Pembuangan nitrogen dan fosfor dalam skala besar dapat menyebabkan eutrofikasi badan air.

Pembuangan nitrogen dan fosfor dalam skala besar dapat menyebabkan eutrofikasi badan air. Oleh karena itu, Tiongkok menggunakan nitrogen amonia dan fosfor total sebagai indikator penilaian penting untuk mengevaluasi dampak pengolahan dari instalasi pengolahan limbah. Saat ini, pengolahan limbah terutama bergantung padadenitrifikasi biologis, yang mengubah nitrogen dalam limbah menjadi gas nitrogen yang tidak berbahaya melalui nitrifikasi aerobik dan denitrifikasi anoksik.

Nitrogen total mengacu pada kandungan nitrogen dalam partikel terlarut dan tersuspensi, termasuk nitrogen anorganik seperti NO3-, NO2-, dan NH4+, dan nitrogen organik seperti asam amino, protein, dan amina organik. Denitrifikasi biologis pertama-tama melibatkan pengubahan nitrogen organik menjadi nitrogen amonia melalui amonifikasi dalam lingkungan anaerobik. Proses ini mudah dilakukan dan dapat diselesaikan di sebagian besar fasilitas perawatan. Kemudian, dalam lingkungan aerobik, nitrogen amonia diubah menjadi nitrogen nitrat melalui nitrifikasi. Terakhir, dalam lingkungan anoksik, nitrogen nitrat diubah menjadi gas amonia melalui denitrifikasi, yang keluar dari air.

Proses denitrifikasi utama meliputiproses lumpur aktif(A2O, saluran oksidasi, SBR, dll.) dan proses biofilm (filter biologis, tangki oksidasi kontak biologis, cakram putar biologis, dll.), yang memiliki efek penghilangan nitrogen yang baik dalam air limbah, tetapi memiliki keterbatasan dan kompleksitas tertentu dalam hal proses dan pengoperasian.

Proses A2O, atau proses lumpur aktif anaerobik-anoksik-aerobik, melibatkan air limbah yang mengalir melalui tiga zona fungsional berbeda—anaerob, anoksik, dan aerobik—di mana komunitas mikroba berbeda menghilangkan bahan organik, nitrogen (N), dan fosfor (P). Proses A2O adalah proses penghilangan fosfor dan nitrogen secara simultan yang paling sederhana, ditandai dengan total waktu retensi hidrolik yang singkat. Dalam kondisi anaerobik, anoksik, dan aerobik yang bergantian, ia menghambat pertumbuhan bakteri berfilamen, mengatasi penggumpalan lumpur, dan biasanya mencapai viskositas lumpur (SVI) kurang dari 100. Hal ini memfasilitasi pemisahan air limbah yang telah diolah dari lumpur. Bagian anaerobik dan anoksik hanya memerlukan pengadukan perlahan selama pengoperasian, sehingga menghasilkan biaya pengoperasian yang rendah.

Keuntungan:Proses ini merupakan penghilangan nitrogen dan fosfor secara simultan yang paling sederhana, dengan total waktu retensi hidraulik yang kecil dan total luas lantai yang kecil; dalam kondisi operasi bolak-balik anaerobik-aerobik, bakteri berfilamen tidak dapat berkembang biak dalam jumlah besar, dan tidak ada penggumpalan lumpur; lumpur memiliki konsentrasi fosfor yang tinggi dan efek pupuk yang tinggi; tidak diperlukan bahan kimia selama pengoperasian, hanya diperlukan pengadukan perlahan, dan biaya pengoperasian rendah.

Kekurangan:Efisiensi penghilangan fosfor sulit untuk ditingkatkan lebih lanjut, pertumbuhan lumpur mempunyai batas tertentu dan tidak mudah untuk ditingkatkan; efisiensi penghilangan nitrogen juga sulit untuk ditingkatkan lebih lanjut, volume sirkulasi internal tidak boleh terlalu tinggi, jika tidak maka akan meningkatkan biaya pengoperasian; konsentrasi oksigen terlarut tertentu harus dipertahankan dalam tangki sedimentasi, waktu tinggal harus dikurangi, dan konsentrasi terlarut tidak boleh terlalu tinggi untuk mencegah sirkulasi cairan campuran mengganggu reaktor.

Saluran oksidasi, juga dikenal sebagai reaktor sirkulasi kontinu, merupakan modifikasi dan pengembangan dari proses lumpur aktif konvensional dan bentuk khusus dari aerasi yang diperluas.

Fungsi utamanya adalah untuk memasok oksigen; memastikan bahwa lumpur aktif berada dalam keadaan tersuspensi, memungkinkan terjadinya pencampuran dan kontak menyeluruh antara air limbah, udara, dan lumpur; dan menggerakkan air untuk bersirkulasi sepanjang tangki dengan laju aliran tertentu (tidak kurang dari 0,25 m/s), yang sangat penting untuk menjaga fungsi pemurnian saluran oksidasi. Parit oksidasi menawarkan keuntungan seperti kualitas limbah yang baik, ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, efisiensi penghilangan fosfor dan nitrogen yang tinggi, stabilisasi lumpur yang mudah, konsumsi energi yang rendah, dan kemudahan pengendalian otomatis.

Namun pada kenyataannya, masih terdapat serangkaian permasalahan seperti penggemburan lumpur, pembentukan busa, lumpur mengambang, laju aliran tidak rata, dan pengendapan lumpur.

Proses lumpur aktif intermiten, atau disingkat proses SBR, memiliki siklus operasi yang dapat dibagi menjadi lima tahap: influen, reaksi, sedimentasi, limbah, dan menganggur. Proses terpadu ini ditandai dengan kesederhanaannya. Karena hanya ada satu tangki reaksi, maka tidak diperlukan tangki sedimentasi sekunder, lumpur balik, dan peralatan terkait. Umumnya, tangki pemerataan tidak diperlukan, dan dalam banyak kasus, tangki sedimentasi primer dapat dihilangkan.

Fitur:Dalam kebanyakan kasus, tidak perlu menyiapkan tangki pemerataan; nilai SVI rendah, mudah mengendap, dan umumnya tidak terjadi penggemburan lumpur; reaksi penghilangan fosfor dan nitrogen dilakukan dengan menyesuaikan mode operasi; tingkat otomatisasinya tinggi; bila dilakukan dengan benar, efek pengobatan lebih baik daripada pengobatan berkelanjutan; unit investasinya relatif kecil; tapaknya besar, namun volume air yang diolah kecil.

Masalah:Proses A2O dan saluran oksidasi memerlukan area tangki yang besar, sehingga mengakibatkan biaya infrastruktur yang tinggi; proses pengembalian lumpur dan sedimentasi bersifat kompleks dan boros energi, sehingga sulit dilakukan oleh instalasi pengolahan air limbah kecil biasa dan tidak cocok untuk perkuatan instalasi pengolahan air limbah. Proses SBR memerlukan decanter berpresisi tinggi untuk memastikan kualitas limbah, dan tangki pemerataan berikutnya diperlukan untuk mengatur laju aliran limbah, sehingga memerlukan otomatisasi yang tinggi.

Filter biologis memerlukan area yang luas, dan pembawa tetap dalam tangki oksidasi kontak biologis sulit untuk dibuat dan dipelihara; keduanya juga rentan terhadap penyumbatan, sehingga menimbulkan tantangan besar terhadap kestabilan operasi instalasi pengolahan air limbah dalam jangka panjang. Sebaliknya, cakram berputar biologis dapat menangani volume air limbah yang lebih kecil dan lebih cocok untuk instalasi pengolahan air limbah dengan kapasitas pengolahan yang lebih kecil.

Proses MBBRdikembangkan berdasarkan filter biologis dan proses unggun terfluidisasi biologis. Dengan memanfaatkan keunggulan proses biofilm dan lumpur aktif secara bersamaan, hal ini mengatasi masalah penyumbatan pengepakan dan konsumsi energi yang tinggi dari pencucian balik yang sering ditemui dalam proses biofilm, serta masalah hilangnya lumpur dalam proses lumpur aktif, sehingga menjadikan efek pengolahan biologisnya lebih efektif.

Pembawa MBBR terbuat dari bahan polimer yang menggabungkan berbagai elemen yang mendorong perlekatan dan pertumbuhan mikroba dengan cepat. Mereka dimodifikasi dan dibuat menggunakan proses khusus, menghasilkan pembawa dengan keunggulan seperti luas permukaan spesifik yang besar, hidrofilisitas yang baik, aktivitas biologis yang tinggi, pembentukan biofilm yang cepat, efek pengolahan yang baik, dan masa pakai yang lama.

Mikroorganisme dapat menempel secara luas pada pembawa MBBR, menghasilkan peningkatan biomassa yang signifikan dalam sistem pengolahan biologis dengan tetap mempertahankan konsentrasi lumpur yang konstan. Hal ini mengarah pada peningkatan kapasitas dan efisiensi pengolahan sistem, dan meningkatkan ketahanannya terhadap beban kejut dari berbagai kualitas air. Ketika biofilm yang menempel pada pembawa MBBR mencapai ketebalan tertentu, hal itu menciptakan gradien oksigen terlarut, menghasilkan zona anoksik di dalam pembawa di tangki aerobik. Hal ini memungkinkan bakteri denitrifikasi melakukan denitrifikasi di dalam pembawa, yaitu nitrifikasi dan denitrifikasi secara bersamaan. Hal ini secara efektif menghemat sumber karbon, memungkinkan kapasitas penghilangan nitrogen yang baik bahkan pada rasio karbon terhadap nitrogen yang lebih rendah.

Semua pembawa MBBR memiliki kepadatan kurang dari 1, dan setelah pembentukan biofilm, kepadatannya sama dengan air, sehingga mereka tetap tersuspensi dalam air. Dalam operasi sebenarnya, aerasi yang dikombinasikan dengan pengadukan digunakan untuk memfluidisasi pembawa di dalam air, membentuk fluidisasi tiga fase gas-cair-padat. Hal ini meningkatkan kontak antara fase gas, cairan, dan pembawa, secara signifikan meningkatkan efisiensi pemanfaatan oksigen dan secara efektif mengurangi volume aerasi dan konsumsi energi.

Proses MBBR hanya memerlukan penambahan bahan aditif tertentu dan pemasangan layar pembawa di atas proses pengolahan biologis yang ada. Hal ini mencapai peningkatan kapasitas penghilangan nitrogen tanpa pembangunan infrastruktur yang ekstensif, sehingga mengurangi biaya investasi secara signifikan. Hal ini menunjukkan prospek pengembangan yang menjanjikan dalam peningkatan dan retrofit instalasi pengolahan air limbah.

Proses denitrifikasi tradisional mengoksidasi NH4+ menjadi NO2-, dan kemudian menjadi NO3-. Agen aktifnya adalah bakteri pengoksidasi nitrit dan bakteri nitrifikasi, yang secara kolektif dikenal sebagai bakteri nitrifikasi. Kesimpulan yang dapat diambil sebagai berikut: oksidasi nitrit menghasilkan lebih banyak energi daripada nitrifikasi, sehingga laju reaksinya lebih cepat; oksidasi nitrit menghasilkan H+ dalam jumlah besar, menurunkan pH sistem, sedangkan nitrifikasi tidak berpengaruh pada pH sistem; rasio aerobik antara oksidasi nitrit dan nitrifikasi adalah 3:1; Bakteri pengoksidasi nitrit dan bakteri nitrifikasi memiliki sebagian besar karakteristik fisiologis yang serupa, namun bakteri pengoksidasi nitrit memiliki masa hidup yang lebih pendek dan pertumbuhan yang lebih cepat, sehingga mereka lebih mampu beradaptasi terhadap beban kejut dan kondisi lingkungan yang merugikan.

Ketika bakteri nitrifikasi terhambat, NO2- akan terakumulasi. Jelasnya, dalam proses penghilangan nitrogen nitrifikasi-denitrifikasi tradisional, di bawah aksi bakteri denitrifikasi, denitrifikasi dapat dimulai dari nitrat atau nitrit. Namun, konversi berulang dari NO2- menjadi NO3-, dan kemudian dari NO3- kembali menjadi NO2-, memerlukan lebih banyak oksigen terlarut dan sumber karbon organik. Jika, dalam proses sebenarnya, proses konversi ini dikendalikan sehingga seluruh atau sebagian besar NH4+ diubah menjadi NO2- dan bukan NO3-, dan denitrifikasi terjadi langsung dari NO2-, proses ini disebut nitrifikasi-denitrifikasi jalan pintas. Melalui upaya tak henti-hentinya para pekerja lingkungan, jalan pintas nitrifikasi-denitrifikasi telah dicapai di banyak reaktor.

Dibandingkan dengan proses denitrifikasi tradisional, nitrifikasi-denitrifikasi jalan pintas mempunyai keuntungan sebagai berikut.

1. Hemat energi:Selama tahap nitrifikasi, pasokan oksigen berkurang hampir 25%, sehingga mengurangi konsumsi energi;
2. Menghemat sumber karbon eksternal:Proses denitrifikasi dari NO2- menjadi N2 mengurangi sumber karbon organik sebesar 40% dibandingkan proses dari NO3- menjadi N2;
3. Ini dapat mempersingkat waktu retensi hidrolik:Pada lingkungan amonia tinggi, laju nitrifikasi NH4+ dan laju denitrifikasi NO2- lebih cepat dibandingkan laju oksidasi NO2- dan laju denitrifikasi NO3-. Oleh karena itu, waktu retensi hidrolik dapat dipersingkat dan volume reaktor dapat dikurangi.
4. Mengurangi produksi lumpur:Koefisien hasil nyata bakteri pengoksidasi nitrit adalah 0,04~0,13gVSS/gN, koefisien hasil nyata bakteri nitrifikasi adalah 0,02~0,07gVSS/gN, dan koefisien hasil nyata bakteri denitrifikasi NO2 dan bakteri denitrifikasi NO3 masing-masing adalah 0,345gVSS/gN dan 0,765gVSS/gN. Oleh karena itu, produksi lumpur dapat dikurangi sebesar 24~33% selama nitrifikasi dan denitrifikasi jangka pendek, dan sebesar 50% selama denitrifikasi.

Masalah:Proses nitrifikasi-denitrifikasi (SCD) jalan pintas saat ini sedang dalam tahap penelitian, dengan penerapan teknik praktis yang terbatas. Karena kesulitan dalam mengendalikan faktor-faktor seperti suhu dan pH selama tahap SCD, diperlukan teknologi deteksi online dan kontrol fuzzy yang lebih canggih untuk mencapai proses SCD yang stabil dan memperluas penerapannya.

Oksidasi amonia anaerobik adalah proses reaksi biologis di mana bakteri pengoksidasi amonia anaerobik menggunakan nitrit sebagai akseptor elektron untuk mengoksidasi nitrogen amonia menjadi gas nitrogen dalam kondisi anaerobik. Reaksi ini biasanya memiliki persyaratan yang relatif ketat terhadap kondisi eksternal (pH, suhu, oksigen terlarut, dll.), tetapi karena tidak memerlukan partisipasi oksigen dan bahan organik, penelitian dan pengembangan prosesnya memiliki arti penting dalam pembangunan berkelanjutan.

Pengolahan nitrogen amonia anaerobik biasanya melibatkan proses nitrifikasi singkat pra-pengolahan untuk mengubah sebagian nitrogen amonia dalam air limbah menjadi nitrit. Sudah ada contoh keberhasilan penerapannya dalam mengolah air limbah dari pabrik kokas dan air lindi TPA.

Oksidasi amonium anaerobik adalah reaksi mikroba yang menghasilkan gas nitrogen. Hal ini menawarkan beberapa keuntungan: karena amonia secara langsung bertindak sebagai donor elektron dalam denitrifikasi, bahan organik eksogen dihilangkan, menghemat biaya operasional dan mencegah polusi sekunder; oksigen dimanfaatkan secara efektif, mengurangi konsumsi energi pasokan oksigen; dan karena sebagian amonia berpartisipasi langsung dalam oksidasi amonium anaerobik tanpa mengalami nitrifikasi, produksi asam berkurang dan produksi alkali menjadi nol, sehingga mengurangi jumlah reagen kimia yang diperlukan untuk netralisasi, menurunkan biaya pengoperasian, dan mengurangi polusi sekunder.

Proses ini menghilangkan padatan tersuspensi (SS), kebutuhan oksigen kimia (COD), dan BOD, serta melakukan nitrifikasi, denitrifikasi, penghilangan fosfor, dan AOX (zat berbahaya). Hal ini ditandai dengan mengintegrasikan oksidasi biologis dan intersepsi padatan tersuspensi, sehingga menghemat kebutuhan tangki sedimentasi berikutnya (tangki sedimentasi sekunder). Memiliki beban volumetrik dan beban hidraulik yang besar, waktu retensi hidraulik yang singkat, memerlukan investasi infrastruktur yang lebih sedikit, menghasilkan kualitas limbah yang baik, memiliki konsumsi energi pengoperasian yang rendah, dan menghemat biaya pengoperasian.

BAF merupakan reaktor biofilm generasi ketiga yang tidak hanya memiliki keunggulan teknologi biofilm, namun juga berperan efektif dalam filtrasi spasial dengan menggunakan media filter khusus dan desain distribusi gas yang tepat.

Karakteristik teknologi:

1. Aliran udara-air bersifat horizontal dan ke atas, yang menjamin keseragaman udara dan air yang sangat baik, mencegah pembentukan gelembung udara dan penyumbatan pada lapisan media filter, serta menghasilkan pemanfaatan oksigen yang tinggi dan konsumsi energi yang rendah.
2. Berbeda dengan filtrasi aliran bawah, filtrasi aliran atas mempertahankan kondisi tekanan positif di seluruh ketinggian lapisan filter, yang dapat menghindari pembentukan saluran atau hubungan arus pendek dengan lebih baik, sehingga menghindari perangkap udara yang dapat mempengaruhi proses filtrasi dengan membentuk saluran.
3. Aliran ke atas menciptakan kondisi dorong semi-kolom yang menguntungkan untuk proses tersebut, memastikan stabilitas jangka panjang dan efektivitas proses BAF bahkan dengan laju dan beban filtrasi yang tinggi.
4. Penggunaan aliran udara horizontal ke atas memungkinkan pemanfaatan ruang filtrasi dengan lebih baik. Udara dapat membawa bahan padat jauh ke dalam lapisan filter, sehingga menghasilkan beban tinggi dan bahan padat seragam di dalam tangki filter, sehingga memperpanjang siklus pencucian balik dan mengurangi waktu pembersihan serta jumlah udara dan air yang digunakan selama pembersihan.
5. Efek pemotongan media filter pada gelembung udara memperpanjang waktu tinggal gelembung udara di dasar filter, sehingga meningkatkan pemanfaatan oksigen.
6. Karena kapasitas filter intersepsi lumpur yang sangat baik, tidak perlu memasang tangki sedimentasi sekunder setelah BAF.