TINJAUAN PUSTAKA Penjelasan atas PP No 82 Tahun 2001 menyebutkan bahwa, air merupakan sumberdaya alam yang digunakan untuk memenuhi hajat hidup orang banyak, sehingga perlu dilindungi agar tetap bermanfaat bagi hidup dan kehidupan manusia serta makhluk hidup lainnya. Untuk menjaga atau mencapai kualitas air sehingga dapat dimanfaatkan secara berkelanjutan sesuai dengan mutu air yang diinginkan, maka perlu upaya pelestarian dan pengendalian. Selanjutnya, pelestarian kualitas air merupakan upaya untuk memelihara fungsi air agar kualitasnya tetap pada kondisi alamiahnya. Pelestarian air dilakukan pada sumber air yang terdapat di hutan lindung. Sedangkan pengelolaan kualitas air pada sumber di luar hutan lindung dilakukan dengan upaya pengendalian pencemaran air, yaitu upaya memelihara fungsi air, sehingga kualitas air memenuhi baku mutu air. Dengan
demikian,
air
sebagai
komponen
lingkungan
hidup
akan
mempengaruhi dan dipengaruhi oleh komponen lainnya. Air yang kualitasnya buruk akan
mengakibatkan
kondisi
lingkungan
hidup
menjadi
buruk,
sehingga
mempengaruhi kondisi kesehatan dan keselamatan manusia serta kehidupan makhluk hidup lainnya. Penurunan kualitas air akan menurunkan daya guna, hasil guna, produktivitas, daya dukung dan daya tampung dari sumber daya air yang pada akhirnya akan menurunkan kekayaan sumber daya alam (natural resources depletion). Air sebagai komponen sumberdaya alam yang sangat penting harus dipergunakan untuk sebesar-besarnya bagi kemakmuran rakyat. Hal ini berarti bahwa penggunaan air untuk berbagai manfaat dan kepentingan harus dilakukan secara bijaksana dengan memperhitungkan kepentingan generasi masa kini dan masa depan. Untuk itu air perlu dikelola agar tersedia dalam jumlah yang aman, baik kuantitas maupun kualitasnya, dan bermanfaat bagi kehidupan dan perikehidupan
6
manusia serta makhluk hidup lainnya agar tetap berfungsi secara ekologis, guna menunjang pembangunan yang berkelanjutan. Di satu pihak usaha atau kegiatan manusia memerlukan air yang berdaya guna, tetapi di lain pihak berpotensi menimbulkan dampak negatif, antara lain berupa pencemaran yang dapat mengancam ketersediaan air, daya guna, daya dukung, daya tampung, dan produktivitasnya. Agar air dapat lestari dan pembangunan dapat berkelanjutan. maka dalam pelaksanaan pembangunan perlu dilakukan pengelolaan kualitas air dan pengendalian pencemaran air. Konsep Pengelolaan Kualitas Air Pengelolaan kualitas air dan pengendalian pencemaran air ini harus diselenggarakan secara terpadu dengan pendekatan ekositem. Mengingat sifat air yang dinamis dan pada umumnya berada dan mengalir melintasi batas wilayah administrasi pemerintahan, maka pengelolaan kualitas air dan pengendalian pencemaran air tidak dapat dilakukan sendiri-sendiri (partial) oleh satu pemerintah daerah. Dengan demikian harus dilakukan secara terpadu antar wilayah administrasi dan didasarkan pada karakter ekosistemnya, sehingga tercapai pengelolaan yang efisien dan efektif. Keterpaduan pengelolaan kualitas air dan pengendalian pencemaran air ini dilakukan melalui upaya koordinasi antar pemerintah daerah yang berada dalam satu kesatuan ekosistem air dan satu kesatuan pengelolaan sumberdaya air antara lain daerah aliran sungai (DAS). Kerjasama antar daerah dapat dilakukan melalui badan kerjasama antar daerah. Dalam koordinasi dan pemantauan kualitas air, penetapan baku mutu air, penetapan daya tampung, penetapan mekanisme perijinan pembuangan air limbah, pembinaan dan pengawasan penataan. Konsep pengelolaan kualitas air yang ditawarkan Chapra (1997) seperti yang disajikan pada Gambar 1, terdiri dari beberapa tahap perencanaan antara lain; penetapan peruntukan air, penetapan baku mutu air, kemungkinan upaya pengendalian pencemaran air, evaluasi
7
8
sistem DAS, evaluasi beban pencemar, penyusunan model kualitas air, dan strategi pengelolaan kualitas air. Penetapan Peruntukan Air Klasifikasi peruntukan air menurut PP Nomor 82 Tahun 2001, yaitu : 1)
Kelas satu, air yang peruntukannya dapat digunakan untuk air baku air minum, dan peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu air yang sama dengan kegunaan tersebut.
2)
Kelas dua, air yang peruntukannya dapat digunakan untuk prasarana dan sarana rekreasi air, pembudidayaan ikan tawar, peternakan, air untuk mengairi pertanaman, dan peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu air yang sama dengan kegunaan tersebut.
3)
Kelas tiga, air yang peruntukannya dapat digunakan untuk pembudidayaan ikan air tawar, peternakan, air untuk mengairi pertanaman, dan peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu air yang sama dengan kegunaan tersebut.
4)
Kelas empat, air yang peruntukannya dapat digunakan untuk mengairi pertanamandan peruntukan lain yang mempersyaratkan mutu air yang sama dengan kegunaan tersebut. Klasifikasi ini ditetapkan sebagai upaya pendayagunaan menurut potensi
pemanfaatan atau penggunaan airnya, pencadangan air berdasarkan ketersediaannya, baik kualitas maupun kuantitasnya, serta pendayagunaan menurut fungsi ekologis. Penetapan kelas air seperti yang dimaksud adalah : 1)
Sumber air yang berada dalam dua atau lebih wilayah propinsi dan merupakan lintas batas wilayah negara ditetapkan dengan Keputusan Presiden.
2)
Sumber air yang berada dalam dua atau lebih wilayah kabupaten atau kota dapat diatur dengan Peraturan Daerah Propinsi
3)
Sumber air yang berada dalam wilayah kabupaten atau kota ditetapkan dengan Peraturan Daerah Kabupaten atau Kota.
9
Pembagian kelas ini didasarkan pada peringkat (gradasi) tingkatan baiknya mutu air, dan kemungkinan kegunaannya. Tingkatan kelas satu merupakan tingkatan terbaik. Secara relatif tingkatan mutu kelas satu lebih baik dari kelas dua dan selanjutnya. Penetapan kelas air diajukan berdasarkan pada hasil pengkajian yang dilakukan oleh Pemerintah, Pemerintah Propinsi, Pemerintah Kabupaten.atau Kota berdasarkan wewenangnya sesuai dengan peraturan perundang-undangan yang berlaku. Pemerintah dapat menugaskan Pemerintah Propinsi yang bersangkutan untuk melakukan pengkajian lebih lanjut. Pedoman pengkajian untuk menetapkan kelas air ditetapkan oleh Menteri. Penetapan Baku Mutu air Baku mutu air ditetapkan berdasarkan hasil pengkajian kelas air dan kriteria mutu air. Baku mutu air ini dapat dinyatakan dalam status mutu air yaitu kondisi tercemar apabila mutu air tidak memenuhi baku mutu air dan kondisi tidak tercemar apabila mutu air memenuhi baku mutu air. Baku mutu air parameter DO dan BOD untuk peruntukan air kelas I-IV disajikan dalam Tabel 1. Tabel 1. Kriteria mutu air berdasarkan kelas Parameter
Satuan
Kelas I
pH
6-9
II
6-9
BOD mg/l 2 3 DO mg/l 6 4 NO3 mg/l 10 10 sebagai N NH3-N mg/l 0,5 (-) Nitrit mg/l 0,6 0,0 sebagai N Sumber : Lampiran PP No 28 Tahun 2001.
III
IV
Keterangan
6-9
5-9
Apabila secara alamiah di luar rentang tersebut, maka ditentukan
6 3
12 0
20
20
(-)
(-)
0,6
(-)
Angka batas minimum
Perikanan ≤ 0.02 mg/l Pengolahan air minum NO2-N ≤ 1 mg/l
Klasifikasi mutu air ini merupakan pendekatan untuk menetapkan kriteria mutu air dari setiap kelas, yang akan menjadi dasar untuk penetapan baku mutu air. Setiap
10
kelas air mempersyaratkan mutu air yang dinilai masih layak untuk dimanfaatkan bagi peruntukan tertentu. Pengendalian Pencemaran Air Pengendalian pencemaran air bertujuan untuk mencegah dan menanggulangi pencemaran air serta pemulihan kualitas airnya yang dapat menjamin kualitas air tersebut sesuai dengan baku mutu air. Baku mutu yang dimaksud adalah kondisi kualitas air yang diukur dan diuji berdasarkan parameter-parameter tertentu dan metoda tertentu berdasarkan peraturan perundang-undangan yang berlaku. Dengan demikian upaya pengendalian pencemaran air antara lain dilakukan dengan membatasi beban pencemaran yang dapat ditenggang masuknya ke dalam badan air, sebatas tidak akan menyebabkan air menjadi tercemar (sebatas masih memenuhi baku mutu air). Sumber pencemar organik karbon (BOD), pada umumnya disebabkan oleh limbah rumahtangga dan industri. Beberapa contoh industri yang membuang air limbah organik karbon antara lain industri kertas, tekstil dan kulit. Secara teknis pengolahan air limbah industri lebih sulit dibandingkan air limbah rumahtangga, karena limbah industri sangat luas ragamnya dan fluktuasinya cukup tinggi. Beban pencemaran yang dibuang oleh suatu industri tergantung pada bahan baku yang digunakan, kapasitas dan proses produksi serta cara penyaluran air buangannya. Sedang beban pencemaran dari rumahtangga biasanya ditentukan oleh beberapa faktor antara lain; komposisi masyarakat, jenis dan sistem penyalurannya, standar hidup, geografi, dan ada tidaknya buangan sampah. Menurut Metcalf and Eddy (1991), usaha pengendalian pencemaran air secara garis besar dibagi dalam tiga cara yaitu : 1)
Pengurangan beban pencemar (khususnya dalam industri). Beban pencemar dalam industri dapat dikurangi dengan berbagai cara, diantaranya adalah dengan mengubah proses, penggantian bahan kimia yang berdaya cemar tinggi
11
dengan zat-zat kimia yang berdaya cemar rendah, mengefektifkan pemakaian zat-zat kimia dan lainnya. 2)
Meningkatkan efisiensi pengolahan air buangan yang pada dasarnya meliputi metode fisis kimia, biolgis dan kombinasinya. Efisiensi dari pengolahan tersebut berbeda-beda tergantung pada cara atau metode pengolahan yang digunakan. Pengolahan secara fisis dapat digunakan dengan penyaringan (screening) atau sedimenasi (pengendapan). Cara ini cukup ekonomis, namun efisiensinya sangat kecil terutama hanya efektif untuk menghilangkan atau mengurangi kandungan padatan tersuspensi. Pengolahan secara kimia dapat dilakukan dengan penambahan kimia yang bersifat koagulan, sehingga terjadi koagulasi (penggumpalan). Adapun pengolahan biologis dimaksudkan untuk memberi oksigen yang cukup untuk mengoksidasi bahan organik yang ada atau yang tersisa sampai pada tingkat yang diinginkan. Cara pengolahan biologis ini dapat dilakukan dengan beberapa cara, diantaranya dengan proses lumpur aktif, kolam stabilisasi atau kolam oksidasi.
3)
Penyaluran air buangan : a)
Penyaluran bahan buangan cair harus memperhatikan lingkungan di sekitarnya,
yaitu
menyangkut
pemukiman
penduduk,
pertanian,
peternakan, perikanan dan lain-lain. b)
Penyaluran air buangan yang telah diolah harus memenuhi ketentuan atau standar kualitas buangan (efluen standar) dari instansi berwenang.
c)
Sistem penyaluran buangan melalui daerah pemukiman harus diusahakan dengan konstruksi permanen yang tidak mengganggu kesehatan dan keselamatan penduduk.
d)
Pemilihan tempat penampungan buangan padat dan penyaluran buangan cair harus melalui perizinan.
Evaluasi Penanganan Limbah
12
Evaluasi penanganan limbah bertujuan untuk mengetahui secara rinci faktorfaktor yang menyebabkan persoalan dan kendala teknis maupun non teknis di lapangan. Dengan teridentifikasinya faktor-faktor penyebabnya maka keberhasilan penanganan limbah secara terstruktur diharapkan dapat memaksimalkan pencapaian tujuan pengelolaan secara keseluruhan. Adapun factor-faktor yang perlu dievaluasi antara lain meliputi : 1)
Daerah aliran sungai (DAS) a)
Teridentifikasi batas-batas DAS yang tercakup dalam peta DAS Ciliwung skala 1 : 25.000.
b)
Teridentifikasinya anak-anak sungai, tataguna lahan, dan kontur lahan yang tercakup dalam peta DAS Ciliwung skala 1 : 25.000
c)
Teridentifikasiya luas dan panjang DAS Ciliwung dalam peta skala 1 : 25.000
2)
Sumber pencemar a)
Teridentifikasinya lokasi sumber air limbah dan sampah dari sumbersumber domestik dan industri yang tercakup dalam peta DAS Ciliwung skala 1 :25.000
b)
Teridentifikasinya kuantitas beban air limbah dan limbah padat saat ini dan perkembangannya dari sumber-sumber domestik dan industri yang tercakup dalam DAS Ciliwung
c)
Teridentifikasinya lokasi buangan air limbah ke dalam SungaiCiliwung skala 1 : 25.000
d)
Teridentifikasinya beban air limbah sumber titik maupun menyebar saat ini dan perkembangannya yang dipikul Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejomongan DKI- Jakarta dalam bentuk peta skala 1 : 5000
e)
Teridentifikasinya daya purifikasi Sungai Ciliwung
13
f)
Teridentifikasinya batas beban pencemar yang diperbolehkan masuk ke dalam Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKIJakarta dalam bentuk peta skala 1 : 5000
g)
Teridentifikasinya alternatif konsep dan strategi penanggulangan Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI-Jakarta ditinjau dari aspek teknis.
3)
Geografi dan topografi a)
Teridentifikasinya satuan wilayah administrasi (kecamatan) yang tercakup dalam wilayah DAS Ciliwung
b)
Teridetifikasinya topografi wilayah perencanaan dalam peta skala 1 : 25.000
c)
Teridentifikasinya sistem penyaluran air limbah sumber titik (domestik, industri, komersial, rumah sakit) dalam peta skala 1 : 25.000
d)
Teridentifikasinya jaringan jalan di wilayah DAS Ciliwung dalam peta skala 1 : 25.000
4)
Iklim dan hidrologi a)
Teridentifikasinya karakter iklim wilayah DAS Ciliwung
b)
Teridentifikasinya dimensi saluran dari sistem jaringan pengatusan air hujan maupun buangan air limbah dalam peta skala 1 : 25.000
c)
Teridentifikasinya fluktuasi debit aliran dan debit aliran banjir yang masuk Sungai Ciliwung
d)
Teridentifikasinya pengaturan debit aliran Sungai Ciliwung di pintu air Katulampa atau Manggarai
e)
Teridentifikasinya kualitas air Sungai Ciliwung di ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI- Jakarta
14
5)
Kependudukan dan tataguna lahan a)
Teridentifikasinya
kepadatan
dan
jumlah
penduduk
dan
perkembangannya tiap satuan wilayah administrasi (kecamatan) di wilayah DAS Ciliwung dalam peta tematik skala 1 : 25.000 b)
Teridentifikasinya tataguna lahan, saat ini dan perkembangannya di wilayah DAS Ciliwung dalam peta tematik skala 1 : 25.000
6)
Sosial, ekonomi, dan budaya a)
Teridentifikasinya kendala sosial, ekonomi, dan budaya masyarakat dalam penanggulangan pencemaran Sungai Ciliwung
b)
Teridentifikasinya tatanan sosial, ekonomi, budaya masyarakat yang menunjang dan dapat dikembangkan dalam penanggulangan pencemaran Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI- Jakarta
7)
Kelembagaan, peraturan, dan perundangan a)
Teridentifikasinya lembaga-lembaga formal dan non formal yang berpotensi menunjang dalam pengelolaan kualitas air Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI- Jakarta
b)
Teridentifikasinya peraturan dan perundangan-udangan yang menunjang pengelolaan kualitas air Sungai Ciliwung.
c)
Teridentifikasinya peruntukan Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai ke Pejompongan DKI- Jakarta
d)
Teridentifikasinya
alternatif-alternatif
penanggulangan
pencemaran
Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI-Jakarta. 8)
Daya dukung Sungai Ciliwung a)
Teridentifikasinya
hidrodinamika
Sungai
Ciliwung
menyangkut
kecepatan aliran, debit, kedalaman air (maksimum, rata-rata, dan minimum), ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI-Jakarta. b)
Teridentifikasinya karakteristik fisik, kimia dan biologi kualitas air Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI-Jakarta.
15
c)
Teridentifikasinya daya purifikasi Sungai Ciliwung ruas Puncak Bogor sampai Pejompongan DKI- Jakarta.
Beban Pencemaran Beban pencemar bisa berasal dari sumber pencemar titik dan sumber pencemar menyebar. Beban dari sumber pencemar titik biasanya ditunjukkan dalam satuan massa/waktu atau kg/hari, sumber pencemar menyebar ditunjukkan dalam satuan ton/km2.hari, atau g/m2.hari. Sumber pencemar menyebar jauh lebih sulit untuk dikendalikan dan dipantau, sedang sumber pencemar titik dapat dimonitor dengan peraturan-peraturan yang berlaku dalam standar kualitas air seperti efluen standar. Sumber pencemar titik umumnya terlokalisir dan dapat berasal dari pipa efluen dari instalasi pengolahan air buangan, saluran-saluran, atau sumber–sumber pencemar yang terkurung yang dibuang ke dalam sungai. Sumber pencemar meyebar tidak terlokalisir sebagai contoh limpasan permukaan dari daerah pemukiman yang mengandung limbah domestik, limpasan permukaan dari daerah pertanian membawa endapan lumpur yang mengandung pestisida, hara, zat organik
Sumber menyebar IPAL
Efluen
Perkotaan
Sumber titik
Limpasan
sungai
Danau Pertanian
Pembangunan lahan
Pedesaan
Gambar 2. Ilustrasi sumber pencemar titik dan menyebar dalam sungai.
16
Penyusunan Model Menurut The American Heritage Dictionary (1987), model adalah sebuah obyek kecil yang menjelaskan obyek besar dan rumit menjadi lebih sederhana dan dapat dipertanggung jawabkan. Model yang dimaksud adalah model matematika yang diperlukan untuk menghitung kualitas (response) di badan air penerima (sistem) sebagai fungsi dari efluen air limbah (stimuli). Bentuk persamaan umumnya adalah .c = f(w; fisika, kimia, biologi)
(1)
Hubungan antara beban (w) dan konsentrasi (c) berbanding lurus (linier) yaitu : c =1 aw
(2)
Keterangan : a = faktor asimilasi (liter/hari), c = konsentrasi (mg/l) w = beban buangan limbah (kg/hari) Ada tiga cara dalam perenapan model kualitas air yaitu : 1)
Model simulasi dipakai untuk mensimulasi response (c) sebagai fungsi stimulus (w) dan karakteristik (a), seperti yang dinyatakan dalam persamaan 2.
2)
Desain kapasitas asimilasi dipakai untuk memperkirakan beban W yang sesuai dengan stream standard agar (c) perairan dapat dicapai yang dinyatakan dalam persamaan W = ac
3)
(3)
Modifikasi lingkungan, dipakai untuk memodifikasi kapasitas asimilasi, a bila badan air belum mampu memikul upaya penurunan (reduksi) beban, w. Bentuk modifikasi ini misal pengerukan dasar sedimen, aerasi buatan, dan penambahan debit a=
W c
(4)
17
Strategi Pengelolaan Kualitas Air Mengacu
pada
KEP-05/MENKLH/6/1987
tentang
Pedoman
Rencana
Pengelolaan Llingkungan (RKL), pengelolaan kualitas air biasa dilakukan melalui beberapa pendekatan, antara lain : 1)
Pendekatan Teknologi a)
Penanggulangan limbah bahan berbahaya dan beracun
b)
Membatasi atau mengisolasi limbah
c)
Stabilisasi limbah dengan menambah zat kimia tertentu supaya tidak membahayakan manusia dan makhluk hidup lainnya.
d)
Mengubah proses untuk mencegah dan mengurangi volume limbah
e)
Sistem daur ulang limbah, yaitu penggunaan bahan baku maupun bahan lainnya yang kurang atau tidak menghasilkan limbah bahan beracun.
f)
Mencegah, mengurangi, memperbaiki kerusakan dan menanggulangi pemborosan sumberdaya alam, berupa :
2)
1)
Pencegahan erosi sistem terasiring atau tanaman penutup tanah
2)
Reklamasi lahan rusak atau konversi untuk pembangunan lainnya.
3)
Meningkatkan pendayagunaan bahan baku.
Pendekatan Ekonomi a)
Permintaan bantuan kepada pemerintah untuk turut menanggulangi dampak lingkungan karena keterbatasan kemampuan pemrakarsa.
b)
Kemudahan prosedur pengadaan peralatan, terutama bila peralatan tersebut dibeli dari luar negeri
c)
Keringanan bea masuk peralatan pengendali pencemaran
d)
Kemudahan dan keringanan kredit bank untuk pembelian peralatan maupun biaya lainnya untuk pengelolaan lingkungan
e)
Penanggulangan masalah sosial ekonomi dan sosial budaya antara lain : 1)
Sistem imbalan atau ganti kerugian bagi penduduk yang terpaksa dipindahkan hendaknya menganut prinsip untuk meningkatkan
18
taraf hidup masyarakat atau paling tidak sama dengan taraf hidup pada keadaan kondisi awal 2)
Bagi kelompok masyarakat yang terkena dampak negatif diberikan prioritas
utama untuk mengembangkan kemampuan mengatasi
perubahan yang timbul, antara lain dengan jalan memberikan pendidikan dan ketrampilan 3)
Mengendalikan masalah sosial yang telah ada dan yang akan timbul akibat kegiatan tersebut
3)
Pendekatan Institusional a)
Pengembangan kerjasama antar instansi yang berkepentingan dan berkaitan dengan pengelolaan lingkungan hidup
b)
Pengembangan
peraturan
perundang-undangan
yang
menunjang
pengelolaan lingkungan c)
Pengembangan pengawasan baik intern maupun ekstern yang meliputi pengawasan oleh pemerintah maupun oleh masyarakat
d)
Pengembangan kerja sama antar negara dalam pengendalian dampak lingkungan.
Parameterisasi Model BOD Uji Laboratorium BOD merupakan indikator pencemaran organik
yang diukur berdasarkan
jumlah oksigen yang dibutuhkan mikroorganisme selama perombakan bahan organik. Pengujian BOD adalah rangkaian penetapan kadar oksigen terlarut dari sebuah contoh air pada hari ke 0 dan hari ke 5 setelah melalui masa inkubasi pada suhu 20oC yang selanjutnya dinyatakan sebagai BOD5,20. Pengambilan suhu 20oC dan inkubasi 5 hari merupakan pendekatan terhadap kejadian alami di perairan beriklim sedang dan umumnya bahan organik tersebut sudah terkonsumsi antara 60-
19
70%. Sedang oksidasi sempurna (95-99%) dibutuhkan ± 29 hari (Metcalf dan Eddy, 1991) Thomann, (1987) menyatakan, reaksi biokinetik dari perombakan tersebut sangat kompleks. Penyederhanaan dalam menjelaskan reaksi biokinetik BOD dalam botol diterapkan model reaksi kinetik tingkat pertama. Pada model ini, laju penyisihan BOD hanya tergantung pada jumlah bahan organik yang masih tersisa pada saat t
Keterangan :
dL = −kd . L dt
(5)
kd = konstanta deoksigenasi atau laju pemakaian oksigen ordo pertama (1/hari) L = jumlah bahan organik yang tersisa saat t hari dinyatakan dalam BOD (mg/l). Jumlah bahan organik yang tersisa dalam waktu t dapat dicari dengan mempertimbangkan bentuk integrasi dari persamaan 5,
L = Lo.e − kd .t
(6)
Bila oksigen yang dikonsumsi selama proses dekomposisi y = Lo − L ,
(7)
maka jumlah oksigen yang telah digunakan pada saat t adalah y = Lo(1 − e − kd .t ) ,
(8)
y = BOD terpakai selama t (mg/l) kd = konstanta dekomposisi BOD ordo pertama (1/hari) Untuk BOD5 y5 = L0 (1 − e −5.kd )
(9)
Penjelasannya dapat dilihat pada gambar ilustrasi kurva jumlah BOD terpakai dan BOD tertinggal dalam botol BOD sebagai berikut :
20
9 8
LO - y
Konsentrasi (mg/l)
7 6
BOD terpakai
5 4 3
Lo
BOD tertinggal
y
2 1 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
w aktu (hari)
Gambar 3. Hubungan antara BOD terpakai dengan BOD tertinggal Dari Metcalf dan Eddy (1991), nilai kd dihitung dengan metode kuadrat terkecil : na + b∑ y − ∑ y i = 0
a ∑ y + b∑ y 2 − ∑ yy i = 0 kd = −b
(10) (11)
Keterangan : y = nilai BOD laboratorium masa inkubasi hari ke n pada 20oC (mg/l) yi =
y n +1 + y n 2Δt
(12)
a,b = angka konstanta n = jumlah data ∆t = selisih waktu Reaksi BOD dilakukan oleh bakteri dan mikroorganisme lainnya seperti protozoa dan rotifera. Menurut vant Hoff-Arrhenius dalam Davis and Cornwell (1991), bahwa laju oksidasi bahan organik di dalam air akan semakin meningkat seiring kenaikan suhunya.
21
(kd )T = (k d ) 20θ T − 20
(13)
Keterangan : (kd)T = laju oksidasi pada suhu toC (kd)20 = laju oksidasi pada suhu 20oC Θ
= faktor konversi = 1,056 Namun demikian dengan adanya kenaikan suhu yang berlanjut hingga
melampaui suhu optimum, laju reaksi biokimia akan turun seiring dengan kenaikan suhunya. Nilai kd dalam praktek sangat tergantung dari resistensi bahan organik karbon yang ada. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh tim HidroQual (1983) pada air buangan domestik, nilai kd tergantung pada derajat penyisihan BOD dalam perjalanannya. Untuk derajat penyisihan yang tinggi akan menaikkan sisa bahan yang resisten dan akan menurunkan laju kd, seperti pada Tabel 2. Tabel 2. Laju reaksi BOD, kd dari air limbah Derajat penyisihan Tidak terdapat penyisihan Pengolahan primer atau sekunder Efluen lumpur aktif Sumber : Thomann (1987).
(kd)20 Rentang 0,30-0,40 0,10-0,30 0,05-0,10
Rata-rata 0,35 0,20 0,075
Menurut Krenkel (1980), faktor-faktor lain yang mempengaruhi oksidasi bahan organik karbon dalam padanan BOD adalah : 1)
pH. Mikroorganisme yang merombak bahan organik akan menyesuaikan diri pada kisaran pH yang sempit, biasanya antara pH 6,5 – 8,3.
2)
Nutrien. Dalam merombak bahan organik kabon bakteri memerlukan nutrien, baik yang berasal dari organik maupun anorganik untuk metebolisme sel secara optimum.
3)
Aklimasi populasi mikroba akan mempengaruhi mikroba dalam beradaptasi terhadap beban organik karbon yang ada. Bila aklimasi populasi mikroba tidak
22
sesuai dengan beban bahan organik karbonnya, maka mikroba kemungkinan akan mati dan aktivitasnya akan menurun. 4)
Zat beracun. Berbagai macam unsur kimiawi bersifat racun terhadap mikroorganisme. Pada konsentrasi tinggi, beberapa zat kimia akan membunuh mikroba, dan pada kondisi sedikit kurang (sub lethal) dapat menurunkan kegiatan mikroba.
BOD Perairan Seperti halnya BOD uji laboratorium, nilai BOD di perairan juga mengalami penurunan seiring dengan waktu perjalanannya. Peluruhan BOD di perairan sungai dianggap mengikuti peluruhan ordo pertama. Pada kondisi tertentu peluruhan BOD yang berasal dari efluen sumber titik akan terdistribusi ke arah hilir sungai disertai dengan proses pengendapan. Pada kondisi tunak (stabil), persamaan 6 akan berubah mengilkuti persamaan 14 berikut, 0=−
1 d (Q.L1 ) − k r .L A dx
(14)
Pada x = 0, L = Lo, dan Lo adalah BODpuncak campuran antara sungai dan efluen dari sumber titik dinyatakan dalam Lo =
Qw.Lw + Qr.Lr , Qw + Qr
(15)
dan konstanta pengendapan partikel ks adalah ks =
vs , H
(16)
sehingga konstanta reaksi BOD dalam perairan kr adalah kr = kd + ks
Aliran dan penampang sungai tetap (
dQ dA = 0) , dan = 0 , L pada t, dx dt
(17)
23
L = Loe − kr .t
(18)
Keterangan : kr, ks vs H Qr,, Qw
= total kecepatan dekomposisi dan pengendapan di perairan (1/hari) = kecepatan pengendapan partikel (m/hari) = kedalaman air (m) = debit sungai dan air limbah (m3/dt)
Nilai kr juga dapat diperoleh secara grafis, adalah kemiringan garis lurus dari nilai BOD pada suatu ruas sungai ln L terhadap t ln L = ln Lo − kr.t
(19)
Dalam persamaan 17, kr dalam suatu perairan merupakan parameter yang harus ditentukan terlebih dahulu karena nilai tersebut tidak serta merta dapat disamakan dengan nilai kd uji laboratorium dari BOD terlarut. Nilai ks yang menyertai adalah konstanta BOD dari akumulasi BOD partikulat dalam dasar sungai yang dikenal dengan "sediment oxygen demand" (SOD) yang tidak ikut dalam proses biokimia di dalam air. Pengertian ini dapat diilustrasikan ke dalam sebuah pemisalan dari suatu bejana tertutup dari atmosfer (berarti tidak terjadi aerasi) dengan volume V terisi limbah organik yang dibiarkan selama t hari. Limbah organik diukur ekivalen dengan BOD. Selang t hari nilai BOD ini akan turun yang disebabkan oleh adanya pengendapan partikulat dalam kolom air. Jika Lp = BOD partikulat dan Ld = BOD dari larutan, maka L = Lp + Ld Jika Lp hanya mengendap tanpa oksidasi dan Ld hanya teroksidasi maka, V V
dL p dt
= −vs . A.L , dan
dLd = − kd .V .L dt
vs = kecepatan mengendap BOD partikulat di dalam bejana kd = laju deoksigenasi BOD terlarut, dan jika Ld = fd.L
fp = % BOD terlarut dari total L
24
Lp = fp.L
fp = % BOD partikulat dari total L
maka, V
dL = −vs . A.L p − kd .V .Ld , atau dt
dL = − kr .L dt k r = vs
A f p + kd f d V
= k s + kd ,
sehingga penyelesaian persamaan 18 menjadi L = Loe − kr .t = L0e − ( ks + kd ).t
(20)
= L0 (e − ks.t + e − kd .t ) ) Qw,Lw
Qo,Lo
Sungai
Qr, Lr
kr1 = ks +kd1
kd1 > kd2 .kr2 =kd2
Ln
Perairan dalam Perairan dangkal t=x/v Gambar 4. Ilustrasi variasi nilai kr pada perairan dalam dan dangkal Dengan demikian perkiraan terhadap oksigen terlarut yang tersisa dalam bejana, hanya memperhitungkan penurunan bahan organik dalam padanan BOD yang disebabkan adanya oksidasi, yaitu, dc = −kd L dt Dengan menggunakan persamaan 20, maka besarnya oksigen, c yang tertinggal di dalam bejana dapat dihitung sebagai,
25
c = cs −
kd L0 (1 − e − kr .t ) kr
(21)
cs = oksigenjenuh(mg / l ) Bahan organik karbon yang tergandung dalam air limbah dengan konsentrasi padatan yang tinggi (> 100 mg/l), BOD partikulat dapat tinggi. Sedang untuk penyisihan tingkat sekunder yang mempunyai padatan tersuspensi kurang dari 30 mg/l, ks dapat diabaikan. Estimasi perenapan kd dari uji laboratorium ke perairan sungai sebaiknya mempertimbangkan fenomena lain yang tidak ada dalam BOD uji laboratorium, misalnya adanya biosorption dari Lumpur biologis di dasar sungai, turbulensi, kekasaran penampang sungai, dan kepadatan mikroorganisme yang melekat serta derajat penyisihan BOD. Untuk itu perlu diperhatikan korelasinya terhadap hidrometri sungai menyangkut kedalaman, debit aliran dan keliling basah penampang. Sebagai pedoman kd mempunyai rentang antara 0,1 sampai 0,5/hari untuk badan air dalam (> 1,5 m), dan 0,5 sampai 3,0 /hari untuk badan air dangkal (< 1,5 m) (Thomann, 1987). Menurut Weight and Mc Donnel (1979) rentang kd antara 0,08- 4,24/hari untuk debit antara 0,13 – 243 m3/dt dan kedalaman sungai antara 0,3 – 10 m. Dari data tersebut juga telah dikembangkan hubungan kd pada 20oC dengan debit alirannya seperti pada persamaan 22, dan pada Tabel 3 dan 4 tertera tipikal beban buangannya. kd = 10Q −0, 49
(22)
Weight and McDonnel, (1979) juga mengemukakan, bahwa pada debit aliran lebih dari 23 m3/dt, kd akan konsisten dengan laju oksidasi kd dari uji laboratorium. Beberapa hasil penelitian yang menjelaskan tentang besarnya beban BOD dari setiap jenis sumber kegiatan dibedakan menurut tingkat kemajuan suatu negara, jumlah sarana pembuangan limbah yang dimiliki oleh suatu daerah atau kawasan, dan jenis kegiatan seperti domestik atau industri. Pada negara maju atau daerah bersarana pembuangan air limbah mempunyai emisi buangan yang lebih besar
26
dibandingkan negara berkembang atau daerah yang tidak memiliki sarana. Hal ini karena fungsi sarana adalah alat pengumpul yang dapat mengisolasi limbah dalam jumlah besar. Tabel 3. Tipikal emisi beban buangan domestik Air buangan / orang (m3/orang.hari)
CBOD/ orang (g/orang.hari)
Amerika Serikat
0,57
125
Konsentrasi CBOD (mg/l) 220
Negara.berkembang
0,19
60
320
Negara
Sumber : Chapra (1997) Tabel 4. Perkiraan beban emisi BOD5 dari buangan domestik Industri dan proses Daerah yang mempunyai saluran pembuangan limbah Daerah tanpa sarana pembuangan limbah Sumber : Djajadiningrat (1982).
Volume air limbah (m3/orang.tahun) 73
BOD5 (kg/orang.tahun) 19,7
7,3
6,9
Tabel 5. Karakteristik emisi buangan rumahtangga Variabel
Satuan
Debit rerata harian Galon/orang.hari BOD mg/l NBOD mg/l Total Nitrogen mg/l N Organik Nitrogen mg/l N Sumber : Thomann (1972) Tabel 6. Karakteristik emisi buangan industri Q rerata Industri Satuan (gal/unit) Gula ton 3.000 Susu 1.000 lb. 195 Tekstil 100 lb 450 Kemasan 1.000 lb. 1.350 Sumber : Eckenfelder (1986)
Rerata
Irnterval
125 180 220 50 20
100-200 100-450 15-100 5-35
BOD rerata (lb/unit) 15,5 1,7 1,2 12,5
SS rerata (lb/unit) 51,2 0,5 12
27
Oksigen terlarut (DO) jenuh Perairan yang jernih oksigen terlarutnya bisa mendekati jenuh. Nilai kejenuhan oksigen di dalam air tergantung pada suhu, salinitas, dan terkanan udara. Namun karena adanya limbah organik yang masuk dan teroksidasi oleh miroorganisme maka konsentrasi oksigen di dalamnya akan mengalami penurunan sebesar oksigen yang digunakan untuk proses dekomposisi organik tersebut. Oleh karena itu terjadinya keseimbangan oksigen terlarut sangat ditentukan oleh beberapa faktor yang mempengaruhinya. Daya serap oksigen oleh badan air lebih kecil dari kebutuhan oksigen untuk proses dekomposisi, perairan akan mengalami kondisi anaerobik, sebaliknya bila daya serap oksigen sama atau lebih besar dari kebutuhan oksigen untuk proses dekomposisi, perairan akan terjaga dalam kondisi aerobik. Dekomposisi organik pada kondisi anaerobik akan mengalami pembusukan dan menimbulkan bau dan gas oleh karenanya proses ini tidak disukai. Sumber oksigen dalam perairan sungai antara lain berasal dari, 1)
reoksigenasi dari atmosfeer
2)
fotosintesis dari pitoplankton dan tumbuhan akuatik lainnya
3)
DO dari anak sungai atau efluen lain yang masuk ke dalam sungai penerima
Kehilangan oksigen (sink) antara lain berasal dari 1)
proses dekomposisi organik di dalam perairan sungai
2)
kebutuhan oksigen sedimen (SOD)
3)
respirasi tanaman
4)
nitrifikasi
Reoksigenasi Mekanisme transfer oksigen dari atmosfer ke dalam perairan mengikuti hukum Henry yaitu gas yang terlarut dalam suatu volume air pada suhu konstan, berbanding langsung dengan tekanan gas yang ada di permukaan air tersebut. Hal ini juga berlaku untuk oksigen terlarut dalam air.
28
ρ = He.Cs
(23)
Keterangan : ρ = tekanan parsial dari O2 (mmHg) Cs = konsentrasi DO jenuh (mg/l) He = konstanta Henry (mmHg/mg.l) Dalam Chapra (1997), persamaan ini dikembangkan dan dipakai dasar perhitungan di perairan sungai pada suhu 20oC oleh : O'Connor's & Dobbins (1956)
v 0,5 k a = 3,93 1,5 H
Churchill
k a = 5,03
(1962)
Owen's and Gibbs
ka = 5,32
(1964)
(24)
v
(25)
H 1, 67 v 0,67 H 1,85
(26)
Untuk suhu lain, harga ka mengikuti perasamaan vant Hoff-Arrhenius, (ka )T = (ka ) 20θ T − 20
(27)
Tabel 7. Rentang nilai H dan v untuk formula O'Connor-Dobbins, Churchill, serta Owens and Gibbs Parameter O'Connor-obbins H (m) 0,30-9,14 v (m/dt) 0,15-0,49 Sumber : Chapra (1997).
Churchill 0,61-3,35 0,55-1,52
Owens and Gibbs 0,12-0,73 0,03-0,55
Fotosintesis dan Respirasi Fotosintesis dan respirasi tanaman sangat berarti dalam mengatur jumlah oksigen di perairan dengan perantara sinar matahari. Secara sederhana proses tersebut dapat dijelaskan melalui reaksi : fotosintesis 6CO2 + 6H2O
6CH2O+6O2 respirasi
(28)
29
Namun tahapan reaksi yang sangat rumit akan terlibat dalam proses berikutnya. Proses ini melibatkan karbon dioksida dan oksigen atmosfer yang larut dalam perairan. Fotosintesis tumbuhan ganggang dengan bantuan sinar matahari memetabolisme karbon dioksida menghasilkan oksigen. Kehadiran hara dan sinar matahari yang berlimpah merangsang metabolisme ganggang untuk memproduksi banyak oksigen, sehingga perairan kelewat jenuh, c > cs. Namun demikian kondisi ini tidak selalu baik untuk perairan, sebab kerugian akibat melimpahnya pertumbuhan ganggang sering lebih berat daripada manfaat oksigen yang dihasilkan. Hal ini mengingat, ganggang selalu melibatkan produk metabolisme bakteri yang membutuhkan oksigen (Cornell and Miller, 1995). Bila tidak ada sinar matahari, ganggang memperoleh energinya dari proses katabolisme secara mandiri, sehingga reaksi berbalik arah. Reaksi ini cenderung mengkontribusi kebutuhan oksigen dibandingkan menyediakan oksigen. Perbedaan katabolisme ganggang selama hari terang dan hari gelap menghasilkan variasi diurnal oksigen terlarut dan diikuti pertumbuhan ganggang yang lebat. Konsentrasi oksigen mencapai puncaknya pada jam 2-4 sore kemudian menurun hingga ketingkat paling rendah sebelum matahari terbit. Sayangnya oksigen yang dihasilkan pada siang hari tidak dapat dimanfaatkan pada malam hari karena segera dilepas ke atmosfer untuk menjaga keseimbangan. Produk oksigen dari proses fotosintesis dan oksigen yang dilepas untuk proses respirasi dinyatakan dalam persamaan 29 & 30 berikut ; Fotosintesis : P=
Olf − Oli t
Keterangan : Olf = konsentrasi oksigen botol terang akhir (mg/l) Oli = konsentrasi oksigen botol terang awal (mg/l) t = waktu pengukuran (jam)
(29)
30
Respirasi : R=
Odi − Odf
(30)
t
Keterangan : Odi = konsentrasi oksigen dark botol gelap awal (mg/l) Odf = konsentrasi oksigen dark botol gelap akhir (mg/l) Kebutuhan Oksigen Sedimen (SOD atau Sb) Buangan limbah terendapkan dapat menghasilkan formasi endapan lumpur. Endapan ini terjadi pada kondisi aliran rendah, kecepatan rendah, sehingga tidak ada gerusan sedimen. Bila endapan ini terjadi pada perairan yang dalam, kondisi anaerobik akan terjadi. Dekomposisi anaerobik tersebut menghasilkan gas CO2, CH4, dan H2S. Bila produksi gas dalam jumlah besar, dapat mengapungkan lumpur dasar sungai. Kejadian ini disamping merusak estetika sungai juga dapat mengakibatkan berkurangnya oksigen terlarut di dalam badan air. Pengurangan oksigen terlarut di badan air juga dapat terjadi karena adanya dekomposisi aerobik pada lapisan sedimen dasar sungai. Pada sungai proses ini terjadi saat permukaan air rendah. Sebaliknya pada saat air tinggi, penggerusan endapan akan terjadi sehingga dasar sungai akan bersih kembali. Kebutuhan oksigen sedimen tidak selalu terjadi secara langsung, karena adanya buangan domestik maupun industri. Limbah organik kadang-kadang dapat menumbuhkan bakteri filamentous yang melekat misalnya sphaerlitus yang membutuhkan oksigen. Disamping itu dapat juga terjadi dengan adanya kematian tumbuhan akuatik berakar, detritus dari limpasan yang mengandung sedimen organik. Menurut rumus Streeter-Phelps besarnya Sb dapat diperoleh melalui persamaan Sb = 1,3k s H w Lw Keterangan : ks = konstanta kecepatan pengendapan partikel (1/hari) Hw= kedalaman air (m)
(31)
31
Lw = BOD partikulat puncak (mg/l), vs organik karbon =0.2 m/hari (Chapra, 1997). Tabel 8. Kebutuhan SOD=Sb untuk jenis-jenis lumpur SOD (g O2/m2.hari) 20oC Tipe dasar sungai Rentang Rata-rata 2 Sphaerolitus (10g bobot kering /m ) 7 Lumpur efluen pemukiman 2-10 4 Lumpur muara 1-2 1,5 Dasar sungai berpasir 0,2-1,0 0,5 Dasar sungai bermineral 0,05-1 0,07 Sumber : Chapra (1997). Kebutuhan Osigen Nitrifikasi Reaksi tahap pertama dari BOD karbon bila diteruskan hingga pada tahap kedua akan mengalami proses nitrifikasi yaitu adanya oksidasi dari gugus nitrogen organik di dalam air sebagai BOD nitrogen, seperti pada Gambar 5. 9
8
NBOD
BOD (mg/l)
7
6
5
4
3
CBOD
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t(hari)
Gambar 5. Kurva NBOD DAN CBOD Produk dekomposisi antara dari protein adalah asam amino, amida, dan amin juga hadir beberapa tingkat. Protein dihancurkan dengan proses hidrolisis menjadi asam amino. Amonia mempunyai kelarutan tinggi, kombinasi dengan ion hidrogen akan membentuk ion ammonium dan mempunyai kecenderungan untuk menaikkan pH air. Dalam rentang pH netral semua amonia hadir dalam bentuk ammonium dan dalam pH tinggi dalam bentuk gas. Dekomposisi bakteri heterotropik adalah tipe reaksi pada tahap ke dua dari deoksigenasi biologis dalam perairan alam. Perubahan amonia menjadi nitrat dikenal dengan istilah nitrifikasi (Gaudy and Gaudy, 1980).
32
Tahap pertama, bakteri nitrosomonas mengubah ion ammonium (NH4+) menjadi nitrit. NH4+ + 1,5O2
Nitrosomonas
2H+ + H2O + NO2-
(32)
Di dalam reaksi ini diperlukan 3,43 g oksigen untuk oksidasi 1 g nitrogen menjadi nitrit (NO2-). Pada tahap kedua bakteri Nitrobacter mengubah nitrit menjadi nitrat NO2- + 0,5gO2
Nitrobacter
NO3-
(33)
Kecepatan pertumbuhan kedua bakteri ini umumnya lebih lambat dari bakteri heterotropik. Konversi dari nitrit ke nitrat lebih cepat dibandingkan konversi dari ammonium ke nitrit. Akibatnya konsumsi substrat pada tahap ke dua hampir 3 kali dari konsumsi tahap pertama. Jumlah konsumsi O2 yang diperlukan setiap tahap adalah ; Konsumsi oksigen nitrifikasi dari ammonium (roa ) roa = 1,5(32)
=
3,43 g O/g N
(34)
=
1,14 g O/g N
(35)
14 Konsumsi oksigen nitrifikasi dari nitrit (roi ) ) roi = 0,5(32) 14 Dengan demikian oksigen total yang diperlukan dalam proses nitrifikasi adalah 4,57 g oksigen per nitrogen amonia yang dioksidasi menjadi nitrat. Oleh karena oksidasi nitrogen amonia membutuhkan 4,57 g oksigen, maka nilai NBOD dapat diestimasikan dengan persamaan ; LN = 4,57 TKN
(36)
Berlangsungnya nitrifikasi tergantung pada beberapa faktor disamping keberadaan amonium. Faktor penting yang mempengaruhi adalah ;
33
1)
keberadaan bakteri nitrifikasi dalam jumlah cukup. Pada sungai dangkal dan berbatu memberi cukup substrat untuk tumbuh efektif.
2)
pH optimum (sekitar 8) cenderung menetralisir asam yang diproduksi
3)
oksigen terlarut di atas 1-2 mg/l
BOD Perairan Distribusi BOD di sepanjang aliran sungai bisa berasal dari sumber pencemar titik dan sumber pencemar menyebar pada aliran seragam (uniform-flow) atau aliran tidak seragam (non uniform-flow). Distribusi BOD dari sumber pencemar titik pada aliran seragam telah dibahas dalam persamaan 20. Distribusi BOD dari sumber menyebar bisa berasal dari limpasan permukaan, sedimen, pitoplankton, air lindi. Nilai BOD pada ruas sejauh x dinyatakan dalam persamaan (37) SL L = (1 − e − kr .t ) Jadi total nilai BOD pada ruas sejauhkrx dari sumber titik dan meyebar (SL) adalah; L = L0e − kr .t +
SL (1 − e − kr .t ) kr
(38)
SL (mg/l.hari)
0
X=v.t SL/k r
L
9 8 7 6
L
5 4 3 2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
t
Gambar 6. Beban dan respon BOD dari sumber menyebar (Chapra, 1997) Keterangan : SL fotosintesis, respirasi, dan sedimen (mg/l.hari)
34
Defisit Oksigen (D) Defisit oksigen (D) di sepanjang aliran sungai bisa berasal dari sumber pencemar titik dan sumber pencemar menyebar di dalam aliran seragam (uniformflow) atau aliran tidak seragam (non uniform-flow). Distribusi defisit oksigen dapat dijelaskan dari lengkung oksigen terlarut Streeter-Phelps (Gambar 7 dan 9.) Defisit oksigen sumber pencemar titik Defisit oksigen awal (Do) terjadi pada lokasi efluen sumber pencemar titik akibat beban buangan bahan organik yang berlebihan. Defisit oksigen ini berlanjut ke arah hilir mengikuti proses biokimia ordo pertama. Selama kebutuhan oksigen dalam proses dekomposisi bahan organik tidak melebihi kapasitas asimilasinya, keberadaan oksigen terlarut di dalam air tetap tinggi sehingga sejumlah populasi dari tumbuhan akuatik maupun ikan masih bisa ditemukan. Jika pertambahan limbah organik tetap berlanjut, kapasitas asimilasi
sungai
terlampaui
sehingga
sungai
kehilangan
kemampuan
asimilasinya dan oksigen terlarut dalam air turun bahkan mencapai titik kritis, tc (Gambar 7). Jika DO sungai habis, perairan dalam kondisi anaerobik. Pesamaan defisit oksigen : k d L0 (e − kr .t − e − ka.t ) ka − kr
D = D0e − ka.t +
Sumber pencemar titik
9
8
Oksigen terlarut (mg/l)
1)
Defisit awal (Do)
(39)
DO saturasi, DOs Defisit, D
7
6
5
titik kritis
4
Konsentrasi DO
3
recovery
degradasi tc
2
1
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
w aktu (hari)
Gambar 7. Kurva oksigen sag dari sumber pencemar titik
35
Keterangan : D0 = defisit oksigen awal (mg/l) ka = konstanta kecepatan reoksigenasi (1/hari) t = x/v = waktu aliran (hari) Defisir Oksigen Dari Sumber Pencemar Menyebar Defisit oksigen dari sumber pencemar menyebar dijelaskan pada Gambar 8. Persamaan defisit oksigennya adalah kd S L kd S L (1 − e − ka.t ) − (e − kr .t − e − ka.t ) kr ka kr (ka − kr
D=
(40)
Sumber menyebar
mg/l
7 6 5
L
4 3 2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t t (hari)
saturasi
9
8
7
D
6
O (mg/l)
2)
5
4
3
Os-D
2
1
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
1 1
1 2
1 3
Gambar 8. (a) Respon BOD (b) Respon oksigen t (hari)
Sumber pencemar meyebar dari efek fotosintesis, respirasi, sedimen dikenal sebagai no flow sources yaitu sumber pencemar tidak berdebit dan tidak signifikan menambah debit campuran sungai. Persamaan defisit oksigen akibat efek ini dinyatakan dalam persamaan 41
36
D=
− P + R + ( Sb / H ) (1 − e − ka.t ) ka
(41)
Keterangan : P = kecepatan fotosintesis fitoplankton (mg/l.hari) R = kecepatan respirasi fitoplankton (mg/l.hari) Sb= kecepatan penggunaan oksigen sedimen (g/m2.hari) H = kedalaman air (m) Distribusi Debit (Q)
Rumus O'Connor (1976), untuk debit yang semakin meningkat adalah ; Q = Q0 + qx
(42)
atau q=
Q − Q0 x
(43)
Keterangan : Q Q0 q x
= debit sungai pada jarak x = debit sungai awal (m3/dt) = kemiringan debit terhadap jarak (m3/dt.km) = jarak yang ditinjau (km)
Distribusi BOD (SL) pada aliran tak seragam Persamaan untuk SL rerata pada debit meningkat adalah :: SL =
Qx Lx − Q0 L0 q ( x − x0 )
(44)
Model Streeter-Phelps
Persamaan BOD (L) : L = L0e − kr .t + (a) titik
SL (1 − e − kr .t ) kr (b) menyebar
(45)
37
Persamaan Defisit Oksigen (D) : (a) defisit oksigen titik
D = D0e − ka.t +
kd L0 − P + R + ( Sb / H ) (1 − e− kr .t − e− ka.t ) + (1 − e − ka.t ) ka − kr ka
(b) BOD titik
(c) defisit menyebar
k n Lo (1 − e − kn.t − e − ka.t ) ka − kn kd S L k S + d L (1 − e − ka.t ) − ( (e− kr .t − e− ka.t ) kr ka kr (ka − kr )
+
(46)
(d) BOD menyebar
DO = Dsat − D
(47)
Penerapan Model
Hidrogeometri Terdapat 4 ruas sungai yang mempunyai sifat hidrogeometri yang berbeda yaitu ruas1-3 (Cisarua – Bendung Air Katulampa), ruas3-6 (Bendung Katulampa – Depok), ruas6-8 (Depok – Manggarai), dan ruas 8-9 (Manggarai-Pejompongan). Ruas1-3 berciri : a)
Kemiringan dasar saluran curam, beraliran deras dan dangkal
b)
Penampang sungai melebar secara gradual ke arah hilir.
c)
Kecepatan air relatif konstan meskipun terjadi peningkatan debit ke hilir.
Ruas3-6 berciri : a)
Kemiringan dasar saluran landai, beraliran sedang dan agak dalam
b)
Penampang sungai bervariasi dan berkelok secara perlahan ke arah hilir.
c)
Kecepatan aliran konstan meskipun terjadi peningkatan debit ke arah hilir.
Ruas6-8 berciri : a)
Kemiringan dasar saluran mendatar, beraliran lambat dan dalam
b)
Penampang sungai relatif konstan ke arah hilir.
c)
Kecepatan aliran konstan meskipun terjadi peningkatan debit ke arah hilir.
38
Ruas8-9 berciri a)
Kemiringan dasar saluran mendatar, beraliran tenang dan dalam
b)
Penampang sungai relatif konstan ke arah hilir.
c)
Kecepatan aliran konstan meskipun terjadi peningkatan debit ke arah hilir.
Kualitas Air Terdapat kecenderungan pola distribusi peningkatan konsentrasi BOD disertai penurunan konsentrasi DO ke arah hilir (PPA, 1979, dan Saeni, 1986) (Gambar 9). Berdasarkan karakteristik kuantitas dan kualitas ini, maka perenapan model distribusi BOD dan DO yang sesuai adalah model kualitas air aliran tidak seragam. Beberapa asumsi yang digunakan untuk aliran tidak seragam adalah ; 1)
nilai v, t, H, dan k adalah rata-rata dari nilai observasi setiap titik pengukuran masing-masing ruas sungai
2)
nilai q, dan SL dihitung berdasarkan pers 21 & 22 untuk setiap ruas sungai.
3)
nilai BOD (L) model di setiap titik mengikuti persamaan 29, dari hasil perhitungan parameter sebelumnya.
4)
nilai Defisit Oksigen (D) model setiap titik mengikuti persamaan 30, dari hasil perhitungan parameter sebelumnya.
5)
parameter-perameter model tersebut disusun dalam sebuah tabel sedemikian dan menghasilkan nilai BOD dan defisit oksigen (D) setiap titik secara reciprocal. Berikut adalah kurva kecenderungan kualitas air Sungai Ciliwung parameter
DO-BOD di titik Gadog, Jembatan Situduit, dan Pintu Air Manggarai hasil penelitian Direktorat PPA (1979) dan Saeni (1986). Dari Gambar kurva tersebut memperlihatkan adanya kecenderungan nyata kenaikan nilai BOD dan penurunan konsentrasi DO kea rah hilir.
39 25 20 15
BOD5
10 5
DO 0 Gadog
Satuduit
Manggarai Lo kasi
Gambar 9. Variasi nilai BOD dan DO di Sungai Ciliwung (PPA, 1979 dan Saeni, 1986). Eksistensi Mikrobiologi di Perairan
Menurut Rittmann (2001), spesies bakteri di dalam ekosotem perairan memilki peran penting dalam mentransformasi bebrbagai jenis polutan anorganik dan organik ke dalam bentuk mineral yang tidak berbahaya untuk dimanfaatkan kembali. Kemampuan bakteri untuk mengoksidasi bahan kimia organik hasil sintesis industri maupun dari produk alami dapat dilakukan melalui proses biologis atau normal atau melalui proses pengolahan air limbah. Konversi bahan organik melalui proses anaerobic menghasilkan gas metan yang dapat dimanfaatkan sebagai energi sedang melalui proses aerobic menghasilkan gas karbon dioksida untuk proses fotosintesis tanaman air. Konversi bahan organik seperti amoniak atau nitrat menghasilkan gas nitrogen sebagai unsur penting udara. Namun demikian tidak semua fungsi bakteri bermanfaat bagi manusia, karena sebagian besar diantaranya berupa bakteri pathogen. Oleh karena itu, diperlukan kombinasi antara upaya perlindungan penyakit dan pemanfaatannya untuk membersihkan polutan di dalam badan air dan tanah. Faktor-faktor yang mempengaruhi keberadaan bakteri antara lain suhu, pH, tekanan parsial oksigen dan tekanan osmosis. Klasifikasi bakteri berdasarkan suhu dibedakan kedalaman empat kelompok yaitu; Psychrophile (-5 – 20oC), Mesophile (8-45oC), Thermophile (40-70oC), Hyperthermophile (65-110oC). Pada selang suhu yang lebih tinggi, laju pertumbuhan maksimum lebih tinggi dibandingkan dengan
40
spesies bakteri dengan selang suhu rendah. Apabila selang suhu ini dilampaui maka laju pertumbuhan akan turun cepat sebagai akibat dari terjadinya denaturasi protein bakteri. Menurut Odum (1971), kebanyakan spesies bakteri tumbuh optimum pada kisaran pH 6-8. Kinetika laju pertumbuhan bakteri menjadi hal yang sangat esensiil bagi keperluan dasar teknologi sistem pengolahan air limbah maupun bagi pemahaman perilaku bakteri itu sendiri di alam. Dalam Eckenfeder (1986), pemahaman tersebut dipelopori oleh Michaelis-Menten (1913) dalam teori reaksi enzim. Untuk menjelaskan laju pertumbuhan dan pemakaian substrat oleh mikroorganisme dapat dilihat dalam Rittmann (2001) yang dikemukakan oleh Monod (1940). Hubungan antara laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi substrat terbatas di jelaskan dalam persamaan 48 µsyn = (1/xa.dxa/dt)syn = µ^ .S/(K+S)
(48)
Keterangan : µ xa t S µ^ K
= = = = = =
laju pertumbuhan spesific akibat proses sintesis(1/hari). konsentrasi biomassa aktif (mg/l) waktu (hari) konsentrasi substrat pada laju pemakian substrat terbatas (mg/l) laju pertumbuhan spesifik maksimum (1/hari) konsentrasi subtrat pada saat ½ laju pertumbuhan maksimum (vm)
Persamaan ini menunjukkan transisi kurva laju pertumbuhan bakteri yang halus dan mengikuti orde pertama pada konsentrasi substrat rendah orde nol pada konsentrasi substrat tinggi. Gambar 10, menunjukkan hubungan µ dengan S dan µ = µ^/2 pada K = S. Persamaan 48 sebagian besar berupa pendekakatan yang banyak dipakai untuk menjelasakan kepentingan.
sistem
pertumbuhan
mikroorganisme
bagi
berbagai
macam
41
Gambar 9a. Skema proses sintesis dan laju pertumbuhan spesifik tergantung pada konsentrasi substrat. Pada S = 20 K, µsyn = 0,95µ^ Gambar 9a juga menunjukkan hubungan v terhadap S dan µ dapat bernilai negatif apabila S tidak mencukupi. Pada teknologi lingkungan persamaan 48 ini dikembangkan untuk tujuan menghitung penyisihan substrat (BOD) melalui persamaan hubungan laju pertumbuhan biomassa terhadap laju pemakaian substrat yang dinyatakan dalam persamaan 49 berikut. .rut = qS.xa/(K+S)
(49)
Keterangan : rut = laju pemakaian substrat atau penyisihan BOD (mg/l.hari) q = laju pemakaian substrat spesifik maksimum (mgsubtrat/(mgbiomass/hari) Hubungan pemakaian substrat dan pertumbuhan biomassa adalah : µ^ =q^Y Keterangan : Y = yield hasil sintesis sel (mgbiomassa/mgsubstrat).
(50)
