IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.2. Desain Model Berbasis UML ( Unified modeling language )
4.4.1. Perhitungan Perancangan Proses
4.4.1.1Penyisihan BOD (Biological Oxygen Demand)
Pada proses penyisihan BOD ini, tahapan perhitungan yang akan dilakukan yaitu : 1. Penentuan data karakteristik air limbah influent. Data karakteristik air limbah yang
digunakan diperoleh dari PT Perkebunan Nusantara I (PTPN-I) Pabrik Kelapa Sawit dan Inti Sawit, Tanjung Seumantoh, Aceh Tamiang, Nanggroe Aceh Darussalam. Tabel 3 menunjukkan karakteristik air limbah.
2. Menghitung penyisihan BOD dan TSS pada proses sedimentasi. 3. Menentukan kebutuhan efluen.
4. Pemilihan nilai safety factor nitrifikasi yang sesuai dengan perancangan SRT (waktu proses keseluruhan) berdasarkan nilai rata-rata atau nilai maksimum total nitrogen. Rentang nilai safety factor adalah 1.3 – 2.0.
5. Pemilihan konsentrasi DO minimum untuk tangki aerasi. Nilai yang disarankan untuk konsentrasi DO minimum pada proses nitrifikasi adalah 2.0mg/L.
6. Menentukan nilai pertumbuhan spesifik maksimum (µm) pada nitrifikasi berdasarkan
suhu tangki aerasi dan konsentrasi DO serta menentukan Kn.
7. Menentukan nilai standar pertumbuhan spesifik (µ) dan SRT pada saat pertumbuhan tersebut untuk mengetahui konsentrasi NH4-N pada efluen(penyisihan BOD-nitrifikasi).
8. Menentukan nilai standar pertumbuhan spesifik (µ) dan SRT.
9. Memperoleh hasil perancangan SRT dengan menggunakan safety factor. 10. Menghitung produksi biomassa.
11. Melakukan perhitungan kesetimbangan nitrogen untuk penentuan NOx, konsentrasi
NH4-N yang teroksidasi (penyisihan BOD-nitrifikasi).
12. Menghitung massa VSS dan massa TSS pada instalasi aerasi.
13. Menghitung konsentrasi MLSS dan menentukan volume tangki aerasi. 14. Perhitungan produksi lumpur keseluruhan dan yield.
15. Menghitung permintaan oksigen yang dibutuhkan. 16. Perancangan clarifier sekunder.
17. Perancangan sistem transfer oksigen pada proses aerasi. 18. Pengumpulan data-data hasil perhitungan efluen. 19. Pengumpulan hasil perhitungan ke dalam Tabel.
Kondisi perancangan dan asumsi yang digunakan yaitu :
1. Penyebaran gelembung halus dengan efisiensi transfer air aerasi O2 = 35%.
2. Kedalaman cairan pada tangki aerasi = 4.9 m.
3. The point of air release untuk penyebaran adalah 0.5 m di atas tangki bawah. 4. DO pada tempat aerasi = 2.0 g/m3.
5. Kedalaman yaitu 500m (tekanan = 95.6 kPa).
6. Faktor α aerasi = 0.50 untuk proses penyisihan BODdan 0.65 untuk proses nitrifikasi ; a. Β = 0.95 untuk kedua kondisi, dan
b. Faktor penyebaran F=0.90.
7. Menggunakan koefisien kinetik berdasarkan Tabel 4 dan 5. 8. SRT untuk penyisihan BOD = 5d.
9. Desain konsentrasi MLSS XTSS = 3000 g/m3.
49
Tabel 3. Nilai karakteristik air limbah PTPN I Tanjung Seumantoh, Aceh Tamiang.
No Parameter Asal Limbah
St. Rebusan St. Klarifikasi Fat pit
1 pH 4.0-4.5 4.3 4.3 2 TSS 6000-35000 45000 24750 3 Oil 1100-6000 10000 8000 4 BOD 5000-20000 28500 22850 5 COD 10000-45000 55000 45250 6 Total N 60-590 - 280 7 Total P 42-320 950 220
Tabel 4. Koefisien kinetik lumpur aktif untuk bakteri heterotrofik pada suhu 200C(Metcalf and Eddy,2003).
Koefisien Unit Rentang
µm g VSS/g VSS.d 3.0-13.2 Ks g bCOD/m 3 5.0-40.0 Y g VSS/g bCOD 0.30-0.50 Kd g VSS/g VSS.d 0.06-0.20 fd 0.08-0.20 ϴ values µm 1.03-1.08 Kd 1.03-1.08 Ks 1.00
Tabel 5. Koefisien kinetik lumpur aktif proses nitrifikasi pada suhu 200C (Metcalf and Eddy,2003).
Koefisien Unit Rentang
µmn g VSS/g VSS.d 0.20-0.90 Kn g NH4- N/m3 0.5-10 Yn g VSS/g NH4- N 0.10-0.15 Kdn g VSS/g VSS.d 0.05-0.15 Ko g/m3 0.40-0.60 ϴ values µn 1.06-1.123 Kn 1.03-1.123 Kdn 1.03-1.08
Parameter karakteristik air limbah yang digunakan sebagai contoh perhitungan yaitu karakteristik air limbah pada stasiun perebusan. Nama karakteristik air limbah disajikan pada lampiran 1. Tabel 6 menunjukkan nilai karakteristik air limbah yang digunakan.
50
Tabel 6. Karakteristik air limbah pada stasiun perebusan (PTPN I Tanjung Seumantoh, Aceh Tamiang). Unsur konsentrasi (mg/L) BOD 20000 sBOD 10000 COD 45000 sCOD 22500 rbCOD 11250 TSS 45000 VSS 34615 TKN 70 NH4-N 50 TP 42 Alkalinitas (CaCO3) 140
Dari parameter-parameter diatas, maka proses perhitungan dapat dilakukan sehingga hasil yang diperoleh berdasarkan karakteristik air limbah yang masuk ditunjukkan pada Tabel 7 sebagai berikut :
Tabel 7. Hasil perhitungan penyisihan BOD dan penyisihan BOD-nitrifikasi.
No. Perhitungan Hasil perhitungan
BOD removal only
Hasil perhitungan BOD-nitrifikasi removal 1 Sendimentasi primer % % a. Penyisihan BOD (Persamaan 68) 37.07 37.07 b. Penyisihan TSS (Persamaan 68) 59.15 59.15
2 Evaluasi karakteristik air limbah mg/L mg/L a. bCOD (Persamaan 1) 32000 32000 b. nbCOD (Persamaan 2) 13000 13000 c. sCODe (Persamaan 3) 6500 6500 d. nbVSS (Persamaan 4) 9999 9999 e. Inert TSS (Persamaan 5) 10385 10385 3 Tangki aerasi a. volume (Persamaan 15) 5000 m3 12710 m3
51
Tabel 7. Hasil perhitungan penyisihan BOD dan penyisihan BOD-nitrifikasi (Lanjutan).
No. Perhitungan Hasil perhitungan penyisihan BOD Hasil perhitungan penyisihan BOD- nitrifikasi b. Produksi biomassa (Persamaan 6) 9483 Kg/day 6166.21 Kg/hari c. Produksi lumpur (Persamaan 12) 31541.78 Kg/hari 27539.25 Kg/hari
d. SRT (Solids retention time) 5 hari 12.71 hari
e. Suhu aerasi 12 0C 12 0C
f. Konsentrasi MLVSS (mixed liquor volatile suspended solids) (Persamaan 18) 1853.09 mg/L 4.84 mg/L g. Kebutuhan oksigen (Persamaan 24) 772.16 Kg/jam 13467.25 Kg/jam 4 Beban Pemeriksaan a. Rasio F/M (food to microorganism) (Persamaan 19) 0.21 g/g hari 0.52 g/g hari
b. BOD volumetric loading
(Persamaan 20)
0.38 kg/m3 hari 0.52 kg/m3 hari 5 Efluen
a. Substrat efluen(bCOD) (Persamaan 7)
1.80 mg/L 1.00 mg/L
b. BOD efluen - 9.99 mg/L
6 Laju alir m3/hari m3/hari
a. Laju alir efluen (Qe) (Persamaan 70)
625.00 625.00 b. Laju alir lumpur yang dibuang
(Qw) (Persamaan 69)
375.00 375.00 c. Laju alir lumpur yang diproses
kembali (Qr) (Persamaan 71) 600.00 600.00 7 Clarifier sekunder a. Volume tangki (Persamaan 59) 333.3 m3 400 m3 b. Luas permukaan (Persamaan 62) 72.73 m2 72.73 m2 c. Diameter (Persamaan 58) 9.63 m 9.63 m
d. Solids loading rate
(Persamaan 61)
52
4.4.1.2 Penyisihan Nitrogen
Tahapan perhitungan yang akan digunakan dalam perancangan proses peniyisihan nitrogen ini yaitu sebagai berikut :
1. Membangun laju alir dan karakteristik, termasuk konsentrasi rbCOD dan kandungan pada efluen.
2. Penentuan konsentrasi biomassa dalam MLSSdari proses nitrifikasi.
3. Penentuan rasio IR (internal recycle), menggunakan nilai NOx yang dihitung sesuai
langkah 12 penyisihan BOD-nitrifikasi.
4. Menghitung jumlah nitrat pada tangki anoksik. Perancangan didasarkan pada asumsi bahwa pada dasarnya semua nitrat pada zona anoksik akan menurun. Konsentrasi terendah nitrat yaitu 0.1 sampai 0.3 mg/L yang tersisa bergantung pada proses yang terjadi, karena nitrat membatasi reaksi denitrifikasi pada konsentrasi yang rendah. 5. Menghitung nilai F/Mb berdasarkan konsentrasi biomassa untuk menentukan MLSS
dalam proses nitrifikasi.
6. Menggunakan grafik nilai SDNR (specific denitrification rate) yang ditunjukkan pada Gambar 27, kemudian mencocokkan suhu dan IR untuk memperoleh SDNRb
pada tempat anoksik.
7. Mengulang tahapan perancangan zona anoksik sebagai langkah penting untuk memperolah perancangan yang diinginkan.
8. Perhitungan permintaan oksigen. 9. Perancangan terhadap clarifier sekunder.
10. Merangkum semua hasil kualitas effluen keseluruhan. 11. Penulisan ke dalam Tabel.
53
Gambar 27. Plot nilai spesifik denitrificasi (SDNR) berdasarkan konsentrasi biomassa pada suhu 200C dan rasio F/Mb (food to biomass) untuk varian persentase nilai relatif rbCOD
menjadi bCOD pada air limbah influen (Metcalf and Eddy,2003).
Pada proses ini, karakteristik air limbah dan koefisien yang digunakan untuk perhitungan ditunjukkan pada Tabel 6 dan Tabel 8 .
Tabel 8. Nilai koefisien biokinetik untuk kurva perancangan SDNRb (Metcalf and Eddy,2003).
Parameter koefisien kinetik Unit Nilai
Yield, Y g VSS/g COD 0.4
Endogenous decay, kd g VSS/g biomassa.hari 0.15
Cell debris, fd g VSS/g VSS 0.10
Maximum specific growth rate, µm g VSS/g VSS.hari 3.2
Half-velocity,Ks g/m
3
9.0
Particulate hydrolysis maximum specific rate constant, Kh
g VSS/g biomassa.hari 2.8
Hydrolysis half-velocity constant, Kx g VSS/g VSS 0.15
COD of biomass g COD/g VSS 1.42
Fraction of denitrifying bacteria, η g VSS/g VSS 0.50
% rasio rbCOD/bCOD
54
Asumsi yang digunakan yaitu :
Konsentrasi nitrat dalam RAS = 6 g/m3.
Menggunakan koefisien yang sama seperti perancangan proses BOD-nitrifikasi.
Mencampur energi pada reaktor anoksik = 10 kW/103m3.
Dari parameter-parameter diatas, maka perhitungan dapat dilakukan sehingga hasil yang diperoleh berdasarkan karakteristik air limbah yang masuk ditunjukkan pada Tabel 9 sebagai berikut :
Tabel 9. Hasil perhitungan penyisihan nitrogen proses lumpur aktif.
No. Perhitungan Hasil perhitungan penyisihan nitrogen
1 Primary sedimentation %
a. BOD removal (Persamaan 68) 37.07
b. TSS removal (Persamaan 68) 59.15 2 Tangki aerasi a. Volume (Persamaan 15) 5000 m3 b. Produksi biomassa (Persamaan 72) 8898.19 Kg/day c. Produksi lumpur (Persamaan 12) 30853.35 Kg/hari d. Waktu proses keseluruhan 5 hari
e. Suhu aerasi 12 0C
f. Kebutuhan oksigen (Persamaan 86)
709.24 Kg/jam g. Rasio recycle internal
(Persamaan 73)
3.07 3 Tangki anoksik
a. Laju alir tangki(Persamaan 74) 3670.00 m3/hari
b. Konsentrasi nitrat (NOx,feed)
(Persamaan 74)
22020 g/hari c. Waktu tunda padatan 2 hari d. Volume (Persamaan 76) 2000 m3 e. NO3-N yang tereduksi
(Persamaan 84)
5072485.67 g/day f. Energi proses pencampuran
(Persamaan 87) 20 kW 4 Loading a. Rasio F/M (food to microorganism) (Persamaan 77) 1.80 g/g hari 5 Efluen
a. efluen(bCOD) (Persamaan 39) 1.80 mg/L
b. Nitrat efluen 6 mg/L
6 Laju alir m3/hari
a. Laju alir efluen (Qe) (Persamaan 70)
55
Tabel 9. Hasil perhitungan penyisihan nitrogen proses lumpur aktif (Lanjutan).
No. Perhitungan Hasil perhitungan penyisihan nitrogen
b. Laju alir lumpur yang dibuang (Qw) (Persamaan 69)
375.00 c. Laju alir lumpur yang diproses
kembali (return activated sludge) (Qr) (Persamaan 71)
600.00
7 Clarifier Sekunder
a. Volume tangki (Persamaan 59) 400 m3 b. Luas permukaan (Persamaan 62) 72.73 m2 c. Diameter (Persamaan 58) 9.63 m
d. Solids loading rate
(Persamaan 61)
66000 Kg/m2 jam
4.4.1.3 Penyisihan Fosfor
Pada proses ini, karakteristik air limbah yang digunakan untuk contoh perhitungan ditunjukkan pada Tabel 6 yaitu karakteristik air limbah pada stasiun perebusan.
Asumsi yang digunakan yaitu :
- 10 g rbCOD/g P dihilangkan oleh pada saat penyisihan fosfor. - Perbandingan rbCOD/nitrat = 6.6 g rbCOD/g NO3-N.
- Kandungan fosfor pada biomassa heterotrofik = 0.015 g P/g biomassa. Perbandingan bCOD/BOD = 1.6 , NOx ≈ 0.80 TKN.
- Menggunakan koefisien dari Tabel 4 dan Tabel 5.
Dari parameter-parameter diatas, maka proses perhitungan dapat dilakukan sehingga hasil yang diperoleh berdasarkan karakteristik air limbah yang masuk ditunjukkan pada Tabel 10 sebagai berikut :
Tabel 10. Hasil perhitungan penyisihan fosfor proses lumpur aktif.
No. Perhitungan Hasil perhitungan
penyisihan fosfor
1 Primary sedimentation %
a. Penyisihan BOD(Persamaan 68) 37.07 b. Penyisihan TSS (Persamaan 68) 59.15 2 rbCOD (readily biodegradable COD)
a. rbCOD yang diperlukan untuk penyisihan fosfor (Persamaan 89)
11236.80 mg/L 3 Tangki proses
a. Volume tangki aerobik (Persamaan 15) 5000 m3 tangki anoksik (Persamaan 76) 700 m3
tangki anaerobik 500 m3
56
Tabel 10. Hasil perhitungan penyisihan fosfor proses lumpur aktif(Lanjutan).
No. Perhitungan Hasil perhitungan fosfor
removal
c. Produksi biomassa (Persamaan 91) 8004351.11 g/hari d. Fosfor yang tersisih (Persamaan 93) 1123.68 mg fosfor/L e. Kestembangan nitrat (Persamaan 88) 2 mg nitrat/L
f. SRT (Solids retention time) 5 hari
g. Suhu aerasi 12 0C
4 Waste sludge
a. Persentase kandungan fosfor (Persamaan 97)
41.98 % 5 Efluen
a. Efluen substrat(bCOD) (Persamaan 39)
1.80mg/L
b. Efluen nitrat 6.22 mg/L
c. Efluen fosfor(Persamaan 93) 0 mg/L
6 Laju alir m3/hari
a. Laju alir efluen (Qe) (Persamaan 70) 625.00 b. Laju alir lumpur yang dibuang(Qw)
(Persamaan 69)
375.00 c. Laju alir lumpur yang diproses kembali
(return activated sludge) (Qr) (Persamaan 71)
600.00
7 Clarifier sekunder
a. Volume tangki (Persamaan 59) 400 m3 b. Luas permukaan (Persamaan 62) 72.73 m2 c. Diameter (Persamaan 58) 9.63 m
d. Solids loading rate (Persamaan 61) 66000 Kg/m2 jam