Pengolahan biologi ditujukan untuk menghilangkan bahan-bahan organik terutama yang

terlarut dalam air limbah

Prinsip : Menggunakan mikroorganisme (biokatalis) dalam reaksi perombakan (degradasi)

bahan organik menjadi mineral (CO2dan H2O (aerob) atau CH4(anaerob)

A. AERATED LAGOON

Aerated lagoon adalah bak dengan kedalaman 2,5 - 5 m, dan luas permukaan beberapa ratus

meter persegi serta diaerasi secara mekanis atau difusi udara, sehingga organik dalam air

limbah dapat terurai.

Aerated lagoon merupakan pengembangan dari Aerobic Pond yaitu dengan memasang surface

aerator untuk mengatasi bau dan beban organik yang tinggi. Proses pada aerasi Lagoon pada

prinsipnya sama dengan Extended Aeration pada proses Lumpur aktif, perbedaannya terletak

pada kedalaman air yang dangkal dan oksigen diperoleh dari surface atau diffuse aerator.

Didalam Aerated Lagoon semua zat padat dipertahankan dalam keadaan tersuspensi. Pada

sistem ini tanpa dilakukan resirkulasi dan biasa diikuti dengan kolam pengendapan yang

besar.

Untuk mengetahui perhitungan luas area dapat menggunakan rumus sebagai berikut:

Volume = Q. θc

Luas area (As) = volume / kedalaman

Tabel. Kriteria Disain Untuk Lagoon Dan Stabilisation Pond

Parameter Disain Aerobic Fakultatif

Kedalaman (m)

Waktu detensi(hari)

Beban BOD kg/ha/hari

% penyisihan BOD

Konsentrasi algae (mgC/L

0.2-0.3

2-6

111-222

80-95

100

1-2.5

7-50

22-55

70-95

10-50

Sumber : Metcalf dan Eddy, 1979

Pada aerated lagoon dikenal 2 istilah, yaitu:

a. Aerobik lagoon

DO dan suspended solid dijaga uniform dalam bak .

Karakteristik:

W tinggal : 1-3 hari.

BOD di Feed : 50 – 750 mg/l ;Xv (MLVSS) : 0,5 BOD umpan

Power : 2,8 – 3,9 W/M3

Eficsiensi : 80 -90%

b. Fakultatif lagoon

DO dijaga tetap hadir dibagian lapisan air dalam bak,sebagian suspended solid

dipertahankan.Lapisan bawah adalah anaerobic.

Karakteristik:

Waktu tinggal : 3,0 -10 dari

BOD di Feed : 50 -750 ; Xv (MLVSS) : 50- 100 mg/l.

Power : ± 0,79 W/M3 (harus cukup jaga DO dan SS uniform di lapisan atas)

Efisiensi : 80 - 90 %

Gabungan seri aerobik dan fakultatif lagoon menghasilkan mutu air yang sama dengan proses

lumpur aktif. Hanya penanganan lumpurnya perlu diperhatikan seksama.

Tabel. Konstanta fisika dan kondisi optimum lingkungan untuk aerated lagoon

B. ACTIVATED SLUDGE

Activated sludge : massa (floc) yang mengandung kumpulan mikroba yang heterogen yang

terdiri dari berbagai bakteri, yeast, jamur dan protozoa dan juga “organic matter” serta “slime

material”.

Activated sludge :

- MLSS : 2000 – 5000 mg/l

- Oksigen terlarut : > 2 mg/l

Activated sludge atau Lumpur aktif sistem pengolahan dengan menggunakan bakteri aerobic

yang dibiakkan dalam tangki aerasi yang bertujuan untuk menurunkan organik karbon atau

organik nitrogen. Bahan organik dalam air buangan akan diuraikan oleh mikroorganisme

menjadi karbon dioksida, ammonia dan untuk pembentukan sel baru serta hasil lain yang

berupa Lumpur (sludge).

Kriteria Pembebanan

Dua parameter yang paling umum digunakan secara empiris dan rasional adalah rasio F/M

dan mean cell residence time (θc). Food to microorganisme ratio didefenisikan sebagai :

aerasigkidiismemikroorganmassa

waktusatuanperaerasigkikemasukyangBODsubstratMF

tan

tan)(/

Atau F/M = XV

SoQ

.

.

Dimana :

Q = debit air yang diolah ( L3/T)

So = konsentrasi substrat (mg BOD/L)

X = konsentrasi mikroorganisme (mg VSS/L)

V = Volume tangki aerasi(m3)

Lumpuraktif mampu mengubah hampir semua bahan organic terlarut dan koloid tersisa

dimetabolisme oleh mikroorganisme menjadi karbondioksida dan air. Dan fraksi terbesar

diubah menjadi mass selular yang dapat dipisahkan dari aliran air melalui pengendapan secara

gravitasi. Pemanfaatan bahan organic oleh mikroorganisme melalui tiga proses, yaitu:

molekul substrat berkontak dengan dinding sel.

Molekul substrat ditransport ke dalam sel.

Metabolisme molekul substrat oleh sel.

Untuk menghasilkan efluen yang berkualitas tinggi, biomass harus dapat dipisahkan dari

aliran liquid melalui secondary clarifier, dan setelah itu biomass dikembalikan lagi ke tangki

aierasi. Secara garis besar, proses-proses yang berlangsung dalam activated sludge ialah:

aerasi air limbah untuk menghadirkan suspensi microbial.

Pemisahan solid-liquid setelah aerasi

Discharge efluen ke clarifier

Membuang exess biomass dan mengembalikan yang tersisa ke tangki aerasi.

Elemen dan substansi yang dibutuhkan sebagai nutrisi untuk perkembangan mikroorganisme

dapat diklasifikasikan menjadi:

a. mayor elemen (C,H O, N, P ).

b. Minor elemen (S,Ca,Mg, Na,K)

c. Trace elemen (Fe,Mn,Zn,Al,Co,Cu)

d. Growth factor (essensial amino acids)

Gambar. Proses Lumpur aktif

Seperti pada gambar diatas, sesudah equalization tank di mana fluktuasi kwalitas/ kwantitas

influen diratakan, limbah cair dimasukkan ke dalam tangki aerasi di mana terjadi

pencampuran dengan mikroorganisme yang aktif (lumpur aktif). Mikroorganisme inilah yang

melakukan penguraian dan menghilangkan kandungan organik dari limbah secara aerobik.

Oksigen yang dibutuhkan untuk reaksi mikroorganisme tersebut diberikan dengan cara

memasukkan udara ke dalam tangki aerasi dengan blower.Aerasi ini juga berfungsi untuk

mencampur limbah cair dengan lumpur aktif, hingga terjadi kontak yang intensif.Sesudah

tangki aerasi, campuran limbah cair yang sudah diolah dan lumpur aktif dimasukkan ke tangki

sedimentasi di mana lumpur aktif diendapkan, sedangkan supernatant dikeluarkan sebagai

effluen dari proses.

Sebagian besar lumpur aktif yang diendapkan di tangki sedimentasi tersebut dikembalikan ke

tangki aerasi sebagai return sludge supaya konsentrasi mikroorganisme dalam tangki

aerasinya tetap sama dan sisanya dikeluarkan sebagai excess sludge.

Adapun beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam proses activated

sludge adalah:

a. faktor fisik : temperature dan dissolved oksigen

b. faktor kimia : - pH (6.5 – 9)

c. kehadiran asam atau basa tertentu

d. adanya oksidator atau feduktor tertentu

e. adanya ion atau garam dari logam berat

f. adanya bahan kima tertentu

Proses biologis lumpur aktif

Sistem tercampur sempurna, dimana aerasi terjadi dalam bak/tangki dengan pengadukan

mekanis; sistem plug-flow, dimana baknya sempit, panjang dan pengadukan diberikan oleh

udara yang diberikan dari bagian bawah bak.

Design and Operation Parameter for Activated Sludge WWTP (general):

Koagulan

Effluent

Zat Organik = Se

Lumpur Aktif

DibuangXv

ClarifierTangki Aerasibiomassa = Xv

TERADUK SEMPURNA

Air Limbah

Zat organik = So

ALIRAN SUMBAT

KONTAKTOR

Pengolahan Biologis Dengan Activated Sludge

Activated sludge merupakan proses pengolahan biologis, dimana material organik dioksidasi

menjadi an organik dan energi. Selanjutnya energi tersebut dihasilkan untuk mengubah atau

mensintesa material organik menjad sel baru.

Ada beberapa tipe dan modifisasi dari proses activated sludge, antara lain:\

1. konvensional

system ini terdiri dari tangki aerasi, secondary clarifier dan recycle sludge. Selama

berlangsungnya proses, terjadi adsorbsi, flokulasi dan oksidasi bahan organic. System

flow yang digunakan adalah model plug flow dengan recycle. Proses ini mampu

mengatasi shock loading dari buangan toxic/buangan berkekuatan tinggi karena beban

tidak didistribusikan sepanjang tangki aerasi, melainkan terkonsentrasi pada tempat

masuknya limbah

2. tapered aeration

modifikasi dari system konvensional dengan melakukan perbaikan dan pengaturan

system aerasi. Pada inlet tangki aerasi, kebutuhan oksigen sangat tinggi. Diffuser

diletakkan berdekatan dengan inlet untuk memenuhi oxygenation rate dan makin

menuju ke outlet, jarak diffuser makin jauh.

3. step aeration.

Modifikasi dari system konvensional dimana influen air buangan dimasukkan ke

dalam tangki aerasi pada beberapa titik. Tujuannya adalah untuk meratakan rasio F/M

sehingga kebutuhan oksigen puncak menjadi lebih rendah.

4. continous flow stirred tank

pada system ini, beban organikdan kebutuhan oksigen uniform

sepanjang tangki. Udara disuplai denan menggunakan:

- diffuser aerator (udara disuplay melalui kompresor)

- surface aerator (udara didapat dari agitsi dan tidak

digunakan bak pengendap pertama)

5. high rate activated sludge process

pada system ini, ratio F/M tinggi dan kandungan MLSS rendah.

Tidak dianjurkan untuk air buangan dengan kadar BOD tinggi karena

sludge sulit mengendap dan konsentrasi SS yang tinggi pada efluen.

6. extended aeration

proses ini dioperasikan pada fase dindogeneus dimana

dibutuhkan organic loading rendah dan waktu aerasi yang lama.

Organic loading rendah dimaksudkan untuk meminimalkan produksi waste

activated sludge dengan waktu endogenous decay dari sludge mass.

Proses didesain agar massa sel yang disintesa dalam sehari sebanding

dengan massa sel yang disintesa dalam sehari sebanding dengan massa

sel decay endogeneous yang didegradasi per hari.

7. contact stabilization

terdiri dari dua fase, yaitu :

- fase adsorbs

dimana bahan organic terlarut secara koloidal dan dissolved

diadsorbsi oleh activated sludge.

- fase oksidasi

Yaitu asimilasi bahan organic secara metabolic. Keuntungannya adalah

pengurangan volume tangki aerasi dan baik untuk pengolahan limbah domestic.

8. oxidation ditch

merupakan modifikasi dari extended aeration dan menggunakan

brush aerator vertical. Keuntungannya adalah efluen yang dihasilkan

lebih konstan dan tenaga operasional tidak perlu seorang ahli.

9. carrousel ditch modifikasi dari oxidation ditch. Perbedaannya terletak pada

system aerator yang menggunakan fertikal aerator dan Lumpur yang

dihasilkan relative banyak.

10. krauss precess

digunakan untuk air buangan yang kandungan nitrogennya

kecil. Jadi dilakukan penambahan karbon/nitrogen melalui aerasi sehingga butuh

suplai energi listrik yang besar.

11. pure oxygen

tanki aerasi dibagi dalam beberapa kompartemen (biasanya

tiga). Keuntungannya adalah :

- reduksi waktu aerasi

- menurunkan waste activated sludge

- meningkatkan karakteristik pengendapan sludge

- menurunkan kebutuhan lahan

Produksi Lumpur

Jumlah Lumpur yang diproduksi tiap hari :

Px = Yobs Q (So –S) / 1000 Kg/hari

Dimana :

Yobs = koefisien yield observasi

Q = debit air yang diolah (m3 /hari )

S, So = konsentrasi BOD di influen dan efluen (g/m3)

SVI (Sludge Volume Index)

Harga SVI < 100 ml/g, dapat mengendap dengan baik

SVI > 200 ml/g, dalam kondisi bulking

Rasio resikulasi (r)

r = Qr/Q

pengolahan konvensional r = 0,25 – 0,5

Umur Lumpur

(dianggap Xe = 0)

Waktu detensi (HRT)

T = θ = V/Q

Kondisi sesungguhnya adalah θactual =

Volumetric Loading (VL)

Kebutuhan Oksigen

Kg O2/hari =

Dimana : F = factor konversi BOD5 ke BOD ultimate

Secondary clarifier

Bak pengendap ke dua berfungsi untuk mengendapkan flok – flok yang terbentuk, yang

berasal dari effluent activated sludge yang akan diresirkulasikan kembali sebagai return

sludge.

Clarifier berbentuk circular yang dilengkapi dengan scrapper mekanis. Dimensi bangunan

dapat dicari dengan menggunakan prosedur analisa laboratorium secara batch, proses luasan

bak diperhatikan dengan memperhitungkan solid flok yaitu kecepatan thickening solid / unit

luas bangunan.

Berdasarkan operasionalnya, secondary clarifier memilki dua fungsi yaitu :

- Memishkan MLSS dari air buangan yang diolah

- Memadatkan lumpur

Ada lima parameter yang paling berpengaruh terhadap performa secondary clarifier, yaitu:

1. konsentrasi MLSS yang masuk ke clarifier,

2. debit air limbah,

3. debit resirkulasi system activated sludge,

4. luas permukaan clarifier, dan

5. kemampuan mengendap lumpur.

Keempat parameter pertama mempengaruhi SLR (solid loading rate) clarifier. SLR

menyatakan jumlah solid per satuan luas permukaan clarifier per hari. SLR dihitung dengan

rumus:

SLR = (Qww + QRAS) x (MLSS) x (conversion factor/SA)

SLR = solids loading rate , kg/m2.hari

Qww = debit air limbah, m3/hari

QRAS = debit resirkulasi sistem activated sludge, m3/hari

MLSS = konsentrasi MLSS , mg/L

SA = luas permukaan clarifier, m2

Conversion factor = (0.0001 kg/m3) / (mg/L)

Ketebalan lumpur (sludge blanket) juga harus diperhatikan. Kedalaman sludge blanket

sebaiknya diukur setidaknya satu hingga tiga kali sehari. Lapisan lumpur yang terlalu tinggi

akan mempengaruhi kualitas efluen. Hal lainnya yang perlu diperhatikan yaitu debit

resirkulasi (return activated sludge, RAS). Jika tidak ada lumpur yang diresirkulasi ke reaktor

biologi maka akan terjadi penumpukan lumpur dan pada akhirnya dapat keluar ke efluen.

Dengan kata lain hasil pengolahan akan sia-sia.

Sebaliknya, jika debit resirkulasi terlalu tinggi akan menyebabkan lumpur tidak sempat

mengendap di dalam clarifier. Hal ini akan menghilangkan esensi pengolahan, tidak ada solid

yang diendapkan. Debit resirkulasi biasanya ditentukan sebagai persentasi debit air limbah

yang masuk ke dalam tangki aerasi.

Pada sistem yang memiliki MCRT pendek dan produksi lumpur sedikit, debit RAS biasanya

25 hingga 50 persen dari debit air limbah (30-40% paling umum). Untuk sistem dengan

MCRT yang lebih panjang dan produksi lumpur yang relative banyak, debit RAS dapat

mencapai 100-150% dari debit air limbah yang masuk ke tangki aerasi.

Proses pengontolan Activated Sludge

a. Pemantauan konsentrasi oksigen terlarut (dissolved oxygen, DO).

Memantau konsentrasi DO sudah pasti sangat berkaitan dengan aerasi. Aerasi yang

dimaksud di sini mencakup suplai oksigen serta metode pelarutan oksigen ke dalam

sistem activated sludge (mixing). Mixing dapat dilakukan dengan berbagai cara. Akan

tetapi, dalam sistem activated sludge selalu diperlukan aerasi secara mekanik karena laju

aliran gas oksigen murni yang masuk ke dalam sistem terlalu lambat sehingga sulit untuk

menyeragamkan konsentrasi di dalam tangki.

Sebagai rule of thumb, kebutuhan oksigen dikatakan terpenuhi apabila konsentrasi DO di

dalam reaktor biologi mencapai minimal 2 mg/L. Memang hal ini bisa saja berubah,

tergantung kondisi limbah masing-masing instalasi. Saat konsentrasi DO berada di bawah

nilai optimalnya, indikator pertama adalah munculnya bakteri berbentuk filamen dalam

jumlah yang signifikan di dalam tangki aerasi. Komposisi mikroba akan didominasi oleh

bakteri jenis ini sehingga mempengaruhi kemampuan lumpur untuk mengendap. Selama

lumpur masih dapat dipisahkan dari efluen (di clarifier) maka masalah masih dapat diatasi

dengan “membasmi” bakteri filamentous tersebut. Jika konsentrasi DO terus menurun,

maka pertumbuhan bakteri filamen akan semakin meningkat lagi. Kondisi lanjutan seperti

ini dapat menurunkan efisiensi pengolahan karena efluen akan menjadi keruh. Pada

kondisi yang lebih parah, lumpur dapat berubah warna menjadi kehitaman dan akan

muncul bau busuk akibat kondisi tangki yang telah berubah menjadi anaerob.

Pengamatan visual merupkan indikator yang baik, akan tetapi akan lebih baik lagi jika

pemantauan konsentrasi DO dan kualitas efluen dilakukan sebagai tindakan pencegahan.

Perlu diingat, peralatan yang dipakai untuk pemantauan DO tidak bisa diremehkan. Selalu

gunakan alat ukur yang terawat dengan baik, bersih, dan rutin dikalibrasi untuk menjamin

akurasi pengukuran. Memberi aerasi semaksimal mungkin memang akan menjamin

tersedianya oksigen di dalam tangki. Namun, hal ini akan berdampak besar pada tingginya

biaya operasional instalasi.

b. Pemantauan lumpur

Proses activated sludge memanfaatkan mikroorganisme aerob untuk melakukan

perombakan zat-zat organik dari air limbah. Lumpur yang dimaksud di dalam sistem

activated sludge adalah mikroorganisme itu sendiri. Konsumsi zat-zat organik tersebut

bisa diibaratkan dengan makan. Dengan memakan zat-zat organic dari dalam air limbah,

maka mikroorganisme dapat tumbuh (memperbanyak diri). Apabila pertumbuhan ini tidak

terkendali maka clarifier akan dipenuhi oleh lumpur dan akan terbentuk suatu lapisan

yang dikenal dengan istilah sludge blanket. Selain itu, lumpur yang tidak terkontrol

jumlahnya dapat terbawa ke efluen menyebabkan konsentrasi BOD dan suspended solid

yang tinggi. Untuk mencegah hal-hal tersebut perlu dilakukan mekanisme pengendalian

dari beberapa aspek di bawah ini:

1. Food-to-Microorganism ratio (F/M ratio)

Food menunjukkan jumlah BOD, sementara Microorganism menunjukkan jumlah

mikroba di dalam air limbah yang direpresentasikan melalui konsentrasi MLVSS (mixed

liquor volatile suspended solids). F/M ratio (hari-1) dapat diketahui dengan rumus

Qww = debit air limbah yang masuk ke proses activated sludge (m3/hari)

BOD   = konsentrasi BOD (mg/L)

V         = volume reaktor activated sludge (m3)

MLVSS = konsentrasi mikroorganisme (mg/L)

Untuk proses yang hanya melibatkan penyisihan BOD, nilai F/M biasanya berkisar antara

0.25-0.45 / hari. Jika proses melibatkan nitrifikasi, maka rasio F/M biasanya 0.1/hari atau

kurang.

2. Mean Cell Residence Time (MCRT)

Kalau diterjemahkan ke dalam bahasa Indonesia, kira-kira artinya adalah waktu tinggal

sel. Tapi, biar lebih umum saya akan pakai istilah aslinya saja biar bisa disingkat…

MCRT. Nah, MCRT ini juga bisa dipakai untuk menentukan jumlah optimum lumpur.

Secara teoritis, MCRT artinya adalah jumlah hari dimana mikroorganisme tinggal di

dalam reaktor activated sludge sebelum dikeluarkan dari sistem. MCRT yang lama berarti

lebih banyak lumpur yang tertahan di dalam sistem sehingga meningkatkan konsentrasi

MLSS (mixed liquor suspended solids). Sebaliknya, jika MCRT terlalu sebentar maka kita

tidak akan memperoleh konsentrasi MLSS yang mencukupi.

Rumus dasar untuk penghitungan MCRT yaitu massa solid di dalam activated sludge

dibagi massa solid yang meninggalkan sistem. MCRT dihitung dalam satuan hari. Cara

lain yang lebih sederhana untuk menghitung MCRT yaitu:

VR = volume liquid di dalam reaktor biologi (m3)

QMLSS = debit MLSS yang dibuang (m3/hari)

Untuk sistem activated sludge yang hanya mengolah BOD, MCRT biasanya berkisar

antara 1 hingga 3 hari. Sementara itu jika proses nitrifikasi juga terjadi maka MCRT

antara 4-10 hari dan 20 hari atau lebih untuk proses extended aeration.

C. TRICKLING FILTER

Trickling filter adalah reaktor biologi berbentuk packed bed dari batu atau plastik sebagai

media filternya dimana proses kimia-biologis berlangsung, media packing akan ditumbuhi

lapisan slime / mikrobiologi aerobik.

Air limbah yang telah diendapkan didistribusikan secara uniform di atas bed dengan sebuah

cotating distribution yang kemudian mengalir lewat bed. Effluen dikumpulkan pada under

min pada bagian bawah trickling filter dan O2 masuk ke filter.

Air buangan mengalir di atas permukaan media. Zat padat organik kontak dengan

mikroorganisme membentuk simelayer dan berkembang biak pada permukaan filter media.

Jika kekebalan biofilm naik, maka mikroorganisme dekat permukaan tidak cukup mendapat

supply BOD dan O2 dan difusi sustrat menjadi terbatas, sehingga :

Efisiensi pemisahan BOD dengan TF menurun

Terjadi endogeneous respiration dari biomass mengakibatkan kondis anaerobic

Biomassa kehilangan kemampuannya untuk mencapai permukaan filter dan akan terbawa

ke luar filter

Sistem ini harus di bawah tekanan hidrolis yang normal, jika tidak maka ratio filtrasi akan

menghilangkan slime biomassa.

Parameter desain dan operasional:

a. Hydraulic loading

- Low rate, M3 flow/M2.day surface area : 1 – 4

- High rat, M3 flow/M2.day. surface area : 8 – 40

b. BOD loading

- Low rate, kg BOD/M3.day. filter volume : 0.08 – 0.4

- High rate, kg BOD/M3.day. filter volume : 0.3 – 1.0

c. Recirculation

- Low rate ( % feed rate ) : 0 – 50

- High rate ( % feed rate ) : 25 - 300

Pada umumnya trickling filter tidak dapat mengurangi BOD lebih dari 85%. Namun secara

umum lebih mudah dan lebih murah dibandingkan proses lumpur aktif.

Trickling Filter

D. ROTATING BIOLOGICAL CONTRACTOR

RBC dibuat dari lempengan2 plastik yang dipasang pada sumbu berputar. 40% volume alat

ini dibenamkan dalam tangki air limbah. Dipermukaan lempengan akan tumbuh lapisan

mikroba setebal 1–4 mm. Bila kontaktor ini diputar akan membawa sejumlah air limbah ke

udara dan menyerap O2 sehingga mikroba aerobik dapat mengoksidasi zat organik terlarutnya.

Unjuk kerja alat ini serupa trickling filter.