Penerapan Adsorpsi Karbon Aktif pada Air Limbah Kimia Batubara Tanpa Pembuangan

Dalam proyek zero-discharge untuk air limbah kimia batubara (CCW), degradasi bahan organik sering kali menggunakan proses yang mirip dengan air limbah kota, yang melibatkan "pengolahan awal + pengolahan biokimia + pengolahan lanjutan," sebelum memasuki sistem kristalisasi konsentrasi membran dan evaporasi. Penghapusan CODcr setelah konsentrasi telah lama menjadi tantangan dalam bidang zero-discharge air limbah kimia batubara. Beberapa teknologi yang layak telah diabaikan, sementara teknologi yang tidak layak menjadi pusat perhatian. Artikel ini mengeksplorasi penerapan adsorpsi karbon aktif pada air limbah kimia batubara dengan pembuangan nol untuk referensi oleh para profesional pengolahan air.

Air limbah kimia batubara adalah air limbah industri yang sulit-diolah-yang dihasilkan selama berbagai proses pemrosesan batubara. Hidrokarbon aromatik merupakan penyumbang utama CODcr dalam air limbah kimia batubara, jumlahnya mencapai lebih dari 50%. Senyawa benzena (BTEX, benzena, toluena, etilbenzena, p-xilena), fenol, dan hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) adalah contoh tipikal. Zhang dkk. mempelajari perubahan bahan organik dalam air limbah kimia batubara selama proses pengolahan, membuktikan bahwa setelah proses "perlakuan awal + pengolahan biokimia + pengolahan lanjutan", proporsi molekul besar bahan organik di dalam air meningkat (bertentangan dengan klaim beberapa lembaga desain atau unit EPC bahwa sisa bahan organik sulit-untuk-menghilangkan bahan organik molekul kecil), dan komposisinya didominasi oleh PAH. (Referensi: Zhang L, Liu H, Wang Y, dkk. Karakteristik komposisi bahan organik terlarut selama pengolahan air limbah pencairan batubara dan implikasinya terhadap lingkungan[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Justru sisa bahan organik, terutama PAH, yang menjadi masalah penghambat dalam proyek nol-pembuangan air limbah kimia batubara. Setelah bahan organik ini memasuki bagian konsentrasi membran, konsentrasinya menjadi dua kali lipat. Beberapa lembaga desain atau unit EPC sangat mempromosikan teknologi adsorpsi karbon aktif selama tahap konsentrasi membran, tanpa analisis kritis atau berdasarkan klaim yang tidak berdasar. Mereka akhirnya menyimpulkan bahwa adsorpsi karbon aktif CODcr dapat dilakukan sebelum konsentrasi membran atau kristalisasi penguapan. Namun, apakah teknologi adsorpsi karbon aktif benar-benar cocok untuk menghilangkan bahan organik lebih lanjut, terutama PAH?

Karbon aktif granular (GAC) memiliki ukuran pori rata-rata antara 3,2 dan 3,4 nm, dengan mikropori terhitung 25% –27% dan mesopori terhitung 73% –75%. PAH memiliki lebih dari 100 struktur molekul, dengan naftalena, acenaphthene, fluorene, dan phenanthrene menjadi senyawa utama dalam air limbah kimia batubara. Studi oleh Dinushika dkk. telah menemukan bahwa naftalena dan asetenaften memiliki volume molar dan ukuran molekul yang relatif kecil, sehingga menghasilkan laju adsorpsi yang relatif tinggi oleh GAC, sedangkan fluorena dan fenantrena memiliki volume molar dan ukuran molekul yang relatif besar, sehingga menghasilkan laju adsorpsi yang relatif rendah oleh GAC. GAC mencapai kesetimbangan adsorpsi untuk naftalena dan acenaphthene dalam 4–8 jam, dengan kapasitas adsorpsi sekitar 14 mg/g. GAC mencapai kesetimbangan adsorpsi untuk fluorena dan fenantren dalam 16-24 jam, dengan kapasitas adsorpsi sekitar 12 mg/g, setara dengan 36 mg CODcr/g GAC. (Referensi: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, dkk. Menghilangkan hidrokarbon aromatik polisiklik dari air menggunakan karbon aktif granular: studi adsorpsi kinetik dan kesetimbangan[J]. Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Polusi Lingkungan, 2018, 25(14): 13511-13524.)

Dalam aplikasi praktis, jika waktu tinggal untuk adsorpsi karbon aktif diatur ke 16-24 jam, diperlukan beberapa filter adsorpsi, yang jelas tidak praktis. Waktu tinggal sekitar 4 jam masuk akal, namun saat ini, GAC terutama mengadsorpsi naftalena, dan tidak memiliki efek adsorpsi yang signifikan terhadap PAH lain seperti acenaphthene, fluorene, dan phenanthrene.

Dari perspektif skala peralatan lapisan filter adsorpsi, waktu tinggal 4 jam bukanlah waktu yang singkat. Dengan asumsi volume air sisa air limbah kimia batubara setelah "perlakuan awal + pengolahan biologis + pengolahan lanjutan + konsentrasi membran" adalah 10 m³/jam, dan waktu tinggal lapisan filter adsorpsi diatur pada 4 jam, maka diperlukan 6 lapisan filter adsorpsi dengan diameter 1,8 m dan tinggi 5 m (3 untuk digunakan dan 3 untuk regenerasi). Demikian pula, jika volume air yang akan diolah adalah 100 m³/jam, maka diperlukan 60 lapisan filter adsorpsi, sehingga skala peralatannya cukup besar.

Dalam hal penggunaan GAC, dengan mengambil contoh air limbah kimia batubara berkapasitas 10 m³/jam yang disebutkan di atas, dengan CODcr sebesar 1000 mg/L (30% di antaranya adalah naftalena), waktu retensi 4 jam dapat menurunkan CODcr hingga 700 mg/L. Jika diharapkan untuk meregenerasi ketiga filter adsorpsi setiap 7 hari (168 jam), maka dibutuhkan 14 t GAC di tiga tangki adsorpsi, dan 28 t GAC diperlukan di enam tangki adsorpsi. Massa jenis GAC adalah 450~600 kg/m³, jadi 28 t GAC setara dengan 46~62 m³, yang berarti enam filter adsorpsi hampir penuh (lembaga desain sering kali merancang untuk mengisi filter adsorpsi dengan GAC dalam proyek air limbah tanpa pembuangan). Untuk memastikan waktu retensi dan laju ekspansi backwash, skala peralatan perlu ditingkatkan dua kali lipat.

Selain itu, banyak penelitian telah menunjukkan bahwa setelah 3~4 regenerasi termal GAC, kapasitas adsorpsinya turun hingga lebih dari 80% karbon baru, dan setelah 5~10 regenerasi termal, GAC pada dasarnya tidak dapat digunakan. Contoh di atas mengasumsikan regenerasi setiap 7 hari, yang berarti kumpulan karbon aktif ini mempunyai masa pakai tidak lebih dari enam bulan, sehingga mengakibatkan biaya regenerasi dan penggantian karbon yang sangat besar. Lebih jauh lagi, regenerasi pada dasarnya melibatkan pelepasan bahan organik yang diserap oleh GAC kembali ke atmosfer; pada kenyataannya, GAC tidak benar-benar menghilangkan bahan organik.