Activated Sludge (Proses Kontak Stabilisasi)

V.2. Pengolahan Tingkat Kedua

V.2.1 Activated Sludge (Proses Kontak Stabilisasi)

Kontak Stabilisasi merupakan modifikasi dari proses lumpur aktif yang mempunyai dua buah tanki aerasi yaitu tanki kontak dan tanki stabilisasi Tangki kontak mempunyai waktu detensi yang cukup singkat 0,5 – 1 jam (Qasim, 1985).

Waktu detensi yang singkat pada tanki kontak dikarenakan tanki kontak hanya ditujukan untuk transfer fasa substrat dari fasa cair menjadi fasa padat. Waktu kontak yang dibutuhkan tergantung pada konsentrasi solid dan tingkat penyisihan BOD yang direncanakan. Effluen dari tangki kontak dialirkan ke Clarifier dimana terjadi pemisahan antara bioflok dengan air hasil olahan, lalu bioflok tersebut sebagian dibuang dan sebagian lagi dialirkan kembali ke tanki stabilisasi sebagai aliran resirkulasi.

Pada tanki stabilisasi terjadi proses stabilisasi yaitu oksidasi materi organik yang telah diadsorbsi pada permukaan biomassa di tanki kontak. Waktu detensi di tanki stabilisasi berkisar antara 3 – 6 jam (Qasim, 1985), tergantung pada waktu yang dibutuhkan agar semua substrat yang memasuki tanki stabilisasi telah dioksidasi seluruhnya. Aliran yang keluar dari tanki stabilisasi di desain tidak lagi mengandung materi organik sehingga bioflok mengalami kondisi endogenous dan ketika di alirkan kembali ke tanki kontak maka bioflok tersebut akan siap untuk mengoksidasi kembali substrat. Skema aliran proses Kontak Stabilisasi dapat dilihat pada Gambar 5.3 berikut.

Gambar 5.3. Skema Aliran Proses Kontak Stabilisasi V-27

a. Kriteria Desain

Kriteria Desain Tanki Kontak Stabilisasi terdapat pada Tabel 5.11.

Tabel 5.11. Kriteria Desain Tanki Kontak Stabilisasi

Parameter Besaran Satuan Sumber

Umur Sel (θc) 5 – 15 Hari Metcalf & Eddy, 1991

F/M 0,2 – 0,6 Hari -1 Metcalf & Eddy, 1991

MLSS

- Tangki Kontak 1000 – 4000 mg/l Syed R Qasim - Tangki Stabilisasi 4000 – 10000 mg/l Syed R Qasim

Koefisien Kematian (b) 0.002-0.004 jam-1 Metcalf & Eddy, 1991 Koefisien Decay (kd) 0,03 – 0,07 Hari -1 Syed R Qasim

Koefisien Pertumbuhan (Y) 0,4 – 0,8 Metcalf & Eddy, 1991

Waktu Detensi (td)

- Tangki kontak 0,5 – 1 Jam Metcalf & Eddy, 1991 - Tangki Stabilisasi 3 – 6 Jam Metcalf & Eddy, 1991

Resirkulasi 0,5 – 1,5 Metcalf & Eddy, 1991

MLVSS : MLSS 0,75 – 0,85 Syed R Qasim

Konsentrasi Solid Lumpur 0,8 – 2,5 % Metcalf & Eddy, 1991 Volumetrik Loading 0,96 – 1,6 Kg/m2.hari Metcalf & Eddy, 1991 Kecepatan Pertumbuhan

Spesifik maksimum (µm) 0,31 – 0,77 ri jam -1 Grady & Lim, 1980 Konsentrasi Substrat ½µm (Ks) 40 – 120 mg/l Syed R Qasim

b. Data Perencanaan

Karakteristik limbah yang masuk ke tangki kontak dan tangki stabilisasi berdasarkan dari hasil perhitungan kesetimbangan massa adalah seperti Tabel 5.12.

Tabel 5.12. Hasil Perhitungan Kesetimbangan Massa Iterasi III

Debit BOD₅ TSS

Kondisi

m³/hari m³/detik kg/hari mg/L kg/hari mg/L Debit rata-rata 12076 0.140 4497 372 4184 346

Perhitungan kesetimbangan massa banyak dilakukan asumsi-asumsi yang merupakan proses pendekatan terhadap kondisi aktual. Untuk desain unit pengolahan biologis dan selanjutnya perlu ditambahkan penambahan nilai sebesar 5 – 10 % (Qasim, 1985).

• Direncanakan akan dibangun 3 unit tanki kontak dan 3 unit tanki stabilisasi

• Koefisien Pertumbuhan (Y) = 0,4 Mg VSS/mg BOD5

• Qr = 0,150 m³/detik

• TSS influen = 370 mg/l

• BOD influen (So) = 400 mg/l

• BOD effluen (Se) = 80 mg/l

• Rasio resirkulasi = 50 %

• MLVSS/MLSS = 0,8

• BOD5/BODL = 0,68

• Koefisien Decay (Kd) = 0,04 hari^-1

• Koefisien Kematian (b) = 0,003 jam^-1

• k = 2 hari ^-1

• Konsentrasi substrat (Ks) = 100 mg/l

• Koefisien pertumbuhan max

( )

µm = 0,3 /jam

• Biodegradable/Biological effluen solid = 0,65

c. Persamaan yang digunakan

• µc = µm

S Ks

S

+ ... Pers 5.18 (Grady & Lim, 1980) keterangan :

µc =koefisien pertumbuhan spesifik pada tangki kontak (jam^-1) Ks = konsentrasi substrat saat ½ v maks (jam^-1)

S = konsentrasi efluen tangki kontak (mg/L)

µm = koefisien peetumbuhan spesifik maksimum (jam^-1)

• ν c =

c Kd c b 1

c b 1

θ θ

θ + +

+ ... Pers 5.19 (Grady & Lim, 1980)

keterangan :

ν c = kemungkinan sel dapat hidup di tangki kontak Kd = koefisien penguraian (jam^-1)

V-29

θ c = umur lumpur (jam) b = koefisien kematian (jam^-1)

• λ =

c c 1/ c -b

ν µ

θ ν µ

c

c −

... Pers 5.20 (Grady & Lim, 1980) keterangan: λ = fraksi sel dalam tangki stabilisasi

• Γ = 1 - λ ... Pers 5.21 (Grady & Lim, 1980) keterangan : Γ = fraksi sel dalam tangki kontak

• XcVc =

c cν µ

S) -(So Y

Q ... Pers 5.22 (Grady & Lim, 1980)

keterangan : XcVc = jumlah solid yang dihasilkan tangki kontak (mg) So = konsentrasi substrat masuk ke tangki kontak (mg/L) Y = koefisien pertumbuhan

Q = debit influen (m³/hari)

Xc = konsentrasi biomassa dalam tangki kontak (mg/L) Vc = volume tangki kontak (m³)

• Vs = λ λ

− 1 x

Xs

VcXc ... Pers 5.23 (Grady & Lim, 1980) keterangan : Vs = volume tangki stabilisasi (m³)

Xs = konsentrasi biomassa dalam tangki stabilisasi (m³)

• F/M =

Sc Ks k Sc

+ ... Pers 5.24 (Qasim, 1985) keterangan : F/M = rasio food dan mikroorganisme (hari^-1)

• Θc =

Kd M F Y( / )−

1 ... Pers 5.25 (Qasim, 1985)

keterangan : θ c = umur lumpur (hari)

• Y observasi (Yobs) =

) . 1

( kd c Y

θ

+ ... Pers 5.26 (Randall, 1980) keterangan : Yobs = Y hasil pengamatan (g/g)

• Px = Yobs Q (So-S) ….. Pers 5.27 (Randall, 1980) keterangan : Px = pertambahan MLVSS (kg/hari)

• Orc = 8.34 Q (1-1.42Y)((1-f )(So)-S)) +

[ ] [

8.34 x 1.42 Kd Vc Xc

]

... Pers 5.28 (Randall, 1980)

keterangan : Orc = kebutuhan oksigen tangki kontak (kg/hari)

• Ors =

[

(1-1.42Y)(8.34 Q f So + 8.34 R Q S) + (8.34 Kd Xs Vs)

]

... Pers 5.29 (Randall, 1980)

keterangan : Ors = kebutuhan oksigen tangki stabilisasi (kg/hari)

• SOR (kg/hari) =

[

^{(C'swβFa−C)ORc/Csw}

]

^{(1,024)T 20− X}

... Pers 5.30 (Qasim, 1985)

keterangan : Orc = Kebutuhan oksigen teoritis tanki kontak (kg/hari) C’sw = Konsentrasi oksigen pada temperatur lapangan

(mg/l)

Csw = Konsentrasi oksigen pada temperatur standar β = Faktor tegangan permukaan (tergantung salinitas) C = DO minimum yang didesain dalam tangki

X = Faktor koreksi transfer oksigen

Fa = Faktor koreksi kelarutan oksigen terhadap ketinggian

T = Temperatur rata-rata air limbah pada kondisi lapangan

• T =

Q Af

Ti Q Ta Af

+ + .

. ... Pers 5.31 (Qasim, 1985)

keterangan : A = Luas permukaan tanki (m²) f = Faktor Proporsional

Ta = Temperatur ambien rata-rata Ti = Temperatur influen rata-rata

V-31

d. Perhitungan

1. Konsentrasi BOD5 Effluen:

• Biodegradable solid dalam effluen solid :

= Se x 0,65 = 80 x 0,65 = 52 mg/l

• BODL dari Biodegradable effluen solid :

= 52 x 1,42 = 73,84 mg/l

• BOD5 dari effluen suspended solid :

= 73,84 x 0,68 = 50,2 mg/l

• BOD5 terlarut dalam effluen :

= 80 – 50,2 = 29,8 mg/l

2. Efisiensi Pengolahan

• Efisiensi pengolahan berdasarkan BOD5 terlarut :

− =

• Efisiensi pengolahan Total :

− =

• Kecepatan Pertumbuhan Spesifik dalam tanki kontak

( )

µ : c Sc

• Kemungkinan sel hidup dalam tanki kontak (vc):

• Fraksi sel dalam tanki stabilisasi :

72 Saat kapasitas rata-rata :

cxvc

Saat kapasitas peak (satu tanki tidak beroperasi) :

cxvc

Direncanakan akan menggunakan 3 unit tanki kontak dan 3 unit tangki stabilisasi. Konsentrasi MLSS pada tanki kontak direncanakan sebesar (Xcs) 2500 mg/l

V-33

• MLSS dalam tanki stabilisasi :

Berdasarkan Kesetimbangan MLSS pada tanki kontak (Xcs):

Q (TSS inf) + QR Xss = Q(1+R) Xcs

= 6760 mg/l (memenuhi)

• MLVSS dalam tanki stabilisasi (Xs) : Xs = Xss x 0,8 = 6760 x 0,8 = 5408 mg/l

• Volume Tanki Stabilisasi Vs =

• Konsentrasi MLVSS pada tanki kontak saat kondisi sum (satu tanki tidak beroperasi) :

Xc =

• Konsentrasi MLVSS tanki stabilisasi saat kondisi sum : Xs =

• MLSS tanki stabilisasi saat debit maksimum

Xss = MLVSS/0,8 = 8090/0,8 = 10113mg/l (melebihi kriteria desain akan terjadi penurunan efisiensi, tapi masih diperbolehkan,≤ 10%)

• MLSS tanki kontak saat kondisi peak

Berdasarkan Kesetimbangan MLSS pada tanki kontak (Xcs):

Q (TSS inf) + QR Xss = Q(1+R) Xcs

Xcs = 3124 mg/l (memenuhi)

• Waktu detensi tanki kontak :

• Waktu detensi tanki stabilisasi : tds =

Direncanakan P : L = 3 : 1 dan kedalaman 3 m untuk tanki kontak sedangkan untuk tanki stabilisasi P : L = 3 : 1 dengan kedalaman 4 m.

• Tanki Kontak

Luas permukaan (As) = m

• Tanki Stabilisasi Luas permukaan (As) =

m

• Peningkatan MLVSS Px = Yobs Q (So-Se)

V-35

Px = 0,3125 x 0,15 m³/detik x 86400 detik/hari x (400–29,8)g/m³ = 1500 kg/hari

• Peningkatan MLSS ( Pxss )

Pxss = 1500 kg/hari / 0.8 = 1875 kg/hari

• Solid yang harus dibuang

Ms = Pxss + TSS influen yang tersisihkan

Ms = 1875 + (278 – 80) mg/l x 0,133 m³/detik = 1875 + 2275 = 4150 kg/hari

• Konsentrasi Resirkulasi (Xr)

Asumsi semua pertumbuhan biomassa terjadi di tanki stabilisasi Material balance tanki stabilisasi :

Xr = Xs - ∆ = 5408 mg/l – X ₃ ⁶ ₃

• Debit lumpur yang dibuang (Qw)

Qw = Ms/Xrs = =

SOR (kg/hari) =

[

C sw Fa C Csw

]

X

ORc

T 20

) 024 , 1 ( /

) '

( β − ⁻

C’sw = (asumsi temperatur rata-rata lapangan 24^oC) = 8,5 mg/l (Qasim, 1985)

Csw = 9,15 mg/l (Qasim, 1985) β = 0,9 (Qasim, 1985) C = 1,5 mg/l (Qasim, 185) X = 0,95 (Qasim, 1985) Fa =

9450 ) 1 ketinggian(m

− (asumsi ketinggian = 500 m) = 0.95

T =

Q Af

Ti Q Ta Af

+ + .

.

A = Luas permukaan tanki (m²) = 100 m² f = 0,5 m/hari (Qasim,1985)

Ta = 24^oC Ti = 26^oC

Q = 0,15/3 x 86400 = 4320 m³/hari T = 100 0,5 4320

26 4320 24

5 , 0 100

+ + x

x x

x = 26^oC

SOR =

[

(8,5 0,9 0,95 1,5)/9,15

]

(1,024) 0,85 193

20

26 x

x x

x − ⁻

= 324 kg O2/hari = 14 kg O2/jam

• Tanki Stabilisasi :

Ors = (1-1,42Y)(8,34 Q f So) + (8,34 R Q Se) + (8,34 Kd Xs Vs)

[ ]

Vs = Volume tanki stabilisasi; 455 m³ = 0,122 MG

Ors = (1-1,42 x 0,4)(8,34 x 1,26 MGD x 0.8 x 400/0,68 BOD

[

5/BODL g/m³ ) + (8,34 x 0,5 x1,26 MGD x 29.8/0,68 BOD5/BODL g/m³)

]

+ (8,34 x 0,04 hari-¹ x 5408 g/m³ x 0,122 MG)

V-37

= 2587 lb O2/hari = 1173 kg O2/hari

Luas Permukaan Tangki Stabilisasi = 113,75 m² Qr = Q xR = 0,15/3 x 0,5x 86400 = 2160 m³/hari T =

2160 5

, 0 75 , 113

26 2160 24

5 , 0 75 , 113

+ + x

x x

x = 26^oC

SOR =

[

(8,5 0,9 0,95 1,5)/9,15

]

(1,024) 0,85 1173

20

26 x

x x

x − ⁻

= 2764 kg O2/hari = 116 kg O2/jam

• Perhitungan Jumlah Aerator :

Pada Tabel 5.13. terdapat data berbagai jenis surface aerator Tabel 5.13. Tipe Surface Aerator

Motor Aerator Model

Hp Pole Kg O2/hr DM

(m) DZ D (m)

Pumping rate (m³/min)

SFA-02 2 4 3 6 12 2 – 3 5

SFA-03 3 4 4.2 9 18 3 – 4 7

SFA-05 5 4 6.6 12 24 3 – 4 9

SFA-07 7 ½ 4 9.6 16 32 3 – 4 11

SFA-10 10 4 11.5 19 38 3 – 4 19

SFA-15 15 4 16.5 27 54 3 – 4 24

SFA-20 20 4 21 32 64 3 – 4 29

SFA-25 25 4 27.5 36 72 3 – 4 33

SFA-30 30 4 31 40 80 3 – 4 37

SFA-40 40 4 38 45 90 5 - 6 46

SFA-50 50 4 50 50 100 5 – 6 55

SFA-60 60 4 61 56 112 5 – 6 65

SFA-75 75 4 73 62.5 125 5 – 6 80

SFA-100 100 4 95 70 140 5 – 6 120

Sumber: www.en-found.com

Dengan melihat tingkat kebutuhan oksigen tanki kontak, akan menggunakan aerator jenis SFA-05 dengan spesifikasi teknis sebagai berikut

Tipe : Surface aerator, SFA-05 Kapasitas : 9 m³/menit

Diameter mixing area : 12 m Kedalamam mixing area : 3 – 4 m

Daya : 5 HP

Jumlah aerator yang dibutuhkan = 14 kg O2/jam / 6,6 kg O2/jam

= 3 unit aerator/tanki Jumlah aerator total = 3 unit aerator/tanki x 3 tanki = 9 aerator Daya yang diperlukan = 5 HP x 9 unit = 45 HP

Sedangkan untuk tanki stabilisasi akan menggunakan aerator jenis SFA-50 dengan spesifikasi sebagai berikut :

Tipe : Surface aerator, SFA-50 Kapasitas : 55 m³/menit

Oksigen transfer rate : 50 kg O2/jam Diameter mixing area : 50 m

Kedalamam mixing area : 5 – 6 m

Daya : 50 HP

Jumlah aerator yang dibutuhkan = 116 kg O2/jam / 50 kg O2/jam

= 3 unit aerator/ tanki

Jumlah aerator total = 3 unit aerator/ tanki x 3 tanki = 9 unit aerator Daya yang diperlukan = 50 HP x 9 unit = 450 HP

9. Struktur Influen Tanki Kontak

• Struktur influen terdiri dari pipa influen dari bak distribusi air buangan I dengan diameter 16 “ (406 mm) dan saluran influen dengan dimensi 6 m x 0.5 m dengan kedalaman saluran 1.5 m. Saluran dilengkapi oleh orifice persegi berukuran 25 cm x 25 cm sebanyak 8 buah untuk menditribusikan aliran ke dalam tanki.

• Headloss struktur influen:

Headloss struktur influen ≈ headloss pada orifice (Pers 5.13)

V-39

hL

Debit yang melewati tiap orifice (ketika satu tanki tidak beroperasi):

Q’ = Q / jumlah orifice = (0,15 + 0,075) m³/det /2 tanki/ 8

Tanki Stabilisasi

• Struktur influen terdiri dari pipa influen dari bak distribusi lumpur dengan diameter 14 “ (356 mm) dan saluran influen dengan dimensi 12 m x 0.5 m dengan kedalaman saluran 2 m. Tiap tanki dilengkapi oleh orifice asumsi berukuran 0,5 m x 0,5 m sebanyak 2 buah untuk menditribusikan aliran ke dalam tanki. Orifice tersebut dilengkapi oleh sluice gate untuk menutup aliran jika tanki tidak beroperasi.

• Headloss struktur influen:

Headloss struktur influen ≈ headloss pada orifice

Debit maksimum yang melewati tiap orifice (saat satu tanki tidak beroperasi) :

Q’ = Qmaks / jumlah orifice = 0,075 m³/det /2 tanki/ 2 = 0.019 m³/det hL

∆Z =

Q’ = Cd A 2 g h_L ; asumsi Cd = 0,61

2

10. Struktur Efluen Tangki Kontak

• Struktur efluen terdiri dari rectangular weir dengan L = 0.5 m sebanyak 8 buah weir, saluran efluen dengan lebar 0.5 m, box efluen dengan dimensi 1 m x 1 m, dan pipa outlet berdiameter 660 mm (26 inchi).

• Head di atas weir :

Dengan mensubstitusikan panjang weir = 0,5 m , C = 0,624, head diatas weir ditentukan dengan trial & error berikut:

- Saat kapasitas rata-rata:

Ketinggian weir crest = ketinggian air rata-rata – head loss rata-rata = 3 m – 0,048 = 2,952

- Saat kondisi peak (ketika satu tanki tidak beroperasi) :

Debit maksimum tiap tanki = (0,15+0,075) m³/detik / 2 tanki = 0,1125 m³/detik

Debit maksimum tiap weir = 0,1125 m³/detik / 8 = 0,014 m³/detik (asumsi L’ = 0.49 m)

V-41

hL =

• Dimensi saluran effluen

Asumsi Kedalaman air di box efluen = 0,8 m. Perbedaan ketinggian dasar saluran efluen dan box efluen direncanakan = 0,4 m.

y2 = 0,8 m – 0,4 m = 0,4 m

Q maksimum tiap tanki ( 1 tanki tidak beroperasi) : = (0,15+0,075)/2 = 0,1125 m³/det

Direncanakan penambahan ketinggian 15 cm untuk free fall dan penambahan kedalaman 16 % untuk friction losses.

Maka kedalaman total saluran efluen = (0,47 m x 1,16) + 0,15 m = 0,8 m

Tanki Stabilisasi

• Struktur efluen tanki stabilisasi terdiri dari rectangular weir dengan panjang weir = 0,5 m sebanyak 8 buah weir, bak efluen dengan lebar 1 m dan pipa outlet dengan diameter 356 mm (14 inchi) yang dihubungkan dengan pompa yang akan memompakan lumpur sebagai aliran resirkulasi ke bak distribusi air buangan I.

• Head di atas weir : - Saat Q rata-rata :

Debit rata-rata tiap tanki = 0,5 x 0,15 m³/detik / 3 tanki = 0,025 m³/detik

Debit rata-rata tiap weir = 0,025 m³/detik /8 = 0,0032 m³/detik asumsi L’ = 0.49 m

hL =

3 2

8 9 2 49 0 624 0

0032 , 0 2

3 ^/

. x m . x

x . ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

= 0.023 m

L ‘ = 0.5 m – ( 0.2 x 0.023 m) = 0.49 m (sesuai dengan sumís awal) Ketinggian weir crest = ketinggian air rata-rata – head loss rata-rata

= 4 – 0,023 = 3,977 m - Saat kondisi peak (saat satu tanki tidak beroperasi) :

Debit maksimum tiap tanki = 0,5 x 0,15 m³/detik /2 tanki = 0,0375 m³/detik

Debit maksimum tiap weir = 0,0375 m³/detik /8 = 0,0047 m³/detik asumsi L’ = 0.49 m

hL =

3 2

8 9 2 49 0 624 0

0047 , 0 2

3 ^/

. x m . x x .

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

= 0.03 m

L ‘ = 0.5 m – ( 0.2 x 0.03 m) = 0.49 m (sesuai dengan sumís awal)

• Dimensi bak effluen

Waktu detensi direncanakan 10 menit

Volume bak effluen = 0,075 m³/detik x 10 menit x 60 detik/menit = 45 m³ Kedalaman lumpur di bak effluen = 45 m³/(1 m x 18 m) = 2,5 m

Jarak weir crest dengan muka lumpur di bak efluem direncanakan = 0,2 m

• Pompa resirkulasi

Debit lumpur menuju menuju bak distribusi AB I = 0,075 m³/detik Disediakan 2 unit centrifugal pump dengan kapasitas 0,075 m³/detik.

e. Rekapitulasi

Rekapitulasi dimensi tangki kontak dan tangki stabilisasi terdapat pada Tabel 5.14.

V-43

Tabel 5.14. Rekapitulasi Dimensi Tangki Kontak dan Tangki Stabilisasi Parameter Besaran Satuan

Tangki Kontak unit

Jumlah 3 unit

Panjang 17 m

Lebar 6 m

Kedalaman 3 m

Freeboard 0.5 m

Tangki Stabilisasi

Jumlah 3 unit

Panjang 19 m

Lebar 6 m

Kedalaman 4 m

Freeboard 0.8 m