, AO dua-tahap dan tiga-tahap sangat dominan. Alur prosesnya ditunjukkan padaGambar 1. Untuk AO dua{1}}tahap, daur ulang internal biasanya dirancang dalam tahap AO pertama. Untuk AO tiga-tahap, daur ulang internal umumnya tidak digunakan. IPAL di Beijing yang menggunakan dua-proses AO tahap meliputi Qinghe (400.000 m³/hari), Xiaohongmen (500.000 m³/hari), Gao'antun (400.000 m³/hari), Dingfuzhuang (200.000 m³/hari), dan Huaifang (600.000 m³/hari). Proses ini menawarkan keuntungan seperti peralatan yang sederhana, biaya pengoperasian dan pemeliharaan yang rendah, ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, dan kompatibilitas yang tinggi dengan proses lainnya, sehingga memfasilitasi peningkatan di masa depan untuk memenuhi standar limbah yang lebih tinggi. Secara teoritis, tiga tahap AO secara seri dapat menghilangkan kebutuhan akan peralatan daur ulang internal, memungkinkan alokasi sumber karbon yang lebih rasional, dan mengurangi biaya investasi dan pengoperasian. Proses ini terutama diterapkan dalam skenario dengan sumber karbon yang cukup dan kebutuhan penghilangan nitrogen yang tinggi. Kasus yang umum terjadi adalah IPAL Qujing di Yunnan (80.000 m³/hari), IPAL Perkotaan Distrik Ninghe di Tianjin (90.000 m³/hari), IPAL Zhangguizhuang di Tianjin (200.000 m³/hari), dan Pabrik Reklamasi Daoxianghu di Beijing (80.000 m³/hari).
2.2 Perbandingan Proses
Mengingat tidak ada lahan tambahan yang tersedia untuk perbaikan di masa mendatang di lokasi ini, dan beberapa proyek lokal baru telah menerapkan standar TN limbah cair Kurang dari atau sama dengan 10 mg/L, perbandingan proses tersebut mempertimbangkan TN limbah cair tangki biologis Kurang dari atau sama dengan 10 mg/L untuk mengakomodasi kemungkinan persyaratan limbah cair yang lebih ketat di masa mendatang. Indikator-indikator lain mengikuti desain kualitas limbah cair. Berdasarkan tata letaknya, untuk skala-jangka pendek 50.000 m³/hari, Waktu Retensi Hidraulik (HRT) maksimum untuk tangki biologis adalah 18 jam. Dengan menggabungkan kondisi aktual proyek, hasil simulasi BioWin, dan kenyamanan pemasangan dengan operator yang ditangguhkan, dilakukan perbandingan antara proses AO dua-tahap dan tiga-tahap.
2.2.1 Simulasi BioWin
HRT awal 18 jam ditetapkan dan dikurangi secara bertahap. HRT minimum yang mencapai persyaratan TN limbah adalah 14 jam. Untuk dua-tahap AO, titik distribusi yang berpengaruh adalah zona anaerobik, zona anoksik-tahap pertama, dan zona anoksik-tahap kedua. Untuk tiga-tahap AO, titik pengaruhnya adalah zona anaerobik, zona anoksik-tahap kedua, dan zona anoksik{10}}tahap ketiga.
① Studi dengan Rasio Distribusi Influen Tetap
Dengan menetapkan rasio distribusi pengaruh sebesar 4:3:3 untuk keduanya, simulasi membandingkan tiga skema: dua-tahap AO (rasio daur ulang 200%), tiga-tahap AO dengan total rasio daur ulang sebesar 200% (100% daur ulang dalam tahap AO pertama + 100% daur ulang dari zona Oxic ketiga ke zona Anoxic pertama), dan tiga-tahap AO dengan rasio daur ulang sebesar 100% (hanya didaur ulang dalam tahap AO pertama). Alur simulasi ditunjukkan padaGambar 2.
Tabel 2menunjukkan hasil simulasi untuk rasio pengaruh tetap pada HRT=14 jam.
Dari Tabel 2, terlihat bahwa untuk AO dua{1}}tahap dan tiga-tahap, direkomendasikan untuk menyiapkan daur ulang internal pada tahap AO pertama untuk memaksimalkan denitrifikasi di zona anoksik pertama dengan memanfaatkan sumber karbon dalam influen mentah. Untuk tiga-tahap AO, menyiapkan daur ulang internal dari akhir tahap ketiga hingga zona anoksik pertama sedikit meningkatkan penyingkiran TN dan TP, namun efisiensi penyisihan bahan organik menurun. Ini adalah spekulasi yang dikaitkan dengan peningkatan aliran keseluruhan dalam tangki biologis akibat daur ulang, yang membawa oksigen terlarut ke zona anoksik, sehingga mempengaruhi lingkungan anoksik. Selain itu, HRT aktual di setiap zona menjadi lebih pendek, dan transisi antar kondisi operasional semakin cepat, sehingga menyebabkan berkurangnya efisiensi. Untuk karakteristik influen seperti yang ada pada proyek ini di Tiongkok Selatan, yang konsentrasi TN-nya tidak terlalu tinggi, AO dua-tahap dapat sepenuhnya memenuhi persyaratan limbah, sehingga tidak menunjukkan keuntungan nyata untuk AO tiga-tahap. Untuk skenario dengan COD tinggi dan influen TN tinggi, tiga-tahap AO mungkin lebih cocok.
② Studi tentang Penyesuaian Rasio Distribusi Influencer
AO dua{0}}tahap dan tiga-tahap ditetapkan dengan rasio daur ulang internal 100% pada tahap AO pertama. Studi dilakukan pada rasio distribusi pengaruh multi-titik (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Di sini, 1:0:0 berarti semua pengaruh masuk paling depan; 3:7:0 untuk tiga-tahap AO berarti influen didistribusikan hanya ke zona anaerobik dan tahap AO kedua. Hasil simulasi untuk rasio distribusi yang disesuaikan ditunjukkan padaTabel 3.
Dari Tabel 3 terlihat bahwa rasio distribusi mempunyai pengaruh yang kecil terhadap kualitas limbah. Tren umumnya adalah seiring dengan meningkatnya proporsi influen yang didistribusikan ke tahap selanjutnya, konsentrasi limbah TN, NH₃-N, dan TP meningkat, dan kebutuhan aerasi juga meningkat secara bertahap. Ketika rasio influen adalah 3:7:0, AO tiga-tahap menunjukkan penghilangan TN yang sedikit lebih baik dan rasio udara-terhadap-air yang sedikit lebih rendah dibandingkan AO dua-tahap. Namun, dalam pengoperasian sebenarnya, perbedaan ini umumnya dapat diabaikan. Selain itu, peningkatan proporsi influen ke tahap selanjutnya, meskipun bermanfaat bagi pemanfaatan sumber karbon dalam denitrifikasi, juga akan meningkatkan beban reaksi biokimia karena masukan NH₃-N, bahan organik, dan TP. Oleh karena itu, disarankan untuk mempertahankan konfigurasi{15}}influen multititik dan melakukan penyesuaian bertahap berdasarkan kualitas air aktual selama pengoperasian. Perlu dicatat bahwa meskipun AO tiga-tahap menunjukkan penghilangan TN yang lebih baik daripada AO dua-tahap dengan rasio influen 2:4:4, seiring dengan meningkatnya influen ke tahap berikutnya, limbah NH₃-N menunjukkan tren peningkatan, yang pada titik tersebut NH₃-N tidak dapat lagi memenuhi standar limbah.
③ Performa Perawatan AO Dua-Tahap dan Tiga-Tahap
Konfigurasi tiga-tahap AO disimulasikan dengan HRT=14 h, rasio volume yang sama untuk setiap tahap (1:1:1), 100% daur ulang internal yang ditetapkan pada tahap AO pertama, dan rasio influen 4:3:3, dalam dua kondisi: dengan daur ulang 100% dan dengan daur ulang tertutup. Konfigurasi AO-tahap dua disimulasikan dengan HRT=14 jam, set daur ulang internal 100%, dan rasio pengaruh 4:3:3. Hasil menunjukkan bahwa AO dua{17}}tahap mencapai TN limbah optimal sebesar 6,29 mg/L; tiga-tahap AO dengan daur ulang internal 100% di bagian depan mencapai yang terbaik berikutnya pada 7,51 mg/L; kinerja AO tiga-tahap tanpa daur ulang internal lebih buruk pada 8,52 mg/L. Ketiga skenario tersebut dapat memenuhi persyaratan verifikasi efluen (TN Kurang dari atau sama dengan 10 mg/L).
Tabel 4menunjukkan perbandingan parameter desain antara AO dua{0}}tahap dan tiga-tahap. Terlihat bahwa untuk kedua proses tersebut, HRT yang dibutuhkan untuk mencapai kebutuhan TN efluen kurang dari 18 jam. Perbedaan utama antara kedua proses tersebut adalah sebagai berikut:
A. Secara teoretis, tiga-tahap AO memiliki batas atas yang lebih tinggi; yaitu, jika dioperasikan dengan benar, biaya investasi dan operasional dapat lebih rendah. AO dua-tahap memiliki item dan tahapan peralatan yang lebih sedikit, sehingga menghasilkan biaya peralatan yang lebih rendah dan kesulitan manajemen operasional.
B. Untuk proyek khusus ini, karena jangka panjang dipertimbangkan dan volume tangki dirancang untuk HRT 18-jam, investasi sipil akan sama baik dengan mengadopsi AO dua-tahap atau tiga-tahap. Biaya peralatan untuk tiga-tahap AO lebih tinggi. Oleh karena itu, dari sudut pandang investasi, penerapan AO dua tahap lebih ekonomis.
C. Mengenai biaya operasional, tiga-tahap AO dapat menghemat sekitar 0,002 CNY/m³ dengan menghilangkan 100% biaya energi daur ulang minuman keras campuran. Mempertimbangkan potensi penurunan efisiensi pemanfaatan sumber karbon dalam operasi sebenarnya karena kondisi anoksik/oksik yang bergantian dalam tiga-tahap AO, perbedaan biaya operasi sebenarnya kemungkinan akan lebih kecil lagi.
2.2.2 Analisis Skenario-Pengangkut yang Ditangguhkan Jangka Panjang
Karena persyaratan unik dari proyek ini, tangki biologis perlu mempertimbangkan kelayakan dan kenyamanan rencana perluasan kapasitas jangka panjang, yaitu dampak penambahan kapal pengangkut yang ditangguhkan.
Inti dari proses MBBR adalah meningkatkan biomassa dalam reaktor dengan menambahkan pembawa tersuspensi. Ini dapat ditambahkan ke tangki aerobik, anoksik, atau anaerobik. Namun, mengingat fluidisasi pembawa, menambahkannya ke tangki anaerobik atau anoksik akan meningkatkan kebutuhan daya pencampuran secara signifikan. Oleh karena itu, penambahan tangki aerobik sangat disarankan. Volume zona anaerobik/anoksik dapat ditambah dengan partisi dari zona aerobik, sedangkan kekurangan volume aerobik dikompensasi dengan penambahan pembawa. Dengan kata lain, volume aerobik yang tidak mencukupi disebabkan oleh peningkatan luas permukaan pembawa yang tersuspensi, yang dihitung berdasarkan konversi beban polutan untuk menentukan kuantitas pembawa yang diperlukan, mengendalikan rasio pengisian tertentu untuk mendapatkan volume tambahan.
Berdasarkan perhitungan, jika mengadopsi proses AO dua{0}}tahap dan menambahkan semua pembawa yang ditangguhkan ke zona aerobik-tahap pertama dalam jangka panjang, luas permukaan pembawa MBBR yang diperlukan akan menjadi 2.597.708 m², dan menelan biaya CNY 12,99 juta. Biaya peralatan tetap terkait lainnya (termasuk sistem fluidisasi MBBR, mixer khusus, sistem penyaringan, dan sistem kontrol cerdas) akan mencapai 6,15 juta CNY. Jika mengadopsi proses AO tiga-tahap, karena zona lebih tersebar, zona MBBR perlu dibagi menjadi 2 bagian (zona aerobik-tahap pertama dan-tahap kedua). Akibatnya, biaya pemasangan peralatan tetap MBBR (tidak termasuk operator itu sendiri) akan sedikit meningkat menjadi 7,77 juta CNY, sementara biaya operator tetap sama. Artinya, penerapan tiga-tahap AO akan meningkatkan investasi retrofit di masa depan sebesar 1,62 juta CNY dan juga meningkatkan kompleksitas retrofit. Selain itu, sistem penyaringan adalah area yang paling rentan terhadap masalah setelah penambahan operator. Tiga-tahap AO menambahkan bagian layar tambahan, sehingga meningkatkan kesulitan operasional.
Dari perbandingan di atas, karena partisi yang berlebihan pada tiga-tahap AO, dengan masing-masing partisi memiliki volume yang sama, kesulitan retrofitnya lebih tinggi dibandingkan dengan dua-tahap AO. Konstruksi, kompleksitas operasional, dan penambahan peralatan penyaringan juga menghasilkan investasi yang lebih tinggi dibandingkan dua-tahap AO. Oleh karena itu, penerapan AO dua-tahap akan lebih kondusif untuk penggabungan di masa depan dengan operator yang ditangguhkan.
2.3 Hasil Perbandingan
Berdasarkan analisis di atas, proses AO dua{0}}tahap dan tiga-tahap dapat mencapai target TN limbah kurang dari atau sama dengan 10 mg/L. Dalam kondisi batas proyek ini-ruang yang terbatas, kebutuhan untuk memaksimalkan-volume tangki jangka pendek, dan-rencana jangka panjang untuk menambah kapal induk yang ditangguhkan-dua-tahap AO memiliki keunggulan dalam hal-investasi jangka pendek dan kenyamanan pengelolaan/pemeliharaan peralatan. Hal ini juga menawarkan kompatibilitas yang lebih tinggi untuk retrofit di masa depan dengan operator yang ditangguhkan, sehingga menghasilkan investasi keseluruhan yang lebih rendah dan mengurangi kesulitan retrofit dan operasional. Oleh karena itu, setelah pertimbangan menyeluruh, proses AO dua{12}}tahap direkomendasikan untuk desain ini.
3 Kinerja Operasional
Perkiraan total investasi untuk proyek ini adalah 304,5721 juta CNY, dengan biaya konstruksi sebesar 243,6019 juta CNY, yang berarti biaya konstruksi unit sebesar 3,480,03 CNY/m³. Biaya perawatannya 1,95 CNY/m³, dan biaya operasionalnya 1,20 CNY/m³.
Untuk proyek ini, tangki biologis memiliki total HRT 18 jam (terdiri dari: zona anaerobik 2 jam, zona anoksik tahap-pertama 3,5 jam, zona aerobik tahap-pertama 7,5 jam, zona degas 0,5 jam, zona anoksik tahap-kedua 2,5 jam, zona aerobik tahap kedua-2 jam), dengan kedalaman air efektif 8,6 m. Pengambilan air bagian yang dapat disesuaikan diterapkan, memungkinkan penyesuaian rasio distribusi influen sebanyak 20% sesuai kebutuhan. Dalam pengoperasian sebenarnya, konsentrasi Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) dalam tangki biologis berkisar antara 3.500 hingga 4.000 mg/L, rasio pengembalian lumpur berkisar antara 40% hingga 100%, dan rasio daur ulang internal cairan campuran berkisar antara 100% hingga 200%. Kualitas influen dan efluen aktual ditunjukkan padaTabel 5, yang pada dasarnya selaras dengan hasil simulasi.
4 Kesimpulan
Dengan menggunakan IPAL di Tiongkok Selatan sebagai studi kasus, perbandingan teknis dan ekonomi antara proses AO dua{0}}tahap dan tiga-tahap dilakukan dengan bantuan simulasi BioWin. AO dua-tahap, dengan item dan tahapan peralatan yang lebih sedikit, biaya peralatan yang lebih rendah, dan kesulitan manajemen operasional yang lebih rendah, lebih cocok untuk kondisi di Tiongkok Selatan di mana TN yang masuk tidak terlalu tinggi. Untuk tiga-tahap AO, menyiapkan daur ulang internal dari akhir tahap ketiga hingga zona anoksik pertama berdampak negatif terhadap efisiensi penghilangan TN, meningkatkan kesulitan pengelolaan operasional, dan meningkatkan biaya investasi. Desain ini sekaligus memenuhi persyaratan pengolahan jangka pendek sebesar 50.000 m³/hari dan TN Kurang dari atau sama dengan 10 mg/L, sedangkan skala jangka panjang sebesar 70.000 m³/hari dapat dicapai dengan memasangkan pembawa yang ditangguhkan. Hasil operasional sebenarnya sebagian besar konsisten dengan hasil simulasi BioWin, dengan rata-rata TN limbah sebesar 6,86 mg/L, yang memenuhi persyaratan desain.