STUDI PERANCANGAN
INSTALASI PENGOLAHAN AIR LIMBAH (IPAL) DI LINGKUNGAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
TUGAS AKHIR
CATHRINE ANGELINA HULU 150407029
Pembimbing Pertama Pembimbing Kedua
Dr. Amir Husin, ST.,MT. Muhammad Faisal, ST.,MT.
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2019
STUDI PERANCANGAN
INSTALASI PENGOLAHAN AIR LIMBAH (IPAL) DI LINGKUNGAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
TUGAS AKHIR
Oleh
CATHRINE ANGELINA HULU 150407029
TUGAS AKHIR INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2019
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan penyertaan-Nya penulis mampu menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul “Studi Perancangan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Lingkungan Universitas Sumatera Utara” sebagai persyaratan kelulusan sarjana pada Program Studi Teknik Lingkungan Universitas Sumatera Utara. Penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah membantu serta memberikan dukungan dari awal sampai akhir proses pelaksanaan dan penyusunan Tugas Akhir ini, khususnya kepada:
1. Orang tua dan saudara kami yang selalu memberikan semangat dan dukungan.
2. Bapak Dr. Amir Husin, ST., MT., dan Bapak Muhammad Faisal, ST., M.T. selaku dosen pembimbing.
3. Ibu Ir. Netti Herlina, MT. selaku Ketua Program Studi Teknik Lingkungan USU, atas segala bantuan yang telah diberikan.
4. Kepada teman-teman Teknik Lingkungan 2015 yang selalu memberi semangat dan membantu dalam penyelesaian penyusunan Tugas Akhir ini
Penulis menyadari bahwa penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, segala kritik, saran, dan masukan yang membangun dari semua pihak sangat diharapkan agar di masa yang akan datang Tugas Akhir ini lebih sempurna. Akhir kata, penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.
Medan, Agustus 2019
Penulis
Abstrak
Air limbah merupakan sumber daya alam yang telah kehilangan fungsinya, yang keberadaannya mengganggu kenyamanan dan keindahan lingkungan. Dalam PERMEN LHK No. 6 Tahun 2016 tentang Baku Mutu Air Limbah disebutkan bahwa air limbah adalah sisa dari suatu usaha dan atau kegiatan yang berwujud cair. Dampak yang ditimbulkan dari air limbah yang dibuang langsung ke lingkungan adalah gangguan kesehatan, estetika dan kerusakan lingkungan itu sendiri. Untuk mencegah hal tersebut, perlu dibangun Instalasi Pengolahan Air Limbah untuk menurunkan kadar parameter pencemar sebelum air limbah dibuang ke lingkungan atau badan air. Lokasi perancangan IPAL (Instalasi Pengolahan Air Limbah) yang direncanakan adalah di Universitas Sumatera Utara.
Debit air buangan yang dihasilkan adalah sebesar 40 m3/hari. Pengolahan air limbah yang direncanakan menggunakan sistem ABR (Anaerobic Baffled Reactor). Berdasarkan perhitungan, didapatkan dimensi bak perangkap lemak panjang 2,5 m, lebar 0,7 m, kedalaman Air 1,5 m, tinggi ruang bebas 0,4 m, volume efektif 3,32 m3, bak ekualisasi panjang 4,5 m, lebar 4,5 m, kedalaman 2 m, tinggi ruang bebas 0,4 m, volume 48,60 m3, bak pengendap awal panjang 2,5 m, lebar 3 m, kedalaman 1 m, tinggi ruang bebas 0,4, volume 18,00 m3, Anaerobic Baffled Reactor panjang 1,5 m, lebar 3 m, kedalaman 2 m, tinggi ruang bebas 0,4 m, volume 43,20 m3, bak pengendap akhir panjang 3,2 m, lebar 3 m, kedalaman 1 m, tinggi ruang bebas 0,4, volume 14,40 m3, bak desinfeksi panjang 1,6 m, lebar 1,6 m, kedalaman 1 m, tinggi ruang bebas 0,4 m, volume 3,58 m3.Total biaya perencanaan IPAL di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara diperkirakan estimasi biaya setelah pembulatan berkisar Rp 441.615.346. Dari hasil analisis dengan mempertimbangkan jumlah jiwa terlayani, ketersediaan lahan kosong dan topografi wilayah, maka ditetapkan ada 11 titik peletakan bangunan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Universitas Sumatera Utara.
Kata Kunci: anaerob, instalasi, limbah cair, perancangan.
Abstrac
Waste water is the natural resources that have lost their function and its existence disturbs the comfort and beauty of the environment. In PERMEN LHK No. 6 Tahun 2016 about waste water quality standards, it’s stated that waste water is the remains of business or activity in liquid. The impact of waste water that discharge directly to environment are health problems, aesthetics and environmental damage. To prevent this problem, we need to build Waste Water Treatment Plant to reduce the level of pollutant parameters before the waste water discharged into the environment.Planned design location of Waste Water Treatment Plant (WWTP) is at University of Sumatera Utara. Discharge of waste water produced is 40 m3/day. This Waste Water Treatment Plant planned to use the Anaerobic Baffled Reactor system. Based on the calculation results, the dimensions of the oil trap, length 2,5 m, width 0,7 m, water height 1,5 m, freeboard 0,4 m, efective volume 3,32 m3; equalization tank, length 4,5 m, width 4,5 m, height 2 m, freeboard 0,4 m, efective volume 48,60 m3; primary sedimentation, length 2,5 m, width 3 m, height 1 m, freeboard 0,4 m, efective volume 18,00 m3; Anaerobic Baffled Reactor, length 1,5 m, width 3 m, height 2 m, freeboard 0,4 m, efective volume 43,20 m3; secondary sedimentation, length 3,2 m, width 3 m, height 1 m, freeboard 0,4 m, efective volume 14,40 m3; desinfection tank, length 1,6 m, width 1,6 m, height 1 m, freeboard 0,4 m, efective volume 3,58 m3. Total cost of Waste Water Treatment Plant design at Faculty of Engineering University of Sumatera Utara esimated around Rp 441.615.346. According to results of the analysis with consider the population and topography of region, then there are 11 laying points of Waste Water Treatment Plant in University of Sumatera Utara.
Keywords: anaerobic, design, instalation, waste water.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... ii
ABSTRAK ... iii
ABSTRAC ... iiii
DAFTAR ISI...iv
DAFTAR TABEL ...vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR PERSAMAAN ... viii BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ... I-1 1.2 Rumusan Masalah ... I-4 1.3 Tujuan Perancangan ... I-4 1.4 Ruang Lingkup ... I-4 1.5 Manfaat Perancangan ... I-5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Air Limbah ...II-1 2.2 Karakteristik Air Limbah ...II-1 2.2.1 Karakteristik Fisik ...II-1 2.2.2 Karakteristik Kimia ...II-2 2.2.3 Karakteristik Biologi ...II-3 2.3 Teknologi Pengolahan Air Limbah ...II-3 2.3.1 Teknologi Pengolahan Air Limbah Secara Aerob ...II-4 2.3.2 Teknologi Pengolahan Air Limbah Secara Anaerob...II-6 2.4 Jenis-Jenis Pengolahan Air Limbah ...II-8 2.5 Rotating Biological Contractor ...II-10 2.5.1 Keunggulan dan Kelemahan RBC ...II-12 2.6 Parameter Desain ...II-13 2.6.1 Rasio Volume Reaktor ...II-13 2.6.2 Beban BOD ...II-13 2.6.3 Waktu Tinggal Rata-rata ...II-13 2.7 Activated Sludge ...II-14 2.8 Anaerobic Baffled Reactor ...II-14 BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat ... III-1 3.2 Diagram Alir ... III-1 3.3 Tahap Perencanaan... III-3 3.4 Kebutuhan Data dan Alat ... III-8 3.5 Alternatif Pengolahan... III-9 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Aktivitas Kegiatan... IV-1 4.2 Titik Penempatan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Universitas Sumatera Utara... IV-1 4.3 Limbah Cair Fakultas Teknik USU ... IV-2 4.3.1 Kuantitas Limbah Cair Fakultas Teknik USU ... IV-3 4.3.2 Kualitas Limbah Cair Fakultas Teknik USU ... IV-3 4.4 Pemilihan Proses Instalasi Pengolahan ... IV-3 4.5 Perhitungan Rencana Desain... IV-5
4.6 Perhitungan Desain Unit Pengolahan ... IV-5 4.6.1 Bak Pemisah Lemak... IV-7 4.6.2 Bak Ekualisasi... IV-7 4.6.3 Bak Pengendap Awal ... IV-9 4.6.4 Anaerob Baffled Reactor ... IV-11 4.6.5 Bak Pengendap Akhir ... IV-12 4.6.6 Bak Desinfeksi ... IV-15 4.6.7 Kebutuhan Nutrien ... IV-16 BAB V RENCANA ANGGARAN BIAYA RANCANGAN
5.1 Ketentuan ... V-1 5.2 Rencana Anggaran Biaya ... V-1 5.3 Rekapitulasi Harga Satuan Pekerjaan ... V-9 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan ... VI-1 6.2 Saran ... VI-1 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Penelitian Serupa yang Pernah Dilakukan ...I-3 Tabel 2.1 Karakteristik Limbah Domestik Secara Umum ...II-3 Tabel 3.1 Daftar Kebutuhan Data dan Alat... III-9 Tabel 3.2 Alternatif Pengolahan ... III-10 Tabel 4.1 Titik Penempatan IPAL di Universitas Sumatera Utara ... IV-2 Tabel 4.2 Data Kualitas Air ... IV-3 Tabel 4.3 Perbandingan Pemilihan Proses Berdasarkan Aspek Pembangunan IPAL ... IV-4 Tabel 4.4 Pemilihan Unit Pengolahan Berdasarkan Kriteria ... IV-4 Tabel 4.5 Kriteria Desain Bak Ekualisasi ... IV-6 Tabel 4.6 Dimensi Tiap Unit... IV-17 Tabel 4.7 Efsiensi Pengolahan ... IV-18 Tabel 5.1 Rencana Anggaran Biaya ... V-2 Tabel 5.2 Rencana Anggaran Biaya Sistem Pengumpulan Air Limbah ... V-9 Tabel 5.3 Rekapitulasi Harga Satuan Pekerjaan ... V-9
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Reduksi Volume Lumpur ...II-10 Gambar 2.2 Relasi COD/BOD Removal Faktor ...II-15 Gambar 2.3 Grafik Reduksi Volume Lumpur...II-16 Gambar 2.4 Hubungan BOD Removal dengan HRT pada ABR ...II-16 Gambar 2.5 Hubungan BOD Removal dengan Organic Overloading pada ABR ...II-17 Gambar 2.6 Hubungan BOD Removal dengan Beban Air Limbah pada ABR ...II-17 Gambar 2.7 Faktor Jumlah Kompartemen Pada ABR ...II-10 Gambar 3.1 Diagram Alir Perencanaan ... III-2 Gambar 3.2 Lokasi Universitas Pengolahan Air Limbah Fakultas Teknik ... III-7 Gambar 4.1 Diagram Alir Pengolahan Air Limbah Fakultas Teknik ... IV-4 Gambar 4.2 Diagram Alir Kesetimbangan Massa IPAL Fakultas Teknik ... IV-4 Gambar 4.3 Keseimbangan Massa TSS, COD, dan BOD Pada Bak Pengendap Awal ... IV-9 Gambar 4.4 Keseimbangan Massa TSS, COD, dan BOD Pada Bak Pengendap Akhir ... IV-13
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan 2.1 Volume Lumpur ...II-12 Persamaan 2.2 Densitas Lumpur ...II-12 Persamaan 2.3 Volume Reaktor Terhadap Luas Volume Media ...II-13 Persamaan 2.4 Beban BOD...II-13 Persamaan 2.5 Waktu Tinggal Rata-rata...II-13 Persamaan 2.6 Total Volume Baffle ...II-16 Persamaan 2.7 COD Removal Teoritis ...II-17 Persamaan 2.8 COD Removal...II-17 Persamaan 2.9 COD Removal ...II-17 Persamaan 2.10 TSS Removal ...II-17 Persamaan 3.1 Debit Air Limbah ... III-4 Persamaan 3.2 Debit Limbah Rata-Rata ... III-4 Persamaan 3.3 Konversi Debit Ke Hari ... III-4 Persamaan 3.4 Konversi Debit Ke Jam ... III-4 Persamaan 3.5 Debit Peak... III-4 Persamaan 3.6 Kebutuhan Air Bersih ... III-5 Persamaan 3.7 Debit Jam Puncak ... III-5 Persamaan 3.8 Perhitungan Dimensi ... III-4 Persamaan 3.9 Total Luas Permukaan ... III-6 Persamaan 3.10 Waktu Tinggal Air Limbah... III-6 Persamaan 3.11 Diameter Pipa ... III-6 Persamaan 3.12 Dimensi Desain Bak Pemisah Lemak ... III-6 Persamaan 3.13 Endapan Lumpur ... III-6 Persamaan 3.14 Hydraulic Retention Time ... III-7 Persamaan 3.15 Total Baffel yang Diperlukan ... III-7 Persamaan 3.16 COD Removal Pada Bak Pengendap Akhir ... III-7 Persamaan 3.17 Massa COD Out ... III-7 Persamaan 3.18 Pengujian Waktu Tinggal Rata-rata ... III-7
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Universitas Sumatera Utara adalah sebuah kampus dengan area yang hijau dan rindang seluas 120 ha yang terletak di tengah kota Medan. Zona akademik seluas 90 ha menampung hampir seluruh kegiatan perkuliahan dan praktikum mahasiswa. Sistem pembelajaran didukung oleh fasilitas perpustakaan dan lebih dari 200 laboratorium. Selain itu juga terdapat berbagai sarana seperti asrama, arena olahraga, wisma, kafetaria, toko, bank, kantor pos, poliklinik dan rumah sakit. Universitas Sumatera Utara memiliki 14 Fakultas dengan proses pendidikan dan penelitian yang melibatkan 1.680 dosen dan menerima mahasiswa sekitar 7.000 setiap tahun ajaran baru.
Semua aktifitas yang melibatkan kurang lebih 30.000 jiwa dalam setiap sarana yang ada di kampus ini menghasilkan limbah cair. Kandungan dari air limbah yang dihasilkan ini juga berbeda-beda.
Dengan adanya penambahan luas wilayah Universitas dan peningkatan fungsi secara bertahap, kegiatan pembelajaran, kegiatan bersantai dan kegiatan lainnya yang dilakukan oleh seluruh personil di Perguruan Tinggi lebih intensif, konsumsi air harian lebih besar sehingga mempengaruhi stabilisasi kualitas air, termasuk air limbah (Liu, 2016).
Air limbah merupakan sumber daya alam yang telah kehilangan fungsinya, yang keberadaannya mengganggu kenyamanan dan keindahan lingkungan. Limbah dihasilkan dari sisa proses produksi dan kegiatan, baik industri maupun domestik/rumah tangga (Scundaria (2000) dalam jurnal Wulandari (2014)).
Salah satu konsekuensi dari ledakan jumlah penduduk adalah semakin besarnya volume air limbah domestik yang harus diolah dan dibuang ke badan air. Air limbah, terutama yang mengandung ekskreta manusia dapat mengandung patogen yang berbahaya dan oleh karena itu harus dikelola dan diolah dengan baik (Feacham et al (1983) dalam jurnal Nayono (2017)).
Air limbah dapat menjadi masalah jika tidak dikelola dengan baik. Sebaliknya, air limbah juga dapat menjadi sumber daya yang besar jika diolah kembali. Semua air limbah mengandung kontaminan yang dapat terdegradasi. Pengolahan air limbah disesuaikan dengan tujuan akhir pengolahan. Hasil pengolahan air limbah dapat digunakan untuk menyiram tanaman, bantuan saat terjadi peristiwa kebakaran, cairan pendingin mesin, dll (Omole, 2017).
Apabila air limbah dibuang ke media lingkungan tanpa diolah terlebih dahulu maka dapat menyebabkan pencemaran lingkungan terutama ekosistem perairan. Suhu yang tinggi akan mengakibatkan kandungan oksigen terlarut atau Dissolved Oxygen (DO) dalam air menurun yang akan membunuh organisme sehingga mengganggu keseimbangan ekosistem air. Selain itu limbah organik akan meningkatkan kadar nitrogen menjadi senyawa nitrat yang menyebabkan bau busuk (Sastrawijaya (2009) dalam jurnal Kurniawan et al (2013)).
Untuk melindungi kepentingan dan ketertiban umum dari dampak lingkungan hidup yang diakibatkan oleh setiap usaha dan/atau kegiatan serta untuk menjaga peletarian fungsi lingkungan hidup setiap orang pribadi atau badan yang menyelenggarakan usaha dan/atau kegiatan yang menghasilkan limbah wajib melakukan pengelolaan limbah hasil usaha dan/atau kegiatan (Perda Kota Medan No.13, 2003).
Pengolahan limbah adalah usaha untuk mengurangi atau menstabilkan zat-zat pencemar sehingga saat dibuang tidak membahayakan lingkungan dan kesehatan. Tujuan utama pengolahan air limbah adalah untuk mengurangi kandungan bahan pencemar terutama senyawa organik, padatan tersuspensi, mikroba patogen, dan senyawa organik yang tidak dapat diuraikan oleh mikroorganisme alami (Wulandari, 2014).
Jika limbah cair ini tidak dikelola terlebih dahulu dan dibuang secara terus menerus akan mengganggu kesehatan lingkungan dan makhluk hidup di dalamnya, baik pada daerah penghasil limbah maupun di daerah sekitarnya.
Berdasarkan penjabaran di atas, maka limbah cair yang dihasilkan di lingkungan Universitas Sumatera Utara memerlukan pengolahan. Salah satu alternatif pengolahan yang dapat dilakukan adalah dengan membuat bangunan Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) di lingkungan kampus itu sendiri. Untuk alternatif kedua ini, perlu diperhatikan banyaknya jumlah limbah cair yang dialirkan serta jarak masing- masing outlet effluent dengan inlet IPAL serta ketersediaan lahan yang cukup luas untuk pembangunan Instalasi Pengolahan Air Limbah kampus. Selain itu, pembangunan satu bangunan IPAL untuk keseluruhan Universitas Sumatera Utara membutuhkan biaya yang lebih besar untuk penyediaan pipa dan pompa untuk mengalirkan air limbah dengan baik.
Alternatif kedua untuk pengolahan limbah cair yang dapat dilakukan di Universitas Sumatera Utara adalah dengan membangun IPAL di masing-masing Fakultas. Alternatif ini dapat lebih efesien karena meminimalisir jarak yang akan ditempuh oleh air limbah sehingga tidak habis di tengah jalan dan semua air limbah dapat terolah di IPAL. Namun, alternatif pengolahan ini memerlukan lahan yang cukup di masing-masing fakultas.
Tabel 1.1 Penelitian Serupa yang Pernah Dilakukan
No Nama Peneliti Tahun Universitas/Instansi Judul Perancangan Lokasi IPAL Metode Pengolahan
1 Fathul Mubin, dkk 2016 Universitas Sam Ratulangi, Manado
Perencanaan Sistem Pengolahan Air Limbah Domestik Di Kelurahan Istiqlal Kota Manado.
Kelurahan Istiqlal, Manado.
Pengolahan Sistem Terpusat (Offsite)
2 Tania Ratnasari,
dkk. 2015 Institut Teknologi
Sepuluh Nopember
Perencanaan Pengelolaan Air Limbah Komunal Berbasis Masyarakat
Permukiman Padat Di Kelurahan Wonokromo
Kelurahan Wonokromo,
Surabaya.
Anaerobik Baffled Reactor (ABR)
3 Audiana, dkk. 2016 Universitas
Tanjungpura, Pontianak
Pengolahan Limbah Cair
Laboratorium Teknik Lingkungan Dengan Koagulasi Dan Adsorpsi Untuk Menurunkan Cod, Fe, Dan Pb.
Program Studi Teknik Lingkungan,
Universitas Tanjungpura,
Pontianak.
Koagulasi dan Adsorpsi
4 Andhyka Surya, dkk. 2015 Universitas Islam Indonesia, Yogyakarta.
Perencanaan Pengelolaan Air Limbah Di Kampus Terpadu Universitas Islam Indonesia (Uii) Yogyakarta.
Kampus Universitas Islam
Indonesia.
Waste Water Garden (WWG)
Sumber: Studi Literatur, 2019
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang permasalahan di atas, maka dapat diperoleh rumusan masalah sebagai berikut :
1. Bagaimana kualitas dan kuantitas air limbah yang dihasilkan di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara?
2. Bagaimana alternatif pengolahan air limbah yang tepat untuk diterapkan di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara?
3. Bagaimana dimensi unit instalasi pengolahan air limbah di Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Bagaimana rencana anggaran biaya perancangan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Dimana titik-titik peletakan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Universitas Sumatera Utara.
1.3 Tujuan Perancangan
Adapun tujuan yang ingin dicapai dari penelitian adalah :
1. Mengetahui kualitas dan kuantitas air limbah yang dihasilkan di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
2. Menentukan kapasitas dan unit-unit dalam perencanaan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Menentukan dan merancang dimensi unit instalasi pengolahan air limbah di Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Mendapatkan dan menentukan rencana anggaran biaya dalam perencanaan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Menentukan titik peletakan bangunan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Universitas Sumatera Utara 1.4 Ruang Lingkup
Adapun ruang lingkup penelitian dari tugas akhir ini antara lain sebagai berikut :
1. Penentuan kuantitas dan kualitas air limbah yang dihasilkan di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
2. Pemilihan alternatif pengolahan air limbah yang sesuai untuk diterapkan di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Perencanaan dan perancangan bangunan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Perhitungan rencana anggaran biaya yang dibutuhkan untuk pembangunan Instalasi Pengolahan Air Limbah di Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Perencanaan wilayah studi hanya dilakukan di Universitas Sumatera Utara.
6. Sumber air limbah yang akan diuji berasal dari outlet drainase Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
1.5 Manfaat Perancangan
Adapun manfaat dari tugas akhir ini ialah sebagai rekomendasi perencanaan instalasi pengolahan air limbah di kampus Universitas Sumatera Utara secara umum dan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara secara khusus, serta sebagai referensi dan bahan kajian terhadap penelitian berikutnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Air Limbah
Pengertian air limbah adalah air yang telah digunakan manusia dalam berbagai aktivitas yang dilakukan. Air limbah tersebut dapat berasal dari aktivitas rumah tangga, perkantoran, pertokoan, fasilitas umum, industri maupun dari tempat-tempat lain. Dalam pengertian lain, air limbah adalah air bekas yang tidak terpakai yang dihasilkan dari berbagai aktivitas manusia dalam memanfaatkan air bersih.
Dalam PERMEN LHK No. 6 Tahun 2016 tentang Baku Mutu Air Limbah disebutkan bahwa air limbah adalah sisa dari suatu usaha dan atau kegiatan yang berwujud cair. Baku mutu air limbah adalah ukuran batas atau kadar unsur pencemar dan/atau jumlah unsur pencemar yang ditenggang keberadaannya dalam air limbah yang akan dibuang ke dalam media air dari suatu usaha dan/atau suatu kegiatan.
Menurut Keputusan Menteri Lingkungan Hidup No. 112 Tahun 2003 yang dimaksud dengan air limbah domestik adalah air limbah yang berasal dari usaha atau kegiatan permukiman (real estate), rumah makan (restaurant), perkantoran, apartemen dan asrama serta perniagaan.
Secara umum menurut Puji dan Rahmi (2010) dalam jurnal Mubin, dkk (2016) sifat air limbah cair domestik terbagi atas tiga karakteristik, yaitu karakteristik fisik, karakteristik kimia, dan karakteristik biologi.
2.2 Karakteristik Air Limbah 2.2.1 Karakteristik fisik a. Padatan (Solid)
Limbah cair mengandung berbagai macam zat padat dari material yang kasar hingga material yang bersifat koloidal. Dalam karakterisasi limbah cair, material kasar selalu dihilangkan sebelum dilakukan analisis contoh tehadap zat padat.
b. Bau (Odor)
Bau merupakan petunjuk adanya pembusukan air limbah. Bau pada air limbah disebabkan karena adanya bahan volatile, gas terlarut dan hasil samping dari pembusukan bahan organik. Bau yang dihasilkan oleh air limbah pada umumnya berupa gas yang dihasilkan dari penguraian zat organik yang terkandung dalam air limbah, seperti Hidrogen sulfida (H2S).
c. Warna (Color)
Air murni tidak berwarna tetapi seringkali diwarnai oleh benda asing. Karakteristik yang sangat mencolok pada limbah cair adalah berwarna yang umumnya disebabkan oleh zat organik dan algae. Air limbah yang baru biasanya berwarna abu-abu.
d. Temperatur
Limbah cair umumnya mempunyai temperatur lebih tinggi dari pada temperatur udara setempat.
Temperatur limbah cair dan air merupakan parameter sangat penting sebab efeknya pada kehidupan dalam air, meningkatkan reaksi kimia, dan mengurangnya spesies ikan dalam air.
e. Kekeruhan (Turbidity)
Kekeruhan sifat optis air yang akan membatasi pencahayaan ke dalam air. Kekeruhan terjadi karena adanya zat-zat koloid yang melayang dan zat-zat yang terurai menjadi ukuran yang lebih (tersuspensi) oleh binatang, zat-zat organik, jasad renik, lumpur, tanah, dan benda-benda lain yang melayang. Tidak dapat dihubungkan secara langsung antara kekeruhan dengan kadar semua jenis zat suspensi, karena tergantung juga kepada ukuran dan bentuk butir.
2.2.2 Karakteristik Kimia
Menurut Ginting (2008), karakteristik kimia air limbah antara lain :
a. Biochemical Oxygen Demand (BOD): adalah kebutuhan oksigen bagi sejumlah bakteri untuk mengurai atau mengoksidasi semua zat-zat organik yang terlarut maupun tersuspensi dalam air menjadi bahan organik yang lebih sederhana. Nilai ini hanya merupakan jumlah bahan organik yang dikonsumsi bakteri. Aktifnya bakteri-bakteri menguraikan bahan-bahan organik bersamaan dengan itu habis pula terkonsumsi oksigen. Kehabisan oksigen terkonsumsi membuat biota lainnya yang membutuhkan oksigen menjadi kekurangan dan mengakibatkan biota yang memerlukan oksigen ini tidak dapat hidup. Semakin tinggi angka BOD semakin sulit pula bagi mahkluk air yang membutuhkan oksigen untuk bertahan hidup.
b. Chemical Oxygen Demand (COD): adalah sejumlah oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi zat-zat anorganik dan organik sebagaimana halnya pada BOD, angka COD merupakan ukuran bagi pencemaran air oleh zat anorganik.
c. pH (keasaman air): air buangan yang mempunyai pH tinggi ataupun pH rendah dapat membunuh mikroorganisme air yang kemudian akan dibutuhkan oleh biota air. Air dengan pH netral dapat mencegah terjadinya pelarutan logam berat, sementara pH yang tidak netral dapat melarutkan berbagai elemen kimia.
d. Dissolved Oxygen (DO): Dissolved Oxygen atau DO tinggi menunjukkan keadaan air semakin membaik. Pengertian DO berlawanan dengan BOD. Semakin tinggi BOD semakin rendah oksigen terlarut. Kondisi oksigen terlarut dalam air dapat dijadikan indikator kehidupan ikan dan biota
dalam perairan. Kemampuan air untuk mengadakan pemulihan secara alami banyak tergantung pada tersedianya oksigen terlarut.
e. Amoniak: adalah senyawa organik yang terdapat dalam limbah dan buangan, misalnya lemak dan karbohidrat, yang merupakan indikator masuknya buangan permukiman.
f. Nitrit: Keberadaan nitrit merupakan salah satu indikator proses pengolahan berlangsung tidak sempurna. Nitrit tidak dapat bertahan lama dan merupakan keadaan sementara proses oksidasi antara amoniak dan nitrit. Nitrit tidak ditemukan dalam air limbah yang segar melainkan dalam limbah yang sudah basi atau lama. Nitrit berasal dari bahan-bahan yang bersifat korosif dan banyak dipergunakan di pabrik-pabrik.
g. Nitrogen: Nitrogen dalam air limbah pada umumnya terdapat dalam bentuk organik dan oleh bakteri dirubah menjadi nitrogen ammonia.
h. Logam Berat: Logam berat dalam air limbah seperti tembaga, cadmium, air raksa, timah, chromium, besi dan nikel, arsen, selenium, cobalt, mangan dan aluminium.
2.2.3 Karakteristik Biologi
Limbah cair biasanya mengandung mikroorganisme yang memiliki peranan penting dalam pengolahan limbah cair secara biologi, tetapi ada juga beberapa jenis mikroorganisme yang membahayakan bagi kehidupan manusia. Mikroorganisme tersebut antara lain bakteri, jamur, protozoa dan algae.
Tabel 2.1 Karakteristik Limbah Domestik Secara Umum
No. Parameter Satuan Minimum Maksimum Rata-rata
1 BOD mg/l 31,52 675,33 353,43
2 COD 46,62 1183,4 615,01
3 Angka Permanganat (KMnO4) mg/l 69,84 739,56 404,7
4 Amoniak (NH3) mg/l 10,79 158,73 84,76
5 Nitrit mg/l 0,013 0,274 0,1435
6 Nitrat mg/l 2,25 8,91 5,58
7 Klorida mg/l 29,74 103,73 66,735
8 Sulfat mg/l 81,3 120,6 100,96
9 pH mg/l 4,92 8,99 6,96
10 Zat Padat Tersuspensi mg/l 27,5 211 119,25
11 Deterjen mg/l 1,66 9,79 5,725
12 Minyak/Lemak mg/l 1 125 63
13 Cadmium (Cd) mg/l ttd 0,016 0,008
14 Timbal (Pb) mg/l 0,002 0,04 0,021
15 Tembaga (Cu) mg/l ttd 0,49 0,245
Sumber: Nusa Idaman Said, 2008
2.3 Teknologi Pengolahan Air Limbah
Teknologi pengolahan air limbah terbagi atas dua, yakni pengolahan air limbah secara aerob dan pengolahan air limbah secara anaerob. Secara umum, perbedaan keduanya berada pada penggunaan oksigen dalam aktivitas operasinya.
2.3.1 Teknologi Pengolahan Air Limbah Secara Aerob
Proses pengolahan air limbah secara biologis aerobic adalah proses yang memanfaatkan aktifitas mikroba aerob, untuk menguraikan zat organik yang terdapat dalam air limbah, menjadi zat inorganik yang stabil dan tidak memberikan dampak pencemaran terhadap lingkungan. Mikroba aerob ini sebenarnya sudah terdapat di alam dalam jumlah yang tidak terbatas dan selalu dapat diperoleh dengan sangat mudah. Dalam kapasitas yang terbatas alam sendiri sudah mampu menetralisir zat organik yang ada dalam air limbah.
Sementara itu kemampuan air dalam menyerap oksigen di udara sangat terbatas, walaupun keberadaan oksigen di udara tidak terbatas. Pemenuhan oksigen dapat dibantu dengan adanya peralatan mekanis (aerator), aliran udara bertekanan atau pertumbuhan mikroba itu sendiri (algae).
Beberapa teknologi pengolahan air limbah secara aerob, antara lain : 1. Tricking Filter (Saringan Tetes)
Tricking filter merupakan salah satu aplikasi pengolahan limbah cair yang menggunakan teknologi biofilm. Proses biologis yang terjadi pada biofilm adalah pseudo steady state, yaitu pengabaian reaksi pertumbuhan biofilm dan difusi substrat pada suatu skala waktu tertentu.
Saringan tetes dirancang untuk menangani limbah cair yang encer. Saringan tetes bukan filter tetapi unit-unit oksidasi aerob yang menyerap dan mengoksidasi bahan organik dalam limbah yang melalui media filter. Media yang dalam saringan tetes umumnya adalah hancuran batu atau karang dengan ukuran besar, umumnya 2-4 inci, atau media plastik dengan berbagai konfigurasi.
Bakteri fakultatif heterotrofik adalah populasi mikroorganisme terbesar dalam saringan tetes Protozoa dan bentuk-bentuk kehidupan hewan yang lebih tinggi terdapat dalam saringan dan ganggang akan tumbuh dalam permukaan saringan yang muatannya tidak berlebihan, tetapi karena sinar matahari tidak dapat tembus maka tidak akan tumbuh di bawah permukaan. Bahan organik di dalam air limbah akan merangsang pertumbuhan biologik pada permukaan media. Bahan organik tersebut akan diuraiakan oleh mikroorganisme yang menempel pada media filter.
Bahan organik sebagai substrat yang terlarut dalam limbah cair diabsorbsi biofilm. Pada bagian luar lapisan biofilm, bahan organik akan diuraikan oleh mikroorganisme aerob. Pertumbuhan mikroorganisme akan mempertebal lapisan biofilm. Oksigen yang terdifusi dapat dikonsumsi sebelum ketebalan biofilm mencapai maksimium. Hal ini karena apabila mencapai ketebalan penuh, oksigen tidak mencapai penetrasi secara penuh, sehingga bagian dalam atau permukaan media menjadi anaerob.
Pada saat lapisan biofilm mengalami penambahan ketebalan, bahan organik yang diabsorbsi dapat diuraikan oleh mikroorganisme, namun tidak dapat mencapai mikroorganisme yang berada di
permukaan media. Dengan kata lain, tidak tersedia bahan organik untuk sel karbon pada bagian permukaan media, sehingga organisme pada bagian permukaan akan mengalami fase indegenous (mati). Pada akhirnya, cairan yang masuk akan turut melepas dan mendorong biofilm keluar dan mikroorganisme sebagai biofilm tersebut akan lepas dari media.
Setelah itu, lapisan biofilm baru akan segera tumbuh. Perlu diperhatikan agar pertumbuhan mikroba tidak terbunuh oleh kondisi toksik dalam limbah karena penyaring tidak akan berfungsi pada efisiensi yang telah dirancang sampai pertumbuhan mapan kembali yang dapat memakan waktu yang lama.
2. Activated Sludge ( Lumpur Aktif)
Sistem pengolahan lumpur aktif adalah pengolahan dengan cara membiakkan bakteri aerobik dalam tangki aerasi. Hal ini bertujuan untuk menurunkan organik karbon atau organik nitrogen. Dalam penurunan organik karbon, bakteri yang berperan adalah bekteri heterotrifik. Sumber energi berasal dari oksidasi senyawa organik dan sumber karbon yang bersal dari organik karbon. BOD atau COD dipakai sebagai ukuran atau satuan untuk menyatakan konsentrasi organik karbon yang selanjutnya akan disebut substrat.
Proses activated sludge didasarkan atas pengguanaan sejumlah mikroba yang terdapat dalam bentuk flok tersuspensi akibat agitasi, sehingga akan sering terjadi kontak dengan senyawa organik dalam air limbah. Agitasi ini dapat dilakukan dengan agitasi mekanik dengan turbin atau dengan mengalirkan udara (aerasi).
Pada proses lumpur aktif terdiri atas 2 tangki yaitu, tangki aerasi dimana terjadi reaksi penguraian zat organik secara biokimia oleh mikroba dalam keadaan cukup oksigen dan tangki biosolid tempat lumpur aktif dipisahkan dari cairan.
Air limbah bersama lumpur aktif masuk ke dalam tangki aerasi, dimana dilakukan aerasi terus- menerus untuk memberikan oksigen. Pada tangki aerasi ini, terjadi reaksi penguraian zat organik yang terkandung di dalam air limbah secara biokimia oleh mikroba yang terkandung di dalam lumpur aktif menjadi gas CO2dan sel baru. Jumlah mikroba dalam tangki aerasi akan bertambah banyak dengan dihasilkannya sel-sel baru.
3 . Kolam Stabilisasi/ Oksidasi (Waste Stabilitation Ponds /Oxydation Ponds )
Kolam oksidasi mirip kolam dangkal yang kedalamannya 1-1,5 m, berstruktur tanggul dengan luas permukaan yang besar untuk mempertahankan kondisi aerobik. Daerah yang memiliki lahan relatif datar dan harganya murah, kolam oksidasi akan lebih ekonomis dibandingkan jenis penanganan biologik aerobik lainnya. Air buangan (effluent) yang dihasilkan cukup stabil.
Beberapa kendala pada penggunaan sistem ini adalah membutuhkan lahan yang luas, sistem cenderung anaerobik bila bahan organik berlebihan dan terjadi perubahan suhu. Masalah yang dihadapi adalah bau yang timbul karena pergantian musim dari kondisi anaerobik menjadi aerobik.
Pencegahan yang dapat dilakukan untuk menghindari bau ini adalah penambahan oksidator seperti penambahan nitrat. Penanganan limbah dengan sistem ini membutuhkan waktu beberapa minggu atau bulan.
Pada kolam oksidasi terdapat bakteri dan ganggang (algae) yang merupakan mikroorganisme kunci dalam kolam oksidasi. Bakteri hetrotrofik bertanggung jawab untuk stabilisasi bahan organik dalam kolam. Ketika limbah organik dimetabolisme oleh bakteri yang menghasilkan produk akhir yang dapat digunakan oleh ganggang, juga dengan bantuan sinar matahari maka terjadi proses fotosintesis yang kemudian menghasilkan oksigen.
Bakteri berperan penting untuk proses-proses oksidasi dan reduksi dan ganggang memegang peranan dalam menggunakan kelebihan karbon dioksida untuk menghasilkan oksigen.
4 . Rotating Biological Contactor (RBC)
RBC (Rotating Biological Contactor) merupakan reaktor pertumbuhan lekat (Bioreaktor Film Tetap) yang digunakan untuk penyisihan bahan organik terlarut. Mikroorganisme tumbuh di atas cakram yang berputar dan mengubah bahan organik terlarut menjadi energi dan sel-sel baru. Karena perputaran cakram RBC terkadang ada bagian yang mengalami kontak dengan air dan udara bebas sehinggga pemenuhan oksigen terpenuhi.
Bakteri akan berkembang dan mendegradasi limbah saat cakram RBC kontak dengan limbah. Semakin rendah RPM (Rotation Per Minute) maka kontak antara bakteri dan limbah akan lebih efektif dan drum terendam 70% adalah kondisi efektif penurunan BOD.
2.3.2 Teknologi Pengolahan Air Limbah Secara Anaerob
Pengolahan air limbah secara anaerob merupakan pengolahan air limbah dengan mikroorganisme tanpa adanya injeksi udara/oksigen ke dalam proses pengolahan. Pengolahan air limbah secara anaerob ini dilakukan dengan tujuan merombak bahan organik dalam air limbah menjadi bahan yang lebih sederhana dan tidak berbahaya.
Berdasarkan model pertumbuhan mikroorganisme, pengolahan air limbah secara biologi anaerob dibagi menjadi 2 (dua) model yaitu :
1. Model Pertumbuhan Mikroorganisme Tersuspensi
Model pertumbuhan mikroorganisme tersuspensi, yaitu suatu model pertumbuhan mikroorganisme yang tersuspensi (tercampur merata) di dalam air limbah. Pada tangki digester (anaerobic reactor)
terdapat pengaduk yang bertujuan untuk mensuspensikan mikroorganisme yang ada dalam digester.
Pada bagian atas tangki terdapat lubang (man hole) agar manusia bisa masuk kedalam tangki digester untuk maintenance (pemeliharaan) dan juga lubang kecil untuk pengukuran tekanan didalam tangki digester.
Operasional instalasi pengolahan air limbah dilakukan secara biologi anaerob dengan model pertumbuhan mikroorganisme tersuspensi seperti berikut:
1. Membiakkan mikroorganisme dalam tangki digester, dan melakukan pengadukan agar mikroorganisme dapat tersuspensi.
2. Mengalirkan air limbah ke dalam tangki digester, waktu tinggal dalam tangki digester air limbah diatur sesuai dengan besarnya aliran.
3. Pada proses pengolahan secara biologi anaerob akan dihasilkan gas-gas seperti CH4, CO2 dan NH3, gas-gas ini akan memberikan tekanan pada tangki yang dapat mengakibatkan pecahnya tangki digester akibat tekanan gas. Dalam rangka mengatasi tekanan gas-gas tersebut, maka dibutuhkan pengeluaran gas-gas tersebut secara kontinyu.
4. Air limbah yang telah diolah, dialirkan ke dalam tangki clarifier yang bertujuan untuk memisahkan antara air limbah hasil pengolahan dengan mikroorganismenya, air limbah hasil pengolahan mengalir secara over flow dari bagian atas tangki clarifier sedangkan mikroorganisme yang mengendap pada tangki clarifier dipompa dan dialirkan kembali kedalam tangki digester.
Proses pengolahan dengan metode Anaerobik digestion dapat dioperasikan dengan multi-stage process yaitu dua (2) atau empat (4) tahapan tergantung pada hasil pengolahan yang akan dicapai dan besarnya bahan organik yang terkandung dalam air limbah.
2. Model Pertumbuhan Mikroorganisme Melekat
Model pertumbuhan mikroorganisme melekat, yaitu suatu model pertumbuhan mikroorganisme yang melekat pada suatu media poros. Operasional instalasi pengolahan air limbah secara biologi anaerob menggunakan model pertumbuhan mikroorganisme melekat adalah seperti berikut :
1. Pembiakan mikroorganisme dalam media trickling filter, dilakukan dengan mengalirkan mikroorganisme dengan distributor ke dalam trickiling filter, mikroorganisme akan mengalir dari bagian atas ke bawah dan menempel pada media poros. Aliran mikroorganisme akan dihentikan setelah mencapai ketebalan tertentu dan merata pada media poros.
2. Alirkan air limbah ke dalam trickling filter melalui distributor, namun pastikan aliran air limbah mengenai media poros secara merata agar terjadi kontak antara mikroorganisme dengan air limbahnya.
3. Air limbah yang telah mengalami kontak dengan mikroorganisme akan keluar melalui bagian
mikroorganisme ini dipisahkan dalam tangki clarifier dan dialirkan kembali ke dalam trickling filter, sedangkan air limbah hasil pengolahan akan mengalir dari bagian atas tangki clarifier secara over flow.
4. Proses pengolahan secara biologi anaerob akan menghasilkan gas-gas seperti CH4, CO2, NH3, gas-gas ini dikeluarkan dari bagian atas tangki trickling filter.
5. Gas-gas yang dihasilkan pada pengolahan air limbah secara biologi anaerob seperti CH4 dan CO2 dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar.
Beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam operasional pengolahan air limbah secara biologi anaerob ini adalah :
1. Laju alir air limbah masuk, laju alir air limbah yang masuk perlu dilakukan pengendalian agar waktu kontak antara air limbah dan mikroorganisme terpenuhi, laju alir air limbah yang terlalu besar dapat mengakibatkan lepasnya mikroorganisme yang telah melekat pada media poros
2. Bahan media poros, bahan media yang dipergunakan harus poros agar mikroorganisme dapat melekat dengan kuat dan tidak mudah lepas akibat aliran air limbah.
3. Penyusunan media poros, hal ini akan mempengaruhi waktu kontak antara air limbah dan mikroorganisme. Media poros disusun sedemikian rupa sehingga dapat memberikan waktu kontak yang agak lama.
2.4 Jenis-jenis Pengolahan Air Limbah
Pengelolaan air limbah adalah kegiatan terpadu yang meliputi kegiatan pengurangan (minimization), segregasi (segregation), penanganan (handling), pemanfaatan dan pengolahan limbah. Pengolahan air limbah biasanya menerapkan 3 tahapan proses yaitu pengolahan pendahuluan (pre-treatment), pengolahan utama (primary treatment), dan pengolahan akhir (post treatment).
Pre-treatment dibuat untuk mengkondisikan aliran, beban limbah dan karakter lainnya agar sesuai untuk masuk ke pengolahan utama. Pengolahan utama (primary treatment) adalah proses yang dipilih untuk menurunkan pencemar utama dalam air limbah. Agar kandungan dalam air limbah dapat sesuai dengan baku mutu yang ditetapkan, maka pada pengolahan akhir (post treatment) dilakukan proses pengolahan lanjutan.
Pengolahan air limbah secara fisik merupakan pengolahan awal (primary treatment) sebelum air limbah dikenai pengolahan lanjutan. Pengolahan secara fisik bertujuan untuk menyisihkan padatan- padatan berukuran besar seperti plastik, kertas, kayu, pasir, koral, minyak, oli, lemak dan sebagainya.
Pengolahan air limbah secara fisik dimaksudkan untuk melindungi peralatan-peralatan seperti pompa, perpipaan dan proses pengolahan selanjutnya. Beberapa unit operasi yang diterapkan pada proses pengolahan air limbah secara fisik diantaranya: penyaringan (screening), pemecahan/grinding
(comminution), penyeragaman (equalization), pengendapan (sedimentation), penyaringan (flitration), pengapungan (floatation).
1. Screening
Screening merupakan unit operasi yang diaplikasikan pada awal pengolahan air limbah. Tujuan dari screening ini adalah untuk pemisahan material berukuran besar seperti kertas, plastik, kayu, kulit udang, sisik ikan, dan sebagainya.
Berdasarkan teknik pengoperasian, screening diklasifikasi menjadi dua klasifikasi yaitu:
a. Screening yang dioperasikan secara manual: screen yang dibersihkan secara manual (mempergunakan tangan).
b. Screening yang dioperasikan secara automatis: screen dengan pemisahan padatan berlangsung secara berkelanjutan, pemisahan padatan dapat dilakukan secara mekanik atau dengan aliran air limbah itu sendiri.
2. Pemecah/Grinding (Comminution)
Pemecah/Grinding pada suatu unit pengolahan digunakan untuk memecah padatan yang tertahan pada screen, sehingga padatan ini dapat dikembalikan lagi ke dalam air limbah ataupun dibuang.
3. Pemisahan pasir (Grit Chamber)
Grit Chamber adalah tempat dimana proses pengolahan air terjadi. Fungsi Grit Chamber ini adalah menghilangkan tanah kasar, pasir dan partikel halus mineral dari air yang akan diolah sehingga tidak mengendap dalam saluran ataupun pipa dan melindungi pompa dan mesin dari abrasi. Secara teoritis, partikel yang bisa diendapkan oleh Grit Chamber ini adalah partikel yang berukuran >200 mm.
Grit Cahmber dirancang untuk memisahkan partikel yang lebih berat dari partikel yang lebih ringan, juga memisahkan partikel berdasarkan ukuran besar atau kecilnya. Kecepatan aliran yang terlalu rendah dapat menyebabkan pengendapan partikel yang ringan, sedangkan kecepatan aliran terlalu tinggi tidak akan menimbulkan pengendapan lumpur.
4. Penyeragaman (Equalization)
Equalisasi berfungsi untuk penyeragaman kondisi air limbah, dan pengendali aliran, dalam equalisasi dapat dilakukan proses pengadukan untuk menjaga homoginitas, injeksi udara yang bertujuan agar limbah tidak bersifat septik atau anaerobik. Pembangunan bak penyeragaman di beberapa industri biasanya dibangun dengan bentuk persegi empat panjang dengan kedalaman rata-rata 1,5 – 2 m.
5. Bak Pengendap Awal
Bak pengendap awal merupakan unit operasi yang sering dipergunakan dalam proses pengolahan air atau air limbah seperti pemisahan partikel tersuspensi pada awal proses pengolahan air limbah. Proses
pemisahan partikel flok pada proses pengolahan air limbah dilakukan dengan bantuan bahan kimia, dan proses pemisahan mikroorganisme (sludge) pada proses pengolahan air limbah dilakukan dengan biologi. Pada unit ini terdapat lumpur yang akan mengendap. Volume lumpur yang mengendap dihitung dengan persamaan:
Volume lumpur = massa solid / densitas lumpur (Persamaan 2.1 ) Sementara, densitas lumpur dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Densitas lumpur = 5% × 2,65
kg
l + 95% × 1kg
l
100% (Persamaan 2.2 )
Berikut merupakan grafik dari reduksi volume lumpur:
Gambar 2.1 Reduksi Volume Lumpur Sumber: Riolanda, 2017
6. Flokulasi
Flokulasi merupakan suatu peristiwa penggabungan partikel-partikel yang telah mengalami proses koagulasi dengan penambahan bahan kimia (flokulan) sehingga terbentuk partikel dengan ukuran lebih besar (macrofloc) yang mudah untuk diendapkan.
Dalam proses koagulasi-floakulasi ada beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu, konsentrasi padatan yang terkandung dalam limbah, jenis koagulan yang dipergunakan, waktu pengadukan, jenis padatan yang dihasilkan, kecepatan putaran pengaduk, kecepatan aliran air limbah masuk dalam tangki, pengelolaan flok yang dihasilkan.
7. Filtrasi (Filtration)
Dalam pengolahan air limbah filtrasi diperlukan untuk pemisahan partikel (padatan) pada effluen (pengeluaran). Pemisahan padatan ini dilakukan menggunakan media yang disebut media filter yakni bahan padat seperti pasir, batu bara, kerikil dan sebagainya, yang tersusun sedemikian rupa, padatan yang dipisahkan tertahan pada permukaan dan sela-sela (porositas) media filter.
2.5 Rotating Biological Contactor
RBC atau Rotating Biological Contactor ialah suatu proses pengolahan limbah cair dengan menggunakan metode dimana unit pengolah air limbah ini berotasi dengan pusat pada sumbu atau as yang digerakkan oleh motor drive system dan/atau tiupan udara (air drive system) dari difusser yang dibenam dalam air limbah, di bawah media. Media tempat pelekatan mikroba yang berbahan plastik dipasang sedemikian rupa sehingga kontak antara oksigen dengan air limbah dan yang terjadi silih berganti dan terjadi seluas-luasnya. Metode ini melibatkan kontak dengan unsur-unsur biologi di dalam rotasi.
RBC seperti kumpulan piringan yang pada permukaannya ada media disk sebagai tempat mikroorganisme memakan kandungan bahan organik dalam limbah. Media disk ini diupayakan bisa disediakan seluas-luasnya agar mikroorganisme dapat mudah mengambil polutan pada limbah yang dialirkan. Sistem pengoperasian RBC menggunakan mikroorganisme untuk memakan bahan organik.
Syarat hidup mikroorganisme pada sistem ini adalah tercukupinya kebutuhan makanan dan oksigen.
Sehingga pada RBC ini diatur seperti roda berputar sehingga ketika posisi dibawah mikroorganisme dapat mengambil makanan dan mengolahnya dengan mengambil oksigen terlebih dahulu ketika ia berada diatas.
Akan tetapi perlu diketahui pula bahwa pada permukaan media disk akan terbentuk tumpukan mikroorganisme yang banyak apabila RBC telah digunakan dalam jangka waktu yang lama karena adanya pertumbuhan mikroorganisme. Apabila mikroorganisme ini terus menumpuk maka mikroorganisme yang hidup di tumpukan paling bawah hanyalah mikroorganisme aerob karena tertutup oleh mikroorganisme di atasnya. Hal inilah yang kemudian terbentuk seperti kerak.
Prinsip kerja pengolahan air limbah dengan RBC yakni air limbah yang mengandung polutan organik dikontakkan dengan lapisan mikroorganisme (microbial film) yang melekat pada permukaan media di dalam suatu reaktor. Media tempat melekatnya film biologis ini berupa piringan (disk) dari bahan polimer atau plastik yang ringan dan disusun dari berjajar-jajar pada suatu poros sehingga membentuk suatu paket, selanjutnya modul tersebut diputar secara pelan dalam keadaan tercelup sebagian ke dalam air limbah yang mengalir secara kontinyu ke dalam reaktor.
Dengan cara seperti ini mikroorganisme seperti bakteri, alga, protozoa, fungi, dan lainnya tumbuh melekat pada permukaan media yang berputar tersebut membentuk suatu lapisan yang terdiri dari mikroorganisme yang disebut lapisan biologis (biofilm). Mikroorganisme akan menguraikan atau mengambil senyawa organik yang ada dalam air serta mengambil oksigen yang larut dalam air atau dari udara untuk proses metabolismenya, dan mengakibatkan kandungan senyawa organik dalam air limbah akan berkurang.
Pada saat biofilm yang melekat pada media yang berupa piringan tipis tersebut tercelup kedalam air limbah, mikroorganisme akan menyerap senyawa organik yang ada dalam air limbah yang mengalir pada permukaan biofilm, dan ketika biofilm berada di atas permukaan air, mikroorganisme menyerap okigen dari oksigen yang terlarut dalam air untuk kemudian menguraikan senyawa organik.
Selanjutnya energi dari hasil penguraian senyawa organik tersebut digunakan oleh mikroorganisme untuk proses perkembangbiakkan atau metabolisme.
Senyawa hasil proses metabolisme mikroorganisme tersebut akan keluar dari biofilm dan terbawa oleh aliran air dan yang berupa gas akan tersebar ke udara melalui rongga-rongga yang ada pada mediumnya, sedangkan padatan tersuspensi (SS) akan tertahan pada pada permukaan lapisan biologis (biofilm) lalu akan terurai menjadi bentuk yang larut dalam air.
Pertumbuhan mikroorganisme atau biofilm tersebut makin lama semakin tebal, sampai akhirnya akan mengelupas dari mediumnya karena gaya beratnya sebagian dan terbawa keluar bersama aliran air.
Selanjutnya, mikroorganisme pada permukaan medium akan tumbuh lagi dengan sendirinya hingga terjadi kesetimbangan sesuai dengan kandungan senyawa organik yang ada pada air limbah. Secara sederhana proses penguraian senyawa organik oleh mikroorganisme di dalam RBC dapat digambarkan seperti pada gambar 1.
Secara umum, proses pengolahan air limbah dengan sistem Rotating Biological Contactor (RBC) terdiri dari bak pemisah pasir, bak pengendap awal, bak kontrol aliran, reaktor (RBC), bak pengendap akhir, bak klorinasi dan unit pengolahan lumpur.
2.5.1 Keunggulan dan Kelemahan RBC
Beberapa keunggulan proses pengolahan air limbah dengan sistem RBC antara lain:
1. Pengoperasian alat serta perawatannya mudah.
2. Untuk kapasitas kecil atau paket, konsumsi energi lebih rendah dibandingkan dengan proses lumpur aktif.
3. Dapat dipasang beberapa tahap (multi stage), sehingga tahan terhadapfluktuasi beban pengolahan.
4. Efisiensi penghilangan ammonium lebih besar karena reaksi nitrifikasi lebih mudah terjadi.
5. Tidak terjadi foaming seperti pada proses lumpur aktif.
Sedangkan beberapa kelemahan dari proses pengolahan air limbah dengan sistem RBC antara lain yakni:
1. Pengontrolan jumlah mikroorganisme sulit dilakukan.
2. Sensitif terhadap perubahan temperatur.
3. Kadang-kadang konsentrasi BOD air hasil olahan masih tinggi.
4. Dapat menimbulkan pertumbuhan cacing rambut.
5. Kadang-kadang timbul bau yang kurang sedap.
2.6 Parameter Desain
Untuk merancang unit pengolahan air limbah dengan sistem RBC, beberapa parameter desain yang harus diperhatikan antara lain adalah parameter yang berhubungan dengan beban (loading). Beberapa parameter tersebut antara lain sebagai berikut.
2.6.1 Rasio Volume Reaktor Terhadap Luas Permukaan Media
Harga G (G Value) adalah menunjukkan kepadatan media yang dihitung sebagai perbandingan volume reaktor dengan luas permukaan media. Harga G yang digunakan untuk perencanaan biasanya berkisar antara 5 – 9 liter per m2
G= V.A (Persamaan 2.3)
Dimana :
G = ratio volume reaktor terhadap luas permukaan media (liter/m2) V = volume efektif reaktor (m3)
A = luas permukaan media RBC (m2).
2.6.2 Beban BOD (BOD Surface Loading)
Beban BOD atau BOD surface loading yang biasa digunakan untuk perencanaan sistem RBC yakni 5–20 gram- BOD/m2/hari.
BOD Loading= LA= (Q x C0) / A (gr./m2.hari) (Persamaan 2.4)
Dimana :
Q = debit air limbah yang diolah (m3/hari).
Co = Konsentrasi BOD (mg/l).
A = Luas permukaan media RBC (m2) 2.6.3 Waktu Tinggal Rata-rata
Waktu tinggal rata-rata air buangan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
T = (Q/V) x 24 (Persamaan 2.5)
Dimana :
Q = debit air limbah yang diolah (m3/hari).
V = volume efektif reaktor (m3) 2.7 Activated Sludge
Secara umum pengolahan air limbah dengan proses lumpur aktif konvensional (standar) terdiri dari bak pengendap awal, bak aerasi dan bak pengendap akhir. Proses pengolahannya adalah air limbah yang berasal dari proses produksi ditampung ke dalam bak penampung air limbah. Bak penampung ini berfungsi sebagai bak untuk mengatur debit air limbah yang dilengkapi dengan saringan kasar untuk memisahkan kotoran yang berukuran besar.
Setelah itu, air limbah dalam bak penampung akan dipompa ke bak pemisah minyak dan lalu dialirkan ke bak ekualisasi. Dari bak ekualisasi, air limbah dipompa lagi ke bak pengendap awal, selanjutnya air limpasan dari bak pengendap awal di alirkan ke bak aerasi sambil dihembus dengan udara. Dari bak aerasi, air limbah dialirkan ke bak pengendap akhir dan air limpasan dari bak pengendap akhir dialirkan ke bak penampung antara untuk diproses lebih lanjut dengan proses kimia fisika (Rita, 2016).
2.8 Anaerobic Baffled Reactor
Sistem Anaerobic Baffled Reactor (ABR) merupakan unit pengolahan biologis dengan metode suspended growth dengan memanfaatkan sekat (baffle). Sekat pada unit pengolahan ini berfungsi sebagai pengaduk untuk meningkatkan kontak antara air limbah domestik dan mikroorganisme yang digunakan. Aliran yang terjadi pada ABR merupakan aliran upflow dan downflow. Mikroorganisme berkembang dalam lapisan lumpur yang terkumpul di dasar kompartemen yang ada.
ABR (Anaerobic Baffled Reactor) adalah reaktor yang menggunakan serangkaian dinding (baffle) untuk membuat air limbah yang mengandung polutan organik untuk mengalir ke bawah (downflow) dan ke atas (upflow) melalui dinding dari inlet menuju outlet.
Anaerobic Baffled Reactor terdiri dari pre-sedimentation tank dengan satu seri baffled reactor di mana aliran air limbahnya diarahkan dari bawah ke atas (up-flow) dan pengolahan dengan proses anaerobik terjadi karena air limbah melakukan kontak dengan lumpur (mikroba) yang berada dalam setiap reaktor. Untuk mendapatkan waktu kontak yang cukup antara air limbah dengan lumpur/ mikroba dalam reactor, maka kecepatan aliran ke atas (up-flow velocity) dalam setiap reaktor dijaga cukup rendah. Hal ini juga dilakukan untuk menjaga supaya lumpur tidak hanyut ke hilir.
Di ruang pertama proses pengolahan yang terjadi ialah proses pengendapan yang serupa dengan yang terjadi pada septic tank. Sesudah padatan yang mudah terendap dipisahkan, air limbah akan masuk ke ruangan berikutnya di mana terjadi proses penguraian kandungan organik (proses biologis anaerobik) karena air limbah berkontak dengan lumpur mikroba yang berada dalam kondisi tersuspensi di bagian bawah dalam ruangan tersebut. Baffled reactor yang baik mempunyai chamber (ruangan) reaktor dengan jumlah minimal 4 buah.
Salah satu parameter yang penting dalam merancang baffled reactor antara lain adalah up-flow velocity di dalam reaktor. Apabila terlalu cepat, lumpur mikroba akan hanyut ke hilir (wash out), maka up-flow velocity ini dijaga tidak lebih dari 2 m/jam. Up-flow velocity ini bisa dihitung dari debit limbah (m3/jam) dan luas penampang baknya yaitu panjang x lebar (m2).
Karena prinsip kerja prinsip ini adalah kontak antara air limbah yang masuk dengan total endapan lumpur/mikroba, maka untuk mendapatkan kontak yang baik, rasio antara panjang bak reaktor dengan kedalamannya perlu diperhatikan. Sehingga parameter desain berikutnya adalah hubungan antara panjang (L) dengan dalam (D). Agar limbah yang masuk terdistribusi /kontak secara merata maka dianjurkan L = 0.5 - 0.6 xD(2).
Kriteria desain ABR berdasarkan Sasse (1998) adalah sebagai berikut : 1. Kecepatan aliran (Up flow velocity) : < 2 m/jam
2. Panjang : 50 – 60% dari ketinggian 3. Pengurangan COD : 65 – 90%
4. Pengurangan BOD : 70 – 95%
5. Beban Organik (Organic loading) : < 3 kg COD/m3 .hari 6. Waktu tinggal (Hydraulic retention time) : 2 – 8 jam
7. Beban hidraulik (Hydraulic loading rate) : 16,8 – 38,4 m3 /m2.hari
ABR dirancang agar aliranya turun naik karena jenis aliran seperti ini menyebabkan aliran air limbah yang masuk (influent) lebih intensif terkontak dengan biomassa anaerobik, sehingga meningkatkan kinerja pengolahan. Penurunan BOD dalam ABR lebih tinggi dari pada tangki septik, yaitu sekitar 70- 95% dan perlu dilengkapi saluran udara. Untuk operasi awal perlu waktu 3 bulan untuk menstabilkan biomassa di awal proses.
Untuk menghitung debit air buangan dapat dilakukan dengan perhitungan 80% dari debit peggunaan air bersih sehari-harinya. Untuk menghitung BOD removal, maka diperlukan grafik hubungan COD/BOD removal factor sebagai berikut:
Gambar 2.2 Relasi COD/BOD Removal Faktor Sumber: Riolanda, 2017
Sementara itu, untuk menghitung volume reduksi lumpur maka periode pengurasan disubstitusikan ke dalam grafik berikut:
Gambar 2.3 Grafik Reduksi Volume Lumpur Sumber: Riolanda, 2017
Seperti teah dijelaskan sebelumnya bahwa ABR memiliki baffle-baffle dalam unit pengolahannya.
Untuk mengetahui jumlah baffel yang dibutuhkan dalam suatu unit pengolahan, maka dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Total Volume Baffle = HRT x Qr x 105% (5% untuk lumpur) (Persamaan 2.6) dimana:
HRT = total waktu tinggal air limbah dalam ABR Qr = debit air buangan
Untuk mendapatkan HRT, maka sebelumnya persentase removal BOD disubstitusikan ke dalam grafik berikut:
Gambar 2.4 Hubungan BOD Removal dengan HRT pada ABR Sumber: Riolanda, 2017
Faktor overload, disebut juga faktor organic loading terhadap removal BOD. Apabila removal BOD diplot pada grafik berikut, maka akan didapatkan nilai faktor overload.
Gambar 2.5 Hubungan BOD Removal dengan Organic Overloading pada ABR Sumber: Riolanda, 2017
Setelah diketahui konsentrasi BOD dan didapatkan nilai faktor dari grafik sebelumnya, maka dilakukan perhitungan berikut untuk mendapatkan faktor strength.
Faktor Strength = nilai faktor -2000 - 300
2000 - 0 x (kisaran nilai faktor)
Gambar 2.6 Hubungan BOD Removal Dengan Beban Air Limbah Pada ABR Sumber: Riolanda, 2017
COD removal pada unit ABR dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
COD Removal teoritis = f overload x f strength x f temp x f HRT (Persamaan 2.7) COD Removal = Removal teoritis x (n x 0,04 + 0,82) (Persamaan 2.8)
COD removal =
SS COD
0,6 × td-1 × 0,1
2 + 0,3 (Persamaan 2.9)
TSS Removal = t / (a + bt) % (Persamaan 2.10)
Penentuan nilai COD Removal kemudian didapatkan dari grafik berikut:
Gambar 2.6 Faktor Jumlah Kompartemen pada ABR Sumber: Riolanda, 2017
Kelebihan-kelebihan utama ABR adalah :
1. ABR mampu memisahkan proses asidogenesis dan metanogenesis secara longitudinal.
Kemampuan ini memungkinkan reaktor memiliki sistem dua fase (two stage), tanpa adanya masalah pada pengendalian dan biaya yang tinggi (Bell, 2002; Barber and Stucky 1999 dalam Movahedyan, 2007).
2. Rancangannya sederhana, tidak memerlukan pengaduk mekanis, lumpur yang dihasilkan rendah, SRT tinggi dicapai tanpa media pendukung, biaya konstruksi relatif murah, biomassa tidak memerlukan karakteristik pengendapan tertentu serta tidak memerlukan sistem pemisahan gas (Bell, 2002). Peningkatan volume limbah cair tidak masalah, bahkan memungkinkan operasional intermitten, selain itu ABR stabil terhadap adanya beban kejut hidrolik dan organik (hyhraulic and organik shock loading) selain itu konfigurasi ABR melindungi biomassa dari senyawa toksik dalam influen (Barber and Stuckey, 1999 dalam Bell, 2002).
3. Selain itu pola hidrodinamik ABR mampu menjaga biomassa tanpa penggunaan fixed media dan dapat mereduksi terbuangnya bakteri (Grover et.al, 1999 dalam Movahedyan, 2007). Pemisahan dua fase menyebabkan peningkatan perlindungan terhadap senyawa toksik dan memiliki ketahanan terhadap perubahan parameter lingkungan seperti pH, temperatur dan beban organik (Barber and Stucky, 1999 dalam Movahedyan, 2007).
BAB III
METODE PERANCANGAN
Penelitian ini bertujuan mengetahui karakteristik dan kuantitas air limbah yang akan menjadi acuan dalam pembuatan instalasi pengolahan air limbah di Universitas Sumatera Utara. Pada penelitian ini data yang akan digunakan untuk perencanaan ialah data primer dan sekunder yang berasal dari hasil analisis laboratorium serta data dari pihak kampus.
Metodologi adalah prosedur atau cara yang ditempuh dalam mencapai suatu tujuan tertentu.
Pelaksanaan dalam perencanaan diuraikan berikut ini.
3.1 Waktu Dan Tempat
Waktu pelaksanaan tugas akhir ini direncanakan selama 3,5 (tiga setengah) bulan atau 105 (seratus lima) hari kalender tepatnya pada minggu kedua bulan april tahun 2019 hingga akhir bulan Juli 2019.
Lokasi perencanaan ini akan dilakukan Universitas Sumatera Utara.
3.2 Diagram Alir
Diagram alir ini disusun dengan tujuan untuk :
1. Sebagai gambaran awal tahapan perencanaan sehingga dapat memudahkan dalam penelitian.
2. Dapat mengetahui hal-hal yang berkaitan dengan perancangan agar tujuan perencanaan tercapai dan memudahkan pembaca dalam memahami mengenai perancangan yang akan dilakukan.
3. Sebagai pedoman awal dalam pelaksaan perencanaan sehingga resiko kesalahan dapat diminimasi.
Tahapan perencanaan yang akan dilakukan disajikan pada gambar 3.1.
Persiapan
Survey lapangan dan Pengumpulan Data
Mulai
Identifikasi Wilayah Studi dan Studi Literatur
Data Primer Data Sekunder
- Hasil pengolahan data kuantitas air limbah di Universitas Sumatera Utara.
- Kualitas air buangan Universitas Sumatera Utara.
- Data administratif Universitas Sumatera Utara.
- Data kebutuhan air bersih Universitas Sumatera Utara.
- Denah lokasi kampus.
Pengolahan dan Analisis data - Perhitungan
data debit air limbah berdasarkan data pemakaian air - Analisis
kualitas air limbah
Membandingkan data kualitas air limbah terhadap baku mutu : Permen LHK No. 68 Tahun 2016
Penetapan dan pemilihan alternatif proses instalasi pengolahan air limbah yang akan digunakan
Penetapan kriteria desain sesuai dengan alternatif pengolahan terpilih
Perhitungan desain IPAL dan menentukan rencana anggaran biaya
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir Perencanaan
3.3 Tahap Perencanaan
Tahapan perencanaan mencakup langkah - langkah pelaksanaan perencanaan dari awal sampai akhir perencanaan. Pada tahapan perencanaan ini diawali dengan mengidentifikasi wilayah studi yaitu Universitas Sumatera Utara. Adapun tujuan dari dilakukannya identifikasi wilayah studi tersebut adalah untuk melakukan kegiatan persiapan dan pengumpulan data yang dibutuhkan, serta pustaka dan acuan yang akan digunakan pada saat melakukan perencanaan desain instalasi pengolahan air limbah.
Tujuan yang menjadi sasaran studi dan identifikasi pustaka adalah meninjau dan mengidentifikasi kuantitas dan kualitas air limbah untuk kemudian merencanakan dan mendesain instalasi pengolahan air limbah berdasarkan baku mutu yang ditetapkan pemerintah.
Adapun langkah - langkah pelaksanaan perencanaan ini adalah sebagai berikut : 1. Persiapan Penelitian
Sebelum melakukan perencanaan tahap awal yang dilaksanakan yakni tahap persiapan. Pada tahap ini perencana melakukan persiapan untuk langkah-langkah selanjutnya dalam penyusunan tugas akhir.
2. Identifikasi Wilayah Studi serta Pengumpulan Studi Pustaka
Pada tahapan ini akan dilakukan survey ke lapangan untuk melakukan identifikasi dan pengamatan langsung di lokasi Universitas Sumatera Utara. Tahapan ini juga sekaligus mengumpulkan dan mempelajari bahan-bahan yang berkaitan langsung dengan masalah–masalah yang diteliti.
3. Pengumpulan Data
Pengumpulan data diperlukan untuk memperoleh segala macam informasi yang dapat menunjang proses perancangan. Pengumpulan data dapat dilakukan dengan cara survey, sampling dan lain-lain.
Cara-cara pengumpulan yang dipilih disesuaikan berdasarkan jenis data yang hendak diambil.
Jenis data berdasarkan cara memperolehnya dibagi atas data primer dan data sekunder. Data primer merupakan data yang diperoleh berdasarkan pengukuran atau pengamatan langsung di lapangan. Disisi lain data sekunder merupakan data yang diperoleh dari sumber data lain baik dari jurnal, dokumen dll.
Adapun data yang akan dikumpulkan adalah sebagai berikut :
1. Data primer meliputi : data kualitas dan kuatitas air limbah Universitas Sumatera Utara serta kondisi eksisting wilayah studi.
2. Data primer meliputi : Data pemakaian air, gambar denah atau layout wilayah studi, data administratif.
4. Pengolahan Data dan Analisis Data
Pengolahan data dilakukan setelah data-data yang dibutuhkan telah dikumpulkan. Adapun pengolahan data yang dilakukan meliputi :
