BAB VIIUNIT PENGOLAHAN BIOLOGISPengolahan Biologis (Secondary Treatment) dilakukan untuk memisahkan bahan organik dan padatan tersuspensi yang dapat terdegradasi secara biologis. Pengolahan tahap ini memanfaatkan kemampuan mikroorganisme untuk memisahkan kontaminan-kontaminan dalam air limbah. Target utama pengolahan ini adalah penurunan kandungan organik (biasanya diukur dalam BOD atau COD, padatan tersuspensi dan mikroorganisme patogen). Prinsip Desain bangunan secondary treatment yaitu Rasio F/M dan beban organik (Mass Balance) yang masuk ke dalam unit pengolahan. Debit yang digunakan dalam perhitungan bangunan pengolahan biologis adalah Qaverage karena waktu detensi setiap bangunan lebih lama dari pengolahan lainnya. Bangunan Secondary Treatment dalam perencanaan ini terdiri dari :1. Oxidation Ditch2. Bak Pengendap II (Secondary Clarifier)7.1 Oxidation Ditch (OD) Oxidation Ditch merupakan parit berbentuk oval/ellips dilengkapi dengan mammoth rotor untuk aerasi jangka panjang. Proses yang terjadi di dalam oxydation ditch merupakan proses kontinyu, dimana pertumbuhan biologis yang terfluktuasi akan dicampurkan dengan air buangan dan kemudian di aerasi secara terus menerus, selanjutnya diikuti pengendapan untuk memisahkan biomass dari air buangan yang telah terolah. Pada Oxidation Ditch dilakukan resirkulasi lumpur untuk menjaga kestabilan F/M Rasio sehingga pengolahan air limbah dapat mencapai tingkat yang optimum. Bangunan Oxidation Ditch selalu diikuti dengan Bak Pengendap II (Secondary Clarifier) dan saling berkaitan satu sama lain dalam desain maupun perhitungan.

Gambar 7.1 Flow Process Oxidation Ditch TreatmentTabel 7.1 Kriteria Desain Oxidation DitchKriteria DesainRangeTipikalSumber

Kemiringan Ditch (Derajat 0)45 - 9090 L. K. Wang and N. C. Pereira,1986

Konsentrasi MLSS (TSS) (mg/L)1500 - 50004500Metcalf & Eddy, 1991

Rasio Resirkulasi0,5 2,00,5C. P. L. Grady, Jr., G. T. Daigger, 1999

Aerator Loading (kg/m3.hr)0,1 0,50,5US EPA,2000

Nilai Yield (kg.VSS/kg.BOD5)0,4 0,80,8G.L Karia and R.A Christian, 2006

Nilai Kd (hari)0,04 0,0750,075G.L Karia and R.A Christian, 2006

Kedalaman Ditch (m)1,0 5,03,0Japan Sewage Works Association, 2013

Efisiensi Proses (%)85 - 9595Metcalf & Eddy, 1991

Waktu retensi hydraulic/Periode Aerasi (jam)18 - 3636L. K. Wang and N. C. Pereira,1986

Kebutuhan Rasio (F/M) (kg.BOD/kg.MLVSS.hari)0,025 - 0,150,15L. K. Wang and N. C. Pereira,1986

Waktu retensi solids/umur lumpur (hari)20 - 3030WEF and ASCE 1992

Kecepatan Aerator (m/s)0,25 - 0,40 0,40Metcalf &Eddy, 1991

Volumetric Loading (kg.BOD/m3.hari)0.08 - 0.480,45L. K. Wang and N. C. Pereira,1986

Direncanakan :-Jumlah oxydation ditch=8bak

(pemilihan jumlah bak disesuaikan dengan debit air limbah yang akan diolah, karena debit mempengaruhi dimensi dari unit pengolahan. Dengan perencanaan 8 bak diharapkan mampu mengolah air limbah dengan debit yang ada)

-Debit rencana (Q average)=16848m3/hari

=0,195m3/dtk

-Debit masing-masing bak=Debit rencana/Jumlah bak

=0,195/8

=0,0244m3/detik

=2106m3/hari

-Umur lumpur (c)=30hari

-Rasio F/M=0,15kg BOD5/kg MLVSS.hari

-Aerator Loading=0,5kg/m3.hari

-MLSS direncanakan =4500mg/L

-Periode Aerasi (td)=36jam

-Rasio Resirkulasi (Qr/Q)=0,5

-Volumetrik Loading=0,45kg BOD5/m3.hari

-Efisiensi proses=95%

-Kedalaman bak=3,0M

-Freeboard=0,5M

-BODinf (effluen dari BP I)=456mg/L

-Konsentrasi N=0,8Mg/L

-Konsentrasi TSS (eff BP I)=189mg/L

-BOD effluen =45,6mg/L

-Rasio MLVSS/MLSS=0,8

-Yield Value (Y)=0,8Kg.VSS/kg.BOD5

Perhitungan :Perhitungan LumpurKonsentrasi BOD5 Terlarut dalam Effluen

Biological solid=65% biodegradable

1 gr biodegradable=1,42gr BODu

BOD5=0,68BODu

BOD5 solid=65 % x BODeff x konversi ke BOD5

=65 % x 45,6 mg/L x 1.42 x 0.68

=28,62mg/L

BOD5 terlarut=(45,6 28,62) mg/L

=17mg/L

Efisiensi Proses

Removal BOD5 terlarut=[(BOD5inf-BOD5 terlarut)/BOD5inf] x 100 %

=[(456 17)/456] x 100 %

=96,3 %

Overall efisiensi=[(BOD5inf-BOD5eff)/BOD5inf] x 100%

=[(456 45,6)/456] x 100 %

=90 %

Nilai Tipikal Koefisien Kinetik untuk Proses Oxidation Ditch

Y=0,6kg VSS/kg BOD5

kd=0,05per hari

Rasio MLVSS/MLSS=0,5

MLSS=4500mg/L

MLVSS=0,5 x MLSS

=0,5 x 4500 mg/L

=2250mg/L

Yobs=Y/(1+(kd x c)

=0,6/[1+ (0,05/hari x 30 hari)]

=0,24

Peningkatan Massa MLVSS

Px=Yobs x Qbak x (So-S)

=0,24 x 2106 m3/hari x (456 -17) mg/L

=221,9 kg.VSS/hari

Peningkatan MLSS=Px : 0.5

=221,9 : 0.5

=443,8 Kg.VSS/hari

Volume reaktor (V)=(Qbak x c x Y x (So-S)) / (MLVSS(1+kd. c))

=(2106 m3/hari x 30 hari x 0.6 x (456 - 17) mg/L) /(2250 mg/L(1+(0,05/hari x 30 hari)

=2959 m3

Perhitungan Mass Balance

Qinfluen=2106 m3/hari

Xinfluen=Y x BODinf

=0,6 kg.VSS/kg.BOD5 x 456 mg/L

=273,6 mg/L

Qr/Q=0,5

Qr=0,5 x Q

=0,5 x 2106

=1053 m3/hari

Xr=[(Qbak + Qr) x MLVSS (Qbak x Xinf)]/Qr

=[(2106 + 1053) x 2250 (2106 x 273,6)]/1053

=6202,8 mg/L

Sludge Wasting

Qw=Px (TSSeff x Qbak)/Xr

=(221,9 (0,189 x 2,106)/6,203

=35,71 m3/hari

Maka konsentrasi MLSS sludge=6202,8/0,5

=12405,6 mg/L

Cek periode aerasi=Volume/Q

=(2959 m3 x 24 jam/hari) / 2106 m3/hari

=33,72 jam

Cek F/M ratio=Q x (So-S) / (V x MLVSS)

=2106 m3/hari x (456 17)/(2959 m3 x 2250 mg/L

=0,14/hari

Organic Loading=(So x Q)/V

=(456 mg/L x 2106 m3/hari)/2959 m3

=324,59 gr/m3.hari

Perhitungan Kebutuhan OksigenKebutuhan Oksigen Teoritis

O2 kg/hari=[(Q x (So-S))/(BOD5/BODL)]-1.42 x Px

=[(2106 m3/hari x (456 - 17)mg/L x (10-3kg)/(0,68)] 1,42 x 221,9 kg.VSS/hari)

=1044,58 kg/hari

Standard Oxygent Requirement (SOR)

Dari data diketahui :

N=Kebutuhan Oksigen Teoritis Yang Ditransfer ke Limbah

=1044,58kg/hari

C'sw=Konsentrasi O2 Pada Suhu Dan Tekanan Standar

=8,24 (25 0C, 760 mmHg)

Csw=Konsentrasi O2 yang Digunakan

=9,08 (20 0C, 760 mmHg)

C=Level DO Saat Operasi

=2,0 mg/L

b=Rasio Saturasi Limbah Terhadap Saturasi Air

=0,9

a=Rasio Transfer O2

=0,9

Fa=faktor koreksi kelarutan O2

=1 - (ketinggian (m)/9450)

=1 - (10/9450)

=1,0

Temperatur diasumsikan (T)=30 0C

SOR=N / [(C'sw.b.Fa-C)/Csw] (1,024)T-20 a

=1044,58/[((8,24 x 0,9 x 1)-2)/9,08] (1,024) 30-20 0,9

=1537 kg/hari

Volume Udara yang dibutuhkan

Berat udara=1,121 kg/m3

O2 dalam udara=23,2 %

Kebutuhan udara teoritis=1537 kg/hari /(1,121 kg/m3 x 0,232 g O2/g udara)

=5910,73 m3/hari udara

Karena kebutuhan oksigen teoritis rencana (1044,58 kg/hari) < (1537 kg/hari) Standard Oxygent Requirement (SOR), maka kebutuhan oksigen teoritis yang direncanakan mencukupi. (Oke!)

Diasumsikan :

Efisiensi aerator udara=10 %

Maka udara yang dibutuhkan=5910,73 m3/hari / 0.1

=59107,3 m3/hari

Udara yang disediakan=130% dari kebutuhan udara teoritis

Total kebutuhan udara=130 % x 5910,73

=51226,35 m3/hari

=35,57 m3/menit

Volume udara/BOD5 removal=(51226,35 m3/hari x 1000 g/kg)/((456 -17) mg/L x 2106 m3/hari)

=55,41 m3/kg

Volume udara/air limbah terolah=51226,35 m3/hari / 2106 m3/hari

=24,32 m3/m3m3/m3

Volume udara/m3 volume OD=51226,35 m3/hari / 2959 m3

=17,31 m3/m3m3/m3

Perhitungan Desain AeratorDirencanakan aerator yang digunakan adalah Mammoth Rotor

Volume tiap ditch=2959m3

=781685gallon

Digunakan rotor dg diameter=42inchi

=1,067m

Kedalaman rotor terendam=0,356m

=0,360m

Panjang tiap rotor=5,0m

=16,4ft

Kemampuan rotor =16000 gal/ft (volume OD > 60000 gallon)

Maka rotor mampu mengaerasi=16000 gal/ft x 16,4 ft

=262464 gallon

Kebutuhan rotor tiap ditch=volume tiap ditch/kemampuan aerasi rotor

=781685 gal/262464 gal

=2,978 unit ~ 3,0 unit

Kapasitas transfer O2 tiap rotor=SOR/jumlah rotor

=1537 kg/hari / 3 unit

=512 kg/hari

Untuk tiap ft panjang rotor/jam=(512 kg/hari x 2,2046 lb/kg)/(16,4 ft x 24 jam/hari)

=3 lb O2/ft.rotor.jam

Untuk rotor dengan diameter 42 inchi, karakteristiknya sebagai berikut :

Kecepatan rotor=60 rpm

Kebutuhan power=0,25 kW/ft. rotor

=0,25 x 16,4 ft kW/rotor

=4,10 kW/rotor

Kebutuhan power total=Jumlah ditch x jumlah rotor/ditch x kebutuhan power/rotor

=8 ditch x 3 rotor/ditch x 4.10 kW/rotor

=98,42 kW

Perhitungan Dimensi Oxidation DitchVolume tiap ditch=2959 m3

Perbandingan lebar ditch dengan panjang rotor = 2

Lebar OD=2 x panjang rotor

=2 x 5,0 m

=10 m

Kedalaman ditch=3,0 m

Luas penampang (A cross)=1/2 x (lebar OD) x tinggi

=1/2 x 10 x 3

=15 m2

Total panjang ditch =Volume/Across

=2961 m3 / 15 m2

=197,4 m

Jari-jari belokan=1/2 x ((2 x 10 m) + 5,0 m)

=12,5 m

Diameter belokan=2 x 12,5 m

=25 m

Panjang belokan=keliling 1/2 lingkaran ujung ditch

=1/2 x x D

=1/2 x x 25 m

=39,25 m

Keliling 2 setengah lingkaran =2 x 39,25 m

=78,5 m

Panjang ditch lurus=[(total panjang) (keliling 2 setengah lingkaran)]/2

=(197,4 78,5)/2

=59,45 ~ 60 m

Luas lahan=jumlah ditch x panjang total x lebar OD

=8 x 197,4 x 10

=15792 m2

Perhitungan HidrolisKecepatan aliran di OD=(Panjang OD/Periode aerasi)

=(197,4 m /33,71 jam

=5,85 m/jam

Headloss kecepatan=1,35x10-7 m (diabaikan)

Saluran Inlet (pembawa ke OD)

Q saluran=0,0244 m3/det

Slope direncanakan (S)=0,0003

v (kecepatan)=0,4 m/dtk

A (luas permukaan)=Q/v

=0,061 m2

Diameter pipa=1/4 x x D2

0,061 m2=1/4 x x D2

D=0,30 m

Cek kecepatan (v)=Q/Across

=0,0244/(1/4 x 3,14 x (0,3)2

=0,40 m/dtk (Oke!)

Panjang saluran direncanakan=5 m

Headloss=S x L

=0,0015 m

Saluran Outlet (pembawa menuju Secondary Clarifier)

Q saluran=0,024 m3/det

Slope direncanakan=0,0003

v (kecepatan)=0,4 m/dtk

A (luas permukaan)=Q/v

=0,061 m2

Diameter pipa=1/4 x x D2

0,061 m2=1/4 x x D2

D=0,279 m

=0,273 m (diameter pipa dipasaran)

Cek kecepatan (v)=Q/Across

=0,0244/(1/4 x 3,14 x (0,273)2

=0,42 m/det (oke!)

Panjang saluran direncanakan=5 m

Headloss=S x L

=0,0015 m

7.2 Bak Pengendap II (Secondary Clarifier)Fungsi utama dari secondary clarifier adalah pengendapan akhir, dimana terjadi proses pemisahan padatan (solids-separation) dan terjadi proses pengendapan pada biological floc dari air buangan. Partikel lumpur akan mengendap pada bagian dasar tangki kemudian dalam underloaded dan kritis lumpur akan diinjeksikan kembali pada pengolahan biologis sebelumnya untuk proses suspended growth mikrobiologi. Fungsi kedua adalah untuk menyimpan lumpur selama periode debit puncak (Qpeak). Jika clarifier gagal dalam salah satu dari fungsi-fungsi ini, kinerja proses biologis mungkin akan terpengaruh. Selain itu, jika zat organik ataupun TSS tidak terendapkan dengan efisien memungkin effluen limbah tidak memenuhi baku mutu.

Gambar 7.2 Desain Secondary ClarifierTabel 7.2 Kriteria Desain Secondary Clarifier (Circular)Kriteria DesainRange

OFR (gal/ft2.hari)

- Average400 - 800

- Peak1000 - 1600

Solid loading (lb/ft2.jam)

- Average1,0 1,5

- Peak2,0

Kedalaman (m)12 - 20

Diameter (m)3 - 60

Kedalaman zona settling (m)> 1.5

Waktu Detensi (jam)2 - 6

Sumber : Qasim. 1985. Waswater Treatment Plants : Planning, Design, and Operation.Perencanaan : Jumlah bak clarifier = 4 unit TSS Resirkulasi (Xr)= 10000 mg/L MLSS = 3000 mg/L ~ 3 kg/m3 Nilai Solid Flux (SF)= 6 kg/m2.jam (asumsi) Ruang lumpur dapat menampung lumpur selama 2 hariPerhitungan :Jumlah bak clarifier=4 buah

Debit tiap clarifier (Qaverage)=0,195 m3/dtk

=0,049 m3/dtk = 175,5 m3/jam

Konsentrasi solid underflow (Xr)=10000 mg/L

Nilai solid flux (SF)=6 kg/m2.jam

MLSS direncanakan=3000 mg/L

Luas area clarifier=(1 + Rasio Recycle) x Q x Xr)/ SF

=(1 + 0,8) x 175,5 m3/jam x 3 kg/m3) / 6 kg/m2.jam

=131,63 m2

Diameter =[(4 x A)/p]1/2

=[(4 x 131,63)/3,14]1/2

=13 m

Cek OFR utk area clarification=Q/A

=(0,049 m3/dtk x 86400 dtk)/131,63 m2

=32,0 m3/m2.hari = 786,2408 gal/ft2.hari

Jika OFR = 32 m/hari=1,33 m/jam , untuk MLSS sebesar 4500 mg/L

Karena MLSS rencana (3000mg/L) < 4500 mg/L, maka area clarification mencukupi.

Cek solid loading=(Q x Xr) / A

=(0,049 m3/dtk x 3000 mg/L x 86400 detik/hari)/(1000 g/kg x 131,63 m2)

=96 kg/m2.hari = 4 kg/m2.jam (