Lumpur aktif: aerasi dan oksigen terlarut, MLSS, rasio F/M, umur lumpur, indeks volume lumpur, lumpur balik dan lumpur buang, dan gangguan lumpur

Sebuah hotel memiliki IPAL lumpur aktif paket untuk air limbah kamar, dapur, dan laundry-nya. Selama dua tahun, air keluarannya jernih dan hasil laboratoriumnya memenuhi izin. Lalu, dalam beberapa bulan, keadaannya memburuk: air di bak pengendap kedua keruh, gumpalan lumpur terbawa melewati pelimpah, dan busa cokelat kental setebal sejengkal menutupi bak aerasi. Pada sore hari, bau busuk tercium dari pipa lumpur balik.

Teknisi yang diminta memeriksa menemukan dua kebiasaan. Operator tidak pernah membuang lumpur selama enam bulan, karena menurutnya "makin banyak mikroba makin bagus". Dan satu dari dua blower sudah lama mati, sementara sebagian diffuser di dasar bak tersumbat, sehingga oksigen terlarut di bak aerasi hanya 0,3 mg/L. Lumpur aktif adalah proses biologis yang hidup: ia bekerja baik hanya bila jumlah mikroba, makanan, dan oksigennya seimbang, dan keseimbangan itu dijaga dengan beberapa angka sederhana yang dihitung setiap minggu. Bab ini menjelaskan angka-angka itu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas proses lumpur aktif dari sisi operator dan teknisi: bagian proses, mikroba, oksigen terlarut, MLSS, rasio F/M, waktu tinggal, umur lumpur, uji pengendapan, indeks volume lumpur, lumpur balik, lumpur buang, kebutuhan oksigen dan udara, dan gangguan. Penghilangan nitrogen dan fosfor lanjut hanya disinggung. Karakteristik air limbah ada di Bab 16; pengolahan pendahuluan dan bak pengendap di Bab 17; neraca massa di Bab 2; IPAL laundry di Bab 17 · Laundry; jenis mikroba di Bab 2 · Biologi & Mikrobiologi; biofilm di Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi; udara tekan dan kompresor di Bab 7 · Utilitas. Sumbernya adalah narasi Teknik Air dan Lingkungan, terutama buku pegangan operasi instalasi, dua buku matematika operator air limbah, buku penukar ion dan pengolahan air, dan buku pengolahan air limbah industri, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Rentang angka operasi ditandai nilai literatur umum; nilai untuk IPAL tertentu diambil dari manual dan perancangnya. Angka contoh adalah angka latihan.

Bagian-bagian proses lumpur aktif

Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator air limbah yang menunjukkan komponen utama proses lumpur aktif dalam satu diagram. Bagian-bagian itu (nilai literatur umum):

1. Bak aerasi: air limbah dicampur dengan lumpur berisi mikroba dan diberi udara. Campuran ini disebut cairan campuran.
2. Peralatan aerasi: blower dengan diffuser di dasar bak, atau aerator permukaan, yang memberi oksigen dan mengaduk.
3. Bak pengendap kedua: lumpur dipisahkan dari air olahan; air jernih keluar lewat pelimpah.
4. Lumpur balik: sebagian besar lumpur yang mengendap dipompa kembali ke bak aerasi supaya jumlah mikroba tetap.
5. Lumpur buang: sebagian kecil lumpur dikeluarkan dari sistem setiap hari, supaya mikroba tidak menumpuk dan menua.

Ada beberapa ragam proses. Aerasi diperpanjang, yang umum di IPAL paket gedung, memakai bak besar dengan waktu aerasi satu hari atau lebih, sehingga lumpur yang dihasilkan lebih sedikit dan lebih stabil. Narasi yang sama mengutip buku pengolahan air limbah industri tentang waktu aerasi yang diperpanjang sampai 60 jam dengan penyisihan BOD 98,2 persen, dan buku penukar ion dan pengolahan air tentang proses stabilisasi kontak yang memakai dua bak aerasi.

Mikroba dan oksigen terlarut

Mikroba di lumpur aktif sebagian besar bakteri yang memakan bahan organik terlarut dan halus, ditambah protozoa dan hewan renik lain yang memakan bakteri bebas. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku pegangan operasi instalasi bahwa protozoa adalah pemakan kedua dalam proses lumpur aktif, tetapi sangat penting. Protozoa yang banyak dan beragam di bawah mikroskop menunjuk lumpur yang sehat; jenis mikroba dijelaskan di Bab 2 · Biologi & Mikrobiologi.

Mikroba ini memerlukan oksigen terlarut. Rentang yang umum dijaga di bak aerasi adalah sekitar 1,5 sampai 3 mg/L (nilai literatur umum). Di bawah sekitar 0,5 mg/L, penguraian melambat, bakteri berbentuk benang tumbuh, dan lumpur mulai berbau. Di atas sekitar 4 mg/L, listrik blower terbuang tanpa manfaat. Narasi yang sama mengutip buku pegangan itu tentang saat kebutuhan makanan dan oksigen mencapai puncaknya. Pada bak yang airnya mengalir memanjang, puncak itu terjadi di bagian awal, tempat air limbah baru masuk (nilai literatur umum); karena itu oksigen terlarut diukur di beberapa titik, tidak hanya di dekat pelimpah.

Bila nitrogen amonia ikut diolah, bakteri nitrifikasi juga memerlukan oksigen dan umur lumpur yang lebih panjang. Narasi itu mengutip buku pengolahan air limbah industri tentang mikroba anoksik yang berguna untuk denitrifikasi, yaitu mengubah nitrat menjadi gas nitrogen di zona tanpa oksigen terlarut.

MLSS dan MLVSS

MLSS adalah padatan tersuspensi dalam cairan campuran, dalam mg/L, yang menyatakan kira-kira banyaknya lumpur di bak aerasi. MLVSS adalah bagian volatilnya, yang dipakai sebagai perkiraan mikroba yang aktif. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator air limbah tentang menghitung kadar mikroba aktif sebagai MLVSS di bak aerasi, dan buku pegangan operasi instalasi tentang MLSS yang 66 persen di antaranya bahan volatil.

Rentang yang umum (nilai literatur umum): sekitar 1.500 sampai 3.000 mg/L untuk proses konvensional, dan sekitar 3.000 sampai 5.000 mg/L untuk aerasi diperpanjang. Narasi yang sama mengutip buku matematika operator tentang bak aerasi dengan kadar padatan 2.500 mg/L. MLSS yang terus naik tanpa dibuang membebani bak pengendap kedua; MLSS yang terus turun membuat mikroba tidak cukup untuk beban yang datang.

Rasio makanan terhadap mikroba

Rasio F/M membandingkan makanan yang masuk setiap hari dengan mikroba yang ada di bak aerasi:

dengan $Q$ dalam m³/hari, BOD dan MLVSS dalam mg/L, dan $V$ volume bak aerasi dalam m³. Hasilnya dalam kg BOD per kg MLVSS per hari. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku pegangan operasi instalasi tentang sasaran F/M 0,3 yang dinyatakan dengan COD, sehingga satuan BOD atau COD harus selalu disebut bersama angkanya.

Rentang yang umum dengan BOD (nilai literatur umum): sekitar 0,2 sampai 0,5 untuk proses konvensional, dan sekitar 0,05 sampai 0,15 untuk aerasi diperpanjang. F/M yang terlalu tinggi berarti mikroba kekurangan waktu untuk menghabiskan makanan, sehingga efluen membawa BOD dan lumpur mengendap buruk. F/M yang terlalu rendah berarti mikroba kelaparan, lumpur tua, dan buih cokelat mudah muncul.

Waktu tinggal dan umur lumpur

Waktu tinggal hidraulik bak aerasi adalah $V/Q$, seperti di Bab 17. Lumpur tinggal jauh lebih lama dari air, karena sebagian besar lumpur dikembalikan. Lamanya lumpur rata-rata berada di sistem disebut umur lumpur atau waktu tinggal padatan. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator air limbah bahwa waktu tinggal padatan adalah parameter kunci dalam merancang sistem lumpur aktif:

dengan $Q_w$ dan $X_w$ debit dan kadar padatan lumpur buang, dan $Q_e$ dan $X_e$ debit dan kadar padatan efluen. Pembilangnya adalah lumpur di bak aerasi; penyebutnya lumpur yang keluar setiap hari. Rentang yang umum (nilai literatur umum): sekitar 5 sampai 15 hari untuk konvensional, dan sekitar 20 sampai 30 hari untuk aerasi diperpanjang.

Umur lumpur adalah alat kendali utama operator: membuang lebih banyak lumpur memperpendek umur lumpur, membuang lebih sedikit memperpanjangnya. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator pengolahan air dan air limbah bahwa banyaknya BOD yang disisihkan berhubungan langsung dengan banyaknya padatan yang dihasilkan, sehingga lumpur yang tumbuh setiap hari harus dibuang dalam jumlah yang kira-kira sama supaya sistem seimbang.

Uji pengendapan dan indeks volume lumpur

Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku matematika operator tentang uji kemampuan mengendap pada sampel cairan campuran. Satu liter cairan campuran dituang ke gelas ukur atau wadah pengendap, didiamkan 30 menit, lalu volume lumpur yang mengendap dibaca dalam mL/L. Indeks volume lumpur menghubungkan volume itu dengan MLSS:

dalam mL/g, yaitu volume yang ditempati satu gram lumpur setelah mengendap 30 menit. Patokan yang umum (nilai literatur umum): sekitar 50 sampai 150 mL/g menunjuk lumpur yang mengendap baik; di atas sekitar 150 sampai 200 mL/g lumpur mulai mengembang dan sulit dipisahkan.

Uji ini murah dan dapat dilakukan setiap hari. Selain angkanya, operator memperhatikan cara lumpur mengendap: batas yang tajam dengan air jernih di atasnya adalah tanda baik; air keruh di atas lumpur, lumpur yang mengapung setelah satu sampai dua jam, atau lumpur yang hampir tidak turun adalah tanda masalah.

Lumpur balik dan lumpur buang

Debit lumpur balik dipilih supaya lumpur tidak terlalu lama di bak pengendap kedua dan MLSS di bak aerasi terjaga. Dari neraca padatan di sekitar bak aerasi, perbandingan debit lumpur balik dengan debit air limbah kira-kira (nilai literatur umum):

dengan $X_r$ kadar padatan lumpur balik. Perbandingan ini biasanya sekitar 0,25 sampai 1 (nilai literatur umum). Lumpur balik yang terlalu sedikit membuat lumpur menumpuk dan membusuk di bak pengendap kedua; narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku pegangan operasi instalasi tentang lumpur balik yang berbau telur busuk, tanda lumpur sudah kehabisan oksigen.

Lumpur buang diatur dari umur lumpur atau MLSS sasaran. Cara yang lebih tenang adalah membuang sedikit setiap hari, tidak banyak sekali seminggu, supaya keadaan mikroba tidak berubah mendadak. Lumpur yang dibuang diolah lebih lanjut, seperti dibahas di bab lain rak ini.

Kebutuhan oksigen dan udara

Oksigen yang diperlukan kira-kira sebanding dengan BOD yang disisihkan, ditambah oksigen untuk mikroba yang mengurai dirinya sendiri pada umur lumpur panjang. Patokan kasar yang umum adalah sekitar 1 sampai 2 kg oksigen per kg BOD yang disisihkan, dengan angka yang lebih tinggi untuk aerasi diperpanjang dan bila nitrifikasi terjadi (nilai literatur umum).

Udara mengandung sekitar 0,28 kg oksigen per m³ pada keadaan biasa, tetapi hanya sebagian kecil yang larut ke air. Efisiensi perpindahan oksigen diffuser bergantung pada jenis diffuser dan kedalaman bak; untuk bak dangkal IPAL paket, angkanya sering hanya sekitar 5 sampai 15 persen (nilai literatur umum). Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku pengolahan air limbah industri bahwa aerasi efluen olahan bergantung pada perpindahan gas. Diffuser yang tersumbat menurunkan efisiensi ini, sehingga blower bekerja penuh tetapi oksigen terlarut tetap rendah. Blower adalah mesin udara bertekanan rendah; perawatan saringan udara, sabuk, dan katup penahan baliknya mengikuti prinsip di Bab 7 · Utilitas.

Gangguan lumpur yang sering terjadi

Gejala dan penyebab yang umum (nilai literatur umum):

1. Lumpur mengembang: SVI tinggi, lumpur tidak mengendap dan terbawa ke pelimpah. Penyebab yang sering adalah bakteri benang karena oksigen rendah, F/M sangat rendah, kekurangan nutrien, atau air limbah yang sudah membusuk. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mengutip buku penukar ion dan pengolahan air tentang mikroba yang tumbuh dalam bentuk benang.
2. Busa putih tipis yang bergelembung: lumpur muda atau MLSS rendah, sering setelah lumpur terlalu banyak dibuang, atau surfaktan dari deterjen.
3. Busa cokelat kental: lumpur tua dan beberapa jenis bakteri benang; umur lumpur terlalu panjang dan minyak atau lemak tinggi.
4. Lumpur mengapung di bak pengendap kedua: denitrifikasi di dasar bak menghasilkan gelembung nitrogen yang mengangkat lumpur, atau lumpur membusuk karena terlalu lama tertahan.
5. Warna hitam dan bau busuk: oksigen sangat kurang. Narasi yang sama mengutip buku pegangan operasi instalasi bahwa warna cairan campuran cokelat susu terang menunjuk proses lumpur aktif yang bekerja baik.
6. Efluen keruh dengan butiran halus: lumpur yang terpecah karena aerasi terlalu kuat, zat beracun, atau perubahan beban mendadak.

Untuk IPAL yang menerima air limbah laundry, disinfektan, pemutih, dan pH ekstrem dari mesin dapat membunuh sebagian mikroba dalam satu kejadian. Gejala itu dicocokkan dengan catatan laundry pada hari yang sama, seperti dibahas di Bab 17 · Laundry.

Catatan operasi harian

Angka-angka di atas hanya berguna bila dicatat teratur dan dibaca sebagai tren. Catatan yang umum untuk IPAL lumpur aktif kecil (nilai literatur umum):

1. Setiap hari: oksigen terlarut di dua atau tiga titik bak aerasi, uji pengendapan 30 menit, pH dan suhu, kejernihan air di pelimpah bak pengendap kedua, volume lumpur buang, jam kerja dan arus blower, dan keadaan busa.
2. Setiap minggu: MLSS dan, bila mungkin, MLVSS; padatan lumpur balik; tinggi lapisan lumpur di bak pengendap kedua; perhitungan F/M, umur lumpur, dan SVI.
3. Setiap bulan atau menurut izin: BOD, COD, padatan tersuspensi, dan parameter lain di saluran masuk dan keluar dari laboratorium.
4. Setiap kejadian: perubahan di hulu, seperti laundry memakai bahan kimia baru, pembersihan dapur besar, atau hari dengan tamu sangat banyak.

Tren lebih penting dari angka satu hari. SVI yang naik pelan selama dua minggu, bersama oksigen terlarut yang turun, memberi waktu untuk membersihkan diffuser sebelum lumpur benar-benar mengembang. Tanpa catatan, gangguan baru diketahui ketika air keruh sudah keluar dari pelimpah.

Contoh kerja

Contoh 1: rasio F/M. Debit 60 m³/hari dengan BOD masuk bak aerasi 250 mg/L membawa $60 \times 250/1.000 = 15$ kg BOD/hari. Bak aerasi 100 m³ dengan MLVSS 2.400 mg/L berisi $100 \times 2.400/1.000 = 240$ kg MLVSS. F/M $= 15/240 = 0{,}063$ kg BOD/kg MLVSS/hari, dalam rentang aerasi diperpanjang.

Contoh 2: waktu tinggal hidraulik. Untuk bak yang sama, $t = 100/60 = 1{,}67$ hari atau sekitar 40 jam.

Contoh 3: umur lumpur. MLSS 3.500 mg/L di bak 100 m³ berarti 350 kg lumpur. Lumpur buang 1,0 m³/hari dengan kadar 8.000 mg/L membawa 8 kg/hari, dan efluen 60 m³/hari dengan padatan 20 mg/L membawa 1,2 kg/hari. SRT $= 350/(8 + 1{,}2) = 38$ hari, lebih panjang dari rentang aerasi diperpanjang; buangan lumpur dapat dinaikkan.

Contoh 4: indeks volume lumpur. Uji 30 menit memberi 450 mL/L pada MLSS 3.000 mg/L, jadi SVI $= 450 \times 1.000/3.000 = 150$ mL/g, di batas atas lumpur yang baik. Seminggu kemudian, 900 mL/L pada MLSS yang sama memberi SVI 300 mL/g: lumpur mengembang.

Contoh 5: debit lumpur balik. MLSS 3.000 mg/L dan lumpur balik 9.000 mg/L memberi $Q_r/Q = 3.000/(9.000 - 3.000) = 0{,}5$. Untuk debit 60 m³/hari, lumpur balik sekitar 30 m³/hari atau 1,25 m³/jam.

Contoh 6: kebutuhan udara. BOD yang disisihkan $15 \times 0{,}9 = 13{,}5$ kg/hari. Dengan 1,5 kg oksigen per kg BOD, kebutuhan oksigen sekitar 20 kg/hari. Dengan efisiensi perpindahan 10 persen, udara yang diperlukan $20/(0{,}28 \times 0{,}10) = 714$ m³/hari, sekitar 30 m³/jam atau 0,5 m³/menit, sebelum cadangan.

Contoh 7: akibat tidak membuang lumpur. Bak aerasi 100 m³ dengan pertumbuhan lumpur bersih sekitar 6 kg/hari (angka latihan). Tanpa lumpur buang, dan dengan sedikit yang terbawa efluen, MLSS naik sekitar 60 mg/L per hari, sehingga dalam 50 hari MLSS dari 3.000 menjadi sekitar 6.000 mg/L. Bak pengendap kedua yang dirancang untuk 3.000 mg/L tidak mampu lagi, dan lumpur terbawa keluar seperti pada kasus pembuka.

Contoh 8: profil oksigen terlarut. Oksigen terlarut terukur 0,3 mg/L di dekat saluran masuk, 1,2 mg/L di tengah, dan 2,8 mg/L di dekat pelimpah. Rata-ratanya tampak cukup, tetapi bagian awal kekurangan oksigen. Diffuser di bagian awal diperiksa dan dibersihkan, dan udara dibagi lebih banyak ke sana.

Contoh 9: membaca warna dan bau. Cairan campuran berwarna cokelat susu dan berbau tanah, uji 30 menit memberi batas lumpur tajam, dan di bawah mikroskop terlihat banyak protozoa bertangkai. Tiga tanda ini bersama-sama menunjuk proses yang sehat. Bila warnanya menjadi abu-abu gelap dan berbau busuk, oksigen terlarut adalah hal pertama yang diperiksa.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan perancang, penyelia, atau pemilik IPAL bila:

1. Pekerjaan memerlukan masuk ke bak aerasi, bak pengendap, atau sumur pompa; bak dapat mengandung gas berbahaya dan permukaannya berbuih sehingga dalamnya tidak terlihat.
2. Efluen jelas melampaui izin atau lumpur terbawa keluar dalam jumlah besar; pemilik dan pihak yang berwenang mungkin harus diberi tahu.
3. Ada dugaan zat beracun, seperti pembuangan disinfektan atau bahan kimia dalam jumlah besar, yang dapat mematikan mikroba.
4. Blower, pompa lumpur balik, atau panel listriknya rusak dan perbaikan memerlukan isolasi energi.
5. Ukuran bak, blower, atau pompa akan diubah tanpa perhitungan beban dan perancang.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Makin banyak mikroba makin bagus." MLSS yang terlalu tinggi membebani bak pengendap kedua, menuakan lumpur, dan menimbulkan busa. Lumpur buang adalah bagian kendali yang wajib.
2. "Oksigen terlarut tinggi di pelimpah berarti aerasi cukup." Bagian awal bak paling banyak memerlukan oksigen; profil di beberapa titik yang menentukan.
3. "Blower bekerja penuh berarti oksigen cukup." Diffuser yang tersumbat menurunkan perpindahan oksigen walaupun blower bekerja penuh.
4. "SVI hanya angka laboratorium." Uji 30 menit dapat dilakukan operator setiap hari dan memberi tanda pertama lumpur mengembang.
5. "Busa selalu karena deterjen." Busa putih tipis dan busa cokelat kental mempunyai penyebab berbeda; umur lumpur dan bakteri benang sering menjadi penyebab busa cokelat.
6. "Membuang banyak lumpur sekaligus sama saja dengan sedikit setiap hari." Perubahan mendadak mengguncang mikroba; buangan yang merata menjaga proses lebih stabil.
7. "F/M 0,3 berlaku untuk semua IPAL." Angka sasaran bergantung pada ragam proses dan apakah dinyatakan dengan BOD atau COD.

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 memberi karakteristik dan beban air limbah, Bab 17 pengolahan pendahuluan dan bak pengendap, Bab 2 neraca massa, Bab 17 · Laundry IPAL laundry, Bab 2 · Biologi & Mikrobiologi jenis mikroba, Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi biofilm, dan Bab 7 · Utilitas udara tekan. Bab berikutnya di rak ini membahas biakan melekat dan IPAL kecil.

Latihan dan pembahasan

1. Debit 40 m³/hari dengan BOD 300 mg/L masuk ke bak aerasi 60 m³ dengan MLVSS 2.000 mg/L. Berapa F/M?
2. Bak aerasi 80 m³ dengan MLSS 4.000 mg/L. Lumpur buang 0,8 m³/hari pada 10.000 mg/L, dan padatan efluen diabaikan. Berapa umur lumpur?
3. Uji 30 menit memberi 600 mL/L pada MLSS 2.500 mg/L. Berapa SVI dan apa artinya?
4. MLSS 4.000 mg/L dan lumpur balik 10.000 mg/L. Berapa perbandingan debit lumpur balik terhadap debit air limbah?
5. Oksigen terlarut di bak aerasi 0,4 mg/L padahal kedua blower bekerja. Apa yang diperiksa lebih dulu?
6. Busa cokelat kental menutupi bak aerasi dan umur lumpur 45 hari. Apa tindakan yang masuk akal?

Kunci jawaban beralasan

1. Makanan $40 \times 300/1.000 = 12$ kg BOD/hari dan mikroba $60 \times 2.000/1.000 = 120$ kg MLVSS, jadi F/M $= 12/120 = 0{,}1$ kg BOD/kg MLVSS/hari, dalam rentang aerasi diperpanjang.
2. Lumpur di bak $80 \times 4.000/1.000 = 320$ kg dan lumpur buang $0{,}8 \times 10.000/1.000 = 8$ kg/hari, jadi SRT $= 320/8 = 40$ hari.
3. SVI $= 600 \times 1.000/2.500 = 240$ mL/g, di atas sekitar 150 sampai 200 mL/g. Lumpur mengembang; oksigen terlarut, F/M, nutrien, dan air limbah yang membusuk diperiksa sebagai penyebab.
4. $Q_r/Q = 4.000/(10.000 - 4.000) = 0{,}67$, jadi lumpur balik sekitar dua pertiga debit air limbah, masih dalam rentang yang umum sekitar 0,25 sampai 1.
5. Diffuser yang tersumbat atau pipa udara yang bocor, karena blower bekerja tetapi udara tidak sampai atau tidak larut. Juga periksa apakah beban BOD naik mendadak, misalnya dari laundry atau dapur.
6. Umur lumpur terlalu panjang. Lumpur buang dinaikkan bertahap sampai umur lumpur kembali ke rentang rancangan, busa dibersihkan dari permukaan, dan minyak serta lemak di hulu diperiksa.

Referensi