BAB VII

UNIT PENGOLAHAN BIOLOGIS

Pengolahan Biologis (Secondary Treatment) dilakukan untuk memisahkan

bahan organik dan padatan tersuspensi yang dapat terdegradasi secara biologis.

Pengolahan tahap ini memanfaatkan kemampuan mikroorganisme untuk

memisahkan kontaminan-kontaminan dalam air limbah. Target utama pengolahan

ini adalah penurunan kandungan organik (biasanya diukur dalam BOD atau COD,

padatan tersuspensi dan mikroorganisme patogen). Prinsip Desain bangunan

secondary treatment yaitu Rasio F/M dan beban organik (Mass Balance) yang

masuk ke dalam unit pengolahan. Debit yang digunakan dalam perhitungan

bangunan pengolahan biologis adalah Qaverage karena waktu detensi setiap

bangunan lebih lama dari pengolahan lainnya. Bangunan Secondary Treatment

dalam perencanaan ini terdiri dari :

1. Oxidation Ditch

2. Bak Pengendap II (Secondary Clarifier)

7.1 Oxidation Ditch (OD)

Oxidation Ditch merupakan parit berbentuk oval/ellips dilengkapi dengan

mammoth rotor untuk aerasi jangka panjang. Proses yang terjadi di dalam oxydation

ditch merupakan proses kontinyu, dimana pertumbuhan biologis yang terfluktuasi

akan dicampurkan dengan air buangan dan kemudian di aerasi secara terus

menerus, selanjutnya diikuti pengendapan untuk memisahkan biomass dari air

buangan yang telah terolah. Pada Oxidation Ditch dilakukan resirkulasi lumpur

untuk menjaga kestabilan F/M Rasio sehingga pengolahan air limbah dapat

mencapai tingkat yang optimum. Bangunan Oxidation Ditch selalu diikuti dengan

Bak Pengendap II (Secondary Clarifier) dan saling berkaitan satu sama lain dalam

desain maupun perhitungan.

Gambar 7.1 Flow Process Oxidation Ditch Treatment

Tabel 7.1 Kriteria Desain Oxidation Ditch

Kriteria Desain Range Tipikal Sumber

Kemiringan Ditch (Derajat 0) 45 - 90 90 L. K. Wang and N.

C. Pereira,1986

Konsentrasi MLSS (TSS) (mg/L) 1500 - 5000 4500 Metcalf & Eddy,

1991

Rasio Resirkulasi 0,5 – 2,0 0,5

C. P. L. Grady, Jr.,

G. T. Daigger,

1999

Aerator Loading (kg/m3.hr) 0,1 – 0,5 0,5 US EPA,2000

Nilai Yield (kg.VSS/kg.BOD5) 0,4 – 0,8 0,8 G.L Karia and R.A

Christian, 2006

Nilai Kd (hari) 0,04 – 0,075 0,075 G.L Karia and R.A

Christian, 2006

Kedalaman Ditch (m) 1,0 – 5,0 3,0

Japan Sewage

Works Association,

2013

Efisiensi Proses (%) 85 - 95 95 Metcalf & Eddy,

1991

Waktu retensi hydraulic/Periode

Aerasi (jam) 18 - 36 36

L. K. Wang and N.

C. Pereira,1986

Kebutuhan Rasio (F/M)

(kg.BOD/kg.MLVSS.hari) 0,025 - 0,15 0,15

L. K. Wang and N.

C. Pereira,1986

Waktu retensi solids/umur lumpur

(hari) 20 - 30 30

WEF and ASCE

1992

Kecepatan Aerator (m/s) 0,25 - 0,40 0,40 Metcalf &

Eddy, 1991

Volumetric Loading

(kg.BOD/m3.hari) 0.08 - 0.48 0,45

L. K. Wang and N.

C. Pereira,1986

Direncanakan :

- Jumlah oxydation ditch = 8 bak

(pemilihan jumlah bak disesuaikan dengan debit air limbah yang akan diolah,

karena debit mempengaruhi dimensi dari unit pengolahan. Dengan

perencanaan 8 bak diharapkan mampu mengolah air limbah dengan debit yang

ada)

- Debit rencana (Q average) = 16848 m3/hari

= 0,195 m3/dtk

- Debit masing-masing bak = Debit rencana/Jumlah bak

= 0,195/8

= 0,0244 m3/detik

= 2106 m3/hari

- Umur lumpur (θc) = 30 hari

- Rasio F/M = 0,15 kg BOD5/kg MLVSS.hari

- Aerator Loading = 0,5 kg/m3.hari

- MLSS direncanakan = 4500 mg/L

- Periode Aerasi (td) = 36 jam

- Rasio Resirkulasi (Qr/Q) = 0,5

- Volumetrik Loading = 0,45 kg BOD5/m3.hari

- Efisiensi proses = 95%

- Kedalaman bak = 3,0 M

- Freeboard = 0,5 M

- BODinf (effluen dari BP I) = 456 mg/L

- Konsentrasi N = 0,8 Mg/L

- Konsentrasi TSS (eff BP I) = 189 mg/L

- BOD effluen = 45,6 mg/L

- Rasio MLVSS/MLSS = 0,8

- Yield Value (Y) = 0,8 Kg.VSS/kg.BOD5

Perhitungan :

Perhitungan Lumpur

Konsentrasi BOD5 Terlarut dalam Effluen

Biological solid = 65 % biodegradable

1 gr biodegradable = 1,42 gr BODu

BOD5 = 0,68 BODu

BOD5 solid = 65 % x BODeff x konversi ke BOD5

= 65 % x 45,6 mg/L x 1.42 x 0.68

= 28,62 mg/L

BOD5 terlarut = (45,6 – 28,62) mg/L

= 17 mg/L

Efisiensi Proses

Removal BOD5 terlarut = [(BOD5inf-BOD5 terlarut)/BOD5inf] x 100 %

= [(456 – 17)/456] x 100 %

= 96,3 %

Overall efisiensi = [(BOD5inf-BOD5eff)/BOD5inf] x 100%

= [(456 – 45,6)/456] x 100 %

= 90 %

Nilai Tipikal Koefisien Kinetik untuk Proses Oxidation Ditch

Y = 0,6 kg VSS/kg BOD5

kd = 0,05 per hari

Rasio MLVSS/MLSS = 0,5

MLSS = 4500 mg/L

MLVSS = 0,5 x MLSS

= 0,5 x 4500 mg/L

= 2250 mg/L

Yobs = Y/(1+(kd x θc)

= 0,6/[1+ (0,05/hari x 30 hari)]

= 0,24

Peningkatan Massa MLVSS

Px = Yobs x Qbak x (So-S)

= 0,24 x 2106 m3/hari x (456 -17) mg/L

= 221,9 kg.VSS/hari

Peningkatan MLSS = Px : 0.5

= 221,9 : 0.5

= 443,8 Kg.VSS/hari

Volume reaktor (V) = (Qbak x θc x Y x (So-S)) / (MLVSS(1+kd. θc))

=

(2106 m3/hari x 30 hari x 0.6 x (456 - 17) mg/L)

/(2250 mg/L(1+(0,05/hari x 30 hari)

= 2959 m3

Perhitungan Mass Balance

Qinfluen = 2106 m3/hari

Xinfluen = Y x BODinf

= 0,6 kg.VSS/kg.BOD5 x 456 mg/L

= 273,6 mg/L

Qr/Q = 0,5

Qr = 0,5 x Q

= 0,5 x 2106

= 1053 m3/hari

Xr = [(Qbak + Qr) x MLVSS – (Qbak x Xinf)]/Qr

= [(2106 + 1053) x 2250 – (2106 x 273,6)]/1053

= 6202,8 mg/L

Sludge Wasting

Qw = Px – (TSSeff x Qbak)/Xr

= (221,9 – (0,189 x 2,106)/6,203

= 35,71 m3/hari

Maka konsentrasi MLSS sludge = 6202,8/0,5

= 12405,6 mg/L

Cek periode aerasi = Volume/Q

= (2959 m3 x 24 jam/hari) / 2106 m3/hari

= 33,72 jam

Cek F/M ratio = Q x (So-S) / (V x MLVSS)

= 2106 m3/hari x (456 – 17)/(2959 m3 x 2250 mg/L

= 0,14/hari

Organic Loading = (So x Q)/V

= (456 mg/L x 2106 m3/hari)/2959 m3

= 324,59 gr/m3.hari

Perhitungan Kebutuhan Oksigen

Kebutuhan Oksigen Teoritis

O2 kg/hari = [(Q x (So-S))/(BOD5/BODL)]-1.42 x Px

=

[(2106 m3/hari x (456 - 17)mg/L x (10-3kg)/(0,68)] – 1,42 x 221,9

kg.VSS/hari)

= 1044,58 kg/hari

Standard Oxygent Requirement (SOR)

Dari data diketahui :

N = Kebutuhan Oksigen Teoritis Yang Ditransfer ke Limbah

= 1044,58 kg/hari

C'sw = Konsentrasi O2 Pada Suhu Dan Tekanan Standar

= 8,24 (25 0C, 760 mmHg)

Csw = Konsentrasi O2 yang Digunakan

= 9,08 (20 0C, 760 mmHg)

C = Level DO Saat Operasi

= 2,0 mg/L

b = Rasio Saturasi Limbah Terhadap Saturasi Air

= 0,9

a = Rasio Transfer O2

= 0,9

Fa = faktor koreksi kelarutan O2

= 1 - (ketinggian (m)/9450)

= 1 - (10/9450)

= 1,0

Temperatur diasumsikan (T) = 30 0C

SOR = N / [(C'sw.b.Fa-C)/Csw] (1,024)T-20 a

= 1044,58/[((8,24 x 0,9 x 1)-2)/9,08] (1,024) 30-20 0,9

= 1537 kg/hari

Volume Udara yang dibutuhkan

Berat udara = 1,121 kg/m3

O2 dalam udara = 23,2 %

Kebutuhan udara teoritis = 1537 kg/hari /(1,121 kg/m3 x 0,232 g O2/g udara)

= 5910,73 m3/hari udara

Karena kebutuhan oksigen teoritis rencana (1044,58 kg/hari) < (1537 kg/hari) Standard

Oxygent Requirement (SOR), maka kebutuhan oksigen teoritis yang direncanakan

mencukupi. (Oke!)

Diasumsikan :

Efisiensi aerator udara = 10 %

Maka udara yang dibutuhkan = 5910,73 m3/hari / 0.1

= 59107,3 m3/hari

Udara yang disediakan = 130% dari kebutuhan udara teoritis

Total kebutuhan udara = 130 % x 5910,73

= 51226,35 m3/hari

= 35,57 m3/menit

Volume udara/BOD5 removal = (51226,35 m3/hari x 1000 g/kg)/((456 -

17) mg/L x 2106 m3/hari)

= 55,41 m3/kg

Volume udara/air limbah terolah = 51226,35 m3/hari / 2106 m3/hari

= 24,32 m3/m3 m3/m3

Volume udara/m3 volume OD = 51226,35 m3/hari / 2959 m3

= 17,31 m3/m3 m3/m3

Perhitungan Desain Aerator

Direncanakan aerator yang digunakan adalah Mammoth Rotor

Volume tiap ditch = 2959 m3

= 781685 gallon

Digunakan rotor dg diameter = 42 inchi

= 1,067 m

Kedalaman rotor terendam = 0,356 m

= 0,360 m

Panjang tiap rotor = 5,0 m

= 16,4 ft

Kemampuan rotor = 16000 gal/ft (volume OD > 60000 gallon)

Maka rotor mampu mengaerasi = 16000 gal/ft x 16,4 ft

= 262464 gallon

Kebutuhan rotor tiap ditch = volume tiap ditch/kemampuan aerasi rotor

= 781685 gal/262464 gal

= 2,978 unit ~ 3,0 unit

Kapasitas transfer O2 tiap rotor = SOR/jumlah rotor

= 1537 kg/hari / 3 unit

= 512 kg/hari

Untuk tiap ft panjang rotor/jam = (512 kg/hari x 2,2046 lb/kg)/(16,4 ft x 24

jam/hari)

= 3 lb O2/ft.rotor.jam

Untuk rotor dengan diameter 42 inchi, karakteristiknya sebagai berikut :

Kecepatan rotor = 60 rpm

Kebutuhan power = 0,25 kW/ft. rotor

= 0,25 x 16,4 ft kW/rotor

= 4,10 kW/rotor

Kebutuhan power total = Jumlah ditch x jumlah rotor/ditch x kebutuhan power/rotor

= 8 ditch x 3 rotor/ditch x 4.10 kW/rotor

= 98,42 kW

Perhitungan Dimensi Oxidation Ditch

Volume tiap ditch = 2959 m3

Perbandingan lebar ditch dengan panjang rotor = 2

Lebar OD = 2 x panjang rotor

= 2 x 5,0 m

= 10 m

Kedalaman ditch = 3,0 m

Luas penampang (A cross) = 1/2 x (lebar OD) x tinggi

= 1/2 x 10 x 3

= 15 m2

Total panjang ditch = Volume/Across

= 2961 m3 / 15 m2

= 197,4 m

Jari-jari belokan = 1/2 x ((2 x 10 m) + 5,0 m)

= 12,5 m

Diameter belokan = 2 x 12,5 m

= 25 m

Panjang belokan = keliling 1/2 lingkaran ujung ditch

= 1/2 x п x D

= 1/2 x п x 25 m

= 39,25 m

Keliling 2 setengah lingkaran

=

2 x 39,25 m

= 78,5 m

Panjang ditch lurus = [(total panjang) – (keliling 2 setengah lingkaran)]/2

= (197,4 – 78,5)/2

= 59,45 ~ 60 m

Luas lahan = jumlah ditch x panjang total x lebar OD

= 8 x 197,4 x 10

= 15792 m2

Perhitungan Hidrolis

Kecepatan aliran di OD = (Panjang OD/Periode aerasi)

= (197,4 m /33,71 jam

= 5,85 m/jam

Headloss kecepatan = 1,35x10-7 m (diabaikan)

Saluran Inlet (pembawa ke OD)

Q saluran = 0,0244 m3/det

Slope direncanakan (S) = 0,0003

v (kecepatan) = 0,4 m/dtk

A (luas permukaan) = Q/v

= 0,061 m2

Diameter pipa = 1/4 x п x D2

0,061 m2 = 1/4 x п x D2

D = 0,30 m

Cek kecepatan (v) = Q/Across

= 0,0244/(1/4 x 3,14 x (0,3)2

= 0,40 m/dtk (Oke!)

Panjang saluran direncanakan = 5 m

Headloss = S x L

= 0,0015 m

Saluran Outlet (pembawa menuju Secondary Clarifier)

Q saluran = 0,024 m3/det

Slope direncanakan = 0,0003

v (kecepatan) = 0,4 m/dtk

A (luas permukaan) = Q/v

= 0,061 m2

Diameter pipa = 1/4 x п x D2

0,061 m2 = 1/4 x п x D2

D = 0,279 m

= 0,273 m (diameter pipa dipasaran)

Cek kecepatan (v) = Q/Across

= 0,0244/(1/4 x 3,14 x (0,273)2

= 0,42 m/det (oke!)

Panjang saluran direncanakan = 5 m

Headloss = S x L

= 0,0015 m

7.2 Bak Pengendap II (Secondary Clarifier)

Fungsi utama dari secondary clarifier adalah pengendapan akhir, dimana

terjadi proses pemisahan padatan (solids-separation) dan terjadi proses

pengendapan pada biological floc dari air buangan. Partikel lumpur akan

mengendap pada bagian dasar tangki kemudian dalam underloaded dan kritis

lumpur akan diinjeksikan kembali pada pengolahan biologis sebelumnya untuk

proses suspended growth mikrobiologi.

Fungsi kedua adalah untuk menyimpan lumpur selama periode debit puncak

(Qpeak). Jika clarifier gagal dalam salah satu dari fungsi-fungsi ini, kinerja proses

biologis mungkin akan terpengaruh. Selain itu, jika zat organik ataupun TSS tidak

terendapkan dengan efisien memungkin effluen limbah tidak memenuhi baku mutu.

Gambar 7.2 Desain Secondary Clarifier

Tabel 7.2 Kriteria Desain Secondary Clarifier (Circular)

Kriteria Desain Range

OFR (gal/ft2.hari)

- Average 400 - 800

- Peak 1000 - 1600

Solid loading (lb/ft2.jam)

- Average 1,0 – 1,5

- Peak 2,0

Kedalaman (m) 12 - 20

Diameter (m) 3 - 60

Kedalaman zona settling (m) > 1.5

Waktu Detensi (jam) 2 - 6

Sumber : Qasim. 1985. Waswater Treatment Plants : Planning, Design, and

Operation.

Perencanaan :

- Jumlah bak clarifier = 4 unit

- TSS Resirkulasi (Xr) = 10000 mg/L

- MLSS = 3000 mg/L ~ 3 kg/m3

- Nilai Solid Flux (SF) = 6 kg/m2.jam (asumsi)

- Ruang lumpur dapat menampung lumpur selama 2 hari

Perhitungan :

Jumlah bak clarifier = 4 buah

Debit tiap clarifier (Qaverage) = 0,195 m3/dtk

= 0,049 m3/dtk = 175,5 m3/jam

Konsentrasi solid underflow (Xr) = 10000 mg/L

Nilai solid flux (SF) = 6 kg/m2.jam

MLSS direncanakan = 3000 mg/L

Luas area clarifier = (1 + Rasio Recycle) x Q x Xr)/ SF

= (1 + 0,8) x 175,5 m3/jam x 3 kg/m3) / 6 kg/m2.jam

= 131,63 m2

Diameter = [(4 x A)/p]1/2

= [(4 x 131,63)/3,14]1/2

= 13 m

Cek OFR utk area clarification = Q/A

= (0,049 m3/dtk x 86400 dtk)/131,63 m2

= 32,0 m3/m2.hari = 786,2408 gal/ft2.hari

Jika OFR = 32 m/hari = 1,33 m/jam , untuk MLSS sebesar 4500 mg/L

Karena MLSS rencana (3000mg/L) < 4500 mg/L, maka area clarification

mencukupi.

Cek solid loading = (Q x Xr) / A

=

(0,049 m3/dtk x 3000 mg/L x 86400

detik/hari)/(1000 g/kg x 131,63 m2)

= 96 kg/m2.hari = 4 kg/m2.jam (<5 kg/m2jam)

Kedalaman Clear Water dan Settling Zone direncanakan = 1,5 m

Perhitungan kedalaman Thickening Zone

Konsentrasi sludge pada Zona Clarification = 4500 mg/L

7250 mg/L

8875,939 kg

2662,782 kg

2,8 m

Konsentrasi sludge pada Zona Thickening =

Total massa sludge pada Tangki =

Total massa sludge pada Clarifier =

Kedalaman pada zona thickening =

Perhitungan kedalaman Sludge Storage Zone

Waktu penyimpanan lumpur = 2 hari

0,240

2106 m3/hari

Yobs =

Q =

Removal BOD soluble = 439,02 mg/L

Faktor keamanan debit = 2,5

Faktor keamanan BOD5 = 1,5

Total Volatil Solid yang

diproduksi (MLVSS) = Yobs x Q x (So-S) x (103 g/kg)-1

=

0,24 x 2106 m3/hari x 439,02 mg/L x 2,5 x 1,5 x

(103 g/kg)-1

= 832,12 kg/hari

MLVSS/MLSS = 0,8

Total solid dalam clarifier = (waktu penyimpanan lumpur x MLVSS)/(ratio)

= (2 hari x 832,12 kg/hari)/0,8

= 2080,298 kg

Kedalaman pada

penyimpanan lumpur = total solid/(kons.sludge pd thickening x A)

= 2080,298/(7250 x 131,63)

= 2,2 m

Kedalaman total clarifier = H clear water dan settling zone + H thickening +

H penyimpanan lumpur

= 1,5 + 2,8 + 2,2

= 6,5 m

= 0,5 m Freeboard

Total ketinggian bak = H total clarifier + freeboard

= 6,5 + 0,5

= 7 m

Perhitungan waktu detensi

Volume total clarifier = A x H total clarifier

= 131,63 x 7

= 917,47 m3

Waktu detensi = V/Q

= 917,47 m3/(175,5 m3/jam)

= 5,23 jam

Headloss pada clarifier = 33,847 m/jam = 0,0094 m/dtk

Saluran Inlet (pembawa ke Secondary Clarifier)

Q saluran = 0,049 m3/dtk

Slope direncanakan = 0,0002

V direncanakan = 0,5 m/dtk

A (luas permukaan) = Q/V

= 0,049/0,5

= 0,098 m2

Diameter = 1/4 x п x D2

0,098 m2 = 1/4 x п x D2

= 0,35 m ~ 0,4064 m (diameter pipa pasaran)

Cek kecepatan (v) = Q/A

= 0,049/ (0,25 x 3,14 x 0,40642)

= 0,38 m/dtk (Oke!)

Panjang saluran = 3 m

Headloss = L x S

= 3 x 0,0002

= 0,0006

Pelimpah

Keliling weir plate = П x (D-1)

= 3,14 x (13-1)

= 37,52 m

Direncanakan v-notch dengan sudut = 900

Kedalaman v-notch direncanakan = 8 cm

Jarak antar v-notch (pusat ke pusat) = 30 cm

Jumlah v-notch = Keliling/jarak antar v-notch

= 37,52 m/(30 cm/notch x (100 cm/m)-1)

= 125 buah

Q keluar clarifier = 2106 m3/hari ~ 0,0244 m3/dtk

Debit pada tiap v-notch = Q/jumlah notch

= 0,0244/125

= 0,00019 m3/detik.notch

Tinggi air di atas v-notch (saat peak) = 0,029 m

= 2,9 cm

Q keluar clarifier jika 1 bak tidak beroperasi = 0,195 m3/detik

Debit tiap v-notch jika 1 bak tidak beroperasi = Q/jumlah notch

= 0,195/125

= 0,002 m3/detik.notch

Tinggi air di atas v-notch jika 1 bak tdk

beroperasi = 0,0663 m

= 6,6 cm

Cek weir loading = Qbak/keliling weir

= 2106/37,52

= 56,13 m3/m2.hari (Oke!)

Saluran outlet (keluaran Secondary Clarifier) :

Bak penerima limpahan sebelum pipa

outlet = 1 m2

Tinggi air pada bak penerima limpahan = 0,068 m

Q saluran = 0,02 m3/dtk

Slope direncanakan = 0,0002

V direncanakan = 0,6 m/dtk

A (luas permukaan) = Q/V

= 0,041 m2

Diameter = 1/4 x п x D2

0,005 = 1/4 x п x D2

D = 0,23 m ~ 0,2191 m (diameter pipa pasaran)

Cek kecepatan (v) = Q/A

= 0,65 m (Oke!)

Panjang saluran direncanakan = 5 m

Headloss = LxS

= 5 x 0,0002

= 0,001 m

Volume lumpur yang dikuras

Berat lumpur = 1040,15 kg/hari

Temperatur = 20 0C

ρ air = 998,2 kg/m3

Persentase SS dalam lumpur = 1 %

Sg (SS) = 2,65

Volume lumpur tiap clarifier = Berat lumpur/(r air x % SS x Sg SS)

= 1040,15/(998,2 x 0,01 x 2,65)

= 39,32 m3/hari

Pengurasan dengan pompa = 4 unit

Volume lumpur total = 4 x 39,32 m3

= 157,29 m3/hari

Saluran lumpur (pembawa ke unit pengolahan lumpur)

Volume lumpur tiap clarifier = 39,32 m3/hari

Waktu detensi = 5,23 jam

= 0,22 hari

V = Q x td

39,32 m3/hari = Q x 0,22

Q = 178,73 m3/hari

Q = 0,002 m3/dtk

Direncanakan kecepatan (v) = 0,6 m/dtk

A (luas permukaan) = Q/V

= 0,0035 m2

A = 1/4 x п x D2

0,0035 = 1/4 x п x D2

D = 0,067 m ~ 0,075 m (diameter pipa pasaran)

Perencanaan pipa penguras

Q pengurasan = 20 L/dtk

= 0,02 m3/dtk

Diameter pipa = 5' - 12'

Diameter pipa yang dipakai = 6'

= 16,83 cm

A pipa = p/4 x D2

= 3,14/4 x (16,83)2

= 222,35 cm2

Waktu pengurasan = Volume lumpur/Q pipa

= (157,29 m3) / (0,02 m3/detik)

= 7864,34 menit

= 131,08 jam

= 5,5 hari

Waktu pengurasan tiap ditch = 1,4 hari/bak