Wastewater treatment network

Water pinch analysis diaplikasikan oleh Wang and Smith (1994) utk mendesain effluent/wastewater treatment network. Ide dasarnya adalah:

  1. Secara umum, capital cost utk treatment unit berbanding lurus dgn total laju alir limbah (wastewater stream) yg masuk ke dalamnya. Sementara itu, operating costnya berbanding terbalik dgn konsentrasi zat pengotor di dlm aliran tsb. Artinya, semakin tinggi konsentrasi zat pengotornya, maka operating costnya akan semakin rendah.
  2. Wastewater stream (aliran air limbah) memiliki komposisi zat pengotor yg bisa berbeda satu sama lainnya. Perbedaan ini bisa menyebabkan perbedaan jenis treatment unit yg diperlukan. Adalah sangat tidak bijak jika bbrp stream dgn komposisi zat pengotor yg berbeda kita gabungkan dan kita buang semuanya ke dalam sebuah centralized wastewater treatment unit. Karena dgn begini, capital cost kita akan sgt tinggi krn total flownya besar. Kemudian, konsentrasi zat2 pengotor tsb akan jd lbh rendah yg mengakibatkan tingginya operational cost.

Jd, tujuan utama dr pekerjaan si Wang dan si Smith di 1994 lalu adalah bagaimana kita bisa mengetahui bagaimana cara mendesain network wastewater treatment units sehingga effluent keseluruhannya bisa memenuhi standar yg berlaku. Juga utk mengetahui berapa total minimum wastewater yg mesti diolah.

Di artikel kali ini kita hanya akan membahas bagaimana mendesain network tsb jika kita hanya mempertimbangkan satu jenis zat pengotor. Mungkin kita bisa menggabungkan berbagai macam zat pengotor tsb menjadi satu parameter spt TDS, BOD, COD, SS, dll. Parameter ini sering disebut sbg lumped parameter. Kita ambil contoh sederhana klo peraturan lingkungan melarang kita utk membuang limbah dgn TDS lbh besar dr 20 ppm, misalnya. Sementara itu, kita punya 3 aliran limbah yg datanya spt di bawah ini:

Stream nomor 1 misalnya punya laju alir 10 ton/hr dgn konsentrasi 40 ppm. Konsentrasi keluaran yg diinginkan adalah 20 ppm. Zat pengotornya ada sekitar 200 gr/hr klo kita hitung. Pertanyaannya adalah apakah kita harus mengolah keseluruhan wastewater stream itu (sekitar 75 ton/hr)? Klo tidak, bagaimana networknya?

Dlm bukunya, Chemical Process Design and Integration, Pak Smith bilang klo di fase conceptual design ada dua pendekatan dlm menyeleseikan masalah ini. Misalnya kita punya satu treatment unit yg bekerja berdasarkan konsentrasi effluent yg sudah ditetapkan. Misalnya dlm contoh ini treatment kita bisa menghasilkan effluent dgn konsentrasi 10 ppm. Maka utk mengetahui laju alir minimal wastewater yg harus diolah adalah, salah satunya, dgn membuat effluent composite curve berdasarkan wastewater stream kita spt gbr di bwh ini. Caranya kurang lbh sama dgn cara kita membuat water composite curve di tulisan terdahulu.

Kemudian, kita buat treatment line dgn titik awal di konsentrasi keluarannya (10 ppm). Kita buat garis dr sini dan semakin curam garis ini kita buat, maka total laju alir waste yg mesti diolah akan semakin rendah, sampai garis ini menyentuh kurva effluent treatment di atas. Titik persentuhan ini disebut pinch pointnya. Bisa dilihat di gbr berikut.

Dr sini kita bisa lihat kemiringan garisnya (1/flow) dan dgn sedikit perhitungan kita tau klo laju alir minimum limbah yg mesti diolah adalah 60 ton/hr. Nilai ini 20% lbh rendah drpd jika kita harus mengolah keseluruhan air limbah tsb.

Pendekatan selain dgn treatment unit yg konsentrasi effluentnya sudah ditetapkan spt ini adalah dgn menetapkan removal rationya,

R = mass of contaminant removed / mass of contaminant fed.

Jika laju alir limbah tsb adalah konstan maka

R = (konsentrasi masuk – konsentrasi keluar) / konsentrasi masuk

Jika konsentrasi keluarnya sama dgn nol, maka treatment unit tsb memiliki removal ratio 100%.

Di contoh kita ini, kita ambil saja treatment dgn removal ratio 95%. Dgn contoh ini Pak Smith melakukan perhitungan manual dgn mendasarkan pada pinch point yg bisa kita ketahui dr effluent composite curve, yaitu 100 ppm. Dr situ dia tung-itung dgn menghasilkan laju alir minimal jg sebesar 60 ton/hr. Nilai ini kebetulan saja. Klo removal rationya kita ganti, maka total minimum yg harus diolah akan berubah.

Klo saya, mendingan kita lgsg cari tau bagaimana network wastewater tsb. Pendekatannya sama spt pendekatan penyeleseian kasus2 process integration sblmnya, yaitu mathematical optimization berdasarkan mass balance superstructurenya. Berikut ini snapshot awalnya utk mencari stream apa, berapa banyak, dan dialirkan ke mana (treatment unit atau discharge) di MS Excel yg saya bikin.

Constraintnya adalah msg2 stream hanya bisa mengirim sejumlah waste yg tidak lebih dr laju alirnya sendiri. Kemudian, laju alir yg masuk ke treatment unit harus sama dgn laju alir keluarnya utk kasus ini. Dan terakhir, konsentrasi gabungan dr seluruh stream yg akan dibuang harus maksimal 20 ppm. Berikut snapshotnya. 

Jika kita seleseikan lwt solver, maka hasilnya akan menjadi spt berikut:

Dengan begini kita liat bahwa aliran 1 lgsg dibuang, aliran 2 diolah sebagian besarnya, dan aliran 3 diolah seluruhnya. Networknya sbb:

Total aliran yg diolah sebesar 60 ton/hr spt ditunjukkan oleh network di atas. Model matematika superstructure ini merupakan model yg non-linear. Artinya kita perlu initial points baik utk mendapatkan hasil optimasinya. Terlebih lg utk sistem yg lbh kompleks atau dgn aliran stream yg banyak. Pak Smith memberikan garis besar yg bisa kita ikuti dlm hal ini. Tp kita mesti terlebih dahulu membuat effluent composite curvenya utk mengetahui pinch point. Aturannya adalah:

  1. Aliran dgn konsentrasi di bawah pinch point akan  dibuang seluruhnya tanpa dilewatkan melalui treatment unit. Ini terlihat dr contoh di atas dgn stream 1.
  2. Aliran dgn konsentrasi tepat di pinch point akan diolah sebagian dan dibuang sebagian. Jumlahnya akan tergantung dr mass balance. Ini terlihat dr stream 2 di atas.
  3. Aliran dgn konsentrasi yg lbh tinggi dr pinch point akan diolah seluruhnya di treatment unit. Ini adalah aliran 3 spt ditunjukkan di gbr di atas.

Utk aliran2 yg jenis2 zat pengotornya mesti kita perhitungkan atau dgn kata lain, ada lbh dr satu zat pengotor, maka model matematikanya akan lbh kompleks. Pemilihan initial points akan menjadi sgt krusial dan penting. Pemodelan di Excel pun akan jd semakin rentan akan human error. Biasanya utk pemodelan kompleks ini, model dan optimizationnya akan dilakukan di software bernama GAMS (General Algebraic Modeling System). Software ini digunakan utk membuat persamaan2 aljabar linear, non-linear, integer, dan gabungan kesemuanya, utk kemudian dioptimasi. Anyway, pemodelan2 dan optimization kompleks di process integration akan kita bahas di lain waktu.😀

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: