pengolahan biologi limbah
-
Upload
desni-mutia -
Category
Documents
-
view
1.299 -
download
22
Transcript of pengolahan biologi limbah
Pengolahan biologi ditujukan untuk menghilangkan bahan-bahan organik terutama yang
terlarut dalam air limbah
Prinsip : Menggunakan mikroorganisme (biokatalis) dalam reaksi perombakan (degradasi)
bahan organik menjadi mineral (CO2dan H2O (aerob) atau CH4(anaerob)
A. AERATED LAGOON
Aerated lagoon adalah bak dengan kedalaman 2,5 - 5 m, dan luas permukaan beberapa ratus
meter persegi serta diaerasi secara mekanis atau difusi udara, sehingga organik dalam air
limbah dapat terurai.
Aerated lagoon merupakan pengembangan dari Aerobic Pond yaitu dengan memasang surface
aerator untuk mengatasi bau dan beban organik yang tinggi. Proses pada aerasi Lagoon pada
prinsipnya sama dengan Extended Aeration pada proses Lumpur aktif, perbedaannya terletak
pada kedalaman air yang dangkal dan oksigen diperoleh dari surface atau diffuse aerator.
Didalam Aerated Lagoon semua zat padat dipertahankan dalam keadaan tersuspensi. Pada
sistem ini tanpa dilakukan resirkulasi dan biasa diikuti dengan kolam pengendapan yang
besar.
Untuk mengetahui perhitungan luas area dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
Volume = Q. θc
Luas area (As) = volume / kedalaman
Tabel. Kriteria Disain Untuk Lagoon Dan Stabilisation Pond
Parameter Disain Aerobic Fakultatif
Kedalaman (m)
Waktu detensi(hari)
Beban BOD kg/ha/hari
% penyisihan BOD
Konsentrasi algae (mgC/L
0.2-0.3
2-6
111-222
80-95
100
1-2.5
7-50
22-55
70-95
10-50
Sumber : Metcalf dan Eddy, 1979
Pada aerated lagoon dikenal 2 istilah, yaitu:
a. Aerobik lagoon
DO dan suspended solid dijaga uniform dalam bak .
Karakteristik:
W tinggal : 1-3 hari.
BOD di Feed : 50 – 750 mg/l ;Xv (MLVSS) : 0,5 BOD umpan
Power : 2,8 – 3,9 W/M3
Eficsiensi : 80 -90%
b. Fakultatif lagoon
DO dijaga tetap hadir dibagian lapisan air dalam bak,sebagian suspended solid
dipertahankan.Lapisan bawah adalah anaerobic.
Karakteristik:
Waktu tinggal : 3,0 -10 dari
BOD di Feed : 50 -750 ; Xv (MLVSS) : 50- 100 mg/l.
Power : ± 0,79 W/M3 (harus cukup jaga DO dan SS uniform di lapisan atas)
Efisiensi : 80 - 90 %
Gabungan seri aerobik dan fakultatif lagoon menghasilkan mutu air yang sama dengan proses
lumpur aktif. Hanya penanganan lumpurnya perlu diperhatikan seksama.
Tabel. Konstanta fisika dan kondisi optimum lingkungan untuk aerated lagoon
B. ACTIVATED SLUDGE
Activated sludge : massa (floc) yang mengandung kumpulan mikroba yang heterogen yang
terdiri dari berbagai bakteri, yeast, jamur dan protozoa dan juga “organic matter” serta “slime
material”.
Activated sludge :
- MLSS : 2000 – 5000 mg/l
- Oksigen terlarut : > 2 mg/l
Activated sludge atau Lumpur aktif sistem pengolahan dengan menggunakan bakteri aerobic
yang dibiakkan dalam tangki aerasi yang bertujuan untuk menurunkan organik karbon atau
organik nitrogen. Bahan organik dalam air buangan akan diuraikan oleh mikroorganisme
menjadi karbon dioksida, ammonia dan untuk pembentukan sel baru serta hasil lain yang
berupa Lumpur (sludge).
Kriteria Pembebanan
Dua parameter yang paling umum digunakan secara empiris dan rasional adalah rasio F/M
dan mean cell residence time (θc). Food to microorganisme ratio didefenisikan sebagai :
aerasigkidiismemikroorganmassa
waktusatuanperaerasigkikemasukyangBODsubstratMF
tan
tan)(/
Atau F/M = XV
SoQ
.
.
Dimana :
Q = debit air yang diolah ( L3/T)
So = konsentrasi substrat (mg BOD/L)
X = konsentrasi mikroorganisme (mg VSS/L)
V = Volume tangki aerasi(m3)
Lumpuraktif mampu mengubah hampir semua bahan organic terlarut dan koloid tersisa
dimetabolisme oleh mikroorganisme menjadi karbondioksida dan air. Dan fraksi terbesar
diubah menjadi mass selular yang dapat dipisahkan dari aliran air melalui pengendapan secara
gravitasi. Pemanfaatan bahan organic oleh mikroorganisme melalui tiga proses, yaitu:
molekul substrat berkontak dengan dinding sel.
Molekul substrat ditransport ke dalam sel.
Metabolisme molekul substrat oleh sel.
Untuk menghasilkan efluen yang berkualitas tinggi, biomass harus dapat dipisahkan dari
aliran liquid melalui secondary clarifier, dan setelah itu biomass dikembalikan lagi ke tangki
aierasi. Secara garis besar, proses-proses yang berlangsung dalam activated sludge ialah:
aerasi air limbah untuk menghadirkan suspensi microbial.
Pemisahan solid-liquid setelah aerasi
Discharge efluen ke clarifier
Membuang exess biomass dan mengembalikan yang tersisa ke tangki aerasi.
Elemen dan substansi yang dibutuhkan sebagai nutrisi untuk perkembangan mikroorganisme
dapat diklasifikasikan menjadi:
a. mayor elemen (C,H O, N, P ).
b. Minor elemen (S,Ca,Mg, Na,K)
c. Trace elemen (Fe,Mn,Zn,Al,Co,Cu)
d. Growth factor (essensial amino acids)
Gambar. Proses Lumpur aktif
Seperti pada gambar diatas, sesudah equalization tank di mana fluktuasi kwalitas/ kwantitas
influen diratakan, limbah cair dimasukkan ke dalam tangki aerasi di mana terjadi
pencampuran dengan mikroorganisme yang aktif (lumpur aktif). Mikroorganisme inilah yang
melakukan penguraian dan menghilangkan kandungan organik dari limbah secara aerobik.
Oksigen yang dibutuhkan untuk reaksi mikroorganisme tersebut diberikan dengan cara
memasukkan udara ke dalam tangki aerasi dengan blower.Aerasi ini juga berfungsi untuk
mencampur limbah cair dengan lumpur aktif, hingga terjadi kontak yang intensif.Sesudah
tangki aerasi, campuran limbah cair yang sudah diolah dan lumpur aktif dimasukkan ke tangki
sedimentasi di mana lumpur aktif diendapkan, sedangkan supernatant dikeluarkan sebagai
effluen dari proses.
Sebagian besar lumpur aktif yang diendapkan di tangki sedimentasi tersebut dikembalikan ke
tangki aerasi sebagai return sludge supaya konsentrasi mikroorganisme dalam tangki
aerasinya tetap sama dan sisanya dikeluarkan sebagai excess sludge.
Adapun beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam proses activated
sludge adalah:
a. faktor fisik : temperature dan dissolved oksigen
b. faktor kimia : - pH (6.5 – 9)
c. kehadiran asam atau basa tertentu
d. adanya oksidator atau feduktor tertentu
e. adanya ion atau garam dari logam berat
f. adanya bahan kima tertentu
Proses biologis lumpur aktif
Sistem tercampur sempurna, dimana aerasi terjadi dalam bak/tangki dengan pengadukan
mekanis; sistem plug-flow, dimana baknya sempit, panjang dan pengadukan diberikan oleh
udara yang diberikan dari bagian bawah bak.
Design and Operation Parameter for Activated Sludge WWTP (general):
Koagulan
Effluent
Zat Organik = Se
Lumpur Aktif
DibuangXv
ClarifierTangki Aerasibiomassa = Xv
TERADUK SEMPURNA
Air Limbah
Zat organik = So
ALIRAN SUMBAT
KONTAKTOR
Pengolahan Biologis Dengan Activated Sludge
Activated sludge merupakan proses pengolahan biologis, dimana material organik dioksidasi
menjadi an organik dan energi. Selanjutnya energi tersebut dihasilkan untuk mengubah atau
mensintesa material organik menjad sel baru.
Ada beberapa tipe dan modifisasi dari proses activated sludge, antara lain:\
1. konvensional
system ini terdiri dari tangki aerasi, secondary clarifier dan recycle sludge. Selama
berlangsungnya proses, terjadi adsorbsi, flokulasi dan oksidasi bahan organic. System
flow yang digunakan adalah model plug flow dengan recycle. Proses ini mampu
mengatasi shock loading dari buangan toxic/buangan berkekuatan tinggi karena beban
tidak didistribusikan sepanjang tangki aerasi, melainkan terkonsentrasi pada tempat
masuknya limbah
2. tapered aeration
modifikasi dari system konvensional dengan melakukan perbaikan dan pengaturan
system aerasi. Pada inlet tangki aerasi, kebutuhan oksigen sangat tinggi. Diffuser
diletakkan berdekatan dengan inlet untuk memenuhi oxygenation rate dan makin
menuju ke outlet, jarak diffuser makin jauh.
3. step aeration.
Modifikasi dari system konvensional dimana influen air buangan dimasukkan ke
dalam tangki aerasi pada beberapa titik. Tujuannya adalah untuk meratakan rasio F/M
sehingga kebutuhan oksigen puncak menjadi lebih rendah.
4. continous flow stirred tank
pada system ini, beban organikdan kebutuhan oksigen uniform
sepanjang tangki. Udara disuplai denan menggunakan:
- diffuser aerator (udara disuplay melalui kompresor)
- surface aerator (udara didapat dari agitsi dan tidak
digunakan bak pengendap pertama)
5. high rate activated sludge process
pada system ini, ratio F/M tinggi dan kandungan MLSS rendah.
Tidak dianjurkan untuk air buangan dengan kadar BOD tinggi karena
sludge sulit mengendap dan konsentrasi SS yang tinggi pada efluen.
6. extended aeration
proses ini dioperasikan pada fase dindogeneus dimana
dibutuhkan organic loading rendah dan waktu aerasi yang lama.
Organic loading rendah dimaksudkan untuk meminimalkan produksi waste
activated sludge dengan waktu endogenous decay dari sludge mass.
Proses didesain agar massa sel yang disintesa dalam sehari sebanding
dengan massa sel yang disintesa dalam sehari sebanding dengan massa
sel decay endogeneous yang didegradasi per hari.
7. contact stabilization
terdiri dari dua fase, yaitu :
- fase adsorbs
dimana bahan organic terlarut secara koloidal dan dissolved
diadsorbsi oleh activated sludge.
- fase oksidasi
Yaitu asimilasi bahan organic secara metabolic. Keuntungannya adalah
pengurangan volume tangki aerasi dan baik untuk pengolahan limbah domestic.
8. oxidation ditch
merupakan modifikasi dari extended aeration dan menggunakan
brush aerator vertical. Keuntungannya adalah efluen yang dihasilkan
lebih konstan dan tenaga operasional tidak perlu seorang ahli.
9. carrousel ditch modifikasi dari oxidation ditch. Perbedaannya terletak pada
system aerator yang menggunakan fertikal aerator dan Lumpur yang
dihasilkan relative banyak.
10. krauss precess
digunakan untuk air buangan yang kandungan nitrogennya
kecil. Jadi dilakukan penambahan karbon/nitrogen melalui aerasi sehingga butuh
suplai energi listrik yang besar.
11. pure oxygen
tanki aerasi dibagi dalam beberapa kompartemen (biasanya
tiga). Keuntungannya adalah :
- reduksi waktu aerasi
- menurunkan waste activated sludge
- meningkatkan karakteristik pengendapan sludge
- menurunkan kebutuhan lahan
Produksi Lumpur
Jumlah Lumpur yang diproduksi tiap hari :
Px = Yobs Q (So –S) / 1000 Kg/hari
Dimana :
Yobs = koefisien yield observasi
Q = debit air yang diolah (m3 /hari )
S, So = konsentrasi BOD di influen dan efluen (g/m3)
SVI (Sludge Volume Index)
Harga SVI < 100 ml/g, dapat mengendap dengan baik
SVI > 200 ml/g, dalam kondisi bulking
Rasio resikulasi (r)
r = Qr/Q
pengolahan konvensional r = 0,25 – 0,5
Umur Lumpur
(dianggap Xe = 0)
Waktu detensi (HRT)
T = θ = V/Q
Kondisi sesungguhnya adalah θactual =
Volumetric Loading (VL)
Kebutuhan Oksigen
Kg O2/hari =
Dimana : F = factor konversi BOD5 ke BOD ultimate
Secondary clarifier
Bak pengendap ke dua berfungsi untuk mengendapkan flok – flok yang terbentuk, yang
berasal dari effluent activated sludge yang akan diresirkulasikan kembali sebagai return
sludge.
Clarifier berbentuk circular yang dilengkapi dengan scrapper mekanis. Dimensi bangunan
dapat dicari dengan menggunakan prosedur analisa laboratorium secara batch, proses luasan
bak diperhatikan dengan memperhitungkan solid flok yaitu kecepatan thickening solid / unit
luas bangunan.
Berdasarkan operasionalnya, secondary clarifier memilki dua fungsi yaitu :
- Memishkan MLSS dari air buangan yang diolah
- Memadatkan lumpur
Ada lima parameter yang paling berpengaruh terhadap performa secondary clarifier, yaitu:
1. konsentrasi MLSS yang masuk ke clarifier,
2. debit air limbah,
3. debit resirkulasi system activated sludge,
4. luas permukaan clarifier, dan
5. kemampuan mengendap lumpur.
Keempat parameter pertama mempengaruhi SLR (solid loading rate) clarifier. SLR
menyatakan jumlah solid per satuan luas permukaan clarifier per hari. SLR dihitung dengan
rumus:
SLR = (Qww + QRAS) x (MLSS) x (conversion factor/SA)
SLR = solids loading rate , kg/m2.hari
Qww = debit air limbah, m3/hari
QRAS = debit resirkulasi sistem activated sludge, m3/hari
MLSS = konsentrasi MLSS , mg/L
SA = luas permukaan clarifier, m2
Conversion factor = (0.0001 kg/m3) / (mg/L)
Ketebalan lumpur (sludge blanket) juga harus diperhatikan. Kedalaman sludge blanket
sebaiknya diukur setidaknya satu hingga tiga kali sehari. Lapisan lumpur yang terlalu tinggi
akan mempengaruhi kualitas efluen. Hal lainnya yang perlu diperhatikan yaitu debit
resirkulasi (return activated sludge, RAS). Jika tidak ada lumpur yang diresirkulasi ke reaktor
biologi maka akan terjadi penumpukan lumpur dan pada akhirnya dapat keluar ke efluen.
Dengan kata lain hasil pengolahan akan sia-sia.
Sebaliknya, jika debit resirkulasi terlalu tinggi akan menyebabkan lumpur tidak sempat
mengendap di dalam clarifier. Hal ini akan menghilangkan esensi pengolahan, tidak ada solid
yang diendapkan. Debit resirkulasi biasanya ditentukan sebagai persentasi debit air limbah
yang masuk ke dalam tangki aerasi.
Pada sistem yang memiliki MCRT pendek dan produksi lumpur sedikit, debit RAS biasanya
25 hingga 50 persen dari debit air limbah (30-40% paling umum). Untuk sistem dengan
MCRT yang lebih panjang dan produksi lumpur yang relative banyak, debit RAS dapat
mencapai 100-150% dari debit air limbah yang masuk ke tangki aerasi.
Proses pengontolan Activated Sludge
a. Pemantauan konsentrasi oksigen terlarut (dissolved oxygen, DO).
Memantau konsentrasi DO sudah pasti sangat berkaitan dengan aerasi. Aerasi yang
dimaksud di sini mencakup suplai oksigen serta metode pelarutan oksigen ke dalam
sistem activated sludge (mixing). Mixing dapat dilakukan dengan berbagai cara. Akan
tetapi, dalam sistem activated sludge selalu diperlukan aerasi secara mekanik karena laju
aliran gas oksigen murni yang masuk ke dalam sistem terlalu lambat sehingga sulit untuk
menyeragamkan konsentrasi di dalam tangki.
Sebagai rule of thumb, kebutuhan oksigen dikatakan terpenuhi apabila konsentrasi DO di
dalam reaktor biologi mencapai minimal 2 mg/L. Memang hal ini bisa saja berubah,
tergantung kondisi limbah masing-masing instalasi. Saat konsentrasi DO berada di bawah
nilai optimalnya, indikator pertama adalah munculnya bakteri berbentuk filamen dalam
jumlah yang signifikan di dalam tangki aerasi. Komposisi mikroba akan didominasi oleh
bakteri jenis ini sehingga mempengaruhi kemampuan lumpur untuk mengendap. Selama
lumpur masih dapat dipisahkan dari efluen (di clarifier) maka masalah masih dapat diatasi
dengan “membasmi” bakteri filamentous tersebut. Jika konsentrasi DO terus menurun,
maka pertumbuhan bakteri filamen akan semakin meningkat lagi. Kondisi lanjutan seperti
ini dapat menurunkan efisiensi pengolahan karena efluen akan menjadi keruh. Pada
kondisi yang lebih parah, lumpur dapat berubah warna menjadi kehitaman dan akan
muncul bau busuk akibat kondisi tangki yang telah berubah menjadi anaerob.
Pengamatan visual merupkan indikator yang baik, akan tetapi akan lebih baik lagi jika
pemantauan konsentrasi DO dan kualitas efluen dilakukan sebagai tindakan pencegahan.
Perlu diingat, peralatan yang dipakai untuk pemantauan DO tidak bisa diremehkan. Selalu
gunakan alat ukur yang terawat dengan baik, bersih, dan rutin dikalibrasi untuk menjamin
akurasi pengukuran. Memberi aerasi semaksimal mungkin memang akan menjamin
tersedianya oksigen di dalam tangki. Namun, hal ini akan berdampak besar pada tingginya
biaya operasional instalasi.
b. Pemantauan lumpur
Proses activated sludge memanfaatkan mikroorganisme aerob untuk melakukan
perombakan zat-zat organik dari air limbah. Lumpur yang dimaksud di dalam sistem
activated sludge adalah mikroorganisme itu sendiri. Konsumsi zat-zat organik tersebut
bisa diibaratkan dengan makan. Dengan memakan zat-zat organic dari dalam air limbah,
maka mikroorganisme dapat tumbuh (memperbanyak diri). Apabila pertumbuhan ini tidak
terkendali maka clarifier akan dipenuhi oleh lumpur dan akan terbentuk suatu lapisan
yang dikenal dengan istilah sludge blanket. Selain itu, lumpur yang tidak terkontrol
jumlahnya dapat terbawa ke efluen menyebabkan konsentrasi BOD dan suspended solid
yang tinggi. Untuk mencegah hal-hal tersebut perlu dilakukan mekanisme pengendalian
dari beberapa aspek di bawah ini:
1. Food-to-Microorganism ratio (F/M ratio)
Food menunjukkan jumlah BOD, sementara Microorganism menunjukkan jumlah
mikroba di dalam air limbah yang direpresentasikan melalui konsentrasi MLVSS (mixed
liquor volatile suspended solids). F/M ratio (hari-1) dapat diketahui dengan rumus
Qww = debit air limbah yang masuk ke proses activated sludge (m3/hari)
BOD = konsentrasi BOD (mg/L)
V = volume reaktor activated sludge (m3)
MLVSS = konsentrasi mikroorganisme (mg/L)
Untuk proses yang hanya melibatkan penyisihan BOD, nilai F/M biasanya berkisar antara
0.25-0.45 / hari. Jika proses melibatkan nitrifikasi, maka rasio F/M biasanya 0.1/hari atau
kurang.
2. Mean Cell Residence Time (MCRT)
Kalau diterjemahkan ke dalam bahasa Indonesia, kira-kira artinya adalah waktu tinggal
sel. Tapi, biar lebih umum saya akan pakai istilah aslinya saja biar bisa disingkat…
MCRT. Nah, MCRT ini juga bisa dipakai untuk menentukan jumlah optimum lumpur.
Secara teoritis, MCRT artinya adalah jumlah hari dimana mikroorganisme tinggal di
dalam reaktor activated sludge sebelum dikeluarkan dari sistem. MCRT yang lama berarti
lebih banyak lumpur yang tertahan di dalam sistem sehingga meningkatkan konsentrasi
MLSS (mixed liquor suspended solids). Sebaliknya, jika MCRT terlalu sebentar maka kita
tidak akan memperoleh konsentrasi MLSS yang mencukupi.
Rumus dasar untuk penghitungan MCRT yaitu massa solid di dalam activated sludge
dibagi massa solid yang meninggalkan sistem. MCRT dihitung dalam satuan hari. Cara
lain yang lebih sederhana untuk menghitung MCRT yaitu:
VR = volume liquid di dalam reaktor biologi (m3)
QMLSS = debit MLSS yang dibuang (m3/hari)
Untuk sistem activated sludge yang hanya mengolah BOD, MCRT biasanya berkisar
antara 1 hingga 3 hari. Sementara itu jika proses nitrifikasi juga terjadi maka MCRT
antara 4-10 hari dan 20 hari atau lebih untuk proses extended aeration.
C. TRICKLING FILTER
Trickling filter adalah reaktor biologi berbentuk packed bed dari batu atau plastik sebagai
media filternya dimana proses kimia-biologis berlangsung, media packing akan ditumbuhi
lapisan slime / mikrobiologi aerobik.
Air limbah yang telah diendapkan didistribusikan secara uniform di atas bed dengan sebuah
cotating distribution yang kemudian mengalir lewat bed. Effluen dikumpulkan pada under
min pada bagian bawah trickling filter dan O2 masuk ke filter.
Air buangan mengalir di atas permukaan media. Zat padat organik kontak dengan
mikroorganisme membentuk simelayer dan berkembang biak pada permukaan filter media.
Jika kekebalan biofilm naik, maka mikroorganisme dekat permukaan tidak cukup mendapat
supply BOD dan O2 dan difusi sustrat menjadi terbatas, sehingga :
Efisiensi pemisahan BOD dengan TF menurun
Terjadi endogeneous respiration dari biomass mengakibatkan kondis anaerobic
Biomassa kehilangan kemampuannya untuk mencapai permukaan filter dan akan terbawa
ke luar filter
Sistem ini harus di bawah tekanan hidrolis yang normal, jika tidak maka ratio filtrasi akan
menghilangkan slime biomassa.
Parameter desain dan operasional:
a. Hydraulic loading
- Low rate, M3 flow/M2.day surface area : 1 – 4
- High rat, M3 flow/M2.day. surface area : 8 – 40
b. BOD loading
- Low rate, kg BOD/M3.day. filter volume : 0.08 – 0.4
- High rate, kg BOD/M3.day. filter volume : 0.3 – 1.0
c. Recirculation
- Low rate ( % feed rate ) : 0 – 50
- High rate ( % feed rate ) : 25 - 300
Pada umumnya trickling filter tidak dapat mengurangi BOD lebih dari 85%. Namun secara
umum lebih mudah dan lebih murah dibandingkan proses lumpur aktif.
Trickling Filter
D. ROTATING BIOLOGICAL CONTRACTOR
RBC dibuat dari lempengan2 plastik yang dipasang pada sumbu berputar. 40% volume alat
ini dibenamkan dalam tangki air limbah. Dipermukaan lempengan akan tumbuh lapisan
mikroba setebal 1–4 mm. Bila kontaktor ini diputar akan membawa sejumlah air limbah ke
udara dan menyerap O2 sehingga mikroba aerobik dapat mengoksidasi zat organik terlarutnya.
Unjuk kerja alat ini serupa trickling filter.