Kolam stabilisasi dan kolam aerasi: kolam anaerob, fakultatif, dan maturasi, beban organik permukaan, waktu tinggal, volume kolam, neraca air, alga, bau, dan nyamuk, lumpur kolam, dan pemantauan

Sebuah kawasan rumah sakit daerah mengolah air limbah dapur, laundry, dan bangunan rawat inapnya di tiga kolam yang dibangun sepuluh tahun lalu: kolam anaerob yang dalam, kolam fakultatif yang luas, dan kolam maturasi sebelum saluran pembuangan. Sesudah laundry diperluas dan menerima linen dari dua rumah sakit lain, kolam pertama berbau busuk dan berwarna merah muda pada musim kemarau. Efluen kolam terakhir berwarna hijau pekat, dan hasil uji padatan tersuspensinya melampaui izin. Warga sekitar mengeluhkan nyamuk dari rumput di tepi kolam.

Operator baru menemukan bahwa lumpur di kolam anaerob tidak pernah dikuras sejak dibangun, debit masuk tidak pernah diukur sejak perluasan laundry, dan sampel efluen selalu diambil pukul dua siang. Bab ini menjelaskan cara kerja kolam stabilisasi dan kolam aerasi, cara menghitung beban dan waktu tinggal, dan cara membaca gejala kolam di lapangan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas kolam stabilisasi dan kolam aerasi untuk kawasan gedung, rumah sakit, dan industri kecil: jenis kolam, beban, waktu tinggal, volume, neraca air, alga, bau, nyamuk, lumpur, kolam aerasi, penurunan bakteri, dan pemantauan. Karakteristik air limbah dan ekuivalen penduduk ada di Bab 16; pengolahan pendahuluan di Bab 17; lumpur aktif dan oksigen terlarut di Bab 18; proses anaerob dan IPAL kecil di Bab 19; stabilisasi lumpur dan biogas di Bab 22; pemantauan efluen di Bab 23; klorinasi efluen di Bab 26; mikroba indikator di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi; air tanah di Bab 27; dan atmosfer berbahaya di Bab 11 · Keselamatan.

Sumbernya adalah narasi Teknik Air dan Lingkungan, terutama buku matematika operator instalasi air limbah, buku pegangan operasi instalasi air dan air limbah, dan buku pengolahan air limbah industri, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Angka rancangan kolam untuk iklim tropis adalah nilai literatur umum; ukuran akhir ditetapkan perancang yang berwenang, dan baku mutu efluen mengikuti izin yang berlaku.

Jenis kolam dan cara kerjanya

Kolam stabilisasi mengolah air limbah dengan waktu tinggal yang panjang, memakai bakteri, alga, dan sinar matahari, hampir tanpa listrik. Susunan yang umum adalah tiga jenis kolam berurutan (nilai literatur umum untuk iklim hangat):

1. Kolam anaerob: dalam, sekitar 2,5 sampai 5 m, dengan waktu tinggal sekitar 1 sampai 5 hari. Buku matematika operator dalam narasi mencatat bahwa penguraian anaerob berlangsung tanpa oksigen bebas. Kolam ini menurunkan BOD dan padatan secara besar dengan lahan kecil, tetapi berpotensi berbau.
2. Kolam fakultatif: sekitar 1,5 sampai 2 m, dengan lapisan atas beroksigen dari fotosintesis alga dan lapisan bawah anaerob tempat lumpur terurai. Waktu tinggalnya belasan sampai puluhan hari.
3. Kolam maturasi: dangkal, sekitar 1 sampai 1,5 m, terutama untuk menurunkan bakteri patogen dengan sinar matahari, pH tinggi, dan waktu.

Kolam aerasi memakai aerator mekanis atau difuser untuk memasok oksigen, sehingga lebih dalam dan memerlukan lahan lebih kecil daripada kolam fakultatif, tetapi memerlukan listrik. Buku pengolahan air limbah industri dalam narasi mencontohkan bak ekualisasi dan netralisasi yang diikuti kolam aerasi, dan mencatat sistem lain yang dipakai bila lahan tidak tersedia untuk membangun kolam. Kolam adalah pilihan ketika lahan murah dan tenaga operator terbatas; lumpur aktif di Bab 18 dan biakan melekat di Bab 19 dipilih ketika lahan mahal.

Beban organik volumetrik dan permukaan

Buku matematika operator dalam narasi mendefinisikan laju beban organik dengan rumus tersendiri. Beban BOD harian:

dengan $Q$ dalam m³/hari dan BOD dalam g/m³, sehingga $L$ dalam g/hari. Karakteristik dan cara mengukur BOD ada di Bab 16.

Dua ukuran beban yang dipakai (nilai literatur umum):

1. Kolam anaerob: beban volumetrik, $L/V$ dalam g BOD/m³·hari, sekitar 100 sampai 350 pada suhu di atas 20 °C. Beban di atas rentang itu menimbulkan bau.
2. Kolam fakultatif: beban permukaan, $L/A$ dalam kg BOD/ha·hari, sekitar 100 sampai 350 di iklim tropis. Yang menentukan adalah luas, karena oksigen datang dari fotosintesis di permukaan.

Buku pegangan operasi instalasi air dalam narasi juga memuat soal beban hidraulik kolam, yaitu debit dibagi luas, dalam satuan kedalaman per hari.

Waktu tinggal dan volume kolam

Buku matematika operator dalam narasi mendefinisikan waktu tinggal sebagai volume dibagi debit. Waktu tinggal nyata lebih pendek bila ada aliran pintas antara inlet dan outlet, atau bila lumpur sudah mengisi sebagian kolam.

Kolam bertebing miring tidak berbentuk balok. Buku yang sama mencatat bahwa volume kolam dan laguna dapat dihitung dari ukurannya, dan bahwa isi di sudut tidak berarti kecuali pada laguna kecil. Rumus prismoida yang umum:

dengan $h$ kedalaman air dan $A$ luas permukaan air di atas, di tengah kedalaman, dan di dasar. Untuk tebing dengan kemiringan horizontal $m$ per satu vertikal, setiap sisi menyempit $m \times h$ di dasar. Memakai luas atas kali kedalaman membuat volume, dan waktu tinggal, terlalu besar, seperti di Contoh 4.

Neraca air kolam

Buku matematika operator dalam narasi mencatat perubahan volume laguna karena hujan dan penguapan. Kolam yang luas kehilangan air karena penguapan dan rembesan, dan menerima air hujan langsung. Neraca hariannya:

dengan $P$ hujan, $E$ penguapan, dan $S$ rembesan dalam m/hari. Pada musim kemarau, efluen bisa jauh lebih kecil daripada debit masuk, sehingga kadar garam dan zat yang tidak terurai naik. Rembesan yang besar memindahkan air limbah ke air tanah di sekitarnya, termasuk sumur seperti di Bab 27; karena itu dasar dan tebing kolam dilapisi tanah kedap atau lapisan geomembran menurut rancangan.

Buku yang sama memuat kolam buangan terkendali yang harus menampung efluen selama berbulan-bulan, yaitu kolam yang hanya dibuang pada musim tertentu. Volume kolam seperti itu ditentukan oleh neraca air musiman, bukan oleh beban BOD.

Alga, oksigen harian, dan pH

Di kolam fakultatif dan maturasi, alga menghasilkan oksigen pada siang hari dan memakainya pada malam hari. Oksigen terlarut di permukaan dapat sangat tinggi pada sore hari dan mendekati nol menjelang pagi. Fotosintesis juga memakai karbon dioksida, sehingga pH naik sampai sekitar 9 atau lebih pada sore hari (nilai literatur umum). pH tinggi ini membantu mematikan bakteri di kolam maturasi.

Alga juga menjadi masalah. Efluen kolam fakultatif dan maturasi mengandung alga yang terukur sebagai padatan tersuspensi dan BOD, terutama pada sore hari, seperti di kasus pembuka. Karena itu sampel efluen kolam diambil sebagai sampel gabungan sepanjang hari, seperti di Bab 23, dan izin sebagian daerah membedakan padatan alga dari padatan lain. Buku matematika operator dalam narasi memuat soal dosis tembaga untuk mengendalikan alga di kolam kecil; bahan seperti itu beracun bagi kehidupan air dan hanya dipakai bila diizinkan.

Bau, warna, dan nyamuk

Gejala kolam yang dapat dibaca di lapangan (nilai literatur umum):

1. Bau telur busuk dari kolam anaerob: beban berlebih, atau sulfat yang tinggi dari air dan bahan kimia, menghasilkan hidrogen sulfida. Lapisan buih di permukaan kolam anaerob justru membantu menahan bau dan tidak perlu dibuang semuanya.
2. Warna merah muda sampai ungu: bakteri belerang ungu yang tumbuh ketika kolam kekurangan oksigen dan menerima sulfida, tanda beban berlebih.
3. Kolam fakultatif hijau tua merata: normal. Kuning kehijauan pucat atau abu-abu dan berbau: kolam menjadi anaerob.
4. Buih dan sampah mengapung: ditahan dan diangkat dari pinggir dengan alat bergagang panjang.

Buku pegangan operasi instalasi air dalam narasi mencatat bahwa nyamuk dapat menjadi masalah di sebagian kolam. Jentik berkembang di air tenang yang terlindung rumput di tepi kolam. Pengendaliannya adalah memotong tanaman di tebing, menjaga muka air agar tidak menggenangi rumput, dan mengangkat buih yang menumpuk di sudut.

Inlet, outlet, dan tebing

Kinerja kolam sering lebih banyak ditentukan oleh inlet dan outlet daripada oleh ukurannya. Inlet yang berada dekat outlet, atau angin yang mendorong air permukaan ke satu sisi, membuat aliran pintas: sebagian air keluar dalam beberapa jam, bukan dalam beberapa hari. Inlet yang baik ditempatkan jauh dari outlet dan di bawah permukaan, sedangkan outlet kolam fakultatif dan maturasi diberi sekat penahan buih dan mengambil air sedikit di bawah permukaan, tempat alga paling sedikit (nilai literatur umum). Sekat di dalam kolam memperpanjang jalur aliran.

Tebing tanah adalah bagian kolam yang paling rawan. Tanaman yang tumbuh di tebing menjadi tempat jentik dan merusak lapisan kedap, lubang hewan membuat rembesan, dan gelombang mengikis tebing pada muka air. Tebing diperiksa setelah hujan lebat untuk retak, longsor, dan rembesan di kaki tebing luar. Muka air dijaga tetap di antara batas yang dirancang; kolam yang dibiarkan surut membuat tebing kering dan retak, sedangkan kolam yang meluap merusak tebing dan pagar.

Lumpur kolam

Padatan yang mengendap di kolam anaerob dan fakultatif terurai perlahan tetapi tetap menumpuk. Lumpur yang menumpuk mengurangi volume dan waktu tinggal, sehingga beban volumetrik nyata naik dan bau bertambah. Kolam anaerob biasanya dikuras ketika lumpurnya mencapai sekitar sepertiga kedalaman (nilai literatur umum). Kedalaman lumpur diukur dari perahu atau titian dengan galah yang dibalut kain putih: kain menghitam sampai batas lumpur.

Lumpur yang dikuras ditangani seperti di Bab 22. Kolam yang baru dikuras atau baru dibangun dijalankan bertahap: kolam diisi lebih dulu dengan air bersih atau air sungai sampai kedalaman kerja, lalu air limbah dimasukkan dengan beban yang dinaikkan perlahan selama beberapa minggu sampai alga dan bakteri berkembang, sambil warna, bau, oksigen terlarut, dan pH dicatat (nilai literatur umum). Kolam anaerob yang langsung menerima beban penuh dalam keadaan kosong biasanya berbau berat pada minggu-minggu pertama. Pengurasan kolam dikerjakan dengan alat dan pelaksana yang sesuai; kolam tidak dikosongkan dengan cara yang membuat tebing longsor atau air limbah tumpah ke saluran.

Kolam aerasi

Kolam aerasi bergantung pada aerator. Kebutuhan oksigen kira-kira sebanding dengan BOD yang diuraikan, sekitar 1 sampai 1,5 kg oksigen per kg BOD (nilai literatur umum), dan aerator permukaan memindahkan sekitar 1 sampai 2 kg oksigen per kWh dalam keadaan lapangan (nilai literatur umum). Aerator juga harus cukup kuat untuk menjaga padatan tidak mengendap bila kolam dirancang sebagai kolam campur penuh. Aerator yang mati satu per satu tanpa diganti mengubah kolam aerasi menjadi kolam fakultatif yang terlalu dalam, sehingga kolam berbau. Pengukuran oksigen terlarut dan dasar aerasi ada di Bab 18.

Penurunan bakteri di kolam maturasi

Penurunan bakteri indikator di kolam sering didekati dengan model campur sempurna orde pertama (nilai literatur umum):

dengan $N_0$ dan $N$ jumlah bakteri masuk dan keluar, $t$ waktu tinggal dalam hari, dan $k_T$ laju kematian yang naik dengan suhu, misalnya $k_T = 2{,}6 \times 1{,}19^{T-20}$ per hari. Kolam yang berurutan menurunkan bakteri jauh lebih besar daripada satu kolam dengan waktu tinggal total yang sama, karena faktor penurunannya dikalikan. Bila efluen harus memenuhi batas bakteri yang ketat, disinfeksi tambahan seperti di Bab 26 dipertimbangkan. Mikroba indikator dan cara mengujinya ada di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi.

Pemantauan

Buku matematika operator dalam narasi menyebut parameter yang umum dipantau di kolam dan laguna. Daftar pemantauan yang sederhana (nilai literatur umum, disesuaikan izin):

1. Harian: debit masuk, warna dan bau setiap kolam, muka air, keadaan inlet dan outlet.
2. Mingguan: oksigen terlarut dan pH di permukaan kolam fakultatif pada pagi dan sore, suhu, keadaan tebing dan tanaman.
3. Bulanan atau sesuai izin: BOD atau COD, padatan tersuspensi, dan bakteri indikator di masuk dan keluar, dari sampel gabungan.
4. Tahunan: kedalaman lumpur di beberapa titik setiap kolam.

Buku matematika operator dalam narasi juga memuat perhitungan ekuivalen penduduk dari buangan yang diusulkan, cara yang berguna untuk menilai apakah perluasan laundry di kasus pembuka masih tertampung, seperti di Bab 16.

Contoh kerja

Contoh 1: beban BOD. Debit 150 m³/hari dengan BOD 400 mg/L memberi beban $150 \times 400 = 60.000$ g/hari, yaitu 60 kg BOD per hari.

Contoh 2: kolam anaerob. Dengan beban volumetrik 300 g/m³·hari (angka latihan dari rentang literatur), volume yang diperlukan $60.000/300 = 200$ m³, dan waktu tinggalnya $200/150 = 1{,}3$ hari.

Contoh 3: kolam fakultatif. Bila kolam anaerob menurunkan BOD 60 persen, beban ke kolam fakultatif 24 kg/hari. Dengan beban permukaan 300 kg/ha·hari, luasnya $24/300 = 0{,}08$ ha, yaitu 800 m². Pada kedalaman 1,8 m, volumenya sekitar 1.440 m³ dan waktu tinggalnya sekitar 9,6 hari.

Contoh 4: volume kolam bertebing miring. Muka air 30 m kali 20 m, kedalaman 2 m, dan tebing 2 horizontal per 1 vertikal, sehingga dasar 22 m kali 12 m dan tengah 26 m kali 16 m. $V = (2/6)(600 + 4 \times 416 + 264) = 843$ m³. Luas atas kali kedalaman memberi 1.200 m³, sekitar 42 persen terlalu besar.

Contoh 5: penguapan. Kolam fakultatif 800 m² dengan penguapan 5 mm/hari kehilangan $800 \times 0{,}005 = 4$ m³/hari, dan rembesan 2 mm/hari menambah 1,6 m³/hari. Satu hari hujan 20 mm menambah 16 m³.

Contoh 6: perluasan laundry. Bila perluasan menggandakan beban menjadi 120 kg/hari, beban volumetrik kolam anaerob 200 m³ menjadi $120.000/200 = 600$ g/m³·hari, jauh di atas rentang, sehingga bau dan warna merah muda di kasus pembuka dapat dijelaskan.

Contoh 7: pengurasan lumpur. Padatan tersuspensi masuk 200 mg/L pada 150 m³/hari, yaitu 30 kg/hari. Bila separuhnya mengendap di kolam anaerob, separuh lagi terurai, dan lumpur berkadar padatan 10 persen dengan kerapatan sekitar 1.000 kg/m³ (angka latihan), volume lumpur $30 \times 0{,}5 \times 0{,}5/100 = 0{,}075$ m³/hari, sekitar 27 m³ per tahun. Sepertiga kolam 200 m³ adalah sekitar 67 m³, sehingga pengurasan diperlukan kira-kira setiap dua setengah tahun; dalam sepuluh tahun tanpa pengurasan, lumpur mengisi lebih dari sepertiga kolam.

Contoh 8: bakteri di kolam maturasi. Pada 28 °C, $k_T = 2{,}6 \times 1{,}19^{8} = 10{,}5$ per hari. Dengan waktu tinggal 5 hari, faktor penurunannya $1 + 10{,}5 \times 5 = 53$, sehingga 1.000.000 bakteri per 100 mL turun menjadi sekitar 19.000 per 100 mL. Dua kolam masing-masing 2,5 hari memberi $(1 + 26{,}2)^2 \approx 740$, jauh lebih baik.

Contoh 9: kolam aerasi. BOD yang diuraikan 50 kg/hari dengan kebutuhan 1,2 kg oksigen per kg BOD memerlukan 60 kg oksigen per hari. Dengan aerator lapangan 1,0 kg oksigen per kWh, energinya 60 kWh per hari, yaitu aerator 2,5 kW yang bekerja terus-menerus.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Pekerjaan di tepi kolam atau di atas titian dilakukan sendirian, tanpa pelampung, tali, atau pagar pengaman; kolam bertebing licin menyebabkan orang tenggelam.
2. Bau hidrogen sulfida kuat di sekitar kolam anaerob, bak inlet, atau sumur pengumpul, atau ada yang pusing; ruang tertutup di IPAL ditangani seperti di Bab 11 · Keselamatan.
3. Tebing kolam retak, longsor, atau bocor ke saluran atau lahan tetangga.
4. Efluen yang melanggar izin akan dibuang dengan sengaja, atau kolam diminta dikosongkan ke saluran.
5. Bahan pembasmi alga atau bahan kimia lain diminta ditambahkan ke kolam tanpa izin.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Kolam tidak perlu dirawat karena hampir tanpa mesin." Lumpur, tanaman tebing, dan buih tetap harus ditangani.
2. "Kolam hijau berarti gagal." Hijau tua merata di kolam fakultatif adalah tanda alga yang sehat.
3. "Volume kolam sama dengan luas atas kali kedalaman." Tebing miring dan lumpur membuat volume nyata jauh lebih kecil.
4. "Sampel siang hari mewakili efluen." Alga, oksigen, dan pH berubah sepanjang hari.
5. "Satu kolam besar sama baiknya dengan beberapa kolam kecil." Kolam berurutan menurunkan bakteri jauh lebih baik.
6. "Bau kolam anaerob selalu normal." Bau kuat menunjuk beban berlebih, sulfat tinggi, atau lumpur penuh.

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 menjelaskan karakteristik dan ekuivalen penduduk, Bab 17 pengolahan pendahuluan, Bab 18 lumpur aktif dan aerasi, Bab 19 proses anaerob, Bab 22 lumpur dan biogas, Bab 23 pemantauan efluen, Bab 26 klorinasi, Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi mikroba indikator, Bab 27 air tanah, dan Bab 11 · Keselamatan atmosfer berbahaya. Bab 25 menggabungkan pemilihan rangkaian IPAL untuk laundry.

Latihan dan pembahasan

1. Debit 100 m³/hari dengan BOD 300 mg/L. Berapa beban BOD harian?
2. Beban 30 kg/hari ke kolam anaerob dengan beban volumetrik 250 g/m³·hari. Berapa volume dan waktu tinggal pada debit 100 m³/hari?
3. Beban 12 kg/hari ke kolam fakultatif dengan beban permukaan 250 kg/ha·hari. Berapa luasnya dalam m²?
4. Muka air 20 m kali 10 m, kedalaman 1,5 m, tebing 2 horizontal per 1 vertikal. Berapa volume kolam?
5. Mengapa padatan tersuspensi efluen kolam fakultatif sering tinggi pada sore hari?
6. Kolam anaerob berbau telur busuk dan berwarna merah muda. Apa penyebab yang mungkin dan apa tindakannya?

Kunci jawaban beralasan

1. $100 \times 300 = 30.000$ g/hari, yaitu 30 kg BOD per hari.
2. $30.000/250 = 120$ m³, dan waktu tinggalnya $120/100 = 1{,}2$ hari.
3. $12/250 = 0{,}048$ ha, yaitu 480 m², karena satu hektar 10.000 m².
4. Dasar 14 m kali 4 m dan tengah 17 m kali 7 m, sehingga $V = (1{,}5/6)(200 + 4 \times 119 + 56) = 183$ m³.
5. Alga tumbuh paling banyak pada siang hari dan terbawa keluar sebagai padatan; sampel gabungan sepanjang hari memberi gambaran yang benar.
6. Beban berlebih, sulfat tinggi, atau lumpur yang sudah mengurangi volume kolam membuat kolam menghasilkan sulfida dan menumbuhkan bakteri belerang ungu. Tindakannya adalah mengukur debit dan beban, mengukur kedalaman lumpur, menguras bila perlu, dan menurunkan beban atau menambah kapasitas.

Referensi