II.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Lumpur Aktif (Activated Sludge) Secara umum proses lumpur aktif adalah proses dengan metode aerobik baik secara kontinu maupun semikontinu yang digunakan pada pengolahan biologis limbah cair industri, di dalamnya mencakup oksidasi karbon dan nitrifikasi. Proses ini didasarkan pada aerasi air limbah dengan flokulasi pertumbuhan biologis, dan diikuti oleh pemisahan. Bagian dari tahap ini kemudian dibuang, dan sisanya dikembalikan ke sistem. Biasanya, pemisahan dari air limbah dilakukan dengan proses pengendapan. Proses lumpur aktif saat ini merupakan teknologi yang paling berkembang untuk pengolahan air limbah. Pemanfaatan sistem lumpur aktif dapat diterapkan dalam kondisi iklim yang berbeda, dari daerah tropis hingga daerah kutub, dari permukaan laut (instalasi pengolahan air limbah di kapal) dan ketinggian yang ekstrim (pegunungan). Industri pengolahan Air Limbah yang dilengkapi dengan proses lumpur aktif mampu memenuhi kriteria limbah yang sesuai dengan baku mutu air limbah berdasarkan industrinya (Dohse and Heywood,1998). Pada proses lumpur aktif mikroorganisme membentuk gumpalan-gumpalan koloni bakteri yang bergerak secara bebas tertahan di dalam air limbah. Mikroorganisme-mikroorganisme dapat keluar melalui aliran keluar air limbah sehingga densitas bakteri di dalam reaktor harus dikontrol. Pada proses dengan kecepatan tinggi dan waktu tinggal hidraulik pendek, pengembalian atau recycling bakteri merupakan cara yang paling banyak digunakan untuk mengontrol densitas bakteri di dalam reaktor (Siregar,2005). Dohse dan Heywood (1998) kembali menjelaskan bahwa proses lumpur aktif adalah teknik pengolahan air limbah dimana di dalam air limbah dan lumpur biologis yang termanfaatkan kembali terdapat mikroorganisme yang tercampur dan teraerasikan. Lumpur biologis tersebut kemudian dipisahkan dari air limbah kemudian diolah di clarifier dan akan kembali ke proses aerasi atau dibuang. Mikroorganisme dicampur secara merata dengan bahan organik yang masuk sebagai makanan. Ketika mereka tumbuh dan bercampur dengan udara, masing-masing organisme akan berflokulasi. Setelah terflokulasikan, organisme tadi siap masuk ke clarifier sekunder untuk proses selanjutnya. Lumpur aktif akan terus berkembang dengan konstan sehingga dapat dikembalikan untuk digunakan pada proses aerasi. Volume lumpur yang kembali ke tahapan aerasi biasanya 40 hingga 60 persen dari aliran limbah, dan sisanya akan terbuang. Pertumbuhan mikroorganisme tetap berkembang pada media sintetik. Diagram alir proses lumpur aktif secara umum dapat dilihat pada Gambar 1.
3
Gambar 1. Diagram alir proses lumpur aktif (Dohse and Heywood,1998). Proses lumpur aktif (activated sludge) pada pengolahan air limbah memiliki kelebihan dan kekurangan apabila diterapkan untuk penanganan dan pengolahan air limbah. Kelebihan yang dimiliki yaitu dapat dimanfaatkan pada penanganan dan pengolahan untuk skala kecil (Industri rumah) hingga untuk skala besar (Industri besar), dapat mengeliminasi bahan organik, dicapainya oksidasi dan nitrifikasi, proses nitrifikasi secara biologis tanpa menambahkan bahan kimia, eliminasi fosfor biologis, pemisahan padatan/cairan, stabilisasi lumpur, mampu mengurangi padatan tersuspensi sebesar 97%, dan proses lumpur aktif merupakan proses pengolahan air limbah yang paling banyak digunakan. Kekurangan proses lumpur aktif yaitu tidak menghilangkan warna dari limbah industri dan dapat meningkatkan warna melalui oksidasi, tidak menghilangkan nutrient sehingga memerlukan penanganan tersier, daur ulang biomassa menyebabkan konsentrasi biomassa yang tinggi di dalam tanki aerasi sehingga diperlukan waktu tinggal yang tepat. Proses lumpur aktif (Activated sludge) terdiri dari penyisihan BOD (Biological oxygen demand) , penyisihan nitrogen (Nitrifikasi dan denitrifikasi), dan penyisihan fosfor. BOD adalah banyaknya oksigen yang dibutuhkan oleh mikroorgasnisme untuk menguraikan bahan-bahan organik (zat pencerna) yang terdapat di dalam air buangan secara biologi. BOD dan COD digunakan untuk memonitoring kapasitas self purification badan air penerima.
2.1.1
BOD Removal (Penyisihan BOD) dan Nitrifikasi
Pada proses lumpur aktif terdapat tiga desain proses yang menunjukkan prinsipprinsip dasar proses penyisihan BOD dan proses nitrifikasi. Contoh tersebut antara lain; tipe activated sludge single -sludge complete mix tanpa nitrifikasi dan dengan nitrifikasi, Sequencing batch reaktor dengan nitrifikasi, dan proses nitrifikasi bertahap. Semua contoh desain proses tersebut dapat diterapkan untuk penyisihan BOD dengan cara memodifikasi waktu keseluruhan proses (SRT) dan menyisihkan komponen-komponen yang berhubungan dengan nitrifikasi. Metodologi desain proses didasari oleh nilai SRT (Metcalf and Eddy,2003). Contoh desain proses yang akan dijelaskan yaitu tipe proses activated sludge complete mix tanpa nitrifikasi dan dengan nitrifikasi. Pada tipe ini, operasi dipengaruhi oleh padatan yang terkandung, tingkat kebutuhan oksigen, MLSS (Mixed liquor suspended solids), dan konsentrasi BOD terlarut (Camerata, Pearce et al.,2008).
4
2.1.2
Penyisihan
Nitrogen
(Nitrogen
removal)
(Nitrifikasi
dan
denitrifikasi) Nitrogen di dalam limbah cair sebagian besar terdiri dari nitrogen organik dan amonia. Penyisihan nitrogen dicapai melalui serangkaian reaksi biokimia yang mengubah nitrogen dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Oksidasi dan reduksi dari komponen nitrogen sering merubah kondisi alkalinitas dalam air. Nitrifikasi membutuhkan alkalinity sebesar 7,14 mg / mg NH4-N teroksidasi dan denitrifikasi mengembalikan 3,57 mg alkalinitas / mg NO3N yang tereduksi. Konsumsi alkalinitas selama nitrifikasi dapat mengakibatkan penurunan pH dalam cairan, sehingga dapat mempengaruhi proses nitrifikasi secara biologis. (Neethling, Z. et al.,2010). Nitrifikasi adalah proses oksidasi ammonium dan nitrit menjadi nitrat, karena ammonium merupakan polutan pengkonsumsi oksigen dan penghasil racun bagi ikan, jika pH > 7. Nitrat bersifat relatif tidak toksik. Denitrifikasi adalah proses pengubahan nitrit dan nitrat menjadi nitrogen dalam bentuk gas (N2). Diagram alir proses penyisihan nitrogen dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Diagram alir proses penyisihan nitrogen (Neethling, Z. et al.,2010).
2.1.3
Penyisihan Fosfor (Phosphorus Removal)
Fosfor merupakan bagian yang akan mengalami proses penyisihan pada proses lumpur aktif (Activated sludge) konvensional . Proses Pembuangan lumpur berlebih akan mengakibatkan penyisihan sebagian fosfor dari air limbah. Namun, secara umum dibutuhkan untuk menurunkan konsentrasi fosfor pada efluen (P ≤ 1 mg / L) , keadaan tersebut hanya mungkin terjadi pada kondisi proses yang baik: yaitu nilai rasio P/COD yang rendah dikombinasikan dengan umur lumpur yang pendek. Pada air limbah dengan kandungan nutrient yang lebih tinggi dan / atau operasi sistem lumpur aktif dengan umur lumpur yang lebih tinggi, Metode tambahan untuk penyisihan fosfor akan diperlukan (Haandel and lubbe,2007).
5
Kehadiran fosfat dalam air menimbulkan permasalahan terhadap kualitas air, misalnya terjadinya eutrofikasi. Untuk memecahkan masalah tersebut dengan mengurangi masukan fosfat ke dalam badan air, misalnya dengan mengurangi pemakaian bahan yang menghasilkan limbah fosfat dan melakukan pengolahan limbah fosfat. Pengukuran kandungan phospat dalam air limbah berfungsi untuk mencegah tingginya kadar phospat sehingga tumbuh-tumbuhan dalam air berkurang jenisnya dan pada gilirannya tidak merangsang pertumbuhan tanaman air. Kesuburan tanaman air akan menghalangi kelancaran arus air (Ginting,2007). Diagram alir proses penyisihan fosfor dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram alir proses penyisihan fosfor (Haandel and lubbe,2007)
2.2 Analisis Dan Desain Berbasis Objek Konsep objek telah dikenal sejak lebih dari tiga puluh tahun yang lalu. Diawali dengan penggunaan pemrograman berorientasi objek (OOP), lalu berkembang menjadi konsep perancangan berorientasi objek (OOD) dan selanjutnya metode analisis dan perancangan berorientasi objek (OOAD) di tahun 1990. Di awal tahun 1990, metode OO yang dikenalkan oleh Grady Booch dan James Rumbaugh menjadi amat populer, Rumbough menekankan pengembangan berorientasi objek berdasarkan pendekatan terstruktur, sementara Booch menerapkan metode objek pada bidang teknik dan bisnis. Selanjutnya pada tahun 1995 muncul gagasan Booch dan Rumbough untuk menggabungkan metode mereka dengan membakukan notasi simbol yang digunakan dalam menggambarkan komponen sebuah aplikasi dan selanjtnya disebut Unified Method (UM). Kemudian Ivar Jacobson bergabung bersama mereka untuk menyempurnakan metode objek ini, dengan menyusun konsep use-case. Munculnya metode yang dibuat oleh Booch, Rumbough, dan Jacobson selanjutnya lebih dikenal sebagai bahasa Unified Modelling Language (UML ver 0.9) (Rezki,2010).
6
Unified Modelling Language (UML) adalah sebuah "bahasa" yg telah menjadi standar dalam industri untuk visualisasi, merancang dan mendokumentasikan sistem piranti lunak. UML menawarkan sebuah standar untuk merancang model sebuah sistem. Dengan menggunakan UML kita dapat membuat model untuk semua jenis aplikasi piranti lunak, dimana aplikasi tersebut dapat berjalan pada piranti keras, sistem operasi dan jaringan apapun, serta ditulis dalam bahasa pemrograman apapun. Tetapi karena UML juga menggunakan class dan operation dalam konsep dasarnya, maka ia lebih cocok untuk penulisan piranti lunak dalam bahasabahasa berorientasi objek seperti C++, Java, C# atau VB.NET. Walaupun demikian, UML tetap dapat digunakan untuk modeling aplikasi prosedural dalam VB (Visual basic) atau C (Sri and Romi,2003) Menurut Bennet et al. (2001) UML adalah bahasa visual untuk menganalisis dan mendesain sebuah sistem berorientasi obyek. Keunggulan utama yang dimiliki pemodelan ini adalah kemampuannya dalam memodelkan menyerupai kehidupan nyata, sehingga sistem yang dihasilkan mempunyai kelebihan seperti sifat lebih natural, karena umumnya manusia berfikir dalam bentuk objek, pembuatan sistem memakan waktu lebih cepat, dan memudahkan dalam proses pemeliharaa sistem, karena jika ada kesalahan, perbaikan hanya dilakukan pada bagian tersebut, tidak perlu mengurutkan dari awal. Pada dasarnya UML memuat diagram-diagram pemodelan sistem yang terdiri dari Use case diagram (diagram kasus), Class diagram (diagram kelas), Object diagram (diagram objek), Statechart diagram (diagram keadaan), Activity diagram (diagram aktivitas), Sequence diagram (diagram urutan ), Component diagram (diagram komponen), Deployment diagram (diagram penyebaran), Collaboration diagram (diagram kolaborasi) (Nugroho,2002). Diagram pemodelan sistem pada UML dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram –diagram pemodelan sistem pada UML (Nugroho,2002).
7
2.3
Penelitian Terdahulu
Pemodelan proses lumpur aktif untuk penanganan air limbah, sebelumnya pernah dilakukan (Setiadi,1990), dari departemen teknik kimia ITB Bandung, ia membuat perhitungan penggunaan senyawa karbon yang mengidentifikasi nilai substrat, biomassa heterotrofik dan produk partikel dari proses detruksi biomassa. Pemodelan lumpur aktif juga pernah dilakukan oleh tim peneliti dari London, yaitu Mogens Henze, Willi Gujer, Takashi Mino, dan Mark van Loosdrecht (Henze, Gujer et al.,2002). Tujuan mereka adalah untuk menciptakan sebuah platform pengembangan model untuk proses penyisihan nitrogen pada proses lumpur aktif (Activated sludge) dan untuk mengembangkan model dengan meminimalkan kompleksitas. Hasilnya adalah Model Activated sludge No. 1, yang sekarang dikenal dengan banyak nama: IAWPRC (Asosiasi Internasional Air dan Pengendalian Pencemaran Penelitian) model, ASM1 (Activated Sludge Model 1 ). Model ASM1 telah banyak digunakan sebagai dasar untuk pengembangan model lebih lanjut. Penggunaan ASM1 telah menjadi inti dari berbagai model dengan sejumlah rincian ditambahkan. Model telah berkembang lebih kompleks selama bertahun-tahun, dari ASM1, termasuk proses penyisihan nitrogen, untuk ASM2, termasuk proses penyisihan fosfor secara biologis dan ASM2d termasuk PAOs (Phosphorus accumulating control organisms) denitrifikasi. Pada tahun 1998 kelompok ini memutuskan untuk mengembangkan platform model baru, ASM3, dalam rangka untuk menciptakan alat untuk digunakan dalam generasi berikutnya pada pemodelan lumpur aktif. ASM3 ini didasarkan pada perkembangan terbaru dalam pemahaman proses lumpur aktif, di antaranya adalah kemungkinan senyawa penyimpanan internal, yang memiliki peran penting dalam metabolisme organisme (Henze, Gujer et al.,2002).
8
