UNIT OPERATIONS AND PROCESSES

HIGH RATE ACTIVATED SLUDGE

Alicia Charine Aghnia 1306368015

Hero Suspadama Budiman 1306368002

Ismy Hanany 1306370303

Jonathan Megan 1306407590

UNIVERSITAS INDONESIA

FAKULTAS TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

2015

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas limpahan

rahmat dan hidayahnya penulis dapat menyelesaikan paper tentang “High Rated

Activated Sludge”. Paper ini disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Unit

Operations and Processes.

Dalam kesempatan ini kami mengucapkan terimakasih yang sedalm-dalamnya

kepada:

1. Yth. Bpk. Ir. DR. Setyo Serwanto Moersidik, DEA selaku dosen pengajar mata

kuliah Unit Operations and Processes

2. Rekan-rekan satu kelompok yang telah membantu dalam penyusunan paper

ini

Kami menyadari bahwa dalam penyusunan paper ini jauh dari kata sempurna,

baik dari segi penyusunan, bahasan, ataupun penulisannya. Oleh karena itu, kami

mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun, khususnya dari dosen mata

kuliah ini, guna menjadi acuan dalam bekal pengalaman dan pembelajaran bagi kami

untuk lebih baik lagi dimasa yang akan datang.

Depok, 3 Mei 2015

Penyusun

2

DAFTAR ISI

Kata Pengantar Ii

Daftar Isi Iii

Abstrak Iv

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Rumusan Masalah 2

BAB II ISI/PEMBAHASAN

2.1. Dasar Teori 4

2.1.1 Definisi dan Parameter High-Rate Activated Sludge 5

2.1.2 Proses High-Rate Activated Sludge 6

2.1.3 Prinsip dan Konsep High-Rate Activated Sludge 9

2.1.4 Kelebihan dan Kekurangan High-Rate Activated Sludge 9

2.2. Rumus yang Digunakan 10

2.3. Contoh Soal 16

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan 25

Daftar Pustaka 26

3

High-rate Activated Sludge

Alicia Carine A., Hero Suspadama B., Ismi Hanany, Jonathan Megan G.

Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

Kampus UI, Depok 16424

Abstrak: Saat ini pemahaman aktif mahasiswa mengenai unit pengolahan biologis pada

teknik lingkungan belum memberikan hasil yang dapat di evaluasi. Keadaan tersebut

menjadi latar belakang dari pembuatan tugas paper yang berisikan tentang

pemahaman mahasiswa mengenai jenis pengolahan biologis high-rate activated sludge

yang juga menyertai rumus-rumus yang dibutuhkan dan beberapa analisa yang

berkaitan. Activated sludge sendiri merupakan bagian dari pengolahan biologis yang

memberikan peran kepada lumpur untuk menjadi substrat atau makanan dari

mikroorganisme sebagai kunci dari berjalnnya pengolahan ini. High-rate activated

sludge ini juga merupakan salah satu dari pengolahan biologis yang mempunyai

perbedaan pada unit paket, kecepatan prosesnya, serta kebutuhan BOD atau

substratnya sehingga sangat perlu untuk di kupas secara detail sebagai dasar dari

pemahaman Unit Operasi dan Proses di dalam teknik lingkungan. Selain itu, didalam

High-Rate Activated Sludge ini juga terdapat pengolahan lain yang harus dipahami

secara detail.

Kata Kunci: High-Rate Activated Sludge, Unit Operasi dan Proses Teknik Lingkungan

4

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Limbah adalah bahan buangan yang dihasilkan dari suatu kegiatan manusia dan

proses produksi baik industry maupun domestik. Berdasarkan wujudnya, limbah

dibedakan menjadi tiga jenis yaitu limbah padat, limbah cair, dan limbah gas. Limbah

cair dapat berupa grey water maupun black water. Limbah sering kali menjadi

permasalahan yang sangat serius di perkotaan. Keseimbangan lingkungan, terutama

kesehatan manusia akan terganggu jika jumlah hasil buangan tersebut melebihi ambang

batas toleransi lingkungan. Tingkat bahaya keracunan yang ditimbulkan oleh limbah

bergantung pada jenis dan karakteristik limbah. Oleh karena itu, pengolahan terhadap

limbah sangat penting dilakukan.

Pada dasarnya, limbah cair akan sangat bermanfaat jika diolah kembali melalui

pengolahan air yang merupakan tugas dari insinyur teknik lingkungan. Pengolahan air

merupakan suatu proses yang digunakan untuk membuat sumber air baku atau air

limbah menjadi air yang dapat diterima bagi pengguna akhir sesuai dengan standar yang

dibutuhkan termasuk air bersih, air minum, air untuk proses industri, air pengobatan

dan air untuk keperluan lainnya. Tujuan proses pengolahan air adalah menghilangkan

kontaminan dalam air, atau mengurangi konsentrasi kontaminan tersebut sehingga

menjadi air yang diinginkan sesuai kebutuhan tanpa merugikan dampak ekologis.

Limbah cair yang sangat penting untuk diolah adalah limbah feses dan urine

yang dapat diolah melalui proses biologis, contohnya lumpuraktif. Pemanfaatan

mikroorganisme sangat berperan penting pada proses ini. Mikroorganisme dapat

menghilangkan material-material organik yang dapat mengandung penyakit dalam air

dan memanfaatkannya sebagai makanan. Akan tetapi, seringkali pengolahan biologis

secara konvensional tidak efektif untuk menghilangkan material organik, sehingga

dibutuhkan metode baru yang dapat membuat proses pengolahan menjadi lebih efektif

dan efisien.

5

B. Rumusan Masalah

1. Kontaminan apa saja yang dapat dihilangkan melalui proses biologis?

2. Variabel apa saja yang perlu diperhatikan dalam proses lumpur aktif?

3. Metode apa yang dapat membuat proses lumpur aktif menjadi lebih efektif

dan efisien?

4. Bagaimana prinsip dan konsep dari pengolahan dengan high-rate activated

sludge?

5. Bagaimana perhitungan dalam pengolahan high-rate activated sludge?

6

BAB II

PEMBAHASAN

II.1. Dasar Teori

II.1.1 Definisi dan Parameter High-Rate Activated Sludge

Lumpur aktif (activated sludge) adalah proses pertumbuhan mikroba tersuspensi

dengan pemanfaatan material organik yang ada di dalam air limbah sebagai substrat.

Proses ini pada dasarnya merupakan pengolahan aerobik yang mengoksidasi material

organik menjadi CO2 dan H2O, NH4, dan sel biomassa baru. Pengolahan limbah dengan

sistem lumpur aktif bertujuan untuk pemisahan senyawa karbon, senyawa nitrogen, dan

fosfor, serta stabilisasi lumpur secara aerobik dan simultan. Lumpur aktif dicirikan oleh

beberapa parameter, antara lain: Indeks Volume Lumpur (Sludge Volume Index = SVI)

dan Stirred Sludge Volume Index (SSVI).

Tidak ada perbedaan yang signifikan baik dari segi prinsip, proses, maupun unit

untuk lumpur aktif konvesional maupun lumpur aktif berkecepatan tinggi. Perbedaan

lumpur aktif konvesional dengan lumpur aktif berkecepatan tinggi berada pada hasil

serta waktu tinggal hidraulik yang lebih singkat pada kecepatan tinggi sehingga mampu

untuk mengolah limbah dengan konsentrasi dan beban BOD yang sangat tinggi.

Pengolahan lumpur aktif merupakan pengolahan biologis yang biasanya sangat

tergantung pada faktor luar yaitu lingkungan. Faktor lingkungan dapat sangat

mempengaruhi keadaan limbah maupun mikroorganisme yang ada didalamnya

sehingga akan berdampak pada proses dan hasil pengolahannya. Faktor lingkungan yang

berpengaruh pada pengolahan lumpur aktif adalah:

1. Oksigen terlarut merupakan faktor lingkungan yang paling penting dalam

pengolahan air limbah dengan sistem lumpur aktif. Pengolahan lumpur aktif

menggunakan proses aerobik sehingga harus memiliki kadar oksigen terlarut

lebih dari 2 mg/L. Kadar oksigen terlarut sebesar 2 mg/L dapat diindikasikan

dengan menghidupkan ikan mas dalam limbah tersebut. Kadar oksigen

7

terlarut kurang dari 0,2 mg/L disebut keadaan anoksik, sedangkan jika

kurang dari 0,1 mg/L disebut anaerobik.

2. Temperatur dapat mempengaruhi pertumbuhan bakteri di dalam air limbah.

Temperatur yang optimal untuk pengolahan biologis adalah sekitar 30C-

36C tergantung jenis mikroba yang ada.

3. Ketersediaan nutrisi bagi bakteri dapat dilihat dari perbandingan karbon

atau bod, nitrogen, dan pospor. Parameter yang sangat penting

diperhatikan dari nutrisi dalam air limbah adalah nitrogen, karena nitrogen

akan menyebabkan air limbah menjadi toxic (inhibitor) jika kadarnya terlalu

banyak. Rasio BOD:Nitrogen:Pospor yang optimal untuk pengolahan limbah

dengan lumpur aktif adalah sebesar (100-60) : (50-30) : 1.

4. pH dapat mempengaruhi kecepatan aktivitas bakteri dalam air limbah. pH

yang optimal untuk pengolahan lumpur aktif adalah sebesar 6,5-7,5. Bakteri

akan berhenti beraktivitas atau bahkan mati jika pH lebih dari 9,5 atau

kurang dari 4.

5. Waktu retensi adalah waktu generasi mikroba yang berhubungan dengan

jumlah energi yang dibutuhkan selama proses oksidasi. Sedangkan waktu

detensi adalah lama waktu air limbah tinggal dalam tangki aerasi.

6. Pertumbuhan bakteri merupakan hal yang sangat penting karena bakteri

merupakan pemeran utama dalam pengolahan ini. Pertumbuhan bakteri

akan sangat bergantung pada temperatur, nutrisi, pH, dan faktor lingkungan

lain. Maka dari itu, sangatlah penting untuk mengatur keadaan yang

optimum tergantung jenis mikroba yang digunakan dalam pengolahan

lumpur aktif.

Di dalam proses lumpur aktif, terdapat beberapa variabel perencanaan yang

umum digunakan dalam proses pengolahan air limbah dengan sistem lumpur aktif

(Davis and Cornwell, 1985; Verstraete and van Vaerenbergh, 1986) adalah sebagai

berikut:

1. Beban BOD (BOD Loading rate), adalah jumlah massa BOD di dalam air limbah yang

masuk (influent) dibagi dengan volume reaktor. Beban BOD ini penting diketahui

karena, untuk dapat memasuki unit pengolahan biologis dibutuhkan minimum

kandungan BOD tertentu.

8

2. Mixed-liqour suspended solids (MLSS). Isi di dalam bak aerasi pada proses pengolahan

air limbah dengan sistem lumpur aktif disebut sebagai mixed liqour yang merupakan

campuran antara air limbah dengan biomassa mikroorganisme serta padatan

tersuspensi lainnya. MLSS adalah jumlah total dari padatan tersuspensi yang berupa

material organik dan mineral, termasuk di dalamnya adalah mikroorganisme. MLSS

ditentukan dengan cara menyaring lumpur campuran dengan kertas saring (filter),

kemudian filter dikeringkan pada temperatur 105° C, dan berat padatan dalam

contoh ditimbang.

3. Mixed-liqour volatile suspended solids (MLVSS). Porsi material organik pada MLSS

diwakili oleh MLVSS, yang berisi material organil bukan mikroba, mikroba hidup dan

mati, dan hancuran sel (Nelson and Lawrence, 1980). MLVSS diukur dengan

memanaskan terus sampel filter yang telah kering pada 600-650° C, dan nilainya

mendekati 65-75% dari MLSS.

4. Food-to-microorganism ratio (F/M) Ratio. Parameter ini menunjukkan jumlah zat

organik (BOD) yang dihilangkan dibagi dengan jumlah massa mikroorganisme di

dalam bak aerasi atau reaktor. Besarnya nilai F/M ratio umunya ditunjukkan dalam

kilogram BOD per kilogram MLSS per hari. (Curds dan Hawkes, 1983; Nathanson,

1986)

5. Hidraulik Retention Time (HRT) atau waktu rata-rata yang dibutuhkan oleh larutan

influen masuk dalam tangki aerasi untuk proses lumpur aktif, nilainya berbanding

terbalik dengan laju pengenceran (Sterrit dan Lester, 1988)

6. Rasio Sirkulasi Lumpur (Hidraulic Recycle Ratio, HRT). Rasio sirkulasi lumpur adalah

perbandingan antara jumlah lumpur yang disirkulasikan ke bak aerasi dengan jumlah

air limbah yang masuk ke dalam bak aerasi.

7. Umur lumpur (Sludge Age) atau sering disebut waktu tinggal rata-rata sel merupakan

parameter yang sangat penting dalam pengolahan lumpur aktif. Parameter ini

menunjukkan waktu tinggal rata-rata mikroorganisme dalam sistem lumpur aktif.

Parameter ini berbanding terbalik dengan laju pertumbuhan mikroba.

9

Tabel 1. Faktor Penting dari Pengolahan Lumpur Aktif

Sumber: Reynolds/Richards. Unit Operations and Processes in Environmental Engineering 2nd Ed

Gambar 1. Contoh Riil Unit Pengolahan Lumpur Aktif

10

Faktor Penting

Primary clarifier Aeration Tank Secondary clarifier desinfection

BOD/COD > 0,6 Qinf = Q0 + Qr

MLSS

4000-10.000 mg/L

BOD removal eficiency

75 – 90 %

C: N: P =

(10 s/d 60) : (3 s/d 5) : 1

Mean Cell recidence

Θ= 5-10 hari

MVLSS

(0,68 s/d 0,88) x MLSS

F/M = 0,4 – 1,5Recycle Ratio

R/Q = 1 s/d 5

Space Loading

1,6 s/d 16 kg BOD5/m3-day

HTR = 2-4 jam

Sumber: google.com

II.1.2 Proses High-Rate Activated Sludge

Proses High-Rate Activated Sludge mempunyai prinsip kerja yang sama

dengan proses lainnya, namun yang membedakan adalah dari segi kecepatnnya.

Pada bak aerasinya terdapat udara yang terletak di atas atau di bawah. Hal ini

bertujuan sebagai tempat memberikan oksigen kepada mikroorganisme lewat

lubang tersebut, dimana oksigen dialirkan dengan blower udara. Air limbah

influen yang diolah, setelah dilakukan pengolahan dapat membuat kriteria air

tadi berubah seperti tabel diatas. Kandungan MLSS menjadi 3000-6000 mg/l,

waktu aerasinya 2-3 jam, BOD nya menjadi 75 %-95% , Sludge area menjadi 2-4

hari, kebutuhan udara >15 hari, dan lain-lain.

Proses ini digunakan untuk limbah tingkat tinggi, beban BOD yang besar dan

dengan waktu hidraulik yang sangat singkat. Ada beberapa proses yang

menyebabkan waktu hidraulik pada proses ini singkat, yaitu:

- Proses yang terjadi sama dengan proses activated sludge secara

konvensional, namun pada proses ini dilakukan dengan kecepatan tinggi.

- Digunakan pada pengolahan paket yaitu bak aerasi dan bak pengendap

dirancang menjadi satu unit

- Secara umum, proses ini diawali dengan penampungan air limbah di bak

penampung untuk diukur debitnya sebelum masuk ke dalam bak pengendap

(dalam hal ini dilakukan dalam satu unit). Setelah diendapkan, air limbah

dialirkan ke bak aerasi seperti yang terlihat pada gambar 1. Pada bak aerasi

ini air limbah di hembuskan dengan udara sehingga mikroorganisme yang

ada akan menguraikan zat organik yang ada di dalam air. Dengan demikian

akan tumbuh biomasa dalam jumlah yang besar.

11

Gambar 2. Diagram Pengolahan Air Limbah dengan Lumpur Aktif

.

Gambar 3. Bak Aerasi Pada Proses Lumpur Aktif dengan Diffusor Aerator

II.1.3 Prinsip dan Konsep High-Rate Activated Sludge

High-Rate Activated Sludge merupakan salah satu jenis pengolahan biologis

dengan proses Activated Sludge, dimana prinsip dari pengolahan biologis adalah

12

prosesnya menggunakan aktivitas kehidupan mikroorganisme untuk membersihkan zat-

zat organik. Proses ini berlangsung cepat dengan membutuhkan lahan yang sedikit.

Namun peningkatan intensitas menyebabkan proses lebih sensitif sehingga

membutuhkan proses control yang intensif dan teliti.

Dalam prosesnya memanfaatkan aktivitas metabolik aerob dengan reaktor

Suspended Growth Process. Dalam reaktor tsb, mikroorganisme membentuk gumpalan-

gumpalan koloni bakteri yang bergerak secara bebas (tersuspensi) di dalam air limbah.

Mikroorganisme-mikroorganisme dapat keluar melalui aliran keluar (limpasan air) air

limbah sehingga densitas bakteri di dalam reaktor harus di kontrol. Pada proses aliran

lambat, pertumbuhan bakteri mungkin cukup untuk menggantikan kehilangan bakteri

akibat aliran keluar, namun pada proses high-rate dan waktu tinggal hidraulik pendek,

pengembalian bakteri merupakan cara yang paling banyak dilakukan untuk mengontrol

densitas bakteri di dalam reaktor.

Gambar 4. Diagram Pengolahan Air Limbah dengan Sistem “High Rate Aeration”

dan Kriteria Perencanaan

Sumber: Gesuidou Shisetsu Sekkei Shishin to Kaisetsu, Nihon Gesuidou Kyoukai (Japan

Sewage Work Assosiation

Sistem ini digunakan untuk mengolah limbah konsentrasi tinggi dan dioperasikan

untuk beban BOD yang sangat tinggi bila dibandingkan dengan proses lumpur aktif

13

konvensional. Proses ini mempunyai waktu hidraulik yang sangat singkat. Sistem ini

beroperasi pada konsentrasi MLSS yang tinggi.

II.1.4 Kelebihan dan Kekurangan High-Rate Activated Sludge

Kelebihan

1. Sistem lumpur aktif dapat diterapkan untuk hamper semua jenis limbah cair

industry pangan, baik untuk oksidasi karbon, nitrifikasi, denitrifikasi,

maupun eliminasi fosfor secara biologis tanpa menambahkan bahan kimia

2. Sifatnya yang beragam dapat memungkinkan pemanfaatan dari skala kecil

hingga untuk skala besar

3. Mampu mengeliminasi bahan organik dan fosfor biologis, memisahkan

padatan dan cairan, serta menstabilisasi lumpur

4. Mengurangi padatan tersuspensi hingga 97%

5. Penggunaan lahan yang sedikit

Kekurangan

1. Biaya investasi besar karena sistem ini memerlukan peralatan mekanis

seperti pompa dan blower

2. Biaya operasi besar karena berkaitan dengan pemakaian energi listrik.

3. Operasi cukup sulit sehingga membutuhkan operator yang handal untuk

mengatur jumlah massa mikroba dalam reaktor.

4. Tidak menghilangkan warna dari limbah industry dan dapat meningkatkan

warna melalui oksidasi

5. Tidak menghilangkan nutrient sehingga memerlukan penanganan tersier

6. Daur ulang biomassa menyebabkan konsentrasi biomassa yang tinggi di

dalam tanki aerasi sehingga diperlukan teknologi penerimaan waktu tinggal.

II.2 Rumus yang Digunakan

Langkah-langkah untuk membuat desain bak , adalah :

Menentukan BOD Removal Efficiency

14

BOD Removal Efficiency = So−St

Sox 100 %

Keterangan :

So = BOD influen ( mg/L)

St = BOD effluen ( mg/L)

Menentukan K ( reaction rate constant )

K2 = K1 xθ ( T2-T1)

Keterangan:

K1, K2 = Reaction rate constant at respective temperature

θ = Temperature correction coefficient ( 1.03 -1.09 )

T2, T1 = Temperature of the mixed liquor

Menentukan Hydraulic Retention Time atau Detention Time

θ = So−St

K . X .St

Keterangan :

θ = Hydraulic Retention Time ( jam atau hari )

K = Koefisien Kinetis ( L/g)

X = MLVSS ( mg/L)

So = BOD influen (mg/L)

St = BOD effluent ( mg/L)

Menentukan Recycle Ratio

Q ( 0 ) + R (SDI) = (Q+R)(MLVSS)

SDI = MLVSS

SV

SV = SVI x MLVSS

1000

Keterangan :

SDI = Sludge Density Index (g/mL)

15

SVI = Sludge Volume Index (mL/g)

SV = Sludge Volume (mL/L)

Q = Debit Influen ( m3/detik atau m3/hari)

R = Lumpur yang diresirkulasi

Menentukan Volume Aeration Tank

Volume = Q x θ

Keterangan :

V = Volume bak ( m3)

Q = Debit influen ( m3/detik atau m3/hari)

θ = Hydraulic Retention Time atau waktu tinggal ( jam atau hari )

Menentukan Dimensi aeration tank

Bak diasumsikan menggunakan diffusor dengan perbandingan p : l adalah 2 :

3 , dan ketinggian bak = 6 meter

Menentukan Food-To-Microbe Ratio

FM

= Q.(So−St )

X . V

Keterangan :

F = makanan mikroorganisme ( mg/L )

M = Jumlah mikroorganisme ( mg/L)

Q = Debit Influen ( m3/detik atau m3/hari )

X = MLVSS (mg/L)

So = BOD influen ( mg/L)

St = BOD effluent ( mg/L)

V = Volume bak ( m3)

Menentukan Space Loading

16

Space Loading = Q x So

V

Keterangan :

Q = Debit Influen ( m3/detik atau m3/hari)

So = BOD Influen ( mg/L)

V = Volume bak ( m3)

Menentukan mean cell Residance Time

1θc

= Y. 1M

- ke

Keterangan :

θc = waktu tinggal rata-rata mikroorganisme (jam)

Q = Debit Influen ( m3/detik atau m3/hari)

R = Lumpur yang diresirkulasi

Perhitungan Oksigen

Or = Y’Sr + k’eX + On

Dimana

Or = Kebutuhan Oksigen ( kg/hari)

Y’ = Koefisien oksigen

K’e = Koefisien respirasi endogeneous ( kg O2/kg cell day )

On = Oksigen yang dibutuhkan untuk nutrifikasi ( kg/hari)

Sr = Substrat yang dihilangkan ( kg/hari)

X = MLVSS ( mg/L)

Langkah-langkahnya adalah :

Menghitung total mass of MLVSS (kg)

X = V x MLVSS

Keterangan :

X = massa MLVSS dalam reaktor (kg)

17

V = Volume bak ( m3)

Menghitung substrate removed per hari

Sr = ( BOD5influen – BOD5effluen ) x Q

Keterangan :

Sr = Substrat yang dihilangkan (kg/hari)

Q = Debit influen (m3/detik atau m3/hari)

Menghitung volatile suspended solids produced

Xw = YSr - keX

Keterangan :

Xw = volatile suspended solids produced (kg MLVSS/hari)

Y = cell yield coefficient (lb/b atau kg/kg)

Sr = Substrat yang dihilangkan (kg/hari)

ke = koefisien sel endogen

X = MLVSS (mg/L)

Menghitung jumlah nitrogen yang dinitrifikasi

Jumlah nitrogen yang dinitrifikasi dapat ditentukan dengan persamaan mass

balance

[ input ]=[ output ]+[decrease¿ ¿synthesis¿ ]+[ decreasedue

¿nitrification ]1. Menentukan input

Input = Q x jumlah organic dan amoniak nitrogen pada primary effluent

2. Menentukan nitrogen yang hilang akibat sintesis ( pengendapan lumpur )

Cell : C5H7O2N = Mr = 113

18

Persentase Nitrogen = 14113

x 100 % = 12,39 %

The Decrease due to synthetics = Xw . persentase nitrogen

[ decreasedue¿nitrification]=[ input ]−[ output ]−[decreasedue t

o synthetics ]Keterangan :

Q = Debit influen ( m3/detik atau m3/hari)

Xw = Volatile suspended solids produced ( kg MLVSS/hari )

Menghitung power aerator (watt)

P = ƿgh(Q+R)

Keterangan :

P = Power aerator (watt)

P = massa jenis ( kg/m3)

g = percepatan gravitasi ( m3/s)

h = kedalaman (m)

Q = Debit influen (m3/s)

R = Lumpur yang diresirkulasi

Menghitung waste activated sludge flow

Qw = Xw

MLVSS

Keterangan :

Qw = waste activated sludge flow (m3/hari)

Xw = Volatile Suspended solids produced (kg MLVSS/hari)

Perhitungan Mass Balance

19

[ accumulation ]= [input ]-[ output ]0 = QwXr – ( Q + QR) X

Keterangan :

Q = Debit Influen (m3/hari)

Qw = waste activated sludge flow ( m3/hari)

X = MLVSS (mg/L)

Gambar 5. Diagram Alir Perhitungan High-Rate Activated Sludge

Sumber: Pengolahan Penulis

II.3. Contoh Soal

Diketahui debit air limbah adalah 2000 m3/hari, dengan BOD = 240 mg/L dan suhu 20°C

20

1. Menentukan BOD Removal Efficiency

BOD Removal Efficiency = (S0 – St) / S0 x 100%

90% = [1- (St/ S0)] x 100%

0,9 = 1 – St/240

St/240 = 0,1

St = 24 mg/L

Jadi, untuk mencapai efisiensi 90%, maka BOD effluent harus sama dengan

24 mg/L

2. Menentukan K (Reaction Rate Constant)

K2 = K1 x θ(T2 – T1)

K2 = 0,528 x 1,06 (30-24)

K2 = 0,528 x 1,42

K2 = 0,75 L/gr.jam

3. Menentukan Hydraulic Retention Time (HRT)

θ = So−St

K . X .St

θ = (240−24 ) mg / L

0,75L

gr . jamx 5460 mg /L x24 mg / L

θ = 216

7,5 x 10 4L

mg . jamx 131040 mg /L = 2,2 jam

4. Menentukan Recycle Ratio (R)

21

KRITERIA DESAIN:

BOD Removal Efficiency ialah dalam interval 85 s/d 95%

Dipilih 90%

Dimana:

T1 = 24°C Θ dalam interval 1,03-1,09

Dipilih 1,06

K1 = rate constant yang berbeda bergantung pada jenis air limbahnyaAsumsi: limbah pulp & paper dengan nilai K=0,528

KRITERIA DESAIN:

MLSS dalam rentang 4000-10.000Dipilih 7000

X = MLVSS = [0,68 s/d 0,88] x MLSS Dipilih 0,78

X = 0,78 x 7000X = 5460 mg/L

SV = SVI x MLVSS

1000 =

0,15 x54601000

= 0,819 ml/L

SDI = MLVSS

SV =

54600,819

= 6,67 x 106 mg/L

Q ( 0 ) + R (SDI) = (Q+R)(MLVSS)

R (SDI) = (2000 + R)(5460)

6,67 x 106 R = 10,92 x 106 + 5460 R

6664540 R = 10,92 x106

R = 1,638

5. Menentukan Volume Aeration Tank

V = Qinf x θ

V = (2000 + 3276) m3/hari x 2,2 jam

V = 5276 m3/hari x (2,2/24 hari)

V = 5276 (0,088) m3

V = 463,8 m3

6. Menentukan Dimensi Aeration Tank

V = (p x l) x H

463,8 = (2a x 3a) 6

77,3 = 6a2

a2 = 12,9

a = 3,6 m

maka, dimensi bak aerasi adalah, p x l x t = (7,2 x 10,8 x 6) m

22

Qinf adalah jumlah dari Q awal (Q0) dan QR, dimana QR adalah Q lumpur yang di re-sirkulasi

- QR = Q0 x R =2000x1,638= 3276 m3/ day

Asumsi:

- Bak Aerasi dengan Difuser

- H = 6 m- P : l = 2:3

7. Menentukan Food-to-Microb Ratio (F/M)

F/M = [Qinf (S0 - St)] / X. V

= 5276(240−24)

5460 (463,8)

= 11396162532348

= 0,45

8. Menentukan Space Loading

Space Loading = Q x S 0

V

= 5276 x240

463,8 = 2730,14 mg/L-day = 2,73 kg m3-day

9. Menentukan Mean Cell Residence Time

Kami mengasumsikan : Y = 0.5 lb MLVSS

lb BOD5 removed dan ke = 0.1

Pada limbah domestik, Y = ( 0.5 – 0.7 ) lb MLVSS

lb BOD5 removed = ( 0.5 – 0.7 ) kgkg

dan

ke = ( 0.04-0.1)

1θc

= Y. 1M

- ke

1θc

= ( 0.5 x 0,45) – 0.1

23

range 5-10

Memenuhi

1θc

= 0.125 = θc = 8 hari

Perhitungan Oxygen Requirement

Or = Y’Sr + k’eX + On

Dimana

Or = Kebutuhan Oksigen ( kg/hari)

Y’ = Koefisien oksigen

K’e = Koefisien respirasi endogeneous ( kg O2/kg cell day )

On = Oksigen yang dibutuhkan untuk nutrifikasi ( kg/hari)

Sr = Substrat yang dihilangkan ( kg/hari)

X = MLVSS ( mg/L

Langkah Pengerjaan

Menentukan kriteria yang digunakan

Y’ = 0.62 kg oksigen/kg BOD ( Reynold,1996)

K’e = 0.09 kg oxygen/kg MLVSS-day ( Reynold, 1996)

Y = 0.5 kg MLVSS/kg BOD ( Reynold,1996)

Ke = 0.1 day-1 ( Reynold,1996)

4.33 mg oksigen dibutuhkan untuk mengubah 1 mg nitrogen ammonia

menjadi ion nitrat ( Eckenfelder,1989)

Menentukan massa MLVSS dalam reaktor

Dari perhitungan sebelumnya :

V = 463.8 m3

MLVSS = 5460 mg/L

X = V x MLVSS

X = 463.8 x ( 5460 mg/L x 1000 L/m3 x kg/106 mg) = 2532.348 kg

Menentukan substrat yang dihilangkan per hari

Diketahui : BOD5influent = 240 mg/L

24

Q = 2000 m3/hari

Sr = ( BOD5influen – BOD5effluen) x Q

= ( 240 mg/L – 24 mg/L ) x ( 2000000 L/hari x kg/106 ) = 432 kg/hari

Menentukan volatile suspended solid yang dihasilkan

Xw = YSr - keX

Xw = ( 0.5 kg MLVSSkg BOD

x 432 mgL

) – ( 0.1 x 2532.348 kg MLVSS ) = 37.2348

kg MLVSShari

Menentukan jumlah nitrogen yang dinitrifikasi

Persmaaan Mass balance :

[ input ]=[ output ]+[decre ase¿ ¿ synthesis¿]+[ decrease due

¿nitrification ]Menentukan input

Input = Q x jumlah organic dan amoniak nitrogen pada primary

effluent

Kami mengasumsikan jumlah organic dan ammonia nitrogen

pada primary effluent = 50 mg/L

Maka :

Input = 2000000 L/hari x ( 50 mg/L x kg/106 mg )

= 100 kg

hari

Menentukan nitrogen yang hilang akibat sintesis ( pengendapan

lumpur)

Rumus Senyawa : C5H7O2N = Mr = 113

Persentase Nitrogen = 14113

x 100 % = 12,39 %

The Decrease due to synthetics = Xw . persentase

nitrogen

25

Decrease due to synthesis = 37.2348 kg MLVSS

hari x 12.39 %

= 4.613 kg MLVSS

hari

Menentukan Output

Kami mengasumsikan nitrogen terkonvensi 100 % , maka output

= 0

Menetukan nitrogen yang dinitrifikasi

[ decreasedue¿nitrification]=[ input ]−[ output ]−[decreasedue

¿ synthetics ][ input ]=[ output ]+[decrease due

¿ synthetics ]+[decrea se due¿nitrification ]

100 kg

hari = 0 + (- 4.613

kg MLVSShari

¿ + [ decreasedue¿nitrification]

[ decreasedue¿nitrification] = 104.613

kg Nhari

Menentukan kebutuhan oksigen

Or = Y’Sr + k’eX + On

Or = ( 0.62 kg O2/kg BOD x 432 kg/hari ) + ( 0.09 kgO2/kg MLVSS. Hari

x 2532.348 kg ) + ( 104.613 kg N/hari x 4.33 kgO2/kgN)

= 948.72 kgO 2/hari

1.202 kgudara

m3x0,232

kgO 2kgudara

= 3402.09 m3/hari

Menentukan power aerator

Kami mengasumsikan H= 6 meter ( karena tipe diffuser)

Rumus :

26

P = ƿgh(Q+R)

P = 1 kg/m3 x 9.81 m/s2 x 6 m x (23.15 Ls

+ 1.633 ) x m3

1000 L

P = 1.458 kW

Menghitung waste activated sludge flow

Qw = Xw

MLVSS

= 37.2348

kg MLVSShari

5.46 kg/m3

= 6.82 m3/hari

Perhitungan dengan mass balance

Diketahui :

Qw = 6.82 m3/hari

X = 5460 mg/L

Qr = Q – Qw

= 2000 m3/hari – 6.82 m3/hari

= 1993.18 m3/hari

27

Konversi Satuan :

Qr = 1993.18 m3/hari x 1000 L/m3 x 1

24jamhari

x 1

3600s

jam = 23.07

Ls

Qw = 6.82 m3/hari x 1000 L/m3 x 1

24jamhari

x 1

3600s

jam = 0.079

Ls

Q = 2000 m3/hari x 1000 L/m3 x 1

24jamhari

x 1

3600s

jam = 23.15

Ls

[ accumulation ]= [input ]− [ output ]

0 = ( Q + QR) X – Qw Xr

0 = ( 23.15 L/s + 23.07 L/s) 5460 mg/L – ( 0.079 L/s x Xr)

Xr = 46.22

Ls

0.079Ls

= 585.06 mgL

BOD Removal

efficiency (%)

Hydraulic

Retention

Time ( jam)

Recycle

Ratio

( R/Q) F/M Ratio

Space

Loading kg

BOD/day

m3

Mean Cell

Residence

Time

( hari )

Literatur

( Raynold,199

75-90 % 2-4 jam 1.0 s/d 5.0 0.4-1.5 1.6-16 5 s/d 10

28

6)

Hasil

Perhitungan 90% 2.2 jam 1.638 0.45 2.73 8

Kesimpulan

memenuhi

kriteria

memenuhi

kriteria

memenuh

i kriteria

memenuhi

kriteria

memenuhi

kriteria

memenuhi

kriteria

Tabel 2. Perbandingan Hasil Perhitungan dengan Literatur dari Raynold serta Kesimpulan

Sumber: Buku Reynolds/Richards. Unit Operasi dan Proses 2nd Edition, Pengolahan Penulis

BAB III

KESIMPULAN

29

Dari data diatas dapat disimpulkan bahwa pengolahan biologis dengan tipe high rate

activated sludge memenuhi kriteria bila BOD5 influen dan debit yang diberikan seperti

soal diatas. Tetapi tipe high rate activated sludge walapun memenuhi standar, tetapi

standar yang dipenuhi hanya melebihi sedikit diatas ambang batas parameter.

DAFTAR PUSTAKA

30

1. Raynold, Tom D & Richard, Paul A.1996. Unit Operations and Processes in

Environtmental Engineering. PWS Publishing Company

2. http//www.kelair.bppt.go.id

3. http//lontar.ui.ac.id

4. http//digilib.its.ac.id

31