OPTIMASI PENGGUNAAN KOAGULAN TERHADAP RANCANGAN UNIT KOAGULASI, FLOKULASI, DAN SEDIMENTASI PADA PENGOLAHAN AIR LIMBAH LABORATORIUM
RISSA BUDIARTI
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Optimasi Penggunaan Koagulan terhadap Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi pada Pengolahan Air Limbah Laboratorium adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, September 2013 Rissa Budiarti NIM F44090030
ABSTRAK RISSA BUDIARTI. Optimasi Penggunaan Koagulan terhadap Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi pada Pengolahan Air Limbah Laboratorium. Dibimbing oleh SATYANTO KRIDO SAPTOMO dan ALLEN KURNIAWAN. Air limbah laboratorium Institut Pertanian Bogor (IPB) Dramaga merupakan salah satu air buangan yang berkontribusi menimbulkan pencemaran lingkungan. Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) yang berlokasi di depan Fakultas Kedokteran Hewan berfungsi untuk mengolah air limbah laboratorium sebelum dibuang ke lingkungan, sehingga memenuhi standar baku mutu air limbah. Sistem pengolahan yang digunakan pada IPAL IPB adalah koagulasi, flokulasi, sedimentasi, Filter System (Sand Filter dan Carbon Filter), dan desinfeksi. Penelitian dilakukuan dua tahapan, yaitu tahap pertama penggambilan data primer dan sekunder, serta tahap kedua berupa analisis karakteristik air limbah, pengujian jar test, dan perhitungan rancangan unit. Tujuan dari penelitan ini menganalisis karakteristik air limbah laboratorium, optimasi penggunaan koagulan, dan merancang unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi, serta membuat kesetimbangan massa. Berdasarkan hasil pengujian, parameter pH, NNO2, NH3, H2S sudah memenuhi standar baku mutu. Parameter TDS, COD, BOD, minyak dan lemak belum memenuhi standar baku mutu. Konsentrasi akhir TDS, COD, BOD, serta minyak dan lemak secara berturut-turut sebesar 11273 mg/L, 3300 mg/L, 442 mg/L, dan 181 mg/L. Dosis optimum koagulan yang dapat digunakan untuk pengolahan air limbah laboratorium periode bulan Februari hingga Mei yaitu sebesar 6250 mg/L PAC + 62500 mg/L alum. Hasil perhitungan kesetimbangan massa menunjukkan bahwa konsentrasi TSS yang keluar dari proses pengolahan pada IPAL IPB sudah berada di bawah baku mutu yaitu sebesar 93 mg/L, sedangkan konsentrasi BOD yang dihasilkan masih berada di atas baku mutu yaitu sebesar 331.77 mg/L. Pada unit koagulasi dan flokulasi, kecepatan pengaduk belum sesuai dengan kriteria. Pada unit sedimentasi, BOD dapat di reduksi hingga 48 % dan TSS dapat di reduksi hingga 70 %. Kata kunci: air limbah laboratorium, koagulan, unit pengolahan air limbah
ABSTRACT RISSA BUDIARTI. Optimation of coagulant using towards coagulation, floculation, and sedimentation unit’s design in wastewater treatment plant. Supervised by SATYANTO KRIDO SAPTOMO and ALLEN KURNIAWAN. Laboratories wastewater of Bogor Agricultural University (IPB) Dramaga is one of the parties who contribute environmental pollution. Waste Water Treatment Plant (WWTP) located in front of the Veterinary Medicine Faculty serves to treat wastewater in order that appropiate with the treshold. The systems which is used in WWTP IPB is coagulation, flocculation, sedimentation, filter system (sand filters and carbon filters), and disinfection. The objective of this research is to analyze the characteristics of laboratiories wastewater, optimization
of using coagulants, and designing coagulation-flocculation and sedimentation units, along with making the mass balance. This study done in two stages, the first stage was primary and secondary data collecting and the second stage was wastewater characteristics analyzing, doing jar test, and design units. Based on the results, the parameters pH, N-NO2, NH3, H2S has met quality standards but TDS, COD, BOD, oil and grease do not meet the threshold . The final concentration of TDS, COD, BOD, and oil and grease in a row at 11273 mg /L, 3300 mg/L, 442 mg/L, and 181 mg/L. The optimum dose of coagulant that can be used for wastewater treatment lab was 6250 mg/L PAC + 62500 mg/L alum. The mass balance indicates that TSS concentration at efluent already under the threshold that is 93 mg/L, whereas BOD was still above the threshold which was 331.77 mg / L. On coagulation and flocculation unit, stirrer speed does not meet the criteria. On sedimentation unit, BOD can be reduced up to 48 % and TSS reduction can be up to 70 %. Keywords: laboratories waswater, coagulant, wastewater treatment plant
OPTIMASI PENGGUNAAN KOAGULAN TERHADAP RANCANGAN UNIT KOAGULASI, FLOKULASI, DAN SEDIMENTASI PADA PENGOLAHAN AIR LIMBAH LABORATORIUM
RISSA BUDIARTI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Judul Skripsi : Optimasi Penggunaan Koagulan Terhadap Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi pada Pengolahan Air Limbah Laboratorium Nama : Rissa Budiarti NIM : F44090030
Disetujui oleh
Dr. Satyanto Krido Saptomo, S.TP., M.Si. Pembimbing I
Allen Kurniawan, S.T., M.T. Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof. Dr. Ir. Budi Indra Setiawan, M.Agr Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian ini ialah limbah cair, dengan judul Optimasi Penggunaan Koagulan Terhadap Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi pada Pengolahan Air Limbah Laboratorium. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Satyanto Krido Saptomo, S.TP., M.Si. dan Bapak Allen Kurniawan, S.T., M.T. selaku pembimbing, serta Bapak Sutoyo, S.TP., M.Si. yang telah banyak memberi saran dan bantuan selama penulis berada di lapangan. Di samping itu, penulis menyampaikan penghargaan kepada Bapak Arie Prasetya, Ibu Ety Rohaeti, dan staf-staf departemen yang telah membantu selama pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, keluarga, serta rekan – rekan mahasiswa Teknik Sipil dan Lingkungan Angkatan 2009 atas segala doa dan dukungan yang telah diberikan. Semoga skripsi ini bermanfaat dan dapat digunakan oleh pihak terkait ataupun masyarakat secara luas.
Bogor, September 2013 Rissa Budiarti
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
METODE
3
Waktu dan Tempat Penelitian
3
Alat dan Bahan
3
Prosedur Penelitian
3
Metode Sampling
3
Metode Penentuan Karakteristik Air Limbah
4
Metode Pengujian Jar Test
5
Prosedur Analisis Data
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Analisis Karakteristik Air Limbah Laboratorium
7
Penentuan Dosis Optimum Koagulan dengan Jar Test
9
Kesetimbangan Massa pada Unit Pengolahan Air Limbah Laboratorium
14
Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi
22
SIMPULAN DAN SARAN
29
Simpulan
29
Saran
30
DAFTAR PUSTAKA
30
LAMPIRAN
32
RIWAYAT HIDUP
43
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Alat dan bahan penelitian Hasil analisis parameter air limbah laboratorium IPB Koagulan yang umum digunakan pada pengolahan air dan air limbah Persamaan kesetimbangan debit aliran air limbah IPB Persamaan kesetimbangan padatan dan substrat air limbah IPB Hasil dan variabel kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB Persamaan kesetimbangan debit aliran air limbah dengan lumpur aktif Persamaan kesetimbangan padatan dan substrat air limbah dengan lumpur aktif Hasil dan variabel kesetimbangan massa pada unit pengolahan lumpur aktif Kriteria rancangan unit koagulasi Hasil perhitungan unit koagulasi Kriteria rancangan unit flokulasi Hasil perhitungan unit flokulasi Kriteria rancangan unit sedimentasi Hasil perhitungan unit sedimentasi
3 9 9 16 16 16 19 20 20 23 24 25 26 27 28
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Diagram alir penelitian Diagram alir proses pengujian jar test Grafik hubungan dosis koagulan dengan pH Grafik hubungan dosis koagulan dengan COD Grafik hubungan dosis koagulan dengan TSS Grafik hubungan dosis koagulan dengan turbiditas Grafik hubungan dosis koagulan kombinasi antara COD dengan pH Grafik hubungan dosis koagulan kombinasi antara TSS dengan pH Grafik hubungan dosis koagulan kombinasi antara turbiditas dengan pH Diagram alir kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB Modifikasi kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB menggunakan lumpur aktif 12 Diagram perhitungan unit koagulasi dengan pengaduk mekanik 13 Diagram perhitungan unit flokulasi 14 Diagram perhitungan unit sedimentasi
4 6 10 11 11 12 13 13 14 15 18 23 25 27
DAFTAR LAMPIRAN 1 Data laboratorium IPB dan senyawa kimia dominan 2 Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51 Tahun 1995 Tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kegiatan Industri 3 Data hasil pengukuran jar test 4 Gambar denah unit koagulasi
32 33 34 35
5 6 7 8 9 10 11
Potongan A-A unit koagulasi Gambar denah unit flokulasi Potongan A-A unit flokulasi Gambar denah unit sedimentasi Potongan A-A unit sedimentasi Potongan B-B unit sedimentasi Potongan C-C unit sedimentasi
36 37 38 39 40 41 42
PENDAHULUAN Latar Belakang Buangan air yang tidak dikelola dengan baik akan menyebabkan terjadinya pencemaran air yang berdampak negatif terhadap alam. Seiring dengan semakin tingginya kepedulian masyarakat untuk menjaga keberlanjutan lingkungan, upaya industri ataupun organisasi lainnya dipacu untuk melakukan pengelolaan air limbah melalui perencanaan proses produksi yang efisien, sehingga pencemaran buangan air limbah mampu diminimalkan dan dikendalikan. Berdasarkan Undang-Undang Republik Indonesia Nomor 32 Tahun 2009 tentang Perlindungan dan Pengelolaan Lingkungan Hidup, industri maupun instansi harus bertanggung jawab terhadap pengelolaan limbah yang dihasilkan. Air limbah laboratorium Institut Pertanian Bogor (IPB) Dramaga merupakan salah satu air buangan yang berkontribusi menimbulkan pencemaran lingkungan. Kampus IPB Dramaga terdiri dari 29 departemen. Setiap departemen memiliki laboratorium yang beragam, yaitu laboratorium kimia, biologi, biokimia, teknik, perikanan, peternakan, pertanian, kehutanan, serta kedokteran hewan. Setiap laboratorium tersebut akan menghasilkan limbah dengan karakteristik yang berbeda-beda. Limbah laboratorium dapat berasal dari berbagai sumber, yaitu bahan baku yang sudah kadaluwarsa, bahan habis pakai, produk proses di dalam laboratorium, dan air bekas pencucian alat laboratorium. Pada tahun 2010, Kampus IPB Dramaga telah membangun Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) yang berlokasi di depan Fakultas Kedokteran Hewan. IPAL ini berfungsi untuk mengolah air limbah laboratorium sebelum dibuang ke lingkungan, sehingga memenuhi standar baku mutu air limbah. Sistem pengolahan yang digunakan pada IPAL IPB adalah koagulasi, flokulasi, sedimentasi, Filter System (Sand Filter dan Carbon Filter), dan desinfeksi. Pada kenyataannya, hingga saat ini IPAL tersebut belum diaktifkan karena tidak adanya sumber daya manusia yang dapat mengoperasikan unit pengolahan tersebut dan tidak tersedianya sistem penyaluran air limbah, sehingga air limbah yang berasal dari hasil kegiatan laboratorium hanya dapat ditampung tanpa adanya pengolahan. Salah satu faktor penting yang harus dilakukan sebelum menjalankan IPAL yaitu uji karakteristik air limbah. Hal ini dilakukan untuk mengetahui besarnya kadar polutan yang terkandung dalam air limbah, sehingga nilai kadar polutan maksimal yang masuk dapat disesuaikan terhadap unit pengolahan terpilih. Setelah diketahui karakteristik awal air limbah, pada unit pengolahan kimia membutuhkan penentuan dosis optimum koagulan yang dipakai agar dapat menurunkan nilai kadar polutan dari air limbah tersebut. Hasil dari uji karakteristik dan penggunaan dosis optimum koagulan ini akan disesuaikan dengan kondisi, kapasitas, dan kemampuan dari unit pengolahan pada IPAL tersebut dalam mengolah air limbah. Oleh karena itu, adanya penelitian ini diperlukan guna mengetahui karakteristik awal dan akhir dari air limbah laboratorium IPB, menentukan jenis koagulan dan dosis optimum koagulan yang efektif dalam menurunkan kadar polutan air limbah, serta merancangan unit koagulasi, flokulasi, dan sedimentasi yang sesuai dengan kondisi air limbah yang tersedia saat ini, sehingga dapat menjadi acuan dalam mengoptimalkan penggunaan unit pengolahan pada IPAL IPB.
2 Perumusan Masalah 1. 2. 3.
Rumusan masalah penelitian ini dilihat dari pertanyaan berikut: Berapa nilai karakteristik kontaminan yang terkandung dalam air limbah laboratorium IPB ditinjau dari parameter fisik dan kimia? Berapa nilai dosis optimum koagulan yang dapat dipakai untuk menurunkan kadar polutan air limbah dalam unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi ? Apakah unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi yang ada saat ini sudah sesuai dengan kondisi limbah yang tersedia? Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini: 1. Mengetahui karakteristik air limbah laboratorium sebelum dan setelah melalui proses koagulasi-flokulasi dan sedimentasi. 2. Mengetahui penggunaan koagulan optimum pada unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi. 3. Mengetahui perkiraan reduksi kontaminan pada unit pengolahan air limbah melalui perhitungan kesetimbangan massa. 4. Modifikasi rancangan unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini: 1. Memberikan data karakteristik air limbah laboratorium di Institut Pertanian Bogor yang ditinjau dari parameter terukur. 2. Memberikan dosis optimum koagulan yang sesuai untuk menurunkan kadar polutan air limbah pada unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi. 3. Memberikan rekomendasi tentang proses pengolahan air limbah, khususnya pada unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi. Ruang Lingkup Penelitian 1. 2. 3. 4. 5.
Ruang lingkup penelitian ini: Mengetahui sumber air limbah dari seluruh laboratorium di IPB. Analisis karakteristik awal dan akhir air limbah laboratorium. Penentuan dosis koagulan optimum. Perhitungan kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah. Rancangan unit koagulasi-flokulasi dan sedimentasi.
3
METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan di Kampus IPB Dramaga, Bogor. Penelitian dilakukan dua tahap, yaitu tahap pertama penggambilan data primer dan sekunder selama bulan Februari-Mei 2013, serta tahap kedua berupa analisis karakteristik air limbah, pengujian jar test, dan perhitungan rancangan unit selama bulan JuniJuli 2013. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain : Tabel 1 Alat dan bahan penelitian Alat Seperangkat computer Software Mirosoft Office Turbidity Meter pH Meter Spectrofotometer Timbangan analitik Oven Memmert Kertas saring Tabung COD BOD inkubator Peralatan gelas Jar Test Manual book WWTP IPB
Bahan Air limbah laboratorium IPB Bahan-bahan kimia Koagulan PAC dan Aluminium Sulfat Data sekunder berupa : Jumlah laboratorium IPB Debit air limbah SNI 06-6989.11-2004 SNI 06-2503-1991 SNI 06-6989.15-2004 SNI 06-6989.3-2004 SNI 06-6989.27-2005 SNI 06-6989.10-2004 SNI 06-6989.9-2004
Prosedur Penelitian Penelitian ini dilaksanakan melalui beberapa tahap, seperti yang tertera pada Gambar 1. Metode Sampling Metode sampling digunakan untuk mendapatkan nilai dari parameter yang akan diukur. Pada penelitian ini, sampling diambil pada 30 laboratorium di IPB. Pada setiap laboratorium dilakukan pengambilan contoh uji air limbah sebesar 300 ml. Setelah contoh air limbah terkumpul, air limbah dihomogenkan dalam satu wadah. Air limbah yang telah homogen, diletakkan di ruang terbuka agar terjadi proses evaporasi yaitu perubahan fase cair menjadi uap untuk menghilangkan kandungan organik dalam air limbah.
4
Gambar 1 Diagram alir penelitian Metode Penentuan Karakteristik Air Limbah Pengukuran karakteristik air limbah dilakukan dengan menghomogenkan contoh uji air limbah terlebih dahulu menggunakan stirer selama 15 menit. Pengukuran pH dilakukan dengan menggunakan pH meter digital. Pengukuran pH ini berpedoman pada SNI 06-6989.11-2004 tentang Cara Uji Derajat Keasaman (pH) dengan Menggunakan Alat pH Meter. Pengukuran Biochemical Oxygen Demand (BOD) dilakukan dengan mengukur kandungan oksigen terlarut awal (DOi) dari contoh uji kemudian mengukur kandungan oksigen terlarut pada contoh uji yang telah diinkubasi selama 5 hari (DO5) pada suhu 20⁰C. Selisih DOi dan DO5 merupakan nilai BOD yang dinyatakan dalam miligran oksigen per liter (mg/L). Analisis parameter BOD dan DO ini dilakukan dengan menggunakan metode Winkler yang berpedoman pada SNI 06-2503-1991 tentang Metode Pengujian Kadar Kebutuhan Oksigen Biokimiawi. Penentuan Chemical Oxygen Demand (COD) dilakukan dengan menggunakan metode bikromat yang menghasilkan tingkat oksidasi tinggi. Pengukuran COD berpedoman pada SNI 06-6989.15-2004 tentang Cara Uji Kebutuhan Oksigen Kimiawi dengan Refluks Terbuka Secara Titrimetri.
5 Pengukuran zat padat tersuspensi (Total Suspended Solid / TSS) dilakukan dengan menggunakan kertas saring Whatman Grade 934 AH yang telah dikeringkan dalam oven dengan suhu 103-105 ⁰C. Pengujian TSS berpedoman pada SNI 06-6989.3-2004 tentang Cara Uji Padatan Tersuspensi Total Secara Gravimetri. Pengukuran zat padat terlarut (Total Disolve Solid / TDS) dilakukan dengan menggunakan kertas saring Whatman Grade 934 AH yang telah dikeringkan dalam oven dengan suhu 103-105 ⁰C dan cawan yang telah dipanaskan pada suhu 180 ⁰C. Pengujian TDS berpedoman pada SNI 06-6989.272005 tentang Cara Uji Kadar Padatan Terlarut Total Secara Gravimetri. Pengukuran oil and grease atau minyak dan lemak ini dilakukan secara gravimetri yang berpedoman pada SNI 06-6989.10-2004 tentang Cara Uji Minyak dan Lemak Secara Gravimetri. Pengukuran kadar amoniak (NH3) dilakukan dengan metode spektrofotmetri pada panjang gelombang 400-425 nm. Pengukuran kadar nitrit (N-NO2) dilakukan dengan metode spektrofotmetri pada panjang gelombang 543 nm yang berpedoman pada SNI 06-6989.9-2004 tentang Cara Uji Nitrit (N-NO2) Secara Spektrofotometri. Pengukuran Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) digunakan untuk mengetahui nilai total nitrogen yang terkandung dalam air limbah. Metode ini terdiri dari tiga tahap, yaitu destruksi, destilasi, dan titrasi. Metode Pengujian Jar Test Uji laboratorium untuk proses koagulasi pada pengolahan air limbah dilakukan dengan metode jar test. Pengujian jar test yang dilakukan untuk membandingkan kinerja koagulan yang digunakan untuk mengendapkan padatan tersuspensi pada air limbah laboratorium di unit pengolahan kimia. Koagulan yang digunakan pada penelitian ini yaitu Poly Aluminium Chloride (PAC) dan aluminium sulfat/alum atau tawas (Al2(SO4)3). Pembuatan Larutan Koagulan Konsentrasi larutan koagulan harus ditentukan sebelum pengujian jar test. Pada penelitian ini dibutuhkan koagulan dengan konsentrasi yang besar. Hal ini disebabkan kadar polutan yang tinggi pada contoh uji air limbah terutama pada parameter COD dan TSS. Larutan koagulan masing-masing dibuat dengan konsentrasi 10%. Pada pembuatan koagulan PAC 10 %, 8.26 ml koagulan cair PAC murni dilarutkan ke dalam 100 ml air suling. Setiap 1 ml larutan PAC 10 % terdapat 100 mg koagulan. Pada pembuatan koagulan alum 10 %, 10 gram bubuk alum dilarutkan ke dalam 100 ml air suling. Setiap 1 ml larutan alum 10 % terdapat 100 mg koagulan. Penentuan Dosis Optimum Koagulan Pada pengujian jar test ini, contoh uji air limbah dipindahkan ke dalam gelas ukur dengan penambahan variasi konsentrasi koagulan yang berbeda. Kemudian, pengadukan cepat (rapid mixing) dan pengadukan lambat (slow mixing) dilakukan pada contoh uji. Pengadukan dilakukan dengan kecepatan 100 rpm selama 1 menit, 80 rpm selama 2 menit, 60 rpm selama 3 menit, dan 40 rpm selama 5 menit. Setelah itu, larutan didiamkan mengendap selama 30 menit. Fase cairan yang terbentuk pada proses pengendapan, dianalisis untuk mengetahui parameter pH, turbiditas, COD, dan TSS yang digunakan untuk menentukan dosis optimum koagulan air limbah.
6 Variasi dosis koagulan PAC 10 % dan alum 10 % yang diberikan dimulai dari 1250 mg/L hingga 62500 mg/L, dengan interval yang berbeda-beda. Variasi kombinasi koagulan PAC dan alum ditentukan berdasarkan dosis optimum yang didapat dari hasil pengujian masing-masing koagulan pada pengukuran jar test. Lima variasi dosis koagulan digunakan pada satu kali pengujian jar test. Tahapan proses pengujian jar test dapat dilihat pada Gambar 2. Proses pengolahan air limbah dengan jar test Contoh uji air limbah sebanyak 400 mL dimasukkan ke dalam 5 gelas ukur1000 mL Larutan koagulan dimasukkan ke dalam tiap gelas ukur dengan konsentrasi yang berbeda-beda Variasi dosis PAC
Variasi dosis alum
Variasi dosis PAC + alum
Pengadukan cepat dengan kecepatan 100 rpm selama 1 menit Pengadukan lambat dengan kecepatan 80 rpm selama 2 menit
Pengadukan lambat dengan kecepatan 60 rpm selama 3 menit Pengadukan lambat dengan kecepatan 40 rpm selama 5 menit Pengendapan dilakukan selama 30 menit Analisis pH, turbiditas, TSS, dan COD terhadap fase cairan Gambar 2 Diagram alir proses pengujian jar test
7 Prosedur Analisis Data Perhitungan Kesetimbangan Massa Perhitungan kesetimbangan massa diperlukan untuk mengetahui perubahan nilai konsentrasi substansi pada setiap unit pengolahan. Perubahan nilai tersebut disebabkan oleh produksi bahan kimia, biokimia, atau fenomena fisik. Pada pembuatan diagram alir kesetimbangan massa, data yang diperlukan yaitu berupa laju aliran, nilai konsentrasi cairan berupa BOD, dan nilai konsentrasi padatan berupa TSS. Persamaan umum yang digunakan dalam kesetimbangan massa yaitu: masuk – keluar + penurunan selama proses = akumulasi
(1)
Masuk-keluar mengacu pada pengangkutan bersih zat ke dalam reaktor, penurunan selama proses mengacu pada produksi atau destruksi bersih oleh reaksi atau proses fisik, dan akumulasi adalah jumlah yang tersisa.
Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi Rancangan unit koagulasi, flokulasi, dan sedimentasi dilakukan dengan menentukan dimensi unit menggunakan kapasitas pompa yang tersedia pada IPAL IPB. Pada unit koagulasi dan flokulasi, nilai gradien kecepatan (G) dan waktu detensi (td) diasumsikan berdasarkan dengan kriteria menurut Qasim,et al (2000). Pada unit koagulasi dan flokulasi akan diketahui jenis aliran yang terjadi. Pada unit sedimentasi, kuantitas lumpur yang dihasilkan serta persentase penurunan konsentrasi BOD dan TSS dapat diketahui.
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Karakteristik Air Limbah Laboratorium Menurut Metcalf & Eddy (2003), air limbah adalah kombinasi dari cairan dan sampah cair yang berasal dari daerah pemukiman, perkantoran, dan industri yang terkadang hadir bersama air tanah, air permukaan, dan air hujan. Kegiatan yang dilakukan di laboratorium IPB menghasilkan limbah, khususnya air limbah dari penggunaan bahan kimia dan pencucian alat. Secara umum, karakteristik air limbah hasil kegiatan laboratorium ini berpotensi mengandung bahan dengan kategori B3 (Bahan Berbahaya Beracun), sehingga penanganan khusus diperlukan dengan menggunakan IPAL. Contoh uji air limbah laboratorium yang akan diolah harus dilakukan pengenceran agar konsentrasi parameter yang diukur dapat terdeteksi. Pada penelitian ini, pengambilan contoh uji air limbah laboratorium dilakukan di 30 laboratorium IPB. Data laboratorium dan senyawa kimia dominan pada masing-masing laboratorium dapat dilihat pada Lampiran 1. Uji karakteristik air limbah dilakukan pada kondisi awal dan kondisi akhir setelah pengenceran serta penambahan koagulan. Parameter air limbah yang diuji pada penelitian ini meliputi pH, BOD, COD, TSS, Total Solid (TS), Volatile Suspended Solid (VSS),
8 TDS, oil and grease, N-NO2, NH3, H2S dan TKN. Berdasarkan hasil pengujian, sebagian besar parameter air limbah yang diukur berada jauh di atas baku mutu. Baku mutu yang digunakan pada penelitian ini yaitu Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51 Tahun 1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kegiatan Industri yang dapat dilihat pada Lampiran 2. Hasil dari analisis parameter air limbah laboratorium IPB dapat dilihat pada Tabel 2. Pada air limbah, parameter terpenting yang harus diketahui yaitu COD, BOD, dan TSS. COD adalah sejumlah oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi zat anorganik dalam air untuk proses reaksi secara kimia. Nilai COD akan selalu lebih besar daripada BOD, karena sebagian besar senyawa lebih mudah teroksidasi secara kimia daripada secara biologi. BOD adalah kebutuhan oksigen bagi sejumlah bakteri untuk menguraikan (mengoksidasikan) semua zat organik yang terlarut maupun sebagai tersuspensi dalam air menjadi bahan organik yang lebih sederhana. Kadar BOD limbah juga dipengaruhi oleh TSS yang menggambarkan padatan melayang dalam cairan limbah. Konsentrasi TSS tinggi menyebabkan BOD tinggi, sehingga konsentrasi TSS diupayakan kecil dengan penyaringan, pengendapan, atau penambahan bahan kimia flokulan (Siregar, 2005). Berdasarkan hasil pengujian, konsentrasi awal COD, BOD, dan TSS air limbah laboratorium IPB secara berturut-turut yaitu sebesar 49867 mg/L, 863 mg/L, dan 805 mg/L. Konsentrasi yang diperoleh ini masih tinggi, sehingga penanganan perlu dilakukan agar kadar polutan yang terdapat pada air limbah tersebut dapat tereduksi. Penurunan kadar polutan air limbah laboratorium ini dapat dilakukan dengan pengenceran dan pemberian dosis koagulan pada proses pengolahan kimia. Berdasarkan hasil pengujian, nilai parameter akhir yang diukur mengalami penurunan yang cukup besar, walaupun beberapa parameter berada di atas ambang baku mutu seperti nilai COD dan BOD. Konsentrasi COD akhir sebesar 3300 mg/L dengan baku mutu 300 mg/L dan konsentrasi BOD akhir sebesar 442 mg/L dengan baku mutu 150 mg/L. Konsentrasi TSS akhir telah berada di bawah baku mutu yaitu sebesar 93 mg/L dengan baku mutu 400 mg/L. Kadar polutan yang tinggi pada air limbah disebabkan karena sifat dari air limbah laboratorium yang mengandung bahan kimia yang bersifat asam, basa, organik, serta anorganik dengan jumlah konsentrasi yang besar. Jenis bahan kimia yang umum dipakai di laboratorium antara lain bahan kimia bersifat asam, basa, organik, dan anorganik. Jenis asam-asam kuat yang digunakan seperti Asam Klorida (HCl), Asam Nitrat (HNO3), dan Asam Sulfat (H2SO4). Beberapa asam lemah yang biasa digunakan antara lain Asam Fosfat (H3PO4) dan Asam Karboksilat (HCOOH). Jenis-jenis basa kuat yang umum digunakan seperti Natrium Hidroksida (NaOH) dan Kalium Hidroksida (KOH). Kelompok bahan kimia anorganik meliputi berbagai jenis garam seperti Natrium Klorida (NaCl), Magnesium Klorida (MgCl2), Kalium Klorida (KCl), Merkuri Sulfat (MgSO4), dan berbagai jenis garam lainnya. Bahan kimia organik yang sering digunakan seperti jenis Alkohol, Aldehida, Aseton, dan sebagainya. Karakteristik air limbah laboratorium dapat dikategorikan sebagai limbah bahan berbahaya dan beracun (B3). Sebagian besar unsur-unsur berbahaya yang terdapat dalam air limbah laboratorium adalah logam berat seperti Besi (Fe), Mangan (Mn), Krom (Cr), Merkuri (Hg) (TDS), NH3, N-NO2, dan pH (Said, 2009).
9 Tabel 2 Hasil analisis parameter air limbah laboratorium IPB No
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Parameter
FISIK Temperatur TS VSS TDS TSS KIMIA pH COD BOD Minyak dan lemak Sulfida (H2S) Nitrit (N-NO2) Amoniak (N-NH3) TKN
Satuan
Nilai awal
Nilai akhir
Baku Mutu Kep51/Menlh/10/1995
⁰C mg/L mg/L mg/L mg/L
40 45693 15901 35915 805
39 9113 3306 11273 93
38 – 40 2000 – 4000 200 – 400
mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L
6.5 49867 863 681 1.39 0.07 3 3290
6 3300 442 181 0 0 0.5 646
6.0 – 9.0 100 – 300 50 – 150 5 – 10 0.05 – 0.1 1–3 1–5 -
Penentuan Dosis Optimum Koagulan dengan Jar Test Penentuan dosis optimal koagulan pada proses pengolahan air limbah laboratorium IPB, menggunakan jar test yang merupakan model sederhana dari proses koagulasi-flokulasi. Pada pengolahan air bersih atau air limbah dengan proses kimia, bahan kimia (koagulan) tertentu selalu dibutuhkan untuk menurunkan konsentrasi polutan. Koagulan yang umum digunakan dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3 Koagulan yang umum digunakan pada pengolahan air dan air limbah Reaksi pH Nama Formula Bentuk dengan air optimum Aluminium sulfat, Al2(SO4)3.xH2O Bongkah, Alum sulfat, Alum, Asam 6.0 – 7.8 x = 14,16,18 bubuk Salum NaAlO2 atau Sodium aluminat Bubuk Basa 6.0 – 7.8 Na2Al2O4 Poly Aluminium Cairan, Aln(OH)mCl3n-m Asam 6.0 – 7.8 Chloride, PAC bubuk Ferri sulfat Fe2(SO4)3.9H2O Kristal halus Asam 4–9 Bongkah, Ferri klorida FeCl3.6H2O Asam 4–9 cairan Ferro sulfat FeSO4.7H2O Kristal halus Asam >8.5 Sumber : Sugiarto. 2006
10
pH
Pada penelitian ini digunakan jenis koagulan Poly Aluminium Chloride (PAC) dan aluminium sulfat (alum) atau tawas. Alumunium sulfat dipakai karena efektif untuk menurunkan kadar karbonat. Bahan ini paling ekonomis (murah) dan mudah didapat pada pasaran serta mudah disimpan. Sifat utama dari alum adalah mudah larut dalam air, tidak beracun, dan tidak berbau. PAC mempunyai karakteristik tertentu, seperti padatan berwarna kuning jernih, titik didih lebih dari 100 ⁰C, titik beku sebesar -12 ⁰C, specific grafity pada rentang 1.36-1.38, larut dalam air dan stabil di bawah kondisi biasa. PAC dapat digunakan dengan interval dosis yang luas dan sangat cocok untuk beranekaragam kekeruhan, kebasaan, dan jumlah bahan organik di dalam air. Beberapa keuntungan koagulan PAC adalah selain sangat baik untuk menghilangkan kekeruhan dan warna, memadatkan dan menghentikan penguraian flok, membutuhkan kebasaan rendah untuk hidrolisis, sedikit berpengaruh pada pH, menurunkan atau menghilangkan kebutuhan penggunaan polimer, serta mengurangi dosis koagulan sebanyak 30–70%. Apabila dibandingkan dengan alumunium sulfat, PAC mempunyai efek koagulasi yang lebih baik, sangat cocok digunakan pada temperatur rendah (T<10ºC), flok terbentuk sangat cepat, serta memiliki waktu singkat untuk bereaksi dan mengendap (Wenbin et al., 1999 dalam Yuliati 2006). Pada penelitian ini, percobaan jar test dilakukan 10 kali pengujian dengan variasi dosis koagulan berbeda dalam memberikan perubahan pada setiap parameter yang diuji. Variasi dosis koagulan PAC dan alum yang digunakan yaitu 1250, 2500, 3750, 5000, 6250, 12500, 25000, 37500, 50000, dan 62500 mg/L. Parameter yang diukur pada proses jar test ini yaitu pH, COD, TSS, dan turbiditas. 7 6 5 4 3 2 1 0 0
1250
2500 3750
5000
6250 12500 25000 37500 50000 62500
Dosis Koagulan (mg/l) PAC 10 % Alum 10 %
Gambar 3 Grafik hubungan dosis koagulan dengan pH Keasaman air atau pH ditetapkan berdasarkan tinggi rendahnya konsentrasi ion hidrogen dalam air. Gambar 3 di atas menunjukkan penurunan nilai pH akibat dosis koagulan yang diberikan. Penurunan pH ini diakibatkan sifat asam ketika koagulan dibubuhkan. Penambahan koagulan berbanding lurus dengan perubahan penurunan pH, semakin besar dosis koagulan yang ditambahkan maka penuruan pH air limbah akan semakin besar. Perubahan konsentrasi COD akibat dosis koagulan ditunjukkan pada Gambar 4. Angka COD merupakan ukuran bagi pencemaran air oleh zat anorganik.
COD (mg/l)
11 4200 4100 4000 3900 3800 3700 3600 3500 3400 0
1250 2500 3750 5000 6250 12500 25000 37500 50000 62500 Dosis Koagulan (mg/l) PAC 10 %
Alum 10 %
Gambar 4 Grafik hubungan dosis koagulan dengan COD Dapat terlihat pada Gambar 4, penggunaan koagulan PAC lebih baik dalam menurunkan konsentrasi COD walaupun penurunan yang terjadi tidak konstan, sedangkan penurunan konsentrasi COD terjadi pada koagulan alum secara konstan dari dosis terendah hingga dosis tertinggi. Kondisi konsentrasi COD awal air limbah sebesar 49867 mg/L. Pada koagulan PAC, konsentrasi COD terus mengalami penurunan dari dosis 1250 mg/L hingga 6250 mg/L. Konsentrasi COD mengalami perubahan yang tidak stabil pada dosis 12500 mg/L hingga 62500 mg/L. Konsentrasi COD terendah pada koagulan PAC sebesar 3700 mg/L dengan dosis 6250 mg/L. Pada koagulan alum, konsentrasi COD terendah sebesar 3700 mg/L berada pada dosis 62500 mg/L. Berdasarkan data tersebut, konsentrasi COD terendah pada koagulan PAC dan alum sebesar 3700 mg/L namun dengan dosis koagulan yang berbeda. Penurunan nilai COD pada dosis optimum koagulan PAC dan alum mencapai 92.58 %. Data hasil pengukuran jar test untuk koagulan PAC dan alum dapat dilihat pada Lampiran 3. 700
TSS (mg/l)
600 500 400 300 200 100 0 0
1250
2500
3750
5000
6250 12500 25000 37500 50000 62500
Dosis Koagulan (mg/l) PAC 10 %
Alum 10 %
Gambar 5 Grafik hubungan dosis koagulan dengan TSS TSS (Total Suspended Solid) atau total padatan tersuspensi adalah padatan yang tersuspensi di dalam air berupa bahan-bahan organik dan anorganik yang dapat disaring dengan kertas millipore berpori-pori 0.45 μm. Gambar 5
12
Turbiditas (NTU)
menunjukkan perubahan nilai padatan tersuspensi (TSS) akibat dosis koagulan yang diberikan. Kondisi TSS awal air limbah yaitu sebesar 805 mg/L. Pada koagulan PAC, konsentrasi TSS terendah sebesar 62.50 mg/L berada pada dosis 2500 mg/L dengan persentasi penurunan mencapai 92.24 %, sedangkan konsentrasi TSS kembali mengalami kenaikan pada dosis 3750 mg/L hingga 62500 mg/L. Pada koagulan alum, konsentrasi TSS terendah sebesar 103.33 mg/L berada pada dosis 2500 mg/L dengan persentasi penurunan mencapai 87.16 %, dan terjadi kenaikan konsentrasi kembali pada dosis 3750 mg/L hingga 6250 mg/L. Berdasarkan data tersebut, dosis optimum koagulan PAC dan alum terhadap TSS berada pada dosis 2500 mg/L. Setelah penambahan dosis lebih dari 2500 mg/L, peningkatan konsentrasi TSS terjadi pada kedua koagulan. Naiknya kembali nilai TSS ini diakibatkan karena jumlah koagulan. Jumlah koagulan yang berlebih menyebabkan partikel-partikel koagulan tertinggal di air limbah dan mengkoagulasi kembali (restabilisasi), sehingga berat kertas saring menjadi bertambah pada saat proses penyaringan. Restabilisasi pada umumnya diiringi oleh kembalinya partikel koloid dari negatif menjadi positif akibat penyerapan dari dosis yang berlebih, hal ini menyebabkan tidak semua partikel dapat diendapkan (Akhtar dkk, 1997). Turbiditas atau kekeruhan digunakan untuk menyatakan derajat kegelapan di dalam air yang disebabkan oleh bahan-bahan yang melayang. Pada Gambar 6 menunjukkan perubahan nilai turbiditas akibat dosis koagulan yang diberikan. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
1250 2500 3750 5000 6250 12500 25000 37500 50000 62500 Dosis Koagulan (mg/l) PAC 10 %
Alum 10 %
Gambar 6 Grafik hubungan dosis koagulan dengan turbiditas Kondisi turbiditas awal air limbah yaitu sebesar 360 NTU. Pada dosis PAC, nilai turbiditas terendah sebesar 8.42 NTU berada pada dosis 2500 mg/L, sedangkan pada dosis 3750 mg/L sampai dengan 62500 mg/L nilai turbiditas kembali mengalami kenaikan. Pada dosis alum, nilai turbiditas terendah sebesar 24.28 NTU berada pada dosis 2500 mg/L. Bila dibandingkan dengan konsentrasi TSS, hasil pengukuran turbiditas memiliki nilai optimum yang sama dengan TSS yaitu pada dosis PAC dan alum sebesar 2500 mg/L. Turbiditas berkolerasi positif dengan TSS, semakin tinggi konsentrasi TSS maka semakin tinggi pula nilai turbiditas. Berdasarkan hasil uji coba jar test dengan menggunakan dua jenis koagulan tersebut, parameter pH, TSS, dan turbiditas sudah berada dalam kategori aman, namun untuk parameter COD penurunan nilai yang terjadi masih berada di atas
13
4.45
3700
4.4
3600
pH
4.35
3500
4.3
3400
4.25
3300
4.2 4.15
3200
4.1
3100 0
1250 PAC + 67500 Alum
3750 PAC + 65000 Alum
6250 PAC + 62500 Alum
8750 PAC + 60000 Alum
COD (mg/L)
standar baku mutu. Oleh karena itu, uji coba jar test dilakukan kembali menggunakan kombinasi antara koagulan PAC dan alum untuk mendapatkan hasil yang lebih maksimal dalam menurunkan konsentrasi COD. Variasi dosis koagulan kombinasi PAC dan alum ini dilakukan menggunakan dosis optimum pada kedua kaogulan. Pada uji jar test yang telah dilakukan sebelumnya, dosis optimum PAC untuk menurunkan konsentrasi COD sebesar 6250 mg/L, sedangkan dosis optimum alum sebesar 62500 mg/L. Kedua dosis optimum ini menjadi patokan dalam pembuatan dosis koagulan kombinasi, sehingga lima variasi dosis koagulan kombinasi yang digunakan adalah 1250 mg/L PAC dan 67500 mg/L alum, 3750 mg/L PAC dan 65000 mg/L alum, 6250 mg/L PAC dan 62500 mg/L alum, 8750 mg/L PAC dan 60000 mg/L alum, dan 11250 mg/L PAC dan 57500 mg/L alum.
11250 PAC + 57500 Alum
Dosis Koagulan Kombinasi (mg/L) pH
COD
4.45
300
4.4
250
pH
4.35
200
4.3
150
4.25
100
4.2 4.15
50
4.1
0 0
1250 PAC + 67500 Alum
3750 PAC + 65000 Alum
6250 PAC + 62500 Alum
8750 PAC + 60000 Alum
11250 PAC + 57500 Alum
Dosis Koagulan Kombinasi (mg/L) pH
TSS
Gambar 8 Grafik hubungan dosis koagulan kombinasi antara TSS dengan pH
TSS (mg/L)
Gambar 7 Grafik hubungan dosis koagulan kombinasi antara COD dengan pH
4.45
40 35 30 25 20 15 10 5 0
4.4
PH
4.35 4.3 4.25 4.2 4.15 4.1 0
1250 PAC + 67500 Alum
3750 PAC + 65000 Alum
6250 PAC + 62500 Alum
8750 PAC + 60000 Alum
Turbiditas (NTU)
14
11250 PAC + 57500 Alum
Dosis Koagulan Kombinasi (mg/L) pH
turbiditas
Gambar 9 Grafik hubungan dosis koagulan kombinasi antara turbiditas dengan pH Berdasarkan Gambar 7, Gambar 8, dan Gambar 9, koagulan dapat bekerja secara optimum pada pH 4.2 yang ditandai dengan nilai pH yang tidak mengalami perubahan setelah penambahan dosis di atas 6250 mg/L PAC dan 62500 mg/L alum. Pada Gambar 7, konsentrasi COD mengalami penurunan hingga dosis 6250 mg/L PAC dan 62500 mg/L alum dengan konsentrasi 3300 mg/L, namun mengalami kenaikan kembali pada dosis berikutnya. Pada Gambar 8 dan Gambar 9 juga dapat terlihat bahwa nilai untuk parameter TSS dan turbiditas sama-sama mengalami penurunan hingga dosis 6250 mg/L PAC dan 62500 mg/L alum dan mengalami kenaikan kembali pada dosis berikutnya. Hal ini disebabkan dosis lebih dari 6250 mg/L PAC dan 62500 mg/L alum di dalam air limbah telah mencapai titik jenuh. Titik jenuh pada air limbah ini ditandai dengan koagulan yang sudah tidak dapat mengikat partikel-partikel pada air limbah tersebut yang disebabkan karena jumlah pemberian dosis koagulan terlalu banyak. Berdasarkan hasil tersebut, dosis optimum koagulan yang dapat digunakan untuk pengolahan air limbah laboratorium periode bulan Februari hingga Mei yaitu sebesar 6250 mg/L PAC dan 62500 mg/L alum dengan persentasi penurunan nilai COD mencapai 93.38 %. Akan tetapi, dosis optimum ini belum dapat sepenuhnya dijadikan patokan dalam pengolahan air limbah laboratorium IPB karena kondisi air limbah laboratorium yang selalu berbeda pada setiap semester, sehingga diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai dosis optimum koagulan yang akan digunakan. Kesetimbangan Massa pada Unit Pengolahan Air Limbah Laboratorium Kesetimbangan massa (mass balance) merupakan suatu perhitungan yang dapat digunakan untuk mengetahui perubahan nilai konsentrasi substansi yang terjadi pada suatu reaktor. Kesetimbangan massa ini berhubungan dengan perubahan laju aliran dan konsentrasi suatu zat yang masuk dan yang keluar pada suatu reaktor. Pada perhitungan kesetimbangan massa digunakan tiga data utama, yaitu laju aliran, konsentrasi BOD, dan konsentrasi TSS. Nilai konsentrasi BOD dan TSS yang digunakan pada perhitungan kesetimbangan massa diperoleh dari hasil pengujian jar test dan analisis karakteristik air limbah. Pada penelitian ini dibuat dua perhitungan kesetimbangan massa untuk unit pengolahan air limbah di
15 IPB, yaitu perhitungan kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB dan modifikasi perhitungan kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB dengan menggunakan lumpur aktif. 1. Kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) yang terdapat di IPB dirancang untuk mengolah air limbah hasil kegiatan laboratorium. IPAL dibuat menggunakan sistem pengolahan kimia dan dilanjutkan dengan sistem filtrasi dan sistem ozon. Diagram alir kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Diagram alir kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB Data yang diperlukan dalam perhitungan kesetimbangan massa berdasarkan data primer yang diambil dari kondisi air limbah saat ini. Data-data yang dibutuhkan yaitu : a. Debit aliran (Q0) sebesar 36 m3/hari, konsentrasi BOD awal (S0) sebesar 863 mg/L dan konsentrasi TSS awal (X0) sebesar 805 mg/L. b. Unit collecting tank: nilai reduksi TSS (fPss) sebesar 62.42 %, nilai reduksi BOD (fpBOD) sebesar 46.7%, konsentrasi aliran bawah (underflow) TSS (Xup) sebesar 4%, serta penambahan dosis koagulan PAC dan alum sebesar 68750 mg/L. c. Unit reaction tank: konsentrasi BOD efluen terlarut (SR) sebesar 442 mg/L, koefisien hasil (yield) bersih TSS berdasarkan BOD influen dan BOD5 efluen terlarut (Y) sebesar 0.48 mg TSS yang diproduksi/mg BOD yang dibuang, dan konsentrasi TSS di bak aerasi (XR) sebesar 93 mg/L. d. Unit filtrasi: asumsi konsentrasi TSS pada aliran atas efluen (XF) sebesar 40 % dan konsentrasi TSS pada aliran bawah (XuR) sebesar 0.75%, serta asumsi konsentrasi BOD yg keluar dari filtrasi (SF) sebesar 25%. e. Unit disinfeksi atau ozon sistem: penambahan dosis gas ozon sebesar 3 mg/L. f. Unit sludge drying bed: asumsi padatan yang tertampung pada dasar bak (Ct) sebesar 85% dan konsentrasi aliran bawah TSS (XDB) sebesar 4.5%. g. Specific gravity (berat jenis) TSS diasumsikan sebesar 1.00.
16 Setiap aliran akan mengalami kesetimbangan atau perubahan di setiap unitnya. Persamaan untuk kesetimbangan debit aliran air limbah dibuat berdasarkan proses yang terjadi di tiap unit pengolahan. Persamaan kesetimbangan debit aliran air limbah dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Persamaan kesetimbangan debit aliran air limbah IPB Unit Collecting tank Reaction tank Buffer tank Filter sistem Ozone sistem Sludge drying bed
Persamaan QC = QO – Quc QR = QC – Qpa + Qur QB = QR QF = QB + Quf QZ = QF + QO3 * QDB + QDR = Quc + Qur
No. Persamaan (1) (2) (3) (4) (5) (6)
Catatan: *QO3 adalah laju aliran gas yang tidak mempengaruhi laju aliran, nilai diabaikan.
Pada perhitungan kesetimbangan massa juga terdapat persamaan kesetimbangan padatan (solid balance) dan substrat (substrat balance) yang disajikan pada Tabel 5. Tabel 5 Persamaan kesetimbangan padatan dan substrat air limbah IPB Unit Collecting tank Reaction tank (penambahan koagulan) Reaction tank (kesetimbangan padatan) Reaction tank (kesetimbangan substrat) Filter sistem Ozon sistem Sludge drying bed
XC = (1-fCss)XO SC = (1 – fCBOD)QO SO) / Qc
No. Persamaan (7) (8)
(Qpa Xpa)/Qc = Dpa
(9)
QCXC + rQCXur + ∆X = QRXR QCXC = QRXR + QurXur
(10)
QCSC + rQCSR = QRSR + ∆S
(11)
∆X = Y ∆S XF = (1-fPss)XB SF = (1-fPBOD)QRSR / QF Tidak ada perubahan pada konsentrasi TSS, diasumsikan nilai gas ozon diabaikan
(12) (13) (14)
QucXuc+ Qur Xur = QDR XDR + QDB XDB
(15)
Persamaan
Berdasarkan data primer dan sekunder yang digunakan dalam persamaan diatas, maka hasil perhitungan kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 6 Hasil dan variabel kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB Notasi SO XO QO QC
Deskripsi Konsentrasi BOD influen (mg/L) Konsentrasi TSS influen (mg/L) Debit aliran influen (m3/hari) Debit aliran yang keluar dari collecting tank (m3/hari)
Nilai 863 805 36
Acuan Data primer Data prmer Data primer
35.55
Pers. (1)
17 Notasi XC SC Quc Xuc QR XR SR
Qur
Xur QB QF XF SF Quf Xuf r QDB XDB QDR XDR
Deskripsi Konsentrasi TSS supernatan yang keluar dari collecting tank (mg/L) Konsentrasi BOD yang keluar dari collecting tank (mg/L) Debit aliran bawah yang keluar dari collecting tank (m3/hari) Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari collecting tank (kg/L) Debit aliran yang keluar dari reaction tank (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatan yang keluar dari reaction tank (mg/L) Konsentrasi BOD yang keluar dari collecting tank (mg/L) Debit aliran bawah yang keluar dari reaction tank (m3/hari) Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari reaction tank (mg/L) Debit aliran yang keluar dari buffer tank (m3/hari) Debit aliran yang keluar dari unit filter (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatan yang keluar dari unit filtrasi (mg/L) Konsentrasi BOD efluen unit filtrasi (mg/L) Debit aliran bawah yang keluar dari unit filter (m3/hari) Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari unit filtrasi (kg/L) Rasio debit aliran recycle reaction tank ke debit aliran yang keluar dari collecting tank Debit aliran yang keluar dari sludge drying bed (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatan yang keluar dari sludge drying bed (kg/L) Debit aliran yang keluar dari sludge drying bed menuju collecting tank (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatan efluen sludge drying bed menuju collecting tank (mg/L)
Nilai
Acuan
302.52
Pers. (7)
465.83
Pers. (8)
0.45
Quc = fpssQOXO / Xuc
0.04
Data sekunder
57.81
Per. (2)
93
Data sekunder
442
Data sekunder
0.85
Pers. (2) dan Pers. (10): Qur = [QC(XC-XR)+Qpa(Xpa-XR)] / (Xur – Xr)
7500
Data sekunder
57.81
Pers. (3)
57.76
Pers. (4)
55.80
Pers. (13)
331.77
Pers. (14)
0.05
Quf = fRssQRXR / Xufc
0.045
Data sekunder
0.35 0.52
=
(
− (
)+∆ ) −
=
0.045
Data sekunder
0.78
Pers. (6)
1226.57
Pers. (15)
Pada pengolahan air limbah laboratorium IPB, pengolahan utama terdapat pada unit reaction tank (tangki reaksi). Pada unit ini terjadi proses koagulasi dan flokulasi dengan penambahan bahan kimia (koagulan) yang dilanjutkan dengan proses pengendapan atau sedimentasi. Konsentrasi TSS dan BOD yang masuk ke dalam unit ini secara berturut-turut sebesar 805 mg/L dan 863 mg/L. Berdasarkan hasil perhitungan kesetimbangan massa, pada unit ini konsentrasi TSS dapat direduksi hingga 88.45 % dengan konsentrasi TSS sebesar 93 mg/L dan konsentrasi BOD dapat direduksi hingga 48.78 % dengan konsentrasi sebesar 442
18 mg/L. Lumpur endapan yang dihasilkan pada unit ini mengandung material organik yang cukup tinggi, sehingga lumpur yang berasal dari tangki reaksi akan dialirkan menuju sludge drying bed dengan kapasitas sebesar 0.85 m3/hari. Konsentrasi TSS yang dihasilkan pada unit ini sudah berada di bawah baku mutu, sedangkan untuk konsentrasi BOD masih berada di atas baku mutu yang ditetapkan berdasarkan Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51 Tahun 1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair bagi Kegiatan Industri. Pada unit filtrasi, nilai BOD mengalami penurunan namun masih berada di atas baku mutu dengan konsentrasi sebesar 331.77 mg/L. Oleh karena itu, kinerja IPAL IPB dapat dioptimalkan dengan menambahkan atau memodifikasi unit pengolahan agar nilai karakteristik air limbah yang dihasilkan berada di bawah baku mutu dan dikategorikan aman untuk dibuang ke lingkungan. Salah satu modifikasi yang dapat dilakukan yaitu dengan menambahkan proses biologis menggunakan lumpur aktif. 2. Modifikasi kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB menggunakan lumpur aktif Berdasarkan literatur yang dikemukakan oleh Droste, 1997, Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) yang direncanakan diawali dengan unit screening dan diakhiri dengan unit desinfeksi, serta pengolahan lumpur yang menggunakan unit digester anaerobik dan sentrifugasi. Diagram alir modifikasi kesetimbangan massa proses pengolahan pada setiap unit ini dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11 Modifikasi kesetimbangan massa unit pengolahan air limbah IPB menggunakan lumpur aktif Data yang diperlukan dalam perhitungan kesetimbangan massa berdasarkan data primer yang diambil dari kondisi air limbah saat ini. Data-data yang dibutuhkan yaitu : a. Debit aliran (Q0) sebesar 36 m3/hari, konsentrasi BOD awal (S0) sebesar 863 mg/L dan konsentrasi TSS awal (X0) sebesar 805 mg/L. b. Screens: jumlah material yang terkumpul (Xscw) adalah 0.005 m3/1000 m3. c. Grit chamber: jumlah pasir yang terkumpul (Xgw) adalah 0.008 m3/1000 m3. d. Unit sedimentasi primer: nilai reduksi TSS (fPss) sebesar 88.45 %, nilai reduksi BOD (fpBOD) sebesar 48.78%, konsentrasi aliran bawah (underflow) TSS (Xup)
19
e.
f. g. h. i. j.
k. l.
sebesar 4%, serta penambahan dosis koagulan PAC dan alum sebesar 68750 mg/L. Unit aerasi lumpur aktif: konsentrasi BOD efluen terlarut (SA) sebesar 100 mg/L, koefisien hasil (yield) bersih TSS berdasarkan BOD influen dan BOD5 efluen terlarut (Y) sebesar 0.65 mg TSS yang diproduksi/mg BOD yang dibuang, dan konsentrasi TSS di bak aerasi (XA) sebesar 2000 mg/L. Unit sedimentasi sekunder: konsentrasi TSS pada aliran atas efluen (XS) sebesar 50 mg/L dan konsentrasi TSS pada aliran bawah (XuS) sebesar 0.75%. Unit thickener: asumsi padatan yang tertampung pada dasar bak (Ct) sebesar 85% dan konsentrasi aliran bawah TSS (Xt) sebesar 4.5%. Unit disinfeksi: penambahan dosis gas klorin sebesar 1.5 mg/L. Unit anaerobic digester: reduksi TSS (fAD) yang diharapkan sebesar 55%. Unit sentrifugasi: asumsi 9 kg polimer setiap 1 ton padatan (Dpl), dengan konsentrasi (Xpl) sebesar 80 g/L. Kapasitas yang diharapkan dapat menampung padatan (Cc) sebesar 97.5%, dengan konsentrasi padatan kering (Xck) sebesar 32%. Specific gravity (berat jenis) TSS diasumsikan sebesar 1.00. BOD diasumsikan hanya bertransformasi setelah melalui unit sdimentasi primer dan bak aerasi pada unit lumpur aktif.
Setiap aliran mengalami kesetimbangan atau perubahan di setiap unitnya. Persamaan untuk kesetimbangan debit aliran air limbah dibuat berdasarkan proses yang terjadi di tiap unit pengolahan, sehingga persamaan dapat berubah seiring dengan adanya perubahan pola atau modifikasi pada unit tersebut. Persamaan kesetimbangan debit aliran air limbah dapat dilihat pada Tabel 7. Tabel 7 Persamaan kesetimbangan debit aliran air limbah dengan lumpur aktif Unit Screens Grit Chamber Sedimentasi primer Lumpur aktif (aerasi) Sedimentasi sekunder (Clarifier) Desinfeksi Thickener Digester anaerobic Centrifuge
Persamaan QO = Qsc + Qscw Qsc = Qg + Qgw Qg + Qct + Qts + Qpa = Qp + Qup Qg + Qct + Qts = Qpo Qp + rQp = QA QA = Qs + Qus Qus = Qw + rQp Qs + Qcl * = Qf Qup + Qw = Qts + Qt Qt = Qd Qd + Qpl = Qck + Qct
No. Persamaan (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26)
Catatan: *Qcl adalah laju aliran gas yang tidak mempengaruhi laju aliran, nilai diabaikan.
Pada perhitungan kesetimbangan massa juga terdapat persamaan kesetimbangan padatan (solid balance) dan substrat (substrat balance) yang disajikan pada Tabel 8.
20 Tabel 8 Persamaan kesetimbangan padatan dan substrat air limbah dengan lumpur aktif Unit Screens Grit Chamber Sedimentasi primer (penambahan koagulan) Sedimentasi primer (kesetimbangan padatan) Rasio reduksi padatan Sedimentasi primer ( kesetimbangan substrat) Lumpur aktif, aerasi (kesetimbangan padatan) Lumpur akif , aerasi (kesetimbangan substrat) Sedimentasi sekunder (Clarifier) Desinfeksi Thickener Digester anaerobic Sentrifugasi
QOXscw = Qscw Qsc Xgw = Qgw
No. Persamaan (27) (28)
(Qpa Xpa)/Qg = Dpa
(29)
QgX0+Qct Xct+Qts Xts+Qpa Xpa = QpXp+QupXup QgX0+Qct Xct+Qts Xts = Qpo Xpo (QpXp)/(Qpo Xpo) = fPss
(30) (31) (32)
Qg So = rQp Sp + fPBOD Qg So
(33)
QpXp + rQpXus + ∆X = QAXA
(34)
QpSp + rQpSA = QASA + ∆S
(35)
∆X = Y ∆S
(36)
QAXA = QsXs + QusXus
(37)
Tidak ada perubahan pada konsentrasi TSS, diasumsikan nilai gas klorin diabaikan QupXup+ Qw Xus = Qts Xts + Qt Xt QtXt / (Qup Xup + Qw Xus) = Ct Qt Xt = Qd Xd + fADQtXt (QptXpt) / (Qd Xd) = Dpt Qd Xd + Qpl Xpl = QckXck + Qct Xct QckXck / (Qd Xd + Qpl Xpl) = Cc
(38) (39) (40) (41) (42) (43)
Persamaan
Berdasarkan data primer dan sekunder yang digunakan dalam persamaan diatas, hasil perhitungan kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB dengan menggunakan lumpur aktif dapat dilihat pada Tabel 9. Tabel 9 Hasil dan variabel kesetimbangan massa pada unit pengolahan lumpur aktif Notasi SO XO QO Qsc Qscw Xscw Qg Qgw Xgw Qpo
Deskripsi Konsentrasi BOD influen (mg/L) Konsentrasi TSS influen (tidak termasuk screens dan grit chamber) (mg/L) Debit aliran influen (m3/hari) Debit aliran setelah screens (m3/hari) Laju volumetrik screens (m3/detik) Jumlah material yang terkumpul di screens (m3/1000 m3) Debit aliran setelah grit chamber (m3/hari) Laju volumetrik grit chamber (m3/detik) Jumlah pasir yang terkumpul di grit chamber (m3/1000 m3) Total debit aliran yang masuk ke sedimentasi
Nilai 863
Acuan Data primer
805
Data prmer
36 36 0.00018
Data primer Pers. (16) Pers. (27)
0.005
Data sekunder
36 0.00028
Pers. (17) Pers. (28)
0.008
Data sekunder
36.86
Pers. (19)
21 Notasi
Deskripsi
Nilai
Acuan
3
Xpo Qp Xp Sp Xup Qup QA SA QS XS Qus Xus R Qf Qw Qt Xt Qts Xts Qd
primer (m /hari) Total konsentrasi TSS yang masuk ke sedimentasi primer (mg/L) Debit aliran supernatan yang keluar dari sedimentasi primer (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatan yang keluar dari sedimentasi primer (mg/L) Konsentrasi BOD yang keluar dari sedimentasi primer (mg/L) Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari sedimentasi primer (kg/L) Debit aliran bawah yang keluar dari sedimentasi primer (m3/hari) Debit aliran yang keluar dari aerasi (m3/hari) Konsentrasi BOD efluen dari aerasi (mg/L) Debit aliran supernatan yang keluar dari sedimentasi sekunder (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatant yang keluar dari sedimentasi sekunder (mg/L) Debit aliran bawah yang keluar dari sedimentasi sekunder (m3/hari) Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari sedimentasi sekunder (mg/L) Rasio debit aliran recycle sedimentasi sekunder ke debit aliran yang keluar dari sedimentasi primer Debit aliran efluen dari desinfeksi (m3/hari) Debit aliran limbah lumpur aktif dari sedimentasi sekunder (m3/hari) Debit aliran bawah yang keluar dari thickener (m3/hari) Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari thickener (kg/L) Debit aliran supernatan yang keluar dari thickener menuju sedimentasi primer (m3/hari) Konsentrasi TSS supernatan yang keluar dari thickener menuju sedimentasi primer (mg/L) Debit aliran bawah yang keluar dari anaerobic digester (m3/hari)
Pers. (31) 47.76
Pers. (18)
93
Xp = (1 – fpSS ) Xo
333.18
Pers. (33)
0.040
Data sekunder
64.32 100
Qup = [Qo(Xo-Xp)+Qpa(Xpa-Xp)] / (Xup-Xp) Pers. (20) Data sekunder
47.48
Pers. (21)
50
Data sekunder
16.84
Pers. (21) dan Pers. (37): ( − ) = −
7500
Data sekunder
0.61
47.48
Pers. (34) dan Pers. (20): − +∆ = ( − ) Pers. (23)
0.28
Pers. (22)
0.35
Pers. (39) dan Xt: 0.50
=
0.045
Data sekunder
0.39
Pers. (24)
10310.3
Pers. (38)
0.50
Pers. (25) Pers. (40) dan Xd :
Xd
Konsentrasi TSS aliran bawah yang keluar dari anaerobic digester (g/L)
20.25
Qpl
Laju aliran conditioning polimer untuk sentrifugasi (m3/hari)
0.001
= Pers. (41)
22 Notasi Xpl Qck Xck Qct Xct
Deskripsi Konsentrasi TSS polimer untuk centrifuge (kg/L) Debit volumetric pembuangan padatan kering (cake) dari centrifuge (m3/hari) Konsentrasi TSS padatan kering yang keluar dari cemtrifuge (kg/L) Debit aliran centrate dari centrifuge menuju influen sedimentasi primer (m3/hari) Konsentrasi TSS centrate dari centrifuge menuju influen sedimentasi primer (mg/L)
Nilai
Acuan
80
Data sekunder Pers. (43) dan Xck :
0.03
=
0.32
Data sekunder
0.47
Pers. (26)
543
Pers. (42)
Berdasarkan hasil perhitungan modifikasi kesetimbangan massa pada unit pengolahan air limbah IPB menggunakan lumpur aktif, konsentrasi TSS setelah melalui pengolahan lumpur aktif diharapkan dapat direduksi hingga 50% dengan konsentrasi TSS sebesar 50 mg/L dan konsentrasi BOD dapat direduksi hingga 40% dengan konsentrasi sebesar 100 mg/L. Konsentrasi TSS dan BOD yang dihasilkan ini sudah berada diatas baku mutu yang ditetapkan. Pada pengolahan lumpur aktif, lumpur padat atau flok-flok akan terbentuk oleh kerja mikroorganisme (bakteri dan protozoa) yang terdapat pada lumpur tersebut. Pada pengolahan ini dibutuhkan oksigen yang cukup sebagai konsumsi bakteri agar dapat aktif dalam memakan kandungan organik dalam air limbah. Semakin tinggi kandungan oksigen terlarut dalam air maka semakin tinggi pula kemampuan air untuk memulihkan diri sendiri. Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi Pada IPAL IPB, unit koagulasi, flokulasi, dan sedimentasi berada pada satu unit pengolahan yang disebut dengan reaction tank. Pada unit ini, koagulan ditambahkan ke dalam tangki untuk mereduksi beban pencemar yang terdapat pada air limbah. Pengadukan yang digunakan pada unit ini yaitu pengadukan dengan tipe mekanik. Setelah melalui proses pengadukan cepat (koagulasi) dan pengadukan lambat (flokulasi), air limbah diendapkan pada proses sedimentasi. Simulasi proses pengolahan koagulasi, flokulasi, dan sedimentasi telah dilakukan pada pengujian jar test. Pada kenyataannya, pengolahan air limbah di IPAL IPB belum pernah dijalankan, sehingga belum dapat dibandingkan kesesuaian antara rancangan unit yang ada dengan kriteria rancangan berdasarkan literatur. Pada penelitian ini dilakukan perhitungan rancangan unit koagulasi, flokulasi, dan sedimentasi dengan tidak menggabungkan ketiga unit tersebut. Hal ini dilakukan agar debit aliran, kondisi aliran, dan waktu detensi yang dibutuhkan di setiap unit dapat diketahui. Data yang digunakan pada perhitungan ini berdasarkan dengan data yang berada di lapangan dan asumsi berdasarkan literatur. Unit Koagulasi Menurut Steel dan McGhee (1985), koagulasi diartikan sebagai proses kimia fisik dari pencampuran bahan kimia ke dalam aliran limbah dan selanjutnya diaduk cepat dalam bentuk larutan tercampur. Sistem koagulasi yang digunakan
23 dalam pengolahan ini adalah sistem mekanis. Sistem ini menggunakan pengaduk untuk menciptakan gerak turbulen yang memungkinkan air mengalami pencampuran. Pengadukan secara mekanis merupakan metode yang umum digunakan karena metode ini dapat diandalkan, efektif, fleksibel pada pengoperasiannya, dan memiliki headloss yang sangat kecil. Pada umumnya, pengadukan cepat dilakukan dengan menggunakan turbine impeller, paddle impeller, atau propeller untuk menghasilkan turbulensi (Reynolds, 1982). Diagram perhitungan rancangan unit koagulasi secara mekanis tertera pada Gambar 12.
Gambar 12 Diagram perhitungan unit koagulasi dengan pengaduk mekanik Tabel 10 Kriteria rancangan unit koagulasi Faktor Rancangan Nilai Gradien hidrolik (G) 950 (detik-1) Kondisi aliran NRe > 10,000 Waktu detensi (td) 10 detik – 5 menit G x td 30,000 – 60,000 Sumber : Qasim, et.al , 2000 Debit yang digunakan dalam perhitungan yaitu debit pompa sebesar 36 m /hari. Berdasarkan Qasim, et.al (2000), gradien hidrolik diasumsikan bernilai 950 detik-1 dan jumlah unit yang direncanakan yaitu 2 unit. Berdasarkan hasil perhitungan (Tabel 11), waktu detensi pada unit ini yaitu 60 detik sesuai dengan kriteria desain yang tertera pada Tabel 10. Menurut Yan, et al. (2009), lamanya waktu pengadukan berbanding terbalik dengan nilai gradien kecepatan, semakin kecil nilai gradien kecepatan maka semakin besar lamanya waktu pengadukan. 3
24 Tabel 11 Hasil perhitungan unit koagulasi Faktor Rancangan Debit tiap unit (m3/detik) Lebar bak (l), m Panjang bak (p), m Tinggi bak (t), m Volume bak (V), m3 Waktu detensi (td), detik Gradien kecepatan (G), detik-1 Tenaga pengaduk (P), kW Kecepatan pengaduk (n), rpm Kondisi aliran (NRe)
Nilai 2.1×10-04 0.2 0.2 0.3 0.0125 60 950 0.01 208 84613
Acuan Pers. 44 Pers. 45 H = 1.25 x lebar bak Pers. 45 Pers. 46 Data sekunder Pers. 47 Pers. 48 Pers. 49
Pada unit koagulasi, pengadukan dilakukan dengan tipe mekanis. Pengaduk yang digunakan berjenis radial flow-straigt blade turbine-4 blade (w/d = 0.20) dengan nilai tenaga (Np) sebesar 3.30 dan diameter diasumsikan sebesar 0.15 meter. Tenaga pengaduk yang dihasilkan dari Persamaan 47 yaitu sebesar 0.01 kW. Setelah mengetahui nilai tenaga pengaduk, kecepatan pengaduk didapatkan dari Persamaan 48 dengan nilai sebesar 208 rpm. Menurut Sincero (2003), pengaduk besar memiliki putaran dangan kisaran 1150-1750 rpm dan pengaduk kecil dengan kisaran 400-800rpm. Putaran yang dihasilkan dari perhitungan ini belum memenuhi kriteria menurut Sincero (2003). Hal ini dapat disebabkan karena debit yang digunakan pada unit ini sangat kecil sehingga menyebabkan dimensi yang diperoleh kecil. Diameter pengaduk yang direncanakan disesuaikan dengan lebar bak yang tersedia, sehingga semakin kecil diameter maka putaran yang dihasilkan akan semakin kecil. Perhitungan Bilangan Reynold didapatkan dari Persamaan 49 dengan nilai sebesar 84,613, sehingga kondisi aliran termasuk jenis aliran turbulen (NRe > 104) sesuai dengan kriteria Qasim, Motley, & Zhu, (2000). Bilangan Reynold lebih besar dari 104 akan menimbulkan aliran turbulen, sehingga olakan yang terjadi akan membuat koagulan tercampur secara merata dengan air. Unit Flokulasi Proses flokulasi merupakan suatu proses dengan pengadukan lambat yang dilakukan setelah proses koagulasi, berfungsi untuk mempercepat penggabungan partikel-partikel koloid sehingga terbentuk partikel-partikel berukuran besar yang dengan mudah dan cepat mengendap secara gravitasi. Flok-flok kecil yang sudah terbentuk di koagulator akan menjadi lebih besar pada unit ini. Faktor-faktor yang mempengaruhi bentuk flok yaitu kekeruhan pada air baku, TSS, pH, alkalinitas, bahan koagulan yang dipakai, dan lamanya pengadukan (Sutrisno, 2002 dalam Afriani, 2007). Diagram perhitungan unit flokulasi dapat dilihat pada Gambar 13.
25
Gambar 13 Diagram perhitungan unit flokulasi Tabel 12 Kriteria rancangan unit flokulasi Faktor Rancangan Nilai Gradien hidrolik (G) 15 – 60 (detik-1) Kondisi aliran NRe > 10,000 Waktu detensi (td) 30 – 60 menit Sumber : Qasim, et.al, 2000 Debit yang digunakan dalam perhitungan yaitu debit pompa sebesar 36 m /hari. Berdasarkan Qasim, et.al, (2000), gradien hidrolik yang dirncanakan bernilai 60 detik-1 dan jumlah unit yang direncanakan yaitu satu unit. Berdasarkan hasil perhitungan (Tabel 13), waktu detensi pada unit ini yaitu 45 detik sesuai dengan kriteria desain yang tertera pada Tabel 12. 3
Tabel 13 Hasil perhitungan unit flokulasi Faktor Rancangan Nilai 3 Volume, m 0.5625 Lebar bak (l), m 3 Kedalaman air (t), m 0.43 panjang bak (p), m 0.45 3 Volume bak (V), m 0.585 Waktu detensi (td), menit 45
Acuan Pers. 50 Pers. 52 V=pxlxt Data sekunder
26 Faktor Rancangan Gradien kecepatan (G), detik-1 Tenaga pengaduk (P), kW Panjang paddle, m Diameter (d), m Kecepatan flokulator (n), rpm Bilangan Reynold (NRe)
Nilai 60 0.002 0.4 0.37 7 14,987
Acuan Data sekunder Pers. 53 Data sekunder Pers. 54 Pers. 55 Pers. 56
Pada unit flokulasi, pengadukan dilakukan dengan tipe mekanis. Berdasarkan hasil perhitungan, pada Persamaan 52 didapat tinggi bak 0.43 meter dan diasumsikan lebar bak sebesar 3 meter. Volume bak yang dirancang sebesar 0.585 m3 dengan debit berdasarkan unit flokulasi sebesar 0.00021 m3/detik. Tenaga pengaduk yang dihasilkan dari Persamaan 53 yaitu sebesar 0.001 kW. Panjang paddle diasumsikan 0.4 m dengan diameter 0.37 m. Setelah mengetahui nilai tenaga pengaduk, kecepatan pengaduk didapatkan dari Persamaan 55 dengan nilai sebesar 7 rpm. Kecepatan pengaduk yang diperoleh ini tidak sesuai dengan perencanaan awal yang dibuat oleh kontraktor yaitu untuk kecepatan pengaduk pada unit flokulasi sebesar 20 – 40 rpm. Hal ini dapat disebabkan karena debit yang masuk kedalam unit ini terlalu kecil sehingga mempengaruhi kapasitas pengaduk. Pada perhitungan Bilangan Reynold didapatkan nilai sebesar 14,987 sesuai dengan kriteria Qasim, et.al (2000) dengan bilangan reynold > 104. Unit Sedimentasi Menurut Reynolds (1982), sedimentasi adalah pemisahan padatan dan cairan dengan menggunakan pengendapan secara gravitasi untuk memisahkan partikel tersuspensi yang terdapat dalam cairan. Menurut Qasim, et.al (2000), pengendapan yang terjadi pada bak sedimentasi dapat dibagi menjadi empat kelas, yaitu : 1. Pengendapan Tipe I, Free Settling (contoh : prasedimentasi dan pengendapan pasir pada grit chamber). 2. Pengendapan Tipe II, Flocculent Settling (contoh : pengendapan primer pada air buangan dan pengendapan pada air yang telah melalui proses koagulasi dan flokulasi). 3. Pengendapan Tipe III, Zone/Hindered Settling. 4. Pengendapan Tipe IV, Compression Settling. Bak sedimentasi yang ideal dibagi menjadi 4 zona, yaitu zona inlet, zona outlet, zona lumpur, dan zona pengendapan. Ada tiga bentuk dasar dari bak pengendapan, yaitu rectangular, circular, dan square (Reynolds, 1982). Pada penelitian ini, bak sedimentasi dirancang dengan menggunakan bentuk circular. Bentuk circular atau melingkar lebih menguntungkan apabila ditinjau secara teknis dan operasional. Bentuk circular tidak memerlukan perawatan yang khusus, pemisahan lumpur lebih cepat, dan efisiensi pemisahan lebih besar. Kelemahan pada bentuk ini, yaitu memerlukan biaya yang tidak sedikt dalam merancangnya. Diagram perhitungan unit sedimentasi tertera pada Gambar 14.
27
Gambar 14 Diagram perhitungan unit sedimentasi Tabel 14 Kriteria rancangan unit sedimentasi Parameter Rancangan Limpasan saat aliran desain rataan, m3/m2 hari Panjang bak (l), m Rasio panjang terhadap lebar Rasio panjang terhadap kedalaman Kedalaman air, m Lebar, m Waktu detensi, jam Beban pada sekat ukur, m3/m hari Debit rata-rata bak, m3/detik
20 – 50
Kriteria rancangan digunakan 20
10 – 100 1 – 7.5 4.2 - 25 2.5 – 5 3 – 24 >1.5 372 -
2 3 3 372 0.00042
Kriteria rancangan
28 Tabel 15 Hasil perhitungan unit sedimentasi Faktor Rancangan Dimensi basin Luas permukaan, m2 Panjang, m Kedalaman air, m Lebar, m Diameter (D), m Free board, m Rata-rata kedalaman dasar-atas bak, m Laju limpasan saat aliran desain rata-rata, m3/m2 hari Volume rata-rata bak, m3 Waktu detensi saat aliran puncak, jam Struktur influen Debit di setiap saluran, m3/detik Kecepatan aliran pada saluran saat aliran ratarata, m3/detik Delta H, m Struktur efluen Aliran debit puncak per bak, m3/hari Panjang sekat ukur, m Panjang total sekat ukur, m Weir loading aktual, m3/m hari Jumlah v-notch Debit rata-rata per v-notch saat aliran ratarata, m3/detik Kedalaman pada notch (H), m Lebar launder, m Lebar efluen box, m Diameter pipa outlet, m Kedalaman air di efluen box, m Kedalaman air pada efluen launder (y2), m Aliran pada tiap efluen launder, m3/detik y1, m Kedalaman aliran pada akhir saluran, m Total kedalaman aliran di efluen launder, m
Nilai
Acuan
1.8 6 2.5 3 2.5 0.2 2.7 20
Per. 57 Pers. 59 Asumsi Pers. 58 Asumsi Pers. 60 Pers. 61
49.06 3
Pers. 62 Asumsi
2.1×10-04 2.1×10-04
Pers. 64 Pers. 65
4×10-08
Pers. 66
36 0.10 0.90
Data sekunder Pers. 67 Pers. 68 = (aliran debit puncak perbasin) / (panjang total weir) Pers. 69
40.43 68 6.2×10-06 0.006 0.4 0.5 0.5 1 0.54 2.1×10-04 0.54 0.68 1.08
Pers. 69 Pers.70 Pers. 71 Pers. 72 = y1 x 1.25 = (kedalaman aliran pada akhir saluran) + (lebar launder)
Sedimentasi dirancang dengan menggunakan dua kolam sedimentasi untuk memaksimalkan hasil reduksi limbah yang dikelola di dalam unit ini. Selain itu, apabila salah satu dari kolam tersebut sedang mengalami kerusakan atau perbaikan, maka satu kolam lagi dapat dijadikan sebagai cadangan agar limbah yang masuk kedalam unit masih dapat direduksi secara maksimal. Berdasarkan hasil perhitungan dengan menggunakan debit rata-rata sebesar 36 m3/hari, lebar
29 bak yang dihasilkan sebesar 3 m dan panjang 6 meter dengan kedalaman bak direncanakan sebesar 2.5 m. Limpasan yang terjadi dengan dimensi dan debit yang direncanakan mencapai 20 m3/m2 hari. Waktu detensi saat mencapai debit puncak sebesar 2.4 jam. Pada struktur efluen, panjang total pelat sekat ukur sebesar 0.9 m dengan beban aktual sebesar 40.43 m3/m hari. Kuantitas lumpur yang diproduksi per hari sebesar 18.11 kg. Berdasarkan hasil perhitungan, dimensi panjang unit sedimentasi dengan menggunakan bentuk circular ini belum masuk kedalam kriteria rancangan unit sedimentasi yang disyaratkan (Tabel 14). Dimensi yang diperoleh pada perhitungan sangat kecil dikarenakan debit yang masuk kedalam unit ini sangat kecil. Oleh karena itu, debit aliran yang masuk dapat diperbesar sehingga dimensi yang diperoleh dapat memenuhi syarat. Pada unit sedimentasi, BOD dapat di reduksi hingga 48 % dengan konsentrasi BOD sebesar 442 mg/L dan TSS dapat di reduksi hingga 70 % dengan konsentrasi TSS sebesar 93 mg/L.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan 1.
2.
3.
4.
Berdasarkan hasil pengujian air limbah laboratorium IPB, parameter seperti pH, N-NO2, NH3, H2S sudah memenuhi standar baku mutu. Parameter TDS, COD, BOD, minyak dan lemak belum memenuhi standar baku mutu Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51 Tahun 1995. Konsentrasi akhir TDS, COD, BOD, serta minyak dan lemak secara berturutturut sebesar 11273 mg/L, 3300 mg/L, 442 mg/L, dan 181 mg/L. Konsentrasi kadar polutan yang tinggi disebabkan karena sifat dari air limbah laboratorium mengandung bahan kimia yang bersifat asam, basa, organik, serta anorganik dengan jumlah konsentrasi yang besar. Berdasarkan hasil pengujian jar test, dosis optimum koagulan yang dapat digunakan untuk pengolahan air limbah laboratorium periode bulan Februari hingga Mei yaitu sebesar 6250 mg/L PAC + 62500 mg/L alum dengan persentasi penurunan nilai COD mencapai 93.38 %. Akan tetapi, dosis optimum ini belum dapat sepenuhnya dijadikan patokan dalam pengolahan air limbah laboratorium IPB karena kondisi air limbah laboratorium yang selalu berbeda pada setiap semester. Hasil perhitungan kesetimbangan massa menunjukkan bahwa konsentrasi TSS yang keluar dari IPAL IPB sudah berada di bawah baku mutu yaitu sebesar 93 mg/L, sedangkan konsentrasi BOD yang dihasilkan masih berada di atas baku mutu yaitu sebesar 331.77 mg/L. Berdasarkan hasil perhitungan kesetimbangan massa menggunakan lumpur aktif, konsentrasi TSS setelah melalui pengolahan lumpur aktif diharapkan dapat di reduksi hingga 50% dengan konsentrasi TSS sebesar 50 mg/L dan konsentrasi BOD dapat di reduksi hingga 40% dengan konsentrasi sebesar 100 mg/L. Unit koagulasi dan flokulasi dirancang dengan menggunakan pengaduk tipe mekanis. Berdasarkan perhitungan, kecepatan pengaduk pada unit koagulasi sebesar 208 rpm. Pada unit flokulasi, kecepatan pengaduk yang diperoleh sebesar 7 rpm belum sesuai dengan perencanaan awal sebesar 20-40 rpm. Kecepatan pengaduk dapat ditingkatkan dengan memperbesar diameter
30 pengaduk. Kondisi aliran pada unit koagulasi dan flokulasi termasuk jenis aliran turbulen (NRe>104), sehingga olakan yang terjadi akan membuat koagulan tercampur secara merata. Pada unit sedimentasi, BOD dapat di reduksi hingga 48 % dengan konsentrasi BOD sebesar 442 mg/L dan TSS dapat di reduksi hingga 70 % dengan konsentrasi TSS sebesar 93 mg/L. Saran 1. Percobaan jar test dilakukan setiap akan melakukan proses pengolahan air limbah untuk mengetahui dosis optimum koagulan yang akan digunakan pada unit koagulasi dan flokulasi. 2. Penelitian lanjutan mengenai modifikasi IPAL IPB diperlukan dengan menambahkan unit pengolahan biologis dengan menggunakan lumpur aktif agar karakteristik air limbah yang dihasilkan berada di bawah baku mutu. 3. Sumberdaya manusia diperlukan untuk mengoperasikan IPAL IPB, sehingga IPAL dapat digunakan dengan optimal.
DAFTAR PUSTAKA Akhtar, Waseem, Muhammad, R., Iqbal, A. 1997. Optimum Design of Sedimentation Tanks Based on Settling Characteristics of Karachi Tannery Wastes. Pakistan: Institute of Environment Engineering and Research, NED University of Engineering and Technology. Water, Air, and Soil Pollution Volume 98: 199-211 Arifiani, Nur Fajri. 2007. Evaluasi Desain Instalasi Pengolahan Air PDAM Ibu Kota Kecamatan Prambanan Kabupaten Klaten. Jurnal Presipitasi. Vol. 3 No. 2 ISSN 1907-187X Droste, R.L. 1997. Theory and Practice of water and Wastewater Treatment. John Wiley & Sons : New York. Menteri Negara Lingkungan Hidup. 1995. Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51 Tahun 1995 Tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kegiatan Industri. Metcalf & Eddy. 2003. Wastewater Engineering : Treatment, Disposal and Reuse 4th Edittion. New York : McGraw Hill. Qasim, S.R. 1998.Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and Operation. Boca Raton-Florida: CRC Press. Qasim, S.R., Motley, E.M., Zhu, G. 2000. Water Works Engineering Planning, Design, & Operation. Dallas-Texas: Prentice-Hall. Said M. 2009. Pengolahan Air Limbah Laboratorium dengan Menggunakan Koagulan Alum Sulfat dan Poli Aluminium Klorida (PAC). Jurnal Penelitian Sains: Edisi Khusus Desember 2009 (C). Palembang: Universitas Sriwijaya. Sincero, Arcadio P., Sincero, Gregoria A. 2003. Physical-chemical Treatment of Water and Wastewater.Boca Raton-Florida :IWA Publishing. Siregar, S.A. 2005. Instalasi Pengolahan Air Limbah. Yogyakarta : Kanisius.
31 Steel, E.W. dan McGhee. 1985. Water Supply and Sewerage. McGraw-Hill Inc., New York. Reynolds, T.D. 1982. Unit Operation and Process in Environmental Engineering. Wadsword Inc., California. Yan, Mungquan, Liu, Hailong, Wang, Dongsheng, Ni, Jinren, Qu, Jiuhui. 2009. Natural Organic Matter Removal by Coagulantion: Effect of Kinetics and Hydraulic Power. Water Science & Technology: Water Supply-WSTWS 9.1. Yuliati, Suci. 2006. Proses Koagulasi-Flokulasi Pada Pengolahan Tersier Limbah Cair di PT. Capsugel Indonesia [Skripsi]. Bogor. Institut Pertanian Bogor.
32 Lampiran 1 Data laboratorium IPB dan senyawa kimia dominan
33 Lampiran 2 Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51 Tahun 1995 Tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kegiatan Industri
No
Parameter
1 2 3
Temperatur Zat padat larut Zat padat tersuspeni
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
pH Besi terlarut (Fe) Mangan terlarut (Mn) Barium (Ba) Tembaga (Cu) Seng (Zn) Krom Heksavalen (Cr+6) Krom Total (Cr) Cadmium (Cd) Raksa (Hg) Timbal (Pb) Stanum Arsen Selenum Nikel (Ni) Kobalt (Co) Slanida (CN) Sulfida (H2S) Flourida (F) Klorin bebas (Cl2) Amonia bebas (NH3-N) Nitrat (NO3-N) Nitrit ( NO2-N) BOD5 COD Senyawa aktif biru metilen Fenol Minyak Nabati Minyak Mineral Radioaktif
Satuan FISIK der.C mg/L mg/L KIMIA mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L -
Golongan Baku Mutu Limbah Cair I II 38 2000 200
40 4000 400
6.0 sampai 9.0 5 10 2 5 2 3 2 3 5 10 0.1 0.5 0.5 1 0.05 0.1 0.002 0.005 0.1 1 2 3 0.1 0.5 0.05 0.5 0.2 0.5 0.4 0.6 0.05 0.5 0.05 0.1 2 3 1 2 1 5 20 30 1 3 50 150 100 300 5 10 0.5 1 5 10 10 50 -
34 Lampiran 3 Data hasil pengukuran jar test Pengukuran jar test dengan koagulan PAC Dosis (mg/l) 0 1250 2500 3750 5000 6250 12500 25000 37500 50000 62500
Turbiditas (NTU) Awal Akhir 411 282 15.92 279 8.42 305 14.88 327 14.05 279 13.03 340 21.76 338.5 51.5 335 60.5 343 120 388 183
pH Awal 6.5 5 5.1 5.6 5.6 5.6 5.1 5 4.9 4.8 4.8
Akhir 5.2 5.3 5.2 5.2 5.2 4.9 4.9 4.8 5 5
TSS (mg/l)
% penurunan
COD (mg/l)
% penurunan
805 110 62.50 89.17 85 83 110.83 137.50 168.33 321.67 641.11
86.34 92.24 88.92 89.44 89.69 86.23 82.92 79.09 60.04 20.36
49867 3860 3740 3740 3780 3700 3820 3780 3700 4060 3500
92.26 92.50 92.50 92.42 92.58 92.34 92.42 92.58 91.86 92.98
Pengukuran jar test dengan koagulan Alum Dosis (mg/l) 0 1250 2500 3750 5000 6250 12500 25000 37500 50000 62500
Turbiditas (NTU) Awal Akhir 411 320 25.92 399 24.28 409 25.98 378 29.43 363 28.37 355 27.65 386.5 27.02 338.5 26.31 331.5 25.74 363.5 24.89
pH Awal 6.5 6 5.8 6.1 6.1 6 6 5.8 5.6 5.5 5.3
Akhir 5.8 5.6 6 6 5.7 3.4 3.4 3.5 3.5 3.5
TSS (mg/l)
% penurunan
COD (mg/l)
% penurunan
805 104.17 103.33 120.33 132.5 130.83 130 126.67 123.33 120.83 117.50
87.06 87.16 85.05 83.54 83.75 83.85 84.26 84.68 84.99 85.40
49867 4100 3860 3860 3820 3820 3780 3780 3740 3700 3700
91.78 92.26 92.26 92..34 92.34 92.42 92.42 92.50 92.58 92.58
Pengukuran jar test dengan koagulan kombinasi (PAC + Alum) pH
Dosis (mg/l) 0 1250 PAC + 67500 Alum 3750 PAC + 65000 Alum 6250 PAC + 62500 Alum 8750 PAC + 60000 Alum 11250 PAC + 57500 Alum
Turbiditas (NTU) Awal Akhir 370 -
TSS (mg/l)
% penurunan
COD (mg/l)
% penurunan
805
-
49867
-
Awal 6.5
Akhir -
4.5
4.4
329.5
13.3
208
74.16
3620
92.74
4
4.3
347.5
11.21
188.67
76.56
3580
92.82
4.5
4.2
335
10.29
148.67
81.53
3300
93.38
4.5
4.2
310.5
11.82
204
74.66
3460
93.06
4.5
4.2
332.5
33.77
243.33
69.77
3500
92.98
35
Lampiran 4 Gambar denah unit koagulasi
36 36 Lampiran 5 Potongan A-A unit koagulasi
37 37
Lampiran 6 Gambar denah unit flokulasi
38 38 Lampiran 7 Potongan A-A unit flokulasi
39 39
Lampiran 8 Gambar denah unit sedimentasi
40
Lampiran 9 Potongan A-A unit sedimentasi
40
41 41
Lampiran 10 Potongan B-B unit sedimentasi
42
Lampiran 11 Potongan C-C unit sedimentasi
42
43
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan dengan nama Rissa Budiarti pada tanggal 24 Juli 1991 di Kota Bogor. Penulis merupakan anak kedua dari dua bersaudara dengan ayah bernama Maulana Budi, S.H. dan ibu Iis Sumiati. Penulis merupakan lulusan dari Sekolah Menengah Pertama Negeri 4 Bogor pada tahun 2006 dan Sekolah Menengah Atas Negeri 2 Bogor tahun 2009. Setelah lulus SMA, penulis melanjutkan studi di Institut Pertanian Bogor dengan jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan. Selama menjadi mahasiswa, penulis juga aktif di organisasi kemahasiswaan seperti Himpunan Mahasiswa Teknik Sipil dan Lingkungan (HIMATESIL) periode 2010/2011 sebagai bendahara Departemen Hubungan Eksternal dan pada periode 2011/2012 sebagai sekretaris Departemen Hubungan Eksternal. Pada bulan Juni-Agustus 2012, penulis melaksanakan praktik lapang di PT. Sinar Sosro KPB Cibitung di daerah Cibitung dengan judul laporan “Mempelajari Penanganan Limbah Cair di PT. Sinar Sosro KPB Cibitung” dan pada tahun berikutnya, penulis menyelesaikan tugas akhir dengan judul “Optimasi Penggunaan Koagulan Terhadap Rancangan Unit Koagulasi, Flokulasi, dan Sedimentasi pada Pengolahan Air Limbah Laboratorium” dibawah bimbingan Dr. Satyanto Krido Saptomo, S.TP., M.Si. dan Allen Kurniawan, S.T., M.T.
