Penerapan Proses BIOLAK dalam Peningkatan Instalasi Pengolahan Air Limbah ke Standar Kuasi-Kelas IV
Diperkenalkan ke Tiongkok pada awal abad ke-21, proses BIOLAK diterapkan secara luas dalam pengolahan air limbah perkotaan karena strukturnya yang sederhana dan biaya investasi yang rendah. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan pengetatan standar pembuangan dan peningkatan otomatisasi, sebagian besar pabrik BIOLAK yang ada menghadapi peningkatan. Peningkatan seperti penambahan kapal induk yang ditangguhkan, perkuatan tangki, dan pendefinisian ulang zona fungsional diterapkan untuk meningkatkan penghilangan nitrogen dan fosfor. Meskipun pembangkit listrik yang baru dibangun sebagian besar menggunakan proses A²/O dan saluran oksidasi, hanya ada sedikit laporan mengenai kinerja aktual BIOLAK, terutama berdasarkan standar emisi yang ketat. Proses BIOLAK menggunakan rantai aerasi berayun untuk menciptakan zona anoksik dan aerobik temporal, yang pada dasarnya berfungsi sebagai proses A/O multi-tahap. Melalui optimalisasi operasional, kualitas limbah cair dapat secara stabil memenuhi standar air permukaan kuasi-Kelas IV.
1 Latar Belakang Proyek
Sebuah instalasi pengolahan air limbah di Provinsi Hebei menggunakan proses BIOLAK sebagai teknologi intinya. Aliran masuk berkisar antara 18.000 hingga 22.000 m³/hari, rata-rata 19.000 m³/hari, terutama mengolah limbah domestik perkotaan dan sejumlah kecil air limbah pengolahan pertanian. Kualitas influen dan efluen yang dirancang ditunjukkan padaTabel 1. Standar pembuangan aslinya adalah standar Kelas A *"Standar Pembuangan Polutan untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota" (GB 18918-2002)*. Setelah peningkatan yang mencakup partisi zona anaerobik untuk meningkatkan denitrifikasi dan defosforisasi, pabrik tersebut kini mematuhi batas area kendali utama *"Standar Pembuangan Pencemar Air untuk Daerah Aliran Sungai Daqing" (DB13/2795-2018)*. Kecuali nitrogen total, semua indikator lainnya memenuhi standar Kelas IV yang ditentukan dalam *"Standar Kualitas Lingkungan untuk Air Permukaan" (GB 3838-2002)*. Alur proses ditunjukkan padaGambar 1.
Pabrik menggunakan natrium hipoklorit untuk desinfeksi. Lumpur dikeringkan dengan-pelat bertekanan tinggi dan filtrasi rangka hingga kadar air di bawah 60% sebelum diangkut untuk-pemrosesan bersama dalam tanur semen.
Kontribusi setiap unit pengolahan terhadap penghilangan polutan dihitung berdasarkan keseimbangan massa, dengan metode spesifik yang mengacu pada literatur.
2 Tindakan Optimalisasi Pengendalian Operasional
Berbagai langkah optimasi diterapkan selama operasi untuk meningkatkan stabilitas limbah dan mencapai penghematan energi dan biaya.
2.1 Kontrol Oksigen Terlarut (DO) yang Ditingkatkan
Proyek retrofit BIOLAK yang ada sering kali mencatat zonasinya yang lemah sebagai varian A/O multi-tahap, yang menyebabkan rendahnya efisiensi denitrifikasi. Dalam proyek ini, sambil memastikan kepatuhan terhadap nitrogen amonia limbah, DO maksimum pada akhir zona aerasi dipertahankan pada 0,5–1,0 mg/L, lebih rendah dari persyaratan pengendalian DO konvensional.
2.2 Peningkatan Pemantauan Data Proses
Untuk memandu pengendalian DO dan takaran sumber karbon eksternal, nitrogen nitrat dan nitrogen amonia dipantau di ujung zona anaerobik dan tangki BIOLAK untuk menentukan rentang kendali optimal. Selama pengoperasian, takaran sumber karbon eksternal dikurangi atau dihentikan ketika nitrogen nitrat berada di ujung zona anaerobik<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Menetapkan Target Pengendalian Limbah Internal
Untuk memastikan kepatuhan yang stabil, target pengendalian internal ditetapkan sebesar 30%–80% dari batas pembuangan, berdasarkan pada sulitnya mengendalikan setiap polutan. Melebihi batas internal ini akan memicu penyesuaian parameter proses dengan segera untuk mengembalikan konsentrasi limbah ke kisaran yang dapat diterima. Target pengendalian internal tahunan untuk COD, nitrogen amonia, nitrogen total, dan fosfor total masing-masing adalah 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L, dan 0,12 mg/L.
2.4 Mempertahankan Konsentrasi Lumpur yang Tepat
Pembuangan lumpur disesuaikan berdasarkan aliran, beban, dan musim. Waktu retensi lumpur (SRT) dipertahankan pada 15–25 hari, dan konsentrasi padatan tersuspensi minuman keras campuran (MLSS) pada 2.500–4.500 mg/L. Secara khusus, MLSS dikendalikan pada 2.500–3.500 mg/L di musim panas dan musim gugur, dengan muatan lumpur sekitar 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d), dan pada 3.500–4.500 mg/L di musim dingin dan musim semi, dengan muatan lumpur sekitar 0.04 kgCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Penyesuaian Pengoperasian Unit Perawatan Lanjutan
Suhu rendah di musim dingin mempengaruhi flokulasi dan sedimentasi. Pencucian balik yang tidak tepat waktu pada filter tipe V-dapat menyebabkan peningkatan padatan tersuspensi dan COD limbah cair. Oleh karena itu, selama operasi musim dingin, frekuensi pencucian balik ditingkatkan berdasarkan kinerja koagulasi, dan pembuangan lumpur dari tangki sedimentasi koagulasi-diintensifkan untuk mengurangi konsentrasi padatan tersuspensi limbah.
3 Kinerja Perawatan
COD influen tahunan berkisar antara 109 hingga 248 mg/L, rata-rata 176 mg/L. COD limbah berkisar antara 9,5 hingga 20,1 mg/L, rata-rata 12,1 mg/L. Ketika COD limbah melebihi target pengendalian internal (15 mg/L), frekuensi pencucian balik filter ditingkatkan untuk mengurangi padatan tersuspensi. Disarankan untuk meningkatkan-tangki sedimentasi koagulasi ke tangki sedimentasi-kepadatan tinggi atau koagulasi magnetik-untuk efisiensi koagulasi yang lebih baik.
Nitrogen amonia influen tahunan berkisar antara 17,8 hingga 54,9 mg/L, rata-rata 31,9 mg/L. Nitrogen amonia limbah berkisar antara 0,12 hingga 1,30 mg/L, rata-rata 0,5 mg/L. Jika melebihi target pengendalian internal, aerasi disesuaikan sesuai tindakan optimasi. Kualitas limbah secara stabil memenuhi batas area kendali utama *DB13/2795-2018* sepanjang tahun.
Karena konsentrasi sumber karbon yang masuk rendah, fokusnya adalah pada optimalisasi kondisi proses untuk meningkatkan penghilangan nitrogen dan fosfor, yang bertujuan untuk penghematan energi dan biaya.
3.1 Optimasi Kontrol DO dan Penghapusan Nitrogen Total
Total nitrogen (TN) influen tahunan berkisar antara 20,3 hingga 55,6 mg/L (lihatGambar 2), rata-rata 42,1 mg/L. TN limbah berkisar antara 2,5 hingga 14,2 mg/L, rata-rata 8,8 mg/L, dalam target pengendalian internal (12 mg/L). Tingkat penghapusan TN rata-rata adalah 79,1%. Dengan rasio daur ulang lumpur sebesar 90% (tidak ada daur ulang cairan campuran internal), efisiensi denitrifikasi teoritis adalah 47,4%, menunjukkan bahwa denitrifikasi juga terjadi di zona proses lain di luar pemilih anaerobik. Perubahan nitrogen sepanjang rangkaian perlakuan dalam siklus tertentu ditunjukkan padaGambar 3.
Dalam siklus tipikal, TN influen adalah 42,0 mg/L, dengan jumlah amonia dan nitrogen nitrat menjadi 35,2 mg/L. Setelah pemilih anaerobik, TN adalah 16,7 mg/L, menghasilkan tingkat penghilangan 43,5% melalui keseimbangan massa, konsisten dengan nilai teoritis. Tangki BIOLAK menyumbang penghapusan TN sebesar 24,0%. TN limbah semakin berkurang di tangki sedimentasi sekunder, sehingga berkontribusi terhadap pembuangan tambahan sebesar 11,3%, terutama karena waktu retensi hidrauliknya yang lama (8,6 jam) yang memungkinkan terjadinya denitrifikasi yang digerakkan oleh sumber karbon endogen. Unit lain menyumbang penghapusan 1,9%. TN limbah akhir adalah 8,1 mg/L, dengan tingkat pembuangan total 80,7%.
Pengalaman operasional menunjukkan bahwa pengendalian DO sangat penting untuk menghilangkan TN dalam proses BIOLAK. Dalam proses konvensional, DO biasanya diukur pada ujung zona aerobik dalam struktur saluran dengan DO yang relatif seragam di seluruh-penampangnya. Namun, dalam tangki BIOLAK, ujung zona aerasi lebarnya hampir 70 meter, dengan DO meningkat dari tepi lereng ke tengah, dengan perbedaan sebesar 0,5–1,0 mg/L. Oleh karena itu, lokasi probe DO memerlukan perhatian yang cermat.
Dengan mengontrol DO maksimum secara ketat di akhir zona aerasi BIOLAK, lingkungan anoksik yang diperlukan untuk denitrifikasi dapat dipastikan secara efektif. Nitrifikasi dan denitrifikasi simultan (SND) yang memanfaatkan sumber karbon endogen telah tercapai, sehingga menghasilkan penghilangan TN yang efektif.
3.2 Penghapusan Fosfor Total dan Optimasi Operasional
Total fosfor (TP) influen tahunan berkisar antara 1,47 hingga 4,80 mg/L (lihatGambar 4), rata-rata 2,99 mg/L. TP limbah berkisar antara 0,04 hingga 0,17 mg/L. Dosis zat penghilang fosfor disesuaikan berdasarkan target pengendalian internal (0,12 mg/L). Konsentrasi TP limbah rata-rata adalah 0,07 mg/L, secara stabil memenuhi standar pembuangan, dengan tingkat penyisihan TP rata-rata sebesar 98,3%.
Perubahan fosfat sepanjang rangkaian perlakuan dalam siklus tertentu ditunjukkan padaGambar 5.
Fosfat masuk adalah 2,70 mg/L, dan fosfat lumpur balik adalah 0,58 mg/L, sehingga fosfat teoretis yang masuk ke pemilih anaerobik adalah 1,70 mg/L. Setelah pelepasan fosfor anaerobik oleh organisme pengumpul polifosfat (PAO), konsentrasi fosfat mencapai 3,2 mg/L. Rasio konsentrasi fosfat (maksimum di zona anaerobik/influen) adalah 1,9, menunjukkan pelepasan yang signifikan. Alasan utamanya adalah denitrifikasi yang efektif dalam kondisi DO rendah, menghasilkan konsentrasi nitrat yang rendah dalam lumpur yang kembali ke zona anaerobik, menjaga lingkungan anaerobik yang baik (ORP umumnya di bawah -200 mV) dan mendorong pelepasan fosfor.
Setelah zona aerasi BIOLAK, terjadi serapan fosfor dalam jumlah besar, sehingga mengurangi konsentrasi fosfat pada akhir menjadi 0,3 mg/L, sehingga mencapai efisiensi penghilangan fosfor biologis sebesar 88,9%. Setelah tangki sedimentasi dan stabilisasi, konsentrasi fosfat meningkat menjadi 0,64 mg/L. Analisis menunjukkan bahwa hal ini disebabkan oleh HRT yang lama di tangki sedimentasi dan DO yang dikontrol ketat di tangki BIOLAK, sehingga menciptakan kondisi anaerobik di tangki sedimentasi dan menyebabkan pelepasan fosfor sekunder. Setelah pemberian dosis kimia di unit koagulasi, limbah fosfat dikurangi menjadi 0,06 mg/L. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan biaya ekonomi dan kompleksitas operasional, mengorbankan sebagian efisiensi penghilangan fosfor biologis untuk meningkatkan denitrifikasi merupakan strategi optimalisasi yang layak untuk pabrik serupa.
4 Biaya Operasional
Biaya operasional langsung meliputi listrik, bahan kimia, dan pembuangan lumpur. Berdasarkan statistik tahunan, konsumsi daya spesifik adalah 0,66 kWh/m³. Dengan harga listrik sebesar 0,65 CNY/kWh (berdasarkan gabungan tarif puncak/di luar-puncak), biaya listriknya adalah 0,429 CNY/m³. Konsumsi ini berada pada sisi yang lebih tinggi menurut "Standar Evaluasi Kualitas Operasional Instalasi Pengolahan Air Limbah Kota", terutama disebabkan oleh efisiensi pemanfaatan oksigen yang sedikit lebih rendah dari sistem aerasi. Biaya bahan kimia, termasuk natrium asetat, bahan penghilang fosfor, PAM, natrium hipoklorit, dan bahan kimia dewatering, berjumlah 0,151 CNY/m³. Penggunaan dan biaya spesifik ditunjukkan diTabel 2.
Lumpur terutama berasal dari sumber biologis dan kimia (tangki koagulasi). Pelat-tekanan tinggi dan filtrasi bingkai digunakan dengan kapur dan besi klorida sebagai bahan pengkondisi. Dosis kapur adalah sekitar 25% dari berat lumpur kering. Kue yang sudah dikeringkan memiliki kadar air 60%. Produksi lumpur kering harian adalah sekitar 9 ton, dengan hasil lumpur kering spesifik sekitar 0,15%. Biaya pengangkutan lumpur adalah 250 CNY/ton, sehingga biaya pembuangan lumpur sekitar 0,118 CNY/m³. Oleh karena itu, total biaya produksi langsung adalah 0,698 CNY/m³.
5 Kesimpulan
① Sebuah instalasi pengolahan air limbah di Provinsi Hebei, menggunakan proses BIOLAK untuk mengolah air limbah kota, beroperasi terus menerus selama satu tahun dengan kualitas limbah yang secara stabil memenuhi batas area kendali utama *DB13/2795-2018* (standar air permukaan Kelas Kuasi IV).
② Sebagai varian dari proses A/O multi-tahap, pengendalian DO maksimum di akhir zona aerasi BIOLAK pada 0,5–1,0 mg/L menghasilkan tingkat penghilangan TN sebesar 24,0% di zona BIOLAK dan 11,3% di tangki sedimentasi. Hal ini mencapai nitrifikasi-denitrifikasi dan denitrifikasi sumber karbon endogen secara simultan, yang menunjukkan kemampuan menghilangkan nitrogen secara signifikan.
③ Biaya operasional langsung untuk proses BIOLAK adalah 0,698 CNY/m³. Langkah-langkah optimalisasi operasional, termasuk pemantauan data proses dan penetapan target pengendalian internal yang wajar, dapat memberikan referensi untuk mengoptimalkan operasi dan mencapai penghematan energi/biaya di instalasi pengolahan air limbah serupa.