Karakteristik air limbah: BOD, COD, padatan, minyak dan lemak, nutrien, pH dan suhu, rasio BOD/COD, beban pencemar, dan ekuivalen penduduk

Sebuah laundry hotel memasang instalasi pengolahan air limbah paket di belakang gedung. Penjual menyebutnya "IPAL untuk 300 orang" dan menyerahkan lembar spesifikasi yang dirancang untuk air limbah kamar mandi dan dapur. Tiga bulan kemudian, hasil laboratorium pertama dari saluran masuk IPAL datang: COD 900 mg/L, BOD 300 mg/L, padatan tersuspensi 150 mg/L, minyak dan lemak 40 mg/L, pH 10,5, dan suhu 42 °C saat sampel diambil. Air keluaran IPAL keruh dan berbusa. Pemilik bertanya kepada teknisi: apakah IPAL ini salah ukuran, atau ada yang salah dengan cara pakainya?

Teknisi tidak dapat menjawab dari satu angka saja. COD yang tiga kali BOD menunjuk bahan yang sulit diurai mikroba. pH dan suhu yang tinggi menunjuk air buangan dari tahap cuci utama yang belum dicampur. Minyak menunjuk linen dapur dan restoran. Dan satu sampel yang diambil pukul sepuluh pagi belum tentu mewakili seluruh hari. Bab ini menjelaskan cara membaca karakteristik air limbah, mengubah konsentrasi menjadi beban, dan membandingkan beban itu dengan kemampuan pengolahan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas karakteristik air limbah dari sisi teknisi dan operator: padatan, BOD, COD, minyak dan lemak, nutrien, pH, suhu, zat penghambat, beban pencemar, dan ekuivalen penduduk. Cara laboratorium hanya dijelaskan sejauh diperlukan untuk membaca hasilnya; prosedur uji yang sah mengikuti metode baku laboratorium terakreditasi. Angka baku mutu efluen tidak disalin; nilainya diambil dari peraturan dan izin yang berlaku untuk lokasi itu. Mutu air dan parameter pengukuran umum ada di Bab 1; alur pengolahan dan neraca massa di Bab 2; air limbah laundry dan IPAL di Bab 17 · Laundry; sampling dan ukuran sampel di Bab 6 · Data & Pengukuran. Sumbernya adalah narasi Teknik Air dan Lingkungan, terutama buku pegangan operasi instalasi pengolahan air dan air limbah, dua buku matematika operator air limbah, dan buku pengolahan air limbah industri, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Angka khas yang tidak berasal dari sumber ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Mengapa karakteristik menentukan pengolahan

Setiap unit pengolahan dirancang untuk jenis dan jumlah pencemar tertentu. Bak pengendap menangkap padatan yang dapat mengendap, tidak zat terlarut. Pengolahan biologis menguraikan bahan organik yang dapat diurai mikroba, tidak bahan yang beracun bagi mikroba itu. Penangkap lemak memisahkan minyak yang mengapung, tidak minyak yang sudah teremulsi oleh deterjen. Karena itu, langkah pertama sebelum menilai IPAL adalah mengetahui apa yang ada di air limbah dan berapa banyak.

Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator pengolahan air dan air limbah bahwa banyaknya BOD yang disisihkan sebuah proses berhubungan langsung dengan banyaknya padatan yang akan dihasilkan proses itu. Artinya, karakteristik air limbah menentukan tidak hanya ukuran unit, tetapi juga banyaknya lumpur yang harus diurus kemudian.

Padatan: total, tersuspensi, terlarut, dan volatil

Padatan di air limbah dibagi menurut cara mengukurnya (nilai literatur umum):

1. Padatan total: sisa setelah sampel diuapkan dan dikeringkan, yaitu semua yang bukan air.
2. Padatan tersuspensi total (TSS): yang tertahan saringan kertas serat kaca. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator bahwa TSS adalah banyaknya padatan yang dapat disaring dari sampel air limbah.
3. Padatan terlarut total (TDS): yang lolos saringan, seperti garam dan sebagian bahan organik.
4. Padatan volatil: bagian yang hilang ketika padatan dibakar pada suhu tinggi, kira-kira bahan organik. Narasi yang sama mengutip buku pegangan operasi instalasi bahwa padatan juga dibedakan menjadi volatil dan tidak volatil.
5. Padatan yang dapat mengendap: volume endapan setelah satu liter sampel didiamkan satu jam di kerucut pengendap, dinyatakan dalam mL/L.

Narasi itu juga mengutip buku matematika operator bahwa padatan total dan padatan volatil biasanya dinyatakan dalam persen, sedangkan padatan tersuspensi dinyatakan dalam mg/L. Persen dipakai untuk lumpur yang pekat; mg/L untuk air limbah yang encer.

Cara menghitung TSS dari hasil timbang:

dengan $m_1$ massa saringan kering sebelum, $m_2$ massa saringan dengan padatan setelah dikeringkan, dan $V$ volume sampel yang disaring.

Kebutuhan oksigen biokimia (BOD)

BOD adalah banyaknya oksigen yang dipakai mikroba untuk menguraikan bahan organik di sampel selama waktu tertentu. Uji yang paling umum adalah BOD lima hari pada suhu 20 °C, ditulis BOD5 (nilai literatur umum). Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator air limbah bahwa uji BOD5 dimaksudkan mengukur kebutuhan oksigen karbon saja, dan bahwa dalam uji BOD, volume sampel disesuaikan dengan kekuatan sampel.

Air limbah yang kuat dapat menghabiskan seluruh oksigen di botol dalam satu hari. Karena itu, sampel diencerkan dengan air pengencer jenuh oksigen. Narasi yang sama mengutip buku pengolahan air limbah industri bahwa air alami jenuh oksigen terlarut atau hampir jenuh. Oksigen terlarut diukur pada awal dan setelah lima hari, dan BOD dihitung:

dengan $D_1$ oksigen terlarut awal, $D_2$ oksigen terlarut setelah lima hari, keduanya dalam mg/L, dan $P$ fraksi sampel dalam botol, yaitu volume sampel dibagi volume botol. Narasi itu mengutip buku pegangan operasi instalasi bahwa rumus pertama dipakai untuk sampel yang tidak diberi bibit mikroba; sampel yang mikrobanya mati karena pH ekstrem, klorin, atau suhu tinggi diberi bibit, dan rumusnya dikoreksi untuk oksigen yang dipakai bibit itu.

Uji yang sah memerlukan oksigen akhir yang masih cukup dan penurunan oksigen yang cukup besar; bila tidak, pengenceran diulang (nilai literatur umum). Hasil BOD baru diketahui lima hari kemudian, sehingga tidak dapat dipakai untuk mengatur IPAL dari jam ke jam.

Kebutuhan oksigen kimia (COD) dan rasio BOD/COD

COD adalah banyaknya oksigen yang setara dengan oksidator kimia kuat yang dipakai untuk mengoksidasi bahan di sampel, biasanya kalium dikromat dalam asam panas selama sekitar dua jam (nilai literatur umum). Reaksi oksidator kimia dijelaskan di Bab 17 · Kimia. COD mengukur hampir semua bahan organik, termasuk yang tidak dapat diurai mikroba, sehingga COD hampir selalu lebih besar dari BOD.

Rasio BOD/COD memberi petunjuk seberapa mudah air limbah diolah secara biologis (nilai literatur umum):

1. Sekitar 0,5 atau lebih: sebagian besar bahan organik mudah diurai; khas air limbah domestik.
2. Sekitar 0,3 sampai 0,5: dapat diolah biologis, tetapi sebagian COD akan tersisa di efluen.
3. Di bawah sekitar 0,3: banyak bahan sulit diurai atau ada zat penghambat; pengolahan biologis saja sering tidak cukup.

Rasio ini adalah petunjuk, bukan kepastian. Hasil COD diketahui dalam beberapa jam, sehingga setelah hubungan BOD dan COD sebuah lokasi diketahui dari beberapa pasang data, COD dapat dipakai untuk memantau lebih cepat.

Minyak dan lemak, serta surfaktan

Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku pegangan operasi instalasi bahwa minyak dan lemak adalah komponen utama bahan makanan yang lain. Di laundry, minyak dan lemak berasal dari linen dapur, serbet restoran, dan kain lap bengkel. Minyak yang mengapung dapat dipisahkan dengan penangkap lemak; minyak yang sudah diemulsikan deterjen panas tidak mengapung dan lolos ke unit berikutnya, kecuali emulsinya pecah setelah air mendingin.

Surfaktan dari deterjen menimbulkan busa di bak aerasi dan di saluran keluar, menghambat perpindahan oksigen, dan sebagian sulit diurai. Busa yang tebal di IPAL laundry sering menunjuk dosis deterjen yang berlebihan di hulu, seperti dibahas di Bab 17 · Laundry.

Nutrien: nitrogen dan fosfor

Mikroba pengurai memerlukan nitrogen dan fosfor untuk tumbuh. Perbandingan yang sering dipakai sebagai patokan adalah BOD : N : P sekitar 100 : 5 : 1 (nilai literatur umum). Air limbah domestik biasanya cukup nutrien. Air limbah laundry dapat kekurangan nitrogen, karena bahan organiknya sebagian besar dari deterjen dan kotoran kain, sehingga pengolahan biologis berjalan lambat dan lumpurnya sulit mengendap.

Sebaliknya, nutrien yang berlebih di efluen menyuburkan ganggang di badan air penerima. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator tentang instalasi yang harus menambah larutan feri klorida setiap hari untuk menyisihkan fosfor. Deterjen berbahan fosfat menambah fosfor di air limbah laundry.

pH, suhu, dan zat penghambat

Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku pengolahan air limbah industri bahwa semua nilai kecuali pH dan suhu dinyatakan dalam mg/L. Kedua besaran ini memang berbeda sifatnya: pH dan suhu tidak menambah beban, tetapi menentukan apakah mikroba dan unit pengolahan dapat bekerja.

1. pH: mikroba pengolahan biologis bekerja paling baik di sekitar pH netral, kira-kira 6,5 sampai 8,5 (nilai literatur umum). Air buangan tahap cuci utama laundry yang memakai alkali dapat ber-pH 10 sampai 12, sedangkan tahap penetral dapat asam.
2. Suhu: suhu tinggi mempercepat penguraian sampai batas tertentu, tetapi menurunkan oksigen terlarut dan dapat membunuh mikroba yang tidak tahan. Air buangan cuci panas dan bilas dingin bercampur di bak penampung.
3. Zat penghambat: klorin dan disinfektan dari linen rumah sakit, logam berat dari kain bengkel, dan pelarut. Narasi yang sama mengutip buku pegangan operasi instalasi bahwa kadar logam diukur untuk mengetahui tingkat racun. Disinfektan yang bekerja baik pada linen, seperti dijelaskan di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi, juga bekerja pada mikroba IPAL.

Konsentrasi, debit, dan beban pencemar

Konsentrasi saja tidak menyatakan banyaknya pencemar. Air limbah 1.000 mg/L sebanyak 1 m³ membawa pencemar lebih sedikit dari air limbah 200 mg/L sebanyak 10 m³. Beban pencemar adalah konsentrasi kali debit:

karena 1 mg/L sama dengan 1 g/m³, dan 1.000 g sama dengan 1 kg. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator yang menghitung beban dari debit dan konsentrasi BOD untuk sebuah aliran air limbah, dengan satuan Amerika; perhitungan di bab ini memakai satuan SI. Neraca massa di sepanjang unit pengolahan dijelaskan di Bab 2.

Karena debit dan konsentrasi berubah sepanjang hari, beban harian dihitung dari sampel gabungan yang ditimbang debitnya, seperti dibahas di Bab 6 · Data & Pengukuran dan Bab 17 · Laundry. Narasi yang sama mengutip buku matematika operator bahwa sampel sesaat adalah sampel yang diambil pada satu waktu dan satu tempat. Satu sampel sesaat dari jam paling sibuk akan melebih-lebihkan beban; satu sampel dari jam sepi akan meremehkannya.

Ekuivalen penduduk

Ekuivalen penduduk menyatakan beban air limbah dalam jumlah orang yang menghasilkan beban organik yang sama. Patokan yang umum adalah sekitar 40 sampai 60 g BOD per orang per hari, tergantung negara dan kebiasaan (nilai literatur umum):

Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator air limbah tentang menentukan jumlah ekuivalen penduduk untuk tempat usaha. Ekuivalen penduduk berguna untuk membandingkan laundry dengan IPAL yang ukurannya dinyatakan dalam jumlah orang, seperti pada kasus pembuka. Namun, ekuivalen penduduk hanya membandingkan beban organik; pH, suhu, minyak, dan zat penghambat tetap harus dinilai sendiri.

Air limbah laundry dibanding air limbah domestik

Perbedaan yang umum (nilai literatur umum; nilai lokasi diukur):

1. Debit tidak merata: buangan datang dalam semburan setiap kali mesin mengosongkan tangki, dengan puncak di jam kerja dan hampir nol di malam hari.
2. pH dan suhu berubah per tahap: alkali dan panas di cuci utama, netral atau asam di bilas akhir.
3. COD tinggi dibanding BOD: surfaktan, pemutih, dan bahan pelembut menaikkan COD.
4. Kekurangan nutrien dibanding air limbah domestik.
5. Serat dan pasir dari kain, yang menyumbat pompa dan pipa.
6. Zat penghambat dari disinfektan dan pemutih, terutama laundry rumah sakit.

Karena itu, IPAL yang dirancang untuk air limbah domestik tidak otomatis cocok untuk laundry, walaupun ekuivalen penduduknya sama. Bab 17 · Laundry menjelaskan sumber beban setiap tahap cuci dan cara memangkasnya di hulu.

Membaca laporan laboratorium air limbah

Laporan laboratorium memuat lebih dari angka hasil. Sebelum hasil dipakai, teknisi memeriksa hal-hal berikut (nilai literatur umum):

1. Titik dan waktu sampel: saluran masuk atau keluar IPAL, bak mana, tanggal dan jam. Hasil saluran masuk dan saluran keluar dari hari yang berbeda tidak dapat dipakai untuk menghitung efisiensi.
2. Jenis sampel: sesaat atau gabungan, dan bila gabungan, apakah sebanding waktu atau sebanding debit.
3. Penanganan sampel: sampel BOD didinginkan dan diuji dalam waktu singkat, biasanya dalam satu sampai dua hari; sampel minyak dan lemak diambil di botol kaca tersendiri; sampel logam diawetkan dengan asam. Sampel yang terlalu lama atau tidak didinginkan memberi BOD yang terlalu rendah karena sebagian bahan organik sudah terurai di botol.
4. Metode dan satuan: nama metode uji, satuan mg/L atau mL/L, dan apakah COD diukur pada sampel utuh atau tersaring.
5. Batas deteksi: hasil yang ditulis "kurang dari" suatu angka berarti kadar di bawah kemampuan metode, bukan nol.
6. Keanehan antarparameter: BOD yang lebih besar dari COD, atau padatan tersuspensi yang lebih besar dari padatan total, menunjuk kesalahan sampel, uji, atau penulisan, dan ditanyakan ke laboratorium.

Hasil yang lolos pemeriksaan ini dicatat bersama debit hari itu, supaya beban dapat dihitung dan dibandingkan dari bulan ke bulan.

Contoh kerja

Contoh 1: BOD dari uji pengenceran. Sampel 6 mL dimasukkan ke botol 300 mL, jadi $P = 6/300 = 0{,}02$. Oksigen terlarut awal 8,6 mg/L dan setelah lima hari 3,8 mg/L. BOD5 sama dengan $(8{,}6 - 3{,}8)/0{,}02 = 240$ mg/L.

Contoh 2: TSS dari hasil timbang. Saringan kering 1,2450 g. Setelah 50 mL sampel disaring dan dikeringkan, massanya 1,2525 g. Selisih 7,5 mg dalam 0,05 L, jadi TSS $7{,}5/0{,}05 = 150$ mg/L.

Contoh 3: padatan volatil. Saringan dari Contoh 2 dibakar dan tinggal 1,2472 g. Yang hilang $1{,}2525 - 1{,}2472 = 0{,}0053$ g atau 5,3 mg, jadi padatan tersuspensi volatil $5{,}3/0{,}05 = 106$ mg/L, sekitar 71 persen dari TSS. Sebagian besar padatan adalah bahan organik.

Contoh 4: rasio BOD/COD. Untuk kasus pembuka, BOD/COD $= 300/900 = 0{,}33$. Air limbah ini dapat diolah biologis, tetapi sebagian besar COD akan tersisa; IPAL domestik dengan rasio sekitar 0,5 dirancang untuk air limbah yang lebih mudah diurai.

Contoh 5: beban pencemar. Laundry membuang 60 m³ per hari dengan BOD 300 mg/L dan COD 900 mg/L. Beban BOD $300 \times 60/1.000 = 18$ kg/hari dan beban COD $900 \times 60/1.000 = 54$ kg/hari. Minyak dan lemak 40 mg/L membawa $40 \times 60/1.000 = 2{,}4$ kg/hari.

Contoh 6: ekuivalen penduduk. Dengan patokan 50 g BOD per orang per hari (angka latihan dari rentang literatur), beban 18 kg/hari setara $18.000/50 = 360$ orang. IPAL "untuk 300 orang" sudah kurang dari beban organik itu, sebelum pH, suhu, dan minyak diperhitungkan.

Contoh 7: rata-rata tertimbang debit. Empat sampel sesaat diambil dalam satu hari dengan debit dan COD: 10 m³ pada 400 mg/L, 25 m³ pada 1.200 mg/L, 15 m³ pada 900 mg/L, dan 10 m³ pada 300 mg/L. Rata-rata tertimbang debit $(4.000 + 30.000 + 13.500 + 3.000)/60 = 842$ mg/L, sedangkan rata-rata biasa hanya 700 mg/L. Rata-rata biasa meremehkan beban karena sampel pekat datang bersama debit besar.

Contoh 8: kecukupan nutrien. Untuk BOD 300 mg/L, patokan 100 : 5 : 1 memerlukan nitrogen sekitar 15 mg/L dan fosfor 3 mg/L. Hasil laboratorium nitrogen total 6 mg/L, jadi air limbah ini kekurangan nitrogen; perancang dapat menambah nutrien atau mencampur dengan air limbah domestik gedung.

Contoh 9: padatan yang dapat mengendap. Satu liter sampel didiamkan satu jam di kerucut pengendap dan meninggalkan endapan 8 mL. Untuk debit 60 m³/hari, endapan basah sekitar $8 \times 60 = 480$ L per hari harus ditangkap dan dikeluarkan dari bak pengendap, sebelum dipadatkan.

Kondisi berhenti

Hentikan penilaian dan minta laboratorium terakreditasi atau perancang yang berwenang bila:

1. Hasil akan dipakai untuk membuktikan kepatuhan terhadap izin atau baku mutu; sampel dan uji harus mengikuti metode yang sah dan rantai pengawasan sampel.
2. Ada dugaan zat berbahaya, seperti logam berat, pelarut, atau limbah infeksius, di air limbah.
3. Sampel diambil dari bak atau saluran tertutup yang memerlukan masuk ruang terbatas; ikuti prosedur di Bab 11 · Keselamatan.
4. Hasil sangat berbeda dari data sebelumnya tanpa perubahan proses yang diketahui; ulangi sampel sebelum menyimpulkan.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Konsentrasi rendah berarti pencemaran kecil." Beban bergantung juga pada debit; air limbah encer yang banyak dapat membawa beban besar.
2. "BOD dan COD mengukur hal yang sama." COD mengukur hampir semua bahan yang dapat dioksidasi secara kimia; BOD hanya yang diurai mikroba dalam lima hari. Rasionya memberi informasi tentang kemudahan pengolahan biologis.
3. "Satu sampel cukup mewakili." Air limbah laundry berubah dari menit ke menit; sampel gabungan tertimbang debit diperlukan untuk beban harian.
4. "Ekuivalen penduduk yang sama berarti IPAL domestik cocok." Ekuivalen penduduk hanya membandingkan BOD. pH, suhu, minyak, nutrien, dan zat penghambat dapat membuat IPAL domestik gagal.
5. "TSS tinggi berarti air limbah kotor bahan organik." Padatan dapat berupa pasir dan serat; bagian volatil yang menunjuk bahan organik.
6. "Busa hanya masalah tampilan." Busa menunjuk surfaktan berlebih, mengganggu aerasi, dan dapat terbawa ke saluran keluar.
7. "Hasil 'kurang dari' berarti nol." Hasil di bawah batas deteksi hanya berarti kadarnya tidak dapat diukur lebih teliti oleh metode itu; batas deteksi yang lebih tinggi dari baku mutu membuat hasil tidak dapat dipakai untuk membuktikan kepatuhan.

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 memberi parameter mutu air dan beban, Bab 2 neraca massa dan waktu tinggal, Bab 17 · Laundry sumber beban di laundry dan rangkaian IPAL, Bab 6 · Data & Pengukuran sampling, Bab 17 · Kimia oksidator kimia, Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi disinfektan, dan Bab 11 · Keselamatan ruang terbatas. Bab berikutnya di rak ini membahas pengolahan pendahuluan dan sedimentasi.

Latihan dan pembahasan

1. Sampel 15 mL dimasukkan ke botol 300 mL. Oksigen terlarut turun dari 8,4 mg/L menjadi 4,2 mg/L dalam lima hari. Berapa BOD5?
2. Laundry membuang 45 m³ per hari dengan COD 1.100 mg/L. Berapa beban COD dalam kg/hari?
3. Beban BOD sebuah laundry 12 kg/hari. Dengan patokan 50 g BOD per orang per hari, berapa ekuivalen penduduknya?
4. Saringan 1,1000 g menjadi 1,1090 g setelah 100 mL sampel disaring dan dikeringkan. Berapa TSS?
5. BOD 120 mg/L dan COD 800 mg/L. Apa yang dapat disimpulkan?
6. Mengapa sampel sesaat pukul 10.00 tidak cukup untuk menilai beban harian IPAL laundry?

Kunci jawaban beralasan

1. $P = 15/300 = 0{,}05$, jadi BOD5 $= (8{,}4 - 4{,}2)/0{,}05 = 84$ mg/L.
2. Beban $1.100 \times 45/1.000 = 49{,}5$ kg COD per hari.
3. $12.000/50 = 240$ orang. Angka ini hanya membandingkan beban organik; karakteristik lain dinilai terpisah.
4. Selisih 0,0090 g atau 9 mg dalam 0,1 L, jadi TSS $9/0{,}1 = 90$ mg/L.
5. Rasio $120/800 = 0{,}15$, jauh di bawah sekitar 0,3. Banyak bahan sulit diurai atau ada zat penghambat; pengolahan biologis saja kemungkinan tidak cukup, dan penyebabnya di hulu perlu dicari, misalnya disinfektan atau surfaktan tertentu.
6. Debit dan konsentrasi air limbah laundry berubah menurut tahap cuci dan jam kerja. Sampel pukul 10.00 hanya mewakili saat itu; beban harian memerlukan beberapa sampel yang digabung sebanding debit, atau sampel gabungan otomatis selama jam operasi.

Referensi