IPAL Cluster 5

BAB I PENDAHULUAN

BAB 5 ANALISA DAN PEMBAHASAN

5.2 Perencanaan IPAL

5.2.8 IPAL Cluster 5

152

Perhitungan instalasi pengolahan air limbah(IPAL) ini meliputi perhitungan unit sumur pengumpul, anaerobic baffled reactor, dan anaerobic filter.

a. Sumur pengumpul

Sebelum air limbah masuk ke instalasi pengolahan, air limbah ditampung terlebih dahulu ke dalam sumur pengumpul. Tujuan perencanaan sumur pengumpul ini untuk mencegah semakin dalamnya bangunan unit pengolah air limbah akibat penanaman pipa akhir yang dalam. Selanjutnya air limbah akan dipompa menuju unit pengolahan air limbah. Sumur pengumpul direncanakan berjumlah 1 unit dilengkapi dengan 1 buah submersible pump.

Dimensi

Q peak = 0,0105 m3/detik = 10,5 L/detik

Td = 5 menit = 300 detik

Elevasi tanah = + 5,5 m Elevasi pipa akhir = + 0,93 m

Volume = Qpeak x td

= 0,0105 m3/detik x 300 detik = 3,15 m3

H = 1 m (ditetapkan)

P:L = 1 : 1

Luas permukaan = Volume / H = 3,15 m3 /2 m = 13,5 m2

Lebar = 1,8 m

Panjang = 1,8 m

Td cek = Volume / Q peak

= (1 x 1 x 2) m3 / 0,0067 m3/detik = 308,4 detik

= 5,14 menit (memenuhi) Diameter pipa discharge

v asumsi pada pipa = 1 m/detik

Q = 0,0105 m3/detik

Luas permukaan (A) = Q / v

= 0,0105 m3/detik / 1 m/detik = 0,0105 m2

153 Diameter pipa (D) = √^{4 ×A}_𝜋

= √^{4 ×0,0105 m}_𝜋 ² = 0,115 m ≈ 0,1 m v cek = Q / A = 0,0105 / (¹ 4 × 𝜋 × 0,12) = 1,34 m/detik

Jumlah pipa discharge = 1 Head statis = 4,42 m L pipa discharge = 6,62 m Headloss Hf discharge = (_{0,00155×C×D}^𝑄 _2,63)^1,85× L = (_{0,00155×110×10}^0,0067 _2,63)^1,85× 6,62 = 0,00000052 m Head velocity = ^𝑣2 2g = ^1,342 2×9,81 = 0,0913 m Hf minorbelokan = 𝑘(^𝑣_2g²) = 0,183 m

Head total = Hstatis + Hfdischarge + Hvelocity +Hfminor belokan = (4,42 + 0,00000052 + 0,0913+ 0,183) m = 4,694 m

Pompa

Berdasarkan perhitungan sumur pengumpul ini, maka diperoleh spesifikasi pompa submersible sebagai berikut

Jumlah = 1 unit

Merk = Ebara

Tipe = 80 DVS 52,2S Submersible Semi Vortex Total Head = 5 m

154

b. Saluran Penerima / Inlet

Sebelum masuk ke unit IPAL, air limbah diterima terlebih dahulu oleh saluran penerima. Air limbah yang dari saluran penerima selanjutnya akan melimpah ke bak pengendap. Tujuannya agar debit yang masuk dapat tersebar merata ke unit pengolahan dan meminimalisir terjadinya dead zone.

Direncanakan :

Saluran terbuat dari beton, kekasaran (n) = 0.015 Panjang saluran (P) = 0,3 m

L = lebar BP x jumlah unit + (tebal dinding x 2) = 2,6 m x 3 + (0,2 x2)

= 7 m H air = 0,25 m

Cek td untuk mengetahui berapa wawktu yang dibutuhkan untuk air limbah berada pada saluran sebelum melimpah menuju ke bak pengendap. Td = volume/ Q = (P x L x H) / Q = (0,3 m x 7 m x 0,25m) / 0,00747 m3/detik = 70,28 detik = 1,12 menit Jari – jari hidrolis saluran R = (L x H) / (L + 2H) = (7m x 0,25m) / (7+(2x0,25m) = 0,23 m Kehilangan tekanan (Hf) v = ¹ 𝑛𝑅²3(^ℎ𝑓_𝑃)1/2 0,1 = ¹ 0,015(0,23)²3(^ℎ𝑓_0,3)1/2 Hf = 0,000005m Headloss kecepatan = v2/2g = 0,12 / 2 (9,81) = 0,0005m Headloss total = 0,000005m + 0,0005m = 5,05 x 10-4-m c. Anaerobic Baffled Reactor

- Bak Pengendap Influen Bak Pengendap

155 Q rata-rata = 768,06 m3/hari = 0,0089 m3/detik Q peak = 907,66 m3/hari = 0,0105 m3/detik

COD = 268 mg/L = 0,268 kg/m3

BOD = 162 mg/L = 00,162 kg/m3

TSS = 210 mg/L = 0,21kg/m3

Direncanakan

Jumlah bak pengendap = 3

Q peak per bak = 0,0105 m3/detik / 3 = 0,004 m3/detik Waktu detensi (td) = 3 jam

Interval pengurasan = 6 bulan

Hair = 3 m

P : L = 2 : 1

Perhitungan Removal

Untuk mendapat efisiensi removal COD dapat diplotkan pada Gambar 2.4 (Grafik removal COD pada settler).

SSsettler/COD ratio = 0,78

COD removal = ((SS/COD)/0,6x(td – 1) x 0,1/2) + 0,3 = 0,78/0,6 x (3-1) x 0,1/2 +0,3

= 43%

BOD/COD removal = 1,06 (COD removal < 50%)

BOD removal = BOD/COD removal × COD removal = 1,06 × 43%

= 45,58%

Persentase removal TSS dapat diketahui berdasarkan grafik tipikal removal BOD dan TSS. Grafik dapat dilihat pada Gambar 5.3. Hubungan waktu detensi dan removal TSS pada kurva tersebut dapat dimodelkan dengan persamaan:

R = t / (a + bt) Dimana:

R : removal TSS (%) t : waktu detensi (jam) a = 0,0075

b = 0,014

Dengan persamaan tersebut, maka removal TSS pada bak pengendap awal dapat dihitung seperti berikut.

156

= 3 / (0,014 + (0,0075 × 3)) = 82,19%

COD out = COD in × (1 – COD removal) = 268 × (1 – 43%)

= 152,76 mg/L

BOD out = BOD in × (1 – BOD removal) = 162 × (1 – 45,58%)

= 88,16 mg/L

TSS out = TSS in × (1 – TSS removal) = 210 × (1 – 82,19%)

= 37,401 mg/L

Massa TSS = TSS removal x TSS in x Q limbah = 82,19% x 210 mg/L x 907,66 m3/hari

= 156,66 kg/hari

Massa COD = COD removal x COD in x Q limbah = 43% x 268 mg/L x 907,66 m3/hari = 104,6 kg/hari

Massa BOD = BOD removal x BOD in x Q limbah = 45,58%x 162 mg/L x 907,66 m3/hari = 67,02 kg/hari

Diagram kesetimbangan massa dapat dilihat pada gambar di bawah ini

TSS = 82,19%

TSS = 210 mg/L TSS = 37,401

mg/L

157 Gambar 5. 11 Kesetimbangan massa TSS, COD, dan BOD Dimensi Bak Pengendap

Volume pengendapan = td x Q peak

= 3 jam x 3600 detik x 0,004m3/detik = 37,82 m3

Luas permukaan (As) = Volume / Hair = 37,82 m3/ 3 m = 12,61 m2 Lebar = √^As₂ =√^12,61₂ = 2,51 m ≈ 2,6 m Panjang = 2 x L COD = 43% COD = 268 mg/L COD = 152,76 mg/L Lumpur = 104,6 kg/hari BOD = 45,58% BOD = 162 mg/L BOD = 88,16 mg/L Lumpur = 67,02 kg/hari

158

= 2 x 2,6 = 5,2 m

Freeboard = 0,4 m

Volume cek = P x L x Hair = 5,2 x 2,6 x 3 = 40,56 m3

Td cek = Volume / Q peak

= 40,56 m3/ 0,004 m3/detik = 11.582,64 detik = 3,22 jam Dimensi Ruang Lumpur

Periode pengurasan = 6 bulan Stabilisasi solid = 80% Kadar solid lumpur = 5%

ρ air = 1 kg/L

Massa solid = massa TSS x 6 bulan x (100%-80%) = 0,004 m3/detik x 0,21 kg/m3 x 6 bulan x 30 hari x (100%-80%) = 5718,17 kg Densitas lumpur = (5% ×2.65𝑘𝑔/𝐿)+(95% × 1𝑘𝑔/𝐿) 100% = 1,0825 kg/L

Volume lumpur = massa solid / densitas lumpur = 5718,17 kg / 1,0825 kg/L = 5282,4 L

= 5,2 m3

Panjang = Panjang Bak Pengendap

= 5,2 m

Lebar = Lebar Bak Pengendap

= 2,6 m

HLumpur = Volume lumpur / As = 5,2 m3/ (5,2 x 2,6 )m2 = 0,39 m ≈ 0,4m Dimensi Zona Pengendap dan Ruang Lumpur

Panjang = 5,2 m

Lebar = 2,6 m

Hair+lumpur = 3,4 m

159

f. Kompartemen Baffled Reactor

Kompartemen baffled reactor direncanakan terbagi menjadi 3 unit secara paralel setelah melalui bak pengendapan. Tujuan dari pembagian baffled reactor untuk memenuhi desain kriteria dari ABR melihat debit yang masuk besar. Debit masuk yang besar dapat embuat dimensi bangunan terlalu besar dan mengurangi efisiensi pengolahan air limbah.

Influen baffled reactor

BOD = 88,16 mg/L

COD = 152,76mg/L

TSS = 37,4 mg/L

Jumlah baffled reactor = 3

Q peak tiap unit = 0,0105 m3/detik / 3 = 0,004 m3/detik Direncanakan

HRT = 6 jam (kriteria 6 – 24 jam) Kedalaman (H) = Kedalaman bak pengendap

= 3,4 m Upflow velocity (vup) = <1 m/jam Dimensi Baffled Reactor

Volume baffled reactor = Q peak tiap unit x HRT

= 0,004 m3/detik x 6 jam x 3600 detik = 75,6 m3 Panjang kompartemen = 0,6 x H = 0,6 x 3,4 m = 2,04 m (upflow chamber) P downflow chamber = 0,25 m Lebar kompartemen = 2,6 m

Luas permukaan (As) = Volume ABR / H = 75,6 m3/ 3,4m = 22,2 m2 Upflow velocity (Vup) = Q / As = 0,004 m3/detik / 22,2 m2 = 0,00016 m/detik = 0,57m/jam (memenuhi) Volume kompartemen = P x L x H = (2,04+0,25) m x 2,6 m x 3,4 m = 13,442 m3

160

Jumlah kompartemen = Volume ABR / Volume kompartemen = 75,6 m3 / 13,442 m3

= 3,74

= 4 kompartemen

HRT cek = Volume baffled reactor / Q tiap unit = (13,442 m3x 4) / 302,55 m3/hari = 0,27 hari

= 6,4 jam (memenuhi) Dimensi Kompartemen Anaerobic Baffled Reactor

Panjang = 2,29 m

Lebar = 2,6 m

H = 3,4 m

Jumlah kompartemen = 4 Perhitungan Removal

Organic Loading Rate = COD in x Q / (n x vol kompartemen) = ^{152,76mg/L × 302,55 m3/hari}

4 ×13,442 m3 = 0,64 kg BOD/m3.hari

Faktor overload = 1 (beban BOD per hari < 15) Faktor strength = (COD in x ^0,17

2000)+ 0,87 = 0,884

Faktor suhu = (suhu - 25) x ( ^0,05 5 )+ 1 = (28 - 25) x ( ^0,05₅ )+ 1 = 1,048 Faktor HRT = (HRT - 10) x ( ^0,13 10)+ 0,82 = 0,598

Removal teoritis = f-overload x f-strength x f-temp x f-HRT = 1 x 0,884 x 1,048 x 0,598

= 0,55

Removal COD = Removal teoritis x (n x 0,04 +0,82) = 0,55 x (4 x 0,04 + 0,82)

= 0,59

Efluen COD = (1–Removal COD) x CODinput baffled reactor = (1-0,59) x 152,76 mg/L

161 Produksi biogas = ^{(COD in−COD removal settler)×Q×0,35/1000}

0,7 ×0,5 = 60,72 m3/hari

Efluen BOD = (1- factor HRT) x BOD in = (1-0,589) x 88,16 mg/L = 35,42 mg/L

c. Anaerobic Filter

Perhitungan anaerobic filter ini meliputi dimensi bak pengendap, ruang lumpur, dimensi kompartemen, dimensi tangki filter, jumlah kompartemen serta factor removal COD. Media filter yang digunakan adalah sarang tawon dengan luas spesifik 150 – 220 m2/m3 dan porositas 98%.

Influen anaerobic filter

COD = efluen COD pada ABR

= 70,24 mg/L

BOD = efluen BOD pada ABR

= 35,42 mg/L Jumlah anaerobic filter = 3

Q peak tiap unit = 302,55 m3/hari = 0,004m3/detik Dimensi Kompartemen AF HRT = 1,5 hari H = Kedalaman ABR = 3,4 m Volume AF = Q x HRT = 302,55 m3/hari x 1,5 hari = 453,83 m3

Luas permukaan (As) = Volume / H = 453,83 m3/ 3,4 m = 133,48 m2

Jumlah kompartemen = Volume AF / (As x H)

= 453,83 m3/ (133,48 m2x 3,4 m) = 1

Panjang = panjang ABR

= 2,04 (upflow chamber) P downflow chamber = 0,25 m

162

= 2,6 m Volume kompartemen = P x L x H

= (2,04 + 0,25) m x 2,6m x 3,4 m = 20,24 m3

Dimensi Tangki Filter

Lebar = Lebar kompartemen AF

= 2,6 m

Panjang = Panjang kompartemen AF – 0,25m = 2,04 m

Penyangga = 0,8 m

Tinggi media filter (h) = H – penyangga – 0,4 m = 3,4 m – 0,8 m – 0,4 m = 2,2 m

Volume tangki media = P x L x H

= (2,04 x 2,6 x 2,2) m3 = 11,67 m3

Faktor removal COD

Faktor temperature = (T-25) × 0,08 / 5) + 1 = (28-25) × 0,08 / 5) + 1 = 1,048

Faktor strength = (CODin x (0,17/2000))+0,87 = (74,85 mg/L x (0,17/2000))+0,87 = 0,88

Faktor HRT = ((HRT - 33) x ((0,09/67)+0.7 = (36 - 33) x ((0,09/67)+0.7 = 0,7

Faktor surface = 1,06 (surface ≥ 200 m2/m3)

COD removal = ftemp x fstrength x fHRT x fsurface x (1+(nx0,04)) = 1,048 x 0,88 x 0,7 x 1,06 x (1+(1x0,04)) = 0,71

Efluen COD = CODin x (1 – COD removal) = 67,04 mg/L x (1 – 0,73) = 20,19 mg/L

BOD removal = BOD/COD removal factor x CODrem = 1,1146 x 0,71

= 0,79

163 = (1- 0,79) x 35,42 mg/L

= 7,44 mg/L Dimensi Kompartemen Anaerobic Filter

Panjang = 2,29 m Lebar = 2,6 m H = 3,4 m Tinggi media = 2,2 m Panjang media = 2,04 m Lebar media = 2,6 m d. Kebutuhan Nutrien

Air limbah membutuhkan penambahan nitrogen dan phospor untuk menunjang pertumbuhan bakteri anaerobik. Pada influen direkomendasikan rasio COD:N:P adalah 600:5:1 selama start up dan 300:5:1 selama operasi dalam jangka panjang (Tchobanoglous, 2014).

Rasio COD:N:P = 300:5:1

COD in = 268 mg/L

COD out = 19,29 mg/L

COD tersisihkan = COD in – COD out = 268 – 20,19 = 247,81 mg/L

Kebutuhan N = (5/300) × COD tersisihkan = (5/300) × 247,81 mg/L = 4,13 mg/L

Kebutuhan P = (1/300) × COD tersisihkan = (1/300) × 247,81 mg/L = 0,83 mg/L

e. Profil Hidrolis

Aliran air mangalami belokan dan jatuhan saat menuju unit selanjutnya. Perhitungan kehilangan tekanan akibat jatuhan dan belokan didasarkan pada persamaan Manning, yaitu:

Hf = (_R^{v n}_2/3)²× L Dimana:

164

n : koefisien kekasaran R : jari-jari hidrolis (m) L : panjang jatuhan atau belokan (m)

Kehilangan tekanan akibat kecepatan aliran pada unit-unit IPAL ditentukan berdasarkan persamaan Darcy-Weisbach, yaitu:

Hf = f ×_4R^L ×^v_2g² f = 1,5 × (0,01989 + 0,0005078 / 4R) Dimana: L : panjang bangunan (m) R : jari-jari hidrolis (m) v : kecepatan aliran (m/s) g : percepatan gravitasi (m/s2)

Sedangkan kehilangan tekanan dalam media filter sarang tawon ditentukan berdasarkan persamaan Rose sebagai berikut:

Hf = 1,067 × ^CD×L×v2 Ψ × d × e4×g NRe = ^{Ψ ρ d v} μ Untuk NRe < 1 : CD = ²⁴ NRe Untuk 1 < NRe < 104 : CD = ²⁴ NRe+_√NRe³ + 0,34 Untuk NRe > 104 : CD = 0,4 Dimana: L : kedalaman filter (m) e : porositas media v : kecepatan filtrasi (m/s) g : percepatan gravitasi (m/s2) d : ukuran rongga media (m) ψ : faktor bentuk

μ : viskositas dinamis (kg/m.s) ρ : massa jenis (kg/m3)

Hasil perhitungan profil hidrolis untuk IPAL Cluster 5 dapat dilihat pada Tabel 5.12.

165 Tabel 5. 12 Perhitungan Profil Hidrolis Cluster 3

Unit Bangunan Jenis Headloss Headloss (m) Muka Air (m) 0,0 Bak Pengendap 6,15 Hf kecepatan 0,0000135 6,1499865 Baffled reactor Kompartemen 1 6,1499865 Hf jatuhan 0,0001284 6,1498581 Hf kecepatan 0,0000102 6,1498478 Hf belokan 0,0000105 6,1498373 Kompartemen 2 6,1498373 Hf jatuhan 0,0001284 6,1497089 Hf kecepatan 0,0000116 6,1496972 Hf belokan 0,0000105 6,1496867 Kompartemen 3 6,1496867 Hf jatuhan 0,0001284 6,1495583 Hf kecepatan 0,0000116 6,1495467 Hf belokan 0,0000105 6,1495361 6,1495361 Kompartemen 4 Hf jatuhan 0,0001284 6,1494077 Hf kecepatan 0,0000116 6,1493961 Hf belokan 0,0000105 6,1493856 Anaerobic Filter Kompartemen 1 6,1493856 Hf jatuhan 0,0001284 6,1492571 Hf kecepatan 0,0000116 6,1492455 Hf media filter 0,0000056 6,1492399 Hf kecepatan 0,0000116 6,1492399

166

Unit Bangunan Jenis Headloss Headloss (m) Muka Air (m)

Outlet 6,1492399