STUDI DAYA DUKUNG DAN DAYA TAMPUNG KALI SURABAYA SEGMEN GUNUNGSARI – JAGIR DENGAN METODE LINEAR PROGRAMMING
STUDY OF CARRYING CAPACITY AND ASSIMILATIVE CAPACITY OF SURABAYA RIVER AT GUNUNGSARI – JAGIR SEGMENT USING LINEAR PROGRAMMING METHOD
Ichda Maulidya1) dan Nieke Karnaningroem2) Jurusan Teknik Lingkungan FTSP-ITS Email : 1)
[email protected] ; 2)
[email protected]
ABSTRAK Kali Surabaya memegang peranan penting bagi kehidupan warga Surabaya karena air Kali Surabaya merupakan bahan baku PDAM Surabaya. Namun, banyaknya limbah domestik dan industri yang dibuang ke dalamnya menyebabkan penurunan daya dukung dan daya tampung Kali Surabaya. Oleh karena itu, diperlukan upaya pengelolaan kualitas air Kali Surabaya, terutama minimisasi beban pencemaran. Dengan metode linear programming, dapat diketahui berapa beban pencemaran yang boleh dibuang ke Kali Surabaya agar sesuai dengan daya dukung dan daya tampungnya. Dari hasil penelitian diketahui bahwa daya dukung Kali Surabaya segmen Gunungsari – Jagir telah terlampaui hingga 384.677,13 kg/hari akibat besarnya beban pencemaran yang dibuang ke dalamnya. Daya tampung Kali Surabaya pun telah terlampaui akibat defisit oksigen yang terjadi setelah percampuran point source I, II, dan III melebihi defisit oksigen yang diperbolehkan (1,62 mg/l). Oleh karena itu, beban pencemaran yang dibuang ke Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir perlu diminimisasi menjadi 0 kg/hari. Hal ini dapat dilakukan dengan mengolah limbahnya terlebih dahulu sebelum membuangnya ke badan air. Kata kunci: Kali Surabaya, daya dukung, daya tampung, dan linear programming.
1
ABSTRACT Surabaya River plays an important role for Surabaya’s citizen because it used as the raw water of PDAM Surabaya. However, many domestic and industral waste discharged into the stream causing a decrease in carrying capacity and assimilative capacity. Therefore, water quality management is needed, especially for minimization pollutant load. With the linear programming method can be known how much pollution load that may be discharged into Surabaya River to comply with carrying capacity and assimilative capacity. Based on this research known that carrying capacity of Surabaya River in Gunungsari - Jagir segment exceeded 384.677,13 kg/day due to the amount of pollution load discharged into the stream. Assimilative capacity has been exceeded due to the oxygen deficit that occurs after the mixing of point source I, II , and III exceed the allowable oxygen deficit (1,62 mg/l). Therefore, the pollution load discharged into the Surabaya River at Gunungsari – Jagir segment have minimized to 0 kg/day. This can be done by wastewater treatment before discharged them into the stream. Keywords: Surabaya River, carrying capacity, assimilative capacity, and linear programming.
1.
PENDAHULUAN Kebutuhan air bagi mayoritas warga Surabaya banyak bergantung pada pasokan air dari Kali
Surabaya. Air Kali Surabaya digunakan oleh Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) Surabaya sebagai bahan baku air minum. Namun, konsentrasi limbah dan beban pencemaran yang diterima oleh sungai ini meningkat, sedangkan daya dukung SDA dan daya tampung beban pencemaran semakin menurun. Untuk mencapai tingkat kualitas air sesuai dengan standar yang telah ditetapkan, maka perlu upaya pengelolaan. Hal ini dapat dilakukan dengan menetapkan beban pencemaran yang boleh dibuang ke sungai, yang disesuaikan dengan debit air sungai yang ada agar sesuai dengan daya dukung dan daya tampungnya. Besarnya kapasitas beban (daya dukung) sungai agar tidak tercemar dihitung dengan mengalikan besarnya beban BOD limbah yang tidak mencemari sesuai baku mutu sungai (dalam mg/l) dengan debit aliran sungai (dalam m3/detik). Dari hasil perkalian ini setelah dikonversi akan diperoleh satuan kapasitas beban BOD dalam ton/hari. Sedangkan beban pencemaran dihitung
2
dengan mengalikan BOD limbah yang masuk ke sungai (dalam mg/l) dengan besarnya debit aliran sungai (dalam m3/detik). Dari hasil perkalian ini setelah dikonversi pada akhirnya akan diperoleh satuan beban pencemaran BOD dalam ton/hari (Razif dan Yuniarto, 2004).
STAGE 2
Point Source 1
STAGE 3 STATE 3
1 3
2 Sungai
Point Source 3
Q (L/detik v (m/detik)
4 STAGE 1 Point Source 2
STATE 2
Gambar 1 Gambaran Limpasan Air Limbah ke Sungai (Karnaningroem, 2006) Jika diasumsikan bahwa sungai dan limbah tercampur sempurna pada titik buangan, maka konsentrasi konstituen pada campuran air-limbah adalah: Co
Qr x Cr Qw x Cw Qr Qw
(1)
dengan Co = konsentrasi konstituen awal pada titik buangan setelah pencampuran (mg/l) Qr = laju alir sungai (m3/detik) Cr = konsentrasi konstituen dalam sungai sebelum pencampuran (mg/l) Cw= konsentrasi konstituen dalam air limbah (mg/l) Berdasarkan Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 110 Tahun 2003, daya tampung beban pencemaran air adalah kemampuan air pada suatu sumber air untuk menerima masukan beban pencemaran tanpa mengakibatkan air tersebut menjadi cemar. Penetapan daya tampung beban pencemaran air dapat dilakukan dengan menggunakan perhitungan neraca massa komponen-komponen
sumber
pencemaran
atau
dikembangkan oleh Streeter-Phelps.
3
menggunakan
model
matematik
yang
Streeter dan Phelps menyatakan bahwa laju oksidasi biokimiawi senyawa organik ditentukan oleh konsentrasi senyawa organik sisa (residual).
dL k d L dt
(2)
Hasil integrasi persamaan (2.1) selama masa deoksigenasi adalah:
k t Lt L0.10 d
(3)
dengan Lt : konsentrasi zat organik yang teroksidasi pada saat t (mg/l) L0 : konsentrasi zat organik awal (BOD ultimate) (mg/l) kd : koefisien deoksigenasi = k1 (/hari) t
: waktu (hari)
k1T k1(20)θ (T 20)
(4)
dengan
k1(20) : laju deoksigenasi BOD pada temperatur 20 °C = 0,1 θ = 1,047 Kandungan oksigen dalam air akan menerima tambahan akibat turbulensi sehingga berlangsung perpindahan oksigen dari udara ke air dan proses ini merupakan proses reaerasi. Peralihan oksigen ini dinyatakan oleh persamaan laju reaerasi:
dC k 2 Cs C t dt
(5)
dengan Ct : konsentrasi oksigen (DO) pada saat t (mg/l) Cs : konsentrasi oksigen jenuh (mg/l) k2 : koefisien reoksigenasi 4
D : defisit oksigen (Cs – Ct) k 2(20C)
13,0 V0,5 H1,5
(6)
dengan v
: kecepatan sungai rata-rata (m/dt)
H : kedalaman sungai rata-rata (m)
k 2T k 2(20)θ (T20)
(7)
dengan k 2(20) : laju reaerasi BOD pada temperatur 20 °C
θ = 1,024 Setiap bagian perairan mempunyai kapasitas tertentu untuk dapat mengandung oksigen. Diasumsikan bahwa tingkat kejenuhan oksigen merupakan fungsi dari temperatur. Sedangkan kelarutan oksigen jenuh dinyatakan dengan persamaan:
DO sat 14,652 0,41022 T 0,0079910 T 2 0,000077774 T 3
(8)
dengan DOsat: kelarutan oksigen jenuh (mg/l) T
: temperatur (°C) Suatu metode pengelolaan air dapat dilakukan atas dasar defisit oksigen kritis Dc, yaitu
kondisi defisit DO terendah yang dicapai akibat beban yang diberikan pada aliran tersebut.
jika
k k .t Dc d L a x 10 r c k2
(9)
k f d k2
(10)
5
k 2 Da (k 2 k r ) tc log 1 k2 kr k r k d La 1
dan
(11)
sehingga tc
1 log f k r f 1
1 (f
1)
Da
(12)
L a
Substitusi tc dalam Dc (Thomas, 1948):
La
k 2 Dc 1 k r
kr
k2 kr
1
0,418 Da
Dc
(13)
atau
log La log
Dc 1
kr
k2 kr
Da 1 Dc
0,418
log
k2 kr
(14)
dengan tc : waktu kritis (hari) k2 : koefisien reaerasi (/hari) kr : koefisien deoksigenasi = kd (/hari) Da : defisit oksigen (Cs – Ct) mg/l La : BOD5 (mg/l) (Lee dan Lin, 1999) Pemrograman linier menggunakan model matematika untuk menggambarkan suatu masalah. Sifat linier di sini berarti semua fungsi matematika harus berupa fungsi linier. Kata pemrograman di sini bukan berarti program komputer, melainkan perencanaan (Hillier dan Lieberman, 2008). Model linear programming (LP) telah banyak diaplikasikan untuk mengoptimalkan masalah alokasi sumber daya. Seperti namanya, model LP mempunyai dua karakteristik dasar, yaitu fungsi
6
tujuan dan kendala yang merupakan fungsi linear dari variabel keputusan. Bentuk umum model LP adalah: n
Maksimumkan (atau minimumkan) x 0 c jx j j 1
n
Dengan kendala: a ij bi , untuk i = 1, 2,...,m j 1
xj ≥ 0, untuk j = 1, 2,...,n di mana: cj = koefisien fungsi tujuan aij = koefisien teknologi bi = koefisien sumber daya yang tersedia
Untuk bentuk aljabar, model LP adalah: a11x1 + a12x2 + ... + a1mxn ≤ b1 a21x1 + a22x2 + ... + a2mxn ≤ b2 am1x1 + am2x2 + ... + amnxn ≤ bm dan x1 ≥ 0, x2 ≥ 0, ...., xn ≥ 0 (Mays dan Tung, 1992)
2.
METODOLOGI PENELITIAN
1.
Persiapan Alat dan Bahan Alat-alat yang dipersiapkan untuk analisis DO terdiri dari botol winkler, buret 25 atau 50 ml, pipet ukur 10 ml, pipet tetes, gelas ukur 100 ml, dan erlenmeyer 250 ml. Sedangkan alatalat untuk analisis BOD sama dengan analisis DO, hanya saja ditambah labu takar 500 ml, dan erlenmeyer 250 ml.
7
Reagen yang digunakan untuk analisis DO dan BOD terdiri dari larutan MnSO4, larutan pereaksi oksigen, indikator amilum, larutan natrium tiosulfat 0,0125 N, dan larutan H2SO4 pekat. Sedangkan untuk membuat air pengencer pada analisis BOD digunakan larutan buffer fosfat, larutan magnesium sulfat, larutan kalium iodida, larutan feri klorida, dan bubuk inhibitor nitrifikasi. 2.
Pelaksanaan Penelitian Penelitian akan dilakukan dalam skala laboratorium dengan menggunakan sampel dari air Kali Surabaya segmen Gunungsari-Jagir dengan parameter yang dianalisis meliputi DO dan BOD. Pengambilan sampel dilakukan secara grab sampling dengan 2 titik pengambilan pada lebar sungai di Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir pada masing-masing lokasi (Gunungsari, Joyoboyo, dan Jagir). Sampel yang telah diambil dianalisis berdasarkan Standart Nasional Indonesia bidang Pekerjaan Umum mengenai Kualitas air (SNI, 1990) dan Standart Methods for Examination of Water and Waste Water (AWWA,WPCF-APHA,1995).
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Lokasi Jembatan Cangu Jembatan Perning Jembatan Jrebeng Cangkir Tambangan Bambe Tambangan Karangpilang Jembatan Sepanjang Gunungsari Ngagel/ Jagir
Gambar 1 Obyek Penelitian di Kali Surabaya pada Segmen Gunungsari - Jagir 8
3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1
Analisis Data Primer
3.1.1 Analisis Data Kualitas Air
Gambar 2 Grafik Sampling DO
Gambar 3 Grafik Sampling BOD
Segmen Gunungsari – Jagir
Segmen Gunungsari – Jagir
Dari Gambar 2 tersebut dapat diketahui bahwa konsentrasi DO Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir pada bulan April – Mei berkisar antara 2 – 4 mg/l. Sedangkan pada bulan November 2009 berkisar antara 2 – 5 mg/l. Dari Gambar 3 tersebut dapat diketahui bahwa konsentrasi BOD pada bulan April - Mei 2009 berkisar antara 11 - 48 mg/l. Sedangkan pada bulan November 2009, konsentrasi BOD berkisar antara 1 - 6 mg/l. Berdasarkan hasil analisis tersebut dapat disimpulkan bahwa konsentrasi DO Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir masih di bawah baku mutu DO kelas I PP No. 82 Tahun 2001. Sedangkan sebagian besar BOD Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir telah melampaui baku mutu BOD kelas I PP No. 82 Tahun 2001. Dengan demikian, Kali Surabaya tidak layak digunakan sebagai bahan baku air minum.
9
3.1.2 Analisis Data Limbah Domestik Data debit limbah domestik diperoleh dengan menghitung jumlah fasilitas yang berada di sepanjang Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir dengan jarak 0,5 km dari tepi sungai, sedangkan untuk menghitung jumlah penduduk yang berkontribusi membuang limbah ke Kali Surabaya, tiap rumah diasumsikan beranggotakan @ 5 jiwa (Ditjen Cipta Karya Departemen PU, 1985 dalam Sastrawijaya, 1991). Setelah menghitung jumlah penduduk dan pengguna tiap fasilitas, selanjutnya dihitung kebutuhan air bersihnya. Dalam perhitungan kebutuhan air bersih ini diperlukan data kebutuhan air bersih tiap orang. Sedangkan debit limbah domestiknya diperoleh dari 70% kebutuhan air bersihnya. Hasil perhitungan debit limbah domestik tersebut akan digunakan untuk menentukan beban pencemaran domestik yang dibuang ke Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir.
3.2
Analisis Data Sekunder Data sekunder yang digunakan dalam penelitian ini mencakup debit dan kualitas air (DO
dan BOD) Gunungsari, serta data debit dan konsentrasi pencemar industri yang berada di segmen Gunungsari – Jagir tahun 2004 - 2008. Debit Gunungsari bervariasi antara 9,00 - 146,00 m3/detik. Parameter kualitas air yang dipantau meliputi kadar oksigen terlarut (DO), kebutuhan oksigen secara biokimia (BOD). Pada aplikasi linear programming untuk pengelolaan kualitas air Kali Surabaya ini digunakan data DO dan BOD hasil monitoring bulanan pada bulan Januari 2004 sampai Desember 2008. Pada penelitian ini juga menggunakan data limpasan limbah industri yang berada di segmen Gunungsari - Jagir yaitu PT Tahu Gunungsari. Dipilihnya PT Tahu Gunungsari karena industri tersebut memberikan konstribusi pencemar yang cukup besar nilainya dan dianggap mewakili parameter yang diteliti (BOD). Debit limbah PT Tahu Gunungsari ini sebesar 101,08 m3/hari 10
(Perum Jasa Tirta I, 2007 dalam Maharani, 2008). Pada penelitian ini digunakan digunakan data BOD limbah industri tahun 2004 – 2008 antara 43,0 – 2.720,7 mg/l (Perum Jasa Tirta I, 2009).
Point source I
Point Point source II source III
2
1
3
4
Gambar 4 Sketsa Lokasi Point Source di Kali Surabaya Segmen Gunungsari – Jagir Dari sketsa tersebut, dapat ditentukan besarnya daya dukung pada titik 1, 2, 3, dan 4. Perhitungan selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Daya Dukung Kali Surabaya Segmen Gunungsari – Jagir terhadap Beban Pencemaran Titik
Debit (m3/hari)
Konsentrasi BOD (mg/l)
Daya Dukung (kg/hari)
Beban Pencemaran (kg/hari)
Beban Berlebih (kg/hari)
1
777.600,00 - 12.614.400,00
1,80 - 32,40
1.555,20 - 25.228,80
1.399,68 - 408.706,56
383.477,76
2
778.642,85 - 12.615.442,85
2,54 - 32,44
1.557,29 - 25.230,89
1.977,75 - 409.244,97
420,46 – 384.014,08
3
778.743,93 - 12.615.543,93
2,55 - 32,46
1.557,49 - 25.231,09
1.985,80 - 409.500,56
428,31 – 384.269,47
4
779.701,24 - 12.616.501,24
3,11 - 32,49
1.559,40 - 25.233,00
2.424,87 - 409.910,13
865,47 – 384.677,13
Sumber: Hasil Perhitungan, 2009 Dari Tabel 1 tersebut dapat diketahui bahwa daya dukung sungai telah terlampaui akibat beban pencemaran yang masuk ke sungai sehingga point source I, II dan III tidak boleh membuang limbah ke Kali Surabaya. Untuk keperluan linear programming ini, Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir dibagi atas 3 point source. Adapun penentuan point source ini didasarkan pada letak industri, di mana nantinya akan dibandingkan antara beban pencemaran sebelum dan setelah industri. Adapun sketsa pembuangan limbah di Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir dapat dilihat pada Gambar 5. 11
L1
L3 L2 PT Tahu Gunungsari
Gunungsari
Joyoboyo L3e, Q3e
L2e, Q2e
L1e, Q1e Q1
Q3 C ≥ 6 mg/l
Q2
L0, Q0 L1e, Q1e
Karah
L3e, Q3e
L1e, Q1e
Ketintang Barat
L1
Pulo Wonokromo
L1
Point source I
L3
Point source II
Point source III
Gambar 5 Sketsa Pembuangan Limbah di Kali Surabaya Segmen Gunungsari - Jagir
Keterangan: L0 = beban pencemaran awal di sungai (mg/l) L1, L2, L3 = beban pencemaran dari limbah sebelum diolah (mg/l) L1e, L2e, L3e = beban pencemaran dari limbah setelah diolah (mg/l) Q1e, Q2e, Q3e = debit limbah (m3/hari) Q0, Q1, Q2, Q3 = debit air sungai (m3/hari), dengan: Q1 = Q0 + Q1e, Q2 = Q1 + Q2e, dan Q3 = Q2 + Q1e C = DO di sepanjang sungai, dengan: C ≥ 6 mg/l Berdasarkan uraian, data, dan asumsi di atas, maka model linear programming dirumuskan sebagai berikut: Tujuan: Meminimisasi: Z = L1e + L2e +L3e Kendala:
(Q0 x C0 ) (Q1e x C1) BOD maks. saat DO 6 mg/l Q1
12
.1
(Q0 x C0 ) (Q1e x C1) (Q2e x C2 ) BOD maks. saat DO 6 mg/l Q2
(Q 0 x C0 ) (Q1e x C1) (Q 2e x C2 ) (Q 3e x C3 ) BOD maks. saat DO 6 mg/l Q3
Dengan model tersebut, selanjutnya data yang ada dianalisis menggunakan persamaan Streeter-Phelps dan mass balance untuk menentukan beban pencemaran tiap point source yang boleh dibuang ke sungai agar sesuai dengan baku mutu sungai kelas I. Perhitungan selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Beban Pencemaran yang Boleh Dibuang ke Sungai Kelas I Beban Pencemaran (kg/hari) Point Source I.Karah, Ketintang Barat, Gunungsari II. PT Tahu Gunungsari III.Pulo Wonokromo, Joyoboyo
Semula
Yang Boleh Dibuang
Yang Harus Diolah
Persentase Pengolahan (%)
580,81
0
580,81
100
4,35 – 275,01
0
4,35 – 275,01
100
438,64
0
438,64
100
Dari Tabel 2 tersebut dapat diketahui bahwa masing-masing point source harus mengolah limbahnya terlebih dahulu sebelum membuangnya ke sungai kelas I. 4.
KESIMPULAN 1a. Daya dukung Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir telah terlampaui hingga 384.677,13 kg/hari akibat besarnya beban pencemaran yang dibuang ke dalamnya. b. Daya tampung Kali Surabaya telah terlampaui akibat defisit oksigen yang terjadi setelah percampuran point source I, II, dan III melebihi defisit oksigen yang diperbolehkan (1,62 mg/l). 2. Point source I, II, dan III perlu meminimisasi beban pencemaran yang dibuang ke Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir menjadi 0 kg/hari. Hal ini menandakan bahwa point
13
source I, II, dan III harus mengolah limbahnya terlebih dahulu sebelum membuangnya ke Kali Surabaya segmen Gunungsari - Jagir .
DAFTAR PUSTAKA 1.
Hillier, Frederick S. dan Lieberman, Gerald J. 2008. Introduction To Operation Research Eighth Edition. Yogyakarta: ANDI.
2.
Karnaningroem, Nieke. 2006. Model Hidrodinamika Penyebaran Polutan Di Sungai. Disertasi S3 Program Pasca Sarjana. ITS Surabaya
3.
Lee, C.C. dan Lin, Sun Dar. 1999. Handbook Environmental Engineering Calculations. New York: McGRAW-HILL.
4.
Maharani, Aditya. 2008. Pengembangan Model Optimasi Manajemen Pengelolaan Kualitas Air Kali Surabaya dengan Interval Fuzzy Linear Programming (IFLP). Thesis. Jurusan Teknik Industri FTI ITS Surabaya.
5.
Mays, Larry W. dan Tung, Yeou-Kong. 1992. Hydrosystems Engineering & Management. Singapore: McGraw-Hill.
6.
Razif, M. dan Yuniarto, Adhi. 2004. Pengelolaan Kualitas Air. Surabaya: Teknik Lingkungan FTSP-ITS.
7.
Sastrawijaya, A. Tresna. 1991. Pencemaran Lingkungan. Jakarta: Rineka Cipta.
14
