Satu tangki mengoksidasi; rangkaian tangki menyisihkan
Tangki lumpur aktif yang berisi udara menyisihkan bahan organik, karena biologi yang tumbuh di sana mengonsumsinya. Namun tangki itu sendiri tidak menyisihkan nitrogen atau fosfor secara terkendali. Nitrogen keluar dari sistem hanya ketika ion nitrat diubah menjadi gas nitrogen dan lepas ke atmosfer, dan fosfor keluar hanya ketika terikat ke dalam lumpur yang kemudian dikeluarkan dari IPAL. Keduanya memerlukan zona tanpa oksigen, dan itulah sebabnya IPAL penyisihan nutrien dibangun sebagai rangkaian tangki, bukan satu tangki.
Tata letak A²/O — anaerobik, anoksik, aerobik — adalah susunan yang umum untuk air limbah kota bila batas nitrogen dan fosfor keduanya berlaku. Setiap zona menyediakan rangkaian kondisi yang berbeda, dan setiap rangkaian menyeleksi reaksi yang berbeda, itulah alasan volumenya seperti itu.
Zona anaerobik melepaskan fosfor
Zona anaerobik adalah tangki pertama dalam rangkaian dan yang paling sering salah dibaca. Zona ini tidak mengandung oksigen maupun nitrat, dan biologi yang tumbuh subur di sana menyerap asam lemak volatil dan menyimpannya. Untuk itu, organisme ini melepaskan fosfat dari selnya ke dalam air, sehingga zona ini justru menaikkan konsentrasi fosfat, bukan menurunkannya.
Pelepasan itu bukan kesalahan, melainkan separuh pertama dari mekanisme dua langkah. Organisme yang sama menyerap fosfat jauh lebih banyak di zona aerobik daripada yang dilepaskannya di sini, dan kelebihannya masuk ke dalam lumpur. Fosfor tidak dihancurkan pada tahap mana pun; ia dipekatkan ke dalam lumpur buang, dan itulah cara IPAL menyisihkannya. Praktik nasional memberi tangki anaerobik waktu tinggal hidrolik 1–2 h (GB 50014-2021); waktu yang jauh lebih lama berisiko membuat biologi yang salah mengambil alih.
Zona anoksik mengubah nitrat menjadi gas nitrogen
Tangki kedua menerima lumpur campuran tanpa oksigen bebas, dan di sinilah nitrogen benar-benar disisihkan. Bakteri denitrifikasi memakai nitrat sebagai sumber oksigennya, dan nitrat direduksi menjadi gas nitrogen, yang keluar dari air dan bergabung ke atmosfer. Reaksinya memerlukan sumber karbon organik, dan influen menyediakannya.
Dua kondisi harus terpenuhi sekaligus. Tidak boleh ada oksigen terlarut, karena bakteri akan memakainya lebih dulu daripada nitrat dan reduksinya akan berhenti. Dan harus ada nitrat yang masuk, itulah sebabnya nitrat yang dihasilkan di zona aerobik dikembalikan ke zona anoksik melalui loop resirkulasi. Praktik nasional memberi tangki anoksik waktu tinggal hidrolik 0.5–3.0 h (HJ 576-2010), rentang yang lebih lebar daripada tangki anaerobik karena waktu yang dibutuhkan bergantung pada berapa banyak nitrat yang dikembalikan dan berapa banyak karbon yang tersedia.
Zona aerobik menyelesaikan pekerjaannya
Tangki ketiga diaerasi, dan dua hal terjadi di dalamnya. Amonia dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri nitrifikasi, langkah yang membuat nitrogen dapat disisihkan sama sekali: tanpa nitrifikasi, nitrogen tetap sebagai amonia dan tidak ada zona anoksik yang dapat mengeluarkannya. Dan organisme pengakumulasi fosfor menyerap fosfat dari air ke dalam selnya, langkah penyerapan yang telah disiapkan oleh pelepasan di zona anaerobik.
Zona aerobik juga mengoksidasi bahan organik yang tersisa, sehingga zona ini memikul sebagian besar energi aerasi IPAL. Lumpur campuran meninggalkan tangki ini menuju clarifier sekunder, tempat lumpur mengendap dan terpisah. Lumpur resirkulasi mempertahankan biologi di dalam sistem, dan lumpur buanglah yang membawa fosfor keluar dari sistem.
A/O, A²/O dan extended aeration
Rangkaian A/O menghilangkan tangki anaerobik dan mempertahankan tahap anoksik serta aerobik. Rangkaian ini menyisihkan nitrogen dan bahan organik, dan jumlah tangki yang lebih sedikit membuatnya lebih sederhana, tetapi tanpa langkah pelepasan anaerobik penyisihan fosfornya terbatas. Rangkaian A/O atau A²/O dengan clarifier sekunder dan disinfeksi biasanya menghasilkan baku mutu GB 18918-2002 yang kurang menuntut — Grade 1B dan Grade 2 — dan bila hanya organik yang dikendalikan, biologinya dapat diturunkan ke biological contact oxidation.
Grade 1A, grade terketat yang dipublikasikan pada tabel standar, adalah persoalan yang berbeda. Batas total fosfornya 0.5 mg/L dibandingkan 1 mg/L pada Grade 1B, dan pengolahan biologis biasa tidak mencapainya secara andal; grade ini biasanya dipenuhi dengan filter atau membran setelah tahap biologis, atau dengan dosis kimia. Batas total nitrogennya 15 mg/L, dibandingkan 20 mg/L pada Grade 1B, memaksa zona anoksik dirancang dengan margin, bukan diperlakukan sebagai tambahan belakangan.
Extended aeration adalah susunan ketiga, dan ini konvensi Timur Tengah, bukan konvensi standar nasional. Panduan MEWA Arab Saudi menguraikannya sebagai waktu aerasi 18–36 h, mixed liquor suspended solids 3000–6000 mg/L dan umur lumpur 10–30 hari. Susunan ini tidak memerlukan membran, tetapi membutuhkan volume tangki lebih besar daripada rangkaian berbasis zona mana pun di atas.
Apa yang ditentukan zona tentang volume tangki
Definisi zona diterjemahkan menjadi volume tangki, karena volume adalah debit dikalikan waktu tinggal: V = Q × HRT. Tangki anaerobik pada 1–2 h dan tangki anoksik pada 0.5–3.0 h berukuran kecil dibandingkan tangki aerobik, yang memikul waktu aerasi dan karena itu sebagian besar volumenya. Bila penyisihan fosfor menjadi tujuan utama, solids retention time ditetapkan pada 3.5–7.0 hari (GB 50014-2021), dan angka itu menentukan berapa banyak lumpur yang ditahan IPAL, bukan ukuran tangki mana pun secara individual. Pembagian antara volume anoksik dan aerobik tidak ditetapkan oleh standar; pembagian itu diseimbangkan terhadap target nitrogen dan fosfor.
Persoalan zona, bukan persoalan pemisahan
Zona yang diuraikan di sini mengatur apa yang disisihkan dari air. Keputusan terpisah adalah bagaimana biologi ditahan dan bagaimana ia dipisahkan dari air olahan, yang menjadi pokok perbandingan antara MBR, MBBR dan SBR. IPAL dapat menjalankan zona A²/O dengan membran alih-alih clarifier, atau menahan biologinya sebagai biofilm. Urutan zona dan metode pemisahan adalah dua pilihan yang berbeda, dan panduan pemilihan menempuh keduanya dalam urutan itu.