Stabilization Pond [PDF]

Citation preview

TUGAS UNIT OPERASI DAN PROSES STABILIZATION POND



Disusun Oleh Atika Yulliana Sari



1406532192



Dita Dwi Astuti



1406532293



Hartanti Putri Josephine



1406570682



DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2016



KOLAM STABILISASI I.



PENGERTIAN Kolam stabilisasi (Stabilization Ponds) adalah proses pengelolaan air yang mencakup



sistem pengolahan biologis. Dimana proses dan operasi sangat tergantung pada kondisi lingkungan seperti suhu, angin, kecepatan, dan intensitas cahaya yang sangat bervariasi dan kombinasi tersebut memberikan parameter lingkungan untuk lokasi tertentu (Gray, 2004). Sistem dari Waste Stabilization Ponds biasanya terdiri dari satu atau lebih rangkaian kolam. Biasanya kolam pertama merupakan kolam anaerob, yang kedua merupakan kolam fakultatif, dan diakhiri dengan kolam maturasi. Namun, kolam terakhir kebutuhannya tergantung berdasarkan kualitas limbah akhir yang ingin dicapai dan akan disesuaikan dengan baku mutu.



Gambar 1. Stabilization Tank atau Kolam Stabilisasi Sumber : Varon, 2004, Halaman 10 -15



Waste Stabilization Ponds (WPS) atau kolam stabilisasi merupakan metode yang paling tepat untuk untuk pengolahan limbah domestik bagi negara berkembang karena dirasa cukup murah, mudah untuk dipelihara, efisien, terjadi secara alami, berkelanjutan, serta menggunakan langsung energi surya sehingga tidak memerlukan peralatan elektromekanik tambahan sehingga sangat menghemat biaya. Berikut ini digambarkan diagram alir dari kolam stabilisasi.



Gambar 2. Diagram Alir Kolam Stabilisasi Sumber : ircwash.org/sites/default/files/341.1-87WA-2422.pdf II.



BAGIAN KOLAM STABILISASI Kolam stabilisasi biasanya terdiri dari beberapa bagian, yaitu kolam anaerobik, kolam



fakultatif dan kolam maturasi. Berikut ini adal penjelasan dari masing – masing kolam tersebut. 1. Kolam Anaerobik Kolam Anaerob merupakan unit terkecil dari sistem WSP dimana ukuran kolam ditentukan berdasarkan beban atau jumlah organik volumetriknya yang dinyatakan dalam gram BOD5 perharinya diterapkan untuk setiap meter kubik volume kolam. Kolam anaerob menerima beban kurang lebih berkisar antara 100-350 gram BOD5/m3 hari, tergantung dari suhu desain kolam. Kedalaman kolam anaerob berkisar antara 2-5 m dimana ukuran tepatnya tergantung kondisi tanah dan biaya penggalian local atau biasanya 3-4 m. Kolam anaerob bekerja sangat baik ketika iklim hangat, misalnya kolam akan mencapai 60% removal BOD 5 ketika suhu 20°C dan lebih dari 70% ketika suhu 25°C. Waktu retensi (retention time) satu



hari sudah cukup untuk air limbah dengan BOD 5 ≤ 300 l/mg pada suhu di atas 20°C. Hal yang selalu menjadi perhatian bagi insinyur desain untuk kolam anaeroiok adalah bau berupa hydrogen sulfida. Namun, hal tersebut tidak akan menjadi masalah besar jika kolam anaerob dirancang dengan baik dan konsentarsi sulfide dalam air limbah kurang dari 500mg SO 2/liter. Rumus yang digunakan untuk menghitung kadar volumetric BOD kolam anaerobnya ialah



Tabel 1. Standar Hasil Pengolahan Anaerobik Sumber : Chagnoon, 1999



λv=



Li .Q Va



Dimana λv



: kadar volumetric BOD (gr/m3d)



Li



: BOD5 air limbah (mg/l = gr/m3)



Q



: aliran air limbah (m3/d)



Va



: Volume kolam anaerob (m3) θ



=



Va Q



Dimana θ : retention time (hari) Q Va



: debit aliran air limbah (m3 / hari) : volume kolam anaerobik (m3)



Mid-area (Aan) = dimana D : 3.5-5 meters, (Sperling, 2007).



Va D



Tabel 2. Kriteria Desain Kolam Anaerobik Sumber : Mara and Pearson, 1998 Kisaran beban organik yang diinginkan sebesar 100 g/m3 hari pada suhu ≤10°C dan akan meningkat secara linear sampai beban organik sebesar 300 g/m 3 hari pada suhu 20°C. Peningkatan akan mulai melambat ketika beban menjadi 350 g/m3 hari pada suhu 25°C keatas. Temperatur yang digunakan untuk mendesain adalah temperatur yang terjadi pada musim dingin (paling dingin dalam satu tahun). Ketika suhu diketahui maka beban organik yang akan diolah dapat diketahui, dengan begitu volume kolam anaerobik dapat dihitung. Kolam anaerobik bekerja lebih efisien ketika suhu lebih tinggi. BOD 5 removal sebesar 60% ketika suhu 20°C, meningkat secara linear ketika suhu 25°C menjadi 70% Proses penghilangan bahan organik pada kolam anaerob melalui mekanisme yang sama pada semua reaktor anaerob. (Mara et al., 1992 ; Peña, 2002). Untuk luas dari kolam anaerobik diperhitungkan perbandingan panjang dengan lebar yaitu sebesar 2 : 1 sampai perbandingan angka 3 : 1 (Alexiou and Mara, 2003).



Gambar 2. Geometri Kolam Sumber: Mara and Pearson, 1998 Lebar bagian atas adalah L = L+n(D+2F) Dimana nilainya 7, saat free board bernilai F=50 cm L = Panjang kolam pada TWL



W D n



= Lebar kolam pada TWL = Kedalaman basah kolam = Gradient



Harus diperhatikan bahwa menyeimbangkan pH pada kolam anaerobik krusial untuk mengoptimalkan efisiensi pada pengolahan anaerobic. pH optimal adalah diantara 7-7,2 (McCarty, 1964) untuk menghindari masalah bau dan merusak bakteri. Oleh karena itu, pemonitoran pH direkomendasikan agar pH air tidak terlalu jauh dari pH optimal. Namun, pH diantara 6,6 – 7,6 juga cocok dan lebih mudah untuk membantu meningkatkan bakteri metanogenik. Menurut Mara dan Pearson (1998), menambahkan kapur (lime) kedalam kolam dibutuhkan pada bulan pertama untuk menghindari oksidasi pada reactor. Keuntungan dari kolam anaerobik yaitu pembuangan lumpur jarang dibutuhkan dan sekitar 80-90% removal BOD5 dapat dilakukan. Kebutuhan energi untuk menjalankan pabrik rendah dan operasi dan pemeliharaan relatif tidak rumit. Di sisi lain, kolam anaerobik tidak dirancang untuk menghasilkan limbah yang dapat dibuang. Tambak dapat memancarkan bau yang tidak menyenangkan dan tingkat pengolahan tergantung pada iklim dan musim.



2. Kolam Fakultatif Kolam Fakultatif terdiri dari kolam fakultatif utama yang menerima air limbah utama (setelah screening dan grit removal) dan kolam sekunder yang menerima air limbah dari tahap primer. Kolam fakultatif dirancang untuk menghilangkan BOD 5berdasarkan ‘permukaan beban organik’. Istilah ini mengacu pada kuantitas bahan organik, dinyatakan dalam kg BOD5/hari, diterapkan untuk setiap hektar luas permukaan kolam, dengan demikian unit keseluruhan kg BOD5/hektar dari luas permukaan kolam fakultatif per hari yaitu kg BOD5/ha-hari. Beban organik permukaan yang relatif rendah digunakan (biasanya di kisaran 80-400 kg BOD5/ha-hari, tergantung pada suhu desain) untuk memungkinkan pengembangan populasi alga aktif. Kedalaman kolam fakultatif berkisaran antara 1-2 m dengan 1,5 m yang paling umum. Adanya alga yang sehat didalam kolam fakultatif sangatlah penting untuk menghasilkan oksigen yang dibutuhkan bakteri untuk menghapus BOD 5. Alga sebagai ganggang menjadikan kolam fakultatif berwarna hijau gelap. Terkadang kolam fakultatif berubah warna menjadi tampak merah atau pink dikarenakan kehadiran bakteri fotosintetik sulfide sebagai pengoksidasi. Perubahan di kolam fakultatif terjadi dikarenakan BOD 5 yang overloading hanya sedikit, sehingga perubahan warna pada kolam fakultatif dijadikan indicator kualitatif yang baik bagi fungsi kolam itu sendiri. Konsentrasi ganggang di kolam



fakultatif tergantung pada suhu. Biasanya berkisar antara 500-1000 mg klorofil/liter. Faktor penting dalam penghapusan bakteri dan virus tergantung daru kadar DO dan pH air. Aktifitas fotosintesis alga mempengaruhi DO dan pH air limbah pada kolam fakultatif dimana konsentrasi DO dapat meningkat hingga 20 mg/l dan pH lebih dari 9,4.



Gambar 3. Skema BOD Removal dalam Kolam Fakultatif Primer Sumber : www.ircwash.org/sites/default/files/341.1-87WA-2422.pdf



Gambar 4. Hubungan antara Alga dan Bakteri dalam Kolam Fakultatif Sumber : www.ircwash.org/sites/default/files/341.1-87WA-2422.pdf Berikut ini adalah persamaan untuk menentukan volume kolam stabilisasi fakultatif untuk pengolahan air limbah menurut Glyna (1976) V = C.Q.Si[t(35T)]f f’ Dimana: V



: Volume kolam, ft3 (m3)



C



: 4.7 x 10 3 untuk USCS unit, 3.5 x 10 5 untuk unit SI



Q



: Aliran, gal/day (l/day)



Si



: jumlah influen BOD atau COD, mg/l



F



: faktor racun algae; f : 1 untuk air limbah kota dan air limbah industrI



f’



: sulfide atau kebutuhan oksigen kimiawi, f’ :1 untuk SO42 sama dengan konsentrasi ion kurang dari 500mg/l



t



: koefisien temperature



T



: temperature rata rata air didalam kolam selama musim dingin, OC.



Nilai dari t berkisar mulai dari 1.036 hingga 1.085. nilai 1.085 direkomendasikan karena konservatif dan data lapangan mendukung analisis tersebut (Gloyna, 1976). Untuk kasus dimana t = 1.085 dan kedalamam efektif = 5 kaki (1.52m), luas area kolam dapat dihitung dengan persamaan, dimana terlebih dahulu menghitung area A = C.Q.Si[1.085(35T)]f f’ Dimana: A



: area kolam (ha), untuk kedalaman 5 kaki + 1 kaki penyimpanan lumpur (1.5m +0.3m)



C



: 2.148 x 2 untuk unit USCS, dan 2.299 x 10 3 unit SI



Q



: aliran, MGD (MLD)



λ s=



10 Li .Q Af



Keterangan : λs : Beban organik permukaan (kg/hektar hari) Li Q



Af



: BOD5 efluen air limbah dari kolam anaerob (g/m3 atau mg/L) : debit aliran air limbah (m3 / hari) : Luas permukaan kolam fakultatif (m2) λ s = 350(1.107-0.002T)T-25



Keterangan : λs : Beban organik permukaan (kg/hektar hari) T



: temperatur (0C)



θf =



2 Af . D 2Qi −0,001 A f e



Keterangan: θ : rentention time (hari) Af D Q



: Luas permukaan kolam fakultatif (m2) : kedalaman kolam fakultatif (m), [1-2m, Marra et al. 1992] : debit aliran air limbah (m3/ hari)



Namun sesuai dengan WSP (2007), waktu retensi kolam fakultatif harus bervariasi antara 5 sampai 30 hari. Af =



θf . Q m D



Q m=



Qi +Qe 2



Keterangan: θ : rentention time (hari) Af D Qm



: Luas permukaan kolam fakultatif (m2) : kedalaman kolam fakultatif (m), [1-2m, Marra et al. 1992] 1 : 2 (Qi + Qe) = debit aliran air limbah (m3/ hari)



Mid-area (Af) =



Qm D



Mid depth volume (Vf) = Af x D Mara et al. (1992) mengatakan bahwa rasio perbandingan antara panjang dengan lebar harus diantara 2-3 banding 1 jika kolam hanya menerima limbah mentah. Namun, perbandingan panjang lebar bisa lebih dari 3 banding 1 apabila kolam menerima effluent dari kolam anaerobic. Ketika memilih perbandingan panjang dan lebar, penting untuk memastikan bahwa lebar kolam kurang dari 36 meter untuk excavator dan mesin de-sludging mempunyai keterbatasan jangkauan. Ketika mendesain dimensi kolam, perlu untuk memperhitungkan kemungkinan pemakaian mesin desluding dan mengkosongkan kedua sisi kolam (Hamzeh



and Ponce, 1999). Selama excavator mempunyai jangkauan maksimum sekitar 18 meter, dengan menggunakan lebar maksimal 35 meter akan mengatasi masalah yang akan dihadapi ketika menggunakan mesin desludging. Oleh karena itu, menggunakan perbandingan panjang banding lebar sebesar 4 banding 1. Penghilangan BOD5 pada kolam fakultatif primer sebesar 70% tanpa dilakukan penyaringan dan >90% dengan proses penyaringan. Beberapa aturan menggunakan persyaratan untuk efluen WSPs menggunakan konsentrasi BOD 5 yang telah disaring, contohnya European Union efluen WSP harus ≤25 mg BOD 5 yang telah disaring/L (Council of the European Communities,1991). Keuntungan dari kolam fakultatif yaitu penghilangan lumpur jarang dibutuhkan ; penghapusan efektif padatan settleable, BOD5, patogen, coliform fecal, dan sampai batas tertentu juga termasuk NH3. Kolam fakultatif mudah dioperasikan dan membutuhkan sedikit energi, terutama jika dirancang untuk beroperasi dengan aliran gravitasi. Kerugian meliputi akumulasi lumpur yang lebih tinggi di kolam dangkal atau di iklim dingin dan tingkat NH 3 musiman variabel dalam limbah. Munculnya vegetasi harus dikontrol untuk menghindari terciptanya daerah berkembang biak bagi nyamuk dan vektor lainnya. kolam dangkal membutuhkan area yang relatif besar. Selama musim semi dan musim gugur, bau bisa menjadi masalah.



Tabel 3. Kriteria Desain Kolam Anaerobik Sumber : Chagnoon, 1999 3. Kolam Maturasi Kolam maturasi menerima limbah dari kolam fakultatif dimana ukuran dan jumlah kolam maturasi tergantung pada kualitas bakteri biologis yang dibutuhkan dari limbah akhir.



Ukuran kolam maturasi lebih dangkal dari kolam fakultatif dengan kedalaman berkisar 1-1,5 m dengan 1 m menjadi optimal. Bila kedalaman kurang dari 1 m maka hal itu akan mendorong tumbuhan berakar untuk tumbuh di kolam dan memungkinkan nyamuk untuk berkembang biak. Karena beban organik yang diterima kolam maturasi lebih rendah, maka kolam maturasi membutuhkan oksigen yang cukup di seluruh kedalaman kolam maturasi serta membutuhkan populasi alga yang jauh lebih beragam daripada di kolam fakultatif. Mekanisme utama kerusakan bakteri dan virus feses didorong oleh aktivitas alga bersama dengan fotooksidasi.



Tabel 4. Kriteria Desain Kolam Maturasi Sumber : Chagnoon, 1999 Kolam maturasi hanya dapat menghilangkan BOD5 dalam jumlah sedikit tetapi kolam maturasi mampu membuat kontribusi yang signifikan terhadap penghapusan nitrigen dan fosfor. Total penghapusan nitrogen dalam sistem WSP secara keseluruhan sering berada di atas angka 80% dan penghapusan amonia umumnya berada di angka lebih dari 90%. Angkaangka tersebut bergantung pada jumlah kolam maturasi yang berada di dalam sistem WSP. Dalam sistem WSP juga dilakukan Colifirm Removal. Metode Marais (1974) adalah metode



yang



umumnya



digunakan



untuk



merancang



serangkaian



kolam



untuk



menghilangkan coliform. Dapat diasumsikan bahwa penghapusan coliform dapat diwakili oleh model kinetik orde pertama dalam completely mixed reactor. Persamaan yang dihasilkan untuk kolam tunggal yaitu N e=



Ni 1+ k T . θm



Keterangan: Ne : jumlah bakteri koliform per 100 ml efluen



Ni kT θm



: jumlah bakteri koliform per 100 ml influen : laju konstan orde pertama untuk coliform removal pada T0C , d-1 : waktu retensi kolam maturasi (95 hari)



Tabel 5. Nilai Laju Konstan Orde Pertama Berdasarkan Temperatur Sumber : www.ircwash.org/sites/default/files/341.1-87WA-2422.pdf



( 1+k T . θa ) (1+k T . θf ) ¿ ¿ N e=



Ni ¿



Dimana θa , θf , θm merupakan seri dari kolam anaerobik, fakultatif, dan maturasi. Untuk menggunakan persamaan tersebut, perlu diketahui nilai-nilai Ne dan Ni serta waktu retensi di kolam anaerobik dan kolam fakultatif. Nilai Ne sering ditetapkan sebagai standar effluent), dan Ni dapat diukur jika air limbah yang ada, atau nilai desain 1 x 10 8 per 100 dapat diasumsikan. Waktu retensi di anaerobik dan kolam fakultatif yang biasanya diambil sebagai volume dibagi dengan aliran, tetapi jika terjadi penguapan, akan lebih akurat untuk menggunakan persamaan θ= Dimana θm V Qi A e



2V 2 Qi−0,001 Ae



: waktu retensi kolam maturasi (hari) : volume kolam (m3) : inflow (m3/hari) : luas kolam (m2) : penguapan (mm/hari)



Am=



2 Qi θ m (2 D+ 0.001θm e ) Q e = Q-0,001A e f



Keterangan: θm : waktu retensi kolam maturasi (hari) Qi D Qe



: debit influen sistem (m3/hari) : kedalaman (m)



Q Af e



: debit aliran air limbah (m3/ hari) : luas permukaan kolam fakultatif (m2) : penguapan(mm/hari)



: debit inffluent kolam maturasi(m3/ hari)



BI. REFERENSI 1. Sumber Buku Pena, Miguel. Waste Stabilisation Ponds. Duncan Maria School of Engineering. United Kingdom. July 2004. Chagnon. Design and Dynamic Modeling of Waste Stabilization Ponds. MIT. United States of America. 1999. Kayombo, TSA. Waste Stabilization Ponds and Constructed Wetlands Design Manual. WSP & CW Research Project. Denmark. 2008. Office of Research and Development. Principles of Design and Operations of Wastewater Treatment Pond Systems for Plant Operators, Engineers, and Managers. Land Remediation and Pollution Control Division. Ohio. August 2011. EPA. Design Manual Municipal Wastewater Stabilization Ponds. Environmental Protection Agency. United States. October 1983. 2. Sumber Internet EPA SA (2004). Wastewater Lagoon Construction. Adelaide, SA: Environtment Protection Agency of South Australia. Diakses pada Rabu, 20 April 2016 Pukul 15.36 WIB http://www.environment.sa.gov.au/epa/pdfs/guide_lagoon.pdf



EPA SA (2011). Design and Operation of Wastewater Treatment Pond Systems. Ohio. Land Remediation and Pollution Control Division. Diakses pada Kamis, 21 April 2016 Pukul 15.43 WIB www.ircwash.org/sites/default/files/341.1-87WA-2422.pdf