Tugas PBPAL.docx

Desain dan Operasi Bangunan Pengolahan Air Limbah (Studi Kasus: WWTP Simmering, Vienna, Austria) Christiani Widia BR Karo Program Studi Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik, Universitas Riau Latar Belakang Setiap komunitas memproduksi limbah padat, cair dan gas. Air limbah merupakan suplai air dari komunitas setelah digunakan dalam berbagai aplikasi. Berdasarkan sumbernya, air limbah didefinisikan sebagai air bekas yang berasal dari rumah tangga, institusi, komersil ataupun industri yang telah bercampur dengan air tanah, air permukaan, dan air hujan (Metcalf dan Eddy, 1991). Ketika air limbah yang belum diolah terakumulasi dan mulai membusuk, penguraian bahan organik, kandungan air limbah akan menganggu aktivitas termasuk produksi gas berbau busuk. Sebagai tambahan, air limbah yang belum diolah mengandung beragam mikroorganisme patogen yang hidup dalam sistem pencernaan manusia. Air limbah juga mengandung nutrien yang dapat merangsang pertumbuhan tumbuhan air dan kemungkinan mengandung senyawa kimia berbahaya yang berpotensi mutagenesis. Oleh karena itu, penyisihan pengotor dengan proses pengolahan, reuse atau pembuangan ke lingkungan diperlukan untuk menjaga kesehatan masyarakat dan lingkungan (Metcalf dan Eddy, 2003). Inovasi utama pada teknologi pengolahan air limbah dikembangkan mulai dari paruh kedua abad ke-19 dan paruh pertama abad ke-20. Kemajuan terpenting dalam pengolahan air limbah untuk perlindungan badan air adalah pengolahan secara biologis yang mendominasi hingga saat ini. Bahkan teknologi pengolahan air limbah yang tersedia mencapai suatu titik, yang mana kebutuhan efisiensi pengolahan untuk semua tujuan dapat tercapai (IWA, 2015). Instalasi utama pengolahan limbah Vienna merupakan satu dari bangunan pengolahan sewage paling modern di Eropa, yang mana limbah yang dihasilkan oleh 1,7 juta penduduknya diolah dengan teknologi terbaru (Zelinka, 2008). Pengelolaan limbah Kota Vienna telah diakui oleh dunia sebagai sistem hemat energi dan biaya investasi dengan fleksibilitas yang tinggi terhadap perubahan suhu dan beban pengolahan (Wandl dkk., 2006). Oleh karena itu, tugas ini akan menjelaskan desain dan proses pengolahan air limbah di Simmering WWTP berdasarkan teknologi yang diterapkan. Melalui tugas ini, kita juga mampu memecahkan permasalahan yang berkaitan dengan pengolahan dan reuse limbah dengan mempertimbangkan lingkungan, ekonomi, sosial dan politik. Diskusi Di Vienna, pengolahan sewage dan perlindungan air berkaitan erat. Prioritas utamanya adalah untuk menghindari pembuangan sewage ke badan air. Langkah kunci ini diwujudkan dengan pembangunan jalur penghubung Danube Canal sebelum menuju IPAL. Bangunan pengolahan sewage Kota Vienna menginspeksi dan menganalisis effluennya secara teratur. Kantor Dengan memperhatikan peraturan emisi untuk air limbah yang dikeluarkan oleh Pusat Pertanian dan Kehutanan Austria. Efisiensi minimum telah diatur dengan konsentrasi BOD5 sebesar 95%; COD, TOC, total fosfor dan fosfat-fosfor berurutan sebesar 85% (Kainz dan Hofstetter, 1996). Berikut akan dideskripsikan penerapan proses penyaluran dan pengolahan air limbah. Gambar 1. Pengembangan WWTP Vienna Sistem Pengumpul Populasi penduduk Austria kurang lebih 8,6 juta jiwa dan memiliki luas wilayah 84.000 km2. Sepertiga dari total keseluruhan penduduk hidup masing-masing di wilayah perkotaan, pendesaan dan pengunungan. 1.500 IPAL dibangun dengan kapasitas lebih dari 50 ekuivalen penduduk (PE) dengan penduduk yang terlayani 95%. Persentase ini dapat ditingkatkan kedepannya mencapai 95-96%. 4-5% belum terlayani dan membutuhkan teknologi pengolahan air limbah terdesentralisasi. Jumlah IPAL berukuran kecil dibutuhkan 30.000 sampai dengan 40.000 (Langergraber dan Haberl, 2012). Gambar 2. Distribusi Settlements Unit di Austria Sumber: Statistik Austria, 2015 Headwork IPAL biasanya menyatukan stasiun pemompaan, pengukuran debit dan operasi unit pengolahan pendahuluan. Air limbah dialirkan menuju WWTP secara gravitasi menyebabkan kedalaman di bawah rata-rata. Oleh karema itu, stasiun pemompaan dibutuhkan untuk mengangkut limbah ke elevasi tanah IPAL (Steel dan McGhee, 1979). Konstruksi stasiun pemompaan Kledering berada dekat Sungai Liesing. Untuk alasan kondisi pengoperasian, stasiun screw pump mempunyai kapasitas penampungan 1,8 m3. Dengan dibangunnya sistem kontrol SPAL tahun 2006, sistem kontrol mampu menjadi reservoir dan akan diencerkan dengan air hujan, kemudian ditempatkan di tempat penyimpanan intermediet kemudian sedikit-demi-sedikit akan diolah di Simmering WWTP. Pada tahun 2005, stasiun pemompaan dibangun kembali di Simmeringer Haide. Volume stasiun ini mampu menampung 16 m3 saat musim hujan. Air limbah yang dialirkan dengan SPAL mengandung gravel dan grit. Enam screw pump mengangkut air limbah menuju elevasi tanah IPAL. Partikel tersuspensi akan disaring dengan fine bar screens. Jenis screening ini akan diangkut didalam kontainer tertutup untuk dibuang. Partikel solid yang halus, pasir dan abu akan dibiarkan mengendap di penangkap pasir bagian bawah. Gambar 3. Susunan Screw Pump dengan 3-flights di Simmering WWTP Sumber: www.ebswien.com Sistem Pengolahan Air Limbah Pengembangan manajemen air di Vienna beberapa dekade ini didorong oleh banjir bandang yang terjadi tahun 1954 sehingga mengubah persepsi publik untuk melakukan restorasi sungai. Proyek ini terealisasikan tahun 1972 dan diselesaikan tahun 1988. Pembangunan proyek ini sangat mempengaruhi pengembangan SPAL untuk mengurangi frekuensi debit puncak sistem campuran. Saat ini, Simmering WWTP melayani 4,0 juta PE yang melayani semua air limbah dan terletak di titik terendah kota untuk mengalirkan limbah secara gravitasi dan membuang effluen yang telah diolah menuju Danube Canal. WWTP ini mengolah limbah saat musim panas dan hujan masing-masing 680.000 m3/hari dan 1.420.000 m3/hari. Proses perancangan unit-unit pengolahan di Simmering WWTP melalui waktu penelitian yang lama. Desain WWTP ini merupakan proses two stage activated sludge dengan dua mode operasi. Mode bypass menghasilkan efisiensi penyisihan nitrogen rata-rata 84% setiap tahunnya, sedangkan mode hybrid untuk mencegah pengendapan dengan efisensi penyisihan nitrogen yang rendah. Keadaan ini dikatakan optimal dan mengikuti baku mutu effluen negara Austria untuk komponen nitrogen (NH4-N untuk sampel harian sebesar < 5 mg/L, penyisihan nitrogen > 70% setiap tahunnya). Gambar 4. Mode Operasi Simmering WWTP Sumber: IWA, 2014 Konsep by-pass secara langsung berpindah ke second stage. Aliran bypass dijadikan sumber karbon untuk denitrifikasi pada second stage. Gambar 5. Skema Aliran By-Pass Konsep hybrid meningkatkan perpindahan activated sludge antara kedua tahap dengan dua aliran sirkulasi lumpur tambahan yang diterapkan. Lumpur disirkulasikan dari first stage menuju second stage yang digunakan sebagai sumber karbon untuk denitrifikasi pada second stage. Gambar 6. Skema Aliran Hybrid Berdasarkan gambar di atas, kondisi eksisting IPAL meliputi bak pengendap I, tanki aerasi, dan bak pengendap II masig-masing memiliki debit pengolahan sebesar 28.500 m3, 42.000 m3 dan 65.400 m3. Unit-unit ini digunakan sebagai tahap biologis pertama, sedangkan tahap pengembangan (tahap kedua) menggunakan tanki aerasi dan bak pengendap II masing-masing sebesar 171.000 m3 dan 200.000 m3. Tanki aerasi dilengkapi dengan diffusers tipe membran fine bubble. Setiap jalur tanki aerasi dibagi menjadi satu tanki pre-denitrification, dua tanki aliran sirkulasi, dan tanki degasification. Oleh karena perencanaan yang tepat, efisiensi aerasi mencapai 4,9 kg O2/kWh untuk air minum dan > 2,0 kg O2/kWh. Gambar 7. Tanki Aerasi di Simmering WWTP Sumber: www.ebswien.com Antara tahun 2000 dan 2005, Simmering WWTP diperluas. Peningkatan kapasitas ini terdiri dari nitrifikasi dan denitrifikasi. Outflow dari tahap aerasi pertama dan resirkulasi lumpur dari tahap aerasi kedua disalurkan menuju stasiun pemompaan intermediet, yang mana air limbah dan lumpur dipompakan menuju saluran campuran dilengkapi dengan alat pengaduk. Oleh karena, aliran limbah dipisahkan setelah BP I, fosfat diendapkan menggunakan besi (III) sulfat. Didalam ruang distribusi, air limbah dipisahkan menjadi debit yang sama menuju 15 tanki aerasi dari tahap biologis kedua. Tanki ini dikelompokkan menjadi tiga. Setiap tanki aerasi tahap kedua terdiri dari tiga cascades. Cascade pertama, cekungan denitrifikasi tanpa aerasi diikuti dengan dua cekungan berbentuk lingkaran yang sama (cascade kedua dan ketiga) dimana terjadi nitrifikasi dan denitrifikasi secara simultan. Tanki aerasi dilengkapi dengan propeller untuk menjamin pengadukan efluen sempurna dan aliran seimbang. Bagian bawah tanki aerasi ditutupi oleh fine bubble diffusers. Setiap tanki aerasi diikuti zona deggasing, selanjutnya limbah dialirkan menuju BP II. Air olahan dipisahkan dari lumpur teraktivasi di 15 circular secondary clarifiers berkapasitas 13.200 m3 dengan kedalaman air rata-rata 4,5 m. Setiap BP II dilengkapi dengan double scrapers dan pipa submerged draining, yang memiliki diameter dalam dan luar masing-masing 61,4 m dan 64,9 m. Sejumlah lumpur diresirkulasikan menuju tanki aerasi untuk mempercepat pertumbuhan mikroorganisme dan menjaga proses degradasi. Gambar 6. Circular Secondary Clarifiers di Simmering WWTP Sumber: www.ebswien.com 2.3 Pengolahan Lumpur Austria menghasilkan lumpur sewage sekitar 6 juta m3 dengan 4-5% dry solid matter (DSM). Ini berarti 300.000 ton DMS harus dibuang setiap tahunnya. Saat ini, lumpur BP I dan excess sludge diolah dengan thickening, kemudian lumpur thickened diolah dengan dewatering dengan di-sentrifugasi dan diinsenerasi. Hampir seluruh lumpur sewage Austri dibuang di landfill (52%), 25% dimanfaatkan pada bidang pertanian dan 33% diinsenerasi. 2.4 Effluen Untuk mengevaluasi kinerja unit-unit pengolahan dapat dilakukan perhitungan mass balances. Mass balances adalah alat yang digunakan untuk verifikasi data, evaluasi pengoperasian dan perkiraan parameter untuk aplikasi sebuah model simulasi. Prinsip mass balance adalah untuk memantau sistem melalui input dan outputnya. Berikut merupakan data kualitas effluen Simmering WWTP. Tabel 1. Kualitas Efluen Simmering WWTP Parameter Efisiensi Pengolahan (%) Konsentrasi Efluen (mg/L) Effluen yang Dihasilkan Efisiensi Pengolahan yang Dibutuhkan Effluen yang Dihasilkan Baku Mutu yang Diperbolehkan BOD5 98,5 95 5 15 COD 94,7 85 32 75 TOC 94,4 85 9 25 TN 84,0 70 - - NH4-N - - 1,1 5 TP - - 0,9 1 Sumber: Slide WABAG – Water and Wastewater Management in the Vienna Agglomeration Daftar Pustaka Langergraber, G. dan Haberl, R. 2012. Constructed Wetland Technology in Austria – History, Current Practices and New Developments. Sciences Eaux & Territoires. Halaman 32-34. Kainz, H. dan Hofstetter, H. 1996. Adaption of The Main Wastewater Treatment Plant in Vienna to Meet Austrian Emmision Regulations. Wat. Sci. Tech. 33(12):65-72. Steel, E. W. dan McGhee, T. J. 1979. Water Supply and Sewarage. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., dan Stensel, H. D. 2003. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse (Fourth Edition). Republik Rakyat Cina: McGraw-Hill Companies, Inc. The International Water Association. 2015. 12th IWA Specialised Conference on Design, Operation and Economics of Large Wastewater Treatment Plants. LWWP Conference. Prague, Republik Ceko. Halaman 26. Wandl, G., Kroiss, H., dan Svardal, K. 2006. The Main Wastewater Treatment Plant of Vienna: An Example of Cost Effective Wastewater Treatment for Large Cities. Water Sci Technol. 54(10): 79-86. Zelinka, S. 2008. Phosphorus Removal at the Main Sewage Treatment Plant Vienna. Water Tech. Vienna, Austria. LAMPIRAN Stasiun Pompa Desain stasiun pompa adalah tinggi dan luas sama dengan yang ditempatkan pada sistem pengumpul. Screw pumps atau Archimedes screw merupakan alternatif yang menghubungkan stasiun pompa dengan bangunan pengolahan air limbah. Screw pumps memiliki volume 0,01 /s dengan diameter 0,3-3 m, alat ini bekerja pada tekanan atmosfer yang dapat memompa beragam padatan dan puing-puing di air limbah tanpa penyaringan. Pompa ini dibedakan menjadi dua antara lain baling-baling terbuka dan baling tertutup. Kecepatan motor pada pompa 30-50 rpm. Kedua pompa ini memiliki keuntungan, yaitu mengontrol batas air-minyak berkumpul dan menyamakan kecepatan aliran limbah yang masuk. Kerugian dari screw pumps adalah wilayah yang luas karena sudut slope antara baling-baling dan ujung dapat mencapai sekitar 10 m (Davis, 2013). Gambar 7. Perencanaan Screw Pumps dengan Sketsa Bagian Putaran Sumber: Davis, 2013 Tabel 2. Kriteria Desain Screw Pump Diameter Screw, m Maksimum, rpm Kapasitas Maksimum dengan Kemiringan 30, m3/h Ketinggian Maksimum dengan Kemiringan 30, m 1-flight 2-flight 3-flight 1-flight 2-flight 3-flight 0.3 110 34 42 52 2.4 2.2 2.1 0.41 91 66 83 101 2.9 2.7 2.5 0.51 79 112 140 175 3.4 3 3 0.61 70 168 210 262 4 3.7 3.7 0.76 60 288 360 451 4.2 3.9 4.7 0.91 53 434 531 678 4.8 4.4 4.2 1.07 48 621 776 970 5.3 5 4.6 1.22 44 881 1,101 1,376 4.7 4.3 4.1 1.37 41 1,132 1,415 1,769 5.6 5.2 4.9 1.52 38 1,486 1,858 2,322 5.2 4.7 4.4 1.68 35 1,774 2,216 2,771 5.9 5.5 5.1 1.83 33 2,230 2,788 3,484 5.6 5.1 4.7 2.03 31 2,791 3,488 4,360 5.1 4.6 4.3 2.13 30 3,219 4,023 5,029 5.8 5.3 4.9 Sumber: Davis, 2013 Contoh soal Rencanakan screw pump dalam sistem pengolahan air limbah Kota Sumenep yang menyalurkan debit air buangan minimum sebesar 0,047 m3/s dan debit puncak sebesar 0,487 m3/s dengan sudut kemiringan pompa 30º. Perencanaan yang Digunakan: Digunakan 2 pompa: 1 pompa operasi dan 1 pompa cadangan yang digunakan secara bergantian; Sudut kemiringan pompa (α) = 30º; Qmin = 0,047 m3/detik = 2,82 m3/menit; Qpeak = 0,487 m3/detik = 29,22 m3/menit. Perhitungan Screw Pump: ƒ Dengan menggunakan α =30º, dari data teknis screw pump diperoleh: ƒ untuk Qmin, n = 75 rpm; D = 550 m; H2 = 4,5 m ƒ untuk Qpeak, n = 44 rpm ; D = 1200 m ; H2 = 5,6 m ƒ Kedalaman air di sumur pengumpul: ƒ h1 = x D x cos α = x (1,2 m) x cos 30º = 0,78 m Kedalaman air di discharge: ƒ ƒ= = 0,3 m Total head pompa: ƒ H = H2 + h1 – Δh = 5,6 m + 0,78 m – 0,3 m = 5,12 m ƒ Power pompa pada efisiensi 70 %: P = (r x g x H2 x ) P = = 38,22 KWh Bar Racks dan Saringan Hampir semua kasus mengatakan saringan harus diinstal didepan grit chamber untuk mencegah mengotori alat grit chamber. Klasifikasi racks dan saringan berdasarkan tujuannya dan ukuran bukaan. Klasifikasi bar racks dan saringan akan ditampilkan pada Tabel 2.4. Tabel 3. Klasifikasi Bar Racks dan Saringan Tipe Tipe Bukaan Tipe Kegunaan Rak sampah 40-150 mm Untuk menghalangi batang kayu, akar kayu, puing-puing berat berasal dari proses pengolahan. Bar racks atau saringan kasar 6-75 mm Untuk menghilangkan padatan yang berukuran besar, kain dan puing. Saringan halus 1.5-6 mm Untuk menghilangkan padatan berukuran kecil. Saringan sangat halus 0.25-1.5 mm Untuk mengurangi padatan tersuspensi hampir mendekati primary treatment. Saringan mikro 1 m-0.3 mm Digunakan di perbatasan dengan saringan sangat halus untuk penggosokan efluen. Sumber: Daukss dalam Davis, 2013 Kecepatan aliran masuk harus kurang dari 0.4 m/s untuk memperkecil endapan solid dalam saluran. Kecepatan terusan saluran harus kurang dari 0.9 m/s saat debit puncak untuk memperkecil material dari saringan. Bak Pengendap I Bak pengendap I bertujuan untuk menghapus padatan yang mudah mengendap dan material yang mengapung dan untuk mengurangi zat suspended solid. Sedimentasi primer digunakan sebagai langkah pendahuluan di proses lebih lanjut pada air limbah. Efisiensi desain dan operasi sedimentasi primer dapat menghapus 50-70% suspended solid dan 25-40% BOD. Tangki sedimentasi dapat digunakan sebagai tangki retensi kelebihan air, dimana didesain untuk penyediaan moderasi dengan waktu detensi 10-30 menit untuk limpahan dari berbagai saluran air limbah atau limpasan saluran air limbah. Tujuan dari sedimentasi adalah untuk menghapus bagian substansi dari bahan organik solid yang jika tidak maka akan dibuang langsung ke badan air. Dua atau lebih tangki harus disediakan sehingga proses dapat tetap berlangsung ketika salah satu tangki di service untuk perawatan. Bentuk bak pengendap dapat diklasifikasikan menjadi 2, yaitu bak circular dan bak rectangular. Adapun kriteria desainnya dapat dilihat pada tabel 2.9 Tabel 4. Kriteria Desain Tangki Sedimentasi Tipe Rectangular dan Circular Item Unit Range Typical Rectangular Kedalaman m 3-4.9 4.3 Panjang m 15-90 24-40 Lebar m 3-24 4.9-9.8 Kecepatan m/min 0.6-1.2 0.9 Circular Kedalaman m 3-4.9 4.3 Diameter m 3-60 12-45 Slope bawah mm/mm 1/16-1/6 1/12 Kecepatan r/min 0.02-0.05 0.03 10 Tugas Perencanaan Bangunan Pengolahan Air Limbah