Biakan melekat dan IPAL kecil: tangki septik, biofilter anaerob-aerob, trickling filter, kontaktor biologis putar, dan memilih sistem untuk gedung

Sebuah hotel kecil di daerah wisata memasang IPAL biofilter paket berbahan fiberglass yang ditanam di bawah halaman parkir. Air limbah kamar, dapur, dan laundry kecilnya mengalir ke ruang pengendap, ruang anaerob, ruang aerob dengan blower, lalu ruang pengendap akhir dan bak kontrol. Selama tiga tahun tidak ada keluhan. Lalu tetangga mengeluhkan bau dari saluran di depan hotel, dan air di bak kontrol berwarna hitam keabu-abuan.

Teknisi yang membuka tutup-tutup IPAL menemukan tiga hal. Blower ruang aerob sudah tiga minggu mati karena sekringnya putus, dan tidak ada yang memeriksa karena letaknya di kotak tertutup di sudut parkir. Ruang pengendap dan ruang anaerob penuh lumpur, karena IPAL tidak pernah dikuras sejak dipasang. Dan laundry hotel membuang air bilas pemutih langsung ke IPAL setiap pagi. IPAL biakan melekat dikenal "tidak perlu banyak diurus", tetapi tidak berarti tidak perlu diurus sama sekali. Bab ini menjelaskan cara kerja jenis-jenis IPAL kecil ini dan hal-hal yang menentukan apakah ia bekerja.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pengolahan biologis dengan biakan melekat dan IPAL kecil dari sisi teknisi gedung dan operator: perbedaan dengan lumpur aktif, proses anaerob, tangki septik, biofilter anaerob-aerob, trickling filter, kontaktor biologis putar, beban organik dan hidraulik, pemilihan sistem, perawatan, dan gangguan. Rancangan rinci dan perizinan IPAL ditetapkan perancang yang berwenang. Karakteristik air limbah ada di Bab 16; pengolahan pendahuluan dan sedimentasi di Bab 17; lumpur aktif dan kebutuhan udara di Bab 18; biofilm di pipa, tangki, dan mesin di Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi; limbah cair laundry dan IPAL laundry di Bab 17 · Laundry; disinfektan dan cara kerjanya di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi; ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan.

Biakan melekat dan biakan tersuspensi

Biakan tersuspensi (suspended growth) adalah pengolahan biologis tempat mikroba melayang bebas di dalam cairan. Pada lumpur aktif di Bab 18, mikroba melayang dalam cairan campuran dan dikembalikan dari bak pengendap. Biakan melekat (attached growth) adalah pengolahan biologis tempat mikroba tumbuh menempel pada permukaan media yang dilewati air limbah. Pada biakan melekat, mikroba tumbuh sebagai lapisan biofilm di permukaan media: batu, plastik bergelombang, sarang tawon, bola plastik, atau cakram. Biofilm (biofilm) adalah lapisan mikroba yang menempel pada permukaan dan terbungkus bahan lengket buatannya sendiri. Biofilm terbentuk ketika bakteri melekat pada permukaan padat dan membungkus dirinya dengan polisakarida lengket, proses yang sama dengan biofilm di pipa dan mesin pada Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi. Di IPAL, biofilm ini sengaja ditumbuhkan.

Perbedaan yang penting bagi operator:

1. Tidak ada MLSS yang diatur: banyaknya mikroba ditentukan luas media dan beban, tidak oleh lumpur balik dan lumpur buang.
2. Lebih tahan perubahan beban: biofilm yang tebal tidak tersapu oleh semburan debit, sehingga cocok untuk debit yang tidak merata.
3. Energi lebih kecil: sebagian jenis tidak memerlukan blower, atau memerlukan udara lebih sedikit.
4. Biofilm terlepas sendiri: lapisan yang tua dan tebal terlepas dari media dan harus diendapkan sesudahnya. Lapisan lepasan (sloughings) adalah bahan yang terlepas dari media itu.
5. Media dapat tersumbat: bila beban padatan atau lemak terlalu tinggi, atau biofilm tumbuh terlalu tebal.

Proses anaerob dan tangki septik

Penguraian anaerob (anaerobic digestion) adalah penguraian bahan organik oleh bakteri yang berlangsung tanpa oksigen bebas. Bakteri anaerob mengurai bahan organik bertahap menjadi asam organik, lalu menjadi gas metana dan karbon dioksida. Prosesnya lebih lambat dari penguraian aerob, menghasilkan lumpur lebih sedikit, dan tidak memerlukan listrik untuk aerasi.

Sebuah reaktor anaerob untuk air limbah industri menyisihkan COD 85 persen dan menghasilkan biogas, dan reaktor selimut lumpur aliran ke atas, reaktor bermedia tetap, dan reaktor hamparan terfluidisasi juga dipakai. Untuk IPAL gedung, bagian anaerob biasanya berupa ruang bermedia atau ruang pengendap tertutup.

Hal yang perlu diingat:

1. Gas berbahaya: metana mudah terbakar, dan hidrogen sulfida beracun serta berbau telur busuk. Ruang anaerob tidak dimasuki tanpa prosedur ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan.
2. Suhu: proses anaerob melambat pada suhu rendah; iklim tropis menguntungkan.
3. Zat penghambat: ada daftar penghambat umum penguraian anaerob. Klorin, disinfektan, logam, dan pH ekstrem dari laundry termasuk di dalamnya.
4. Penyisihan tidak lengkap: efluen anaerob masih membawa BOD dan berbau, sehingga hampir selalu diikuti pengolahan aerob.

Tangki septik (septic tank) adalah bak tertutup bersekat tempat padatan mengendap dan sebagian bahan organik diurai secara anaerob. Lumpur menumpuk di dasar, buih dan lemak di permukaan, dan cairan di tengah mengalir keluar ke pengolahan berikutnya atau ke bidang resapan.

Tangki septik sederhana, murah, dan tidak memerlukan listrik, tetapi penyisihannya terbatas: efluennya masih membawa sebagian besar BOD terlarut, bakteri, dan bau. Untuk gedung komersial, tangki septik biasanya hanya tahap pertama. Lumpurnya harus dikuras berkala, biasanya setiap beberapa tahun menurut volume ruang lumpur dan jumlah pemakai; tangki yang tidak pernah dikuras penuh lumpur, sehingga padatan langsung terbawa keluar dan menyumbat unit berikutnya atau bidang resapan.

Biofilter anaerob-aerob

Biofilter anaerob-aerob (anaerobic-aerobic biofilter) adalah IPAL biakan melekat yang mengalirkan air limbah berturut-turut melalui ruang bermedia tanpa udara lalu ruang bermedia yang diberi udara. Susunan ini banyak dipakai untuk IPAL paket gedung, hotel, dan klinik. Urutan yang umum:

1. Ruang pengendap awal: menangkap padatan dan lemak, berfungsi seperti tangki septik.
2. Biofilter anaerob: satu atau beberapa ruang berisi media; air mengalir melewati media dan bahan organik sebagian diurai tanpa oksigen.
3. Biofilter aerob: ruang berisi media dengan udara dari blower yang dihembuskan dari bawah; biofilm aerob menyelesaikan penguraian, dan amonia dapat diubah menjadi nitrat.
4. Ruang pengendap akhir: biofilm yang terlepas diendapkan.
5. Sirkulasi balik: sebagian air dari ruang pengendap akhir dipompa kembali ke ruang anaerob, sehingga nitrat diubah menjadi gas nitrogen dan lumpur ikut kembali.
6. Desinfeksi dan bak kontrol: bila izin mensyaratkan, klorin atau sinar ultraviolet sebelum air dibuang; bak kontrol untuk mengambil sampel.

Luas permukaan spesifik (specific surface area) adalah luas permukaan media per satuan volume media, dalam m² per m³. Media yang dipakai berupa plastik sarang tawon, bola plastik berongga, atau bahan lain dengan luas permukaan spesifik misalnya sekitar 150 sampai 250 m² per m³. Kegiatan biologis berlangsung di permukaan media itu. Media yang luas permukaannya besar menampung lebih banyak biofilm, tetapi juga lebih mudah tersumbat bila beban padatan tinggi.

Trickling filter dan kontaktor biologis putar

Trickling filter (trickling filter) adalah bak berisi media batu atau plastik tempat air limbah dipercikkan dari atas oleh lengan penyebar yang berputar, lalu menetes melewati biofilm di permukaan media. Udara masuk dari bawah secara alami.

Sebagian air dari keluaran filter atau bak pengendap sering dikembalikan ke atas filter. Debit total ke trickling filter adalah debit masuk ditambah debit resirkulasi. Resirkulasi menjaga media tetap basah, mengencerkan air limbah yang kuat, dan membantu melepas biofilm tua secara teratur. Gangguan yang khas adalah genangan di permukaan media karena tersumbat, bau, dan lalat kecil bila media terlalu lama kering.

Kontaktor biologis putar (rotating biological contactor) adalah unit biakan melekat berupa deretan cakram plastik pada poros yang berputar pelan, dengan sebagian cakram terendam air limbah, biasanya sekitar 40 persen, dan berputar sekitar satu sampai dua putaran per menit. Biofilm di cakram bergantian menyerap bahan organik saat terendam dan mengambil oksigen saat di udara. Unit modularnya dipasang berurutan.

Kelebihannya adalah kebutuhan energi kecil dan pengoperasian sederhana. Kelemahannya terletak pada bagian mekanis: poros, bantalan, dan penggerak harus dirawat, dan biofilm yang terlalu berat dapat membebani poros sampai patah. Luas media yang diperlukan kontaktor dan beban hidraulik pada cakramnya dihitung dengan cara pada bagian berikut.

Beban organik dan beban hidraulik

Dua angka menilai apakah unit biakan melekat sesuai dengan air limbah yang datang. Beban organik (organic loading rate) adalah banyaknya BOD yang masuk per hari dibagi ukuran media yang menerimanya, dan beban hidraulik (hydraulic loading rate) adalah debit yang masuk per satuan luas permukaan unit. Keduanya didefinisikan dengan rumus. Dalam satuan SI, beban organik volumetrik adalah:

dalam kg BOD per m³ media per hari, dengan $Q$ dalam m³/hari, BOD dalam mg/L, dan $V_m$ volume media dalam m³. Untuk media dengan luas permukaan spesifik $a$, beban per luas permukaan adalah:

dalam g BOD per m² per hari. Beban hidraulik adalah debit, termasuk resirkulasi, dibagi luas permukaan atas unit:

dengan $R$ perbandingan resirkulasi. Perbandingan resirkulasi (recirculation ratio) adalah debit resirkulasi dibagi debit masuk. Beban organik yang terlalu tinggi membuat biofilm tumbuh terlalu tebal dan bagian dalamnya membusuk; beban hidraulik yang terlalu rendah membuat sebagian media kering, sedangkan yang terlalu tinggi menyapu biofilm. Batas angka untuk setiap jenis media dan unit diambil dari perancang dan pembuatnya.

Memilih sistem untuk gedung

Pertimbangan yang umum saat memilih atau menilai IPAL kecil:

1. Debit dan beban: dihitung dari karakteristik air limbah seperti di Bab 16, termasuk debit puncak dan air limbah laundry yang tidak merata.
2. Lahan: IPAL paket yang ditanam memerlukan lahan kecil; trickling filter dan kolam memerlukan lahan lebih luas.
3. Listrik: lumpur aktif dan biofilter aerob memerlukan blower yang bekerja terus; tangki septik dan biofilter anaerob tidak.
4. Kemampuan operator: lumpur aktif memerlukan pengamatan dan kendali harian; biakan melekat lebih toleran, tetapi tetap memerlukan pemeriksaan teratur.
5. Mutu efluen yang disyaratkan: tangki septik saja jarang cukup untuk izin gedung komersial; biofilter anaerob-aerob atau lumpur aktif diperlukan, kadang ditambah filtrasi dan desinfeksi.
6. Air limbah laundry: pH, suhu, disinfektan, dan surfaktan dapat mengganggu biofilm. Pengolahan pendahuluan dan ekualisasi di Bab 17 sering diperlukan sebelum air limbah laundry digabung.
7. Lumpur dan akses: semua sistem menghasilkan lumpur; jalan bagi truk penyedot dan lubang kuras yang mudah dibuka menentukan apakah pengurasan benar-benar dilakukan.

Perawatan dan gangguan IPAL paket

Pemeriksaan teratur yang umum:

1. Blower: bekerja, suara dan suhu normal, saringan udara bersih, dan ada tanda yang terlihat atau alarm bila mati. Gelembung udara harus tampak merata di permukaan ruang aerob.
2. Ketinggian lumpur: diukur di ruang pengendap awal, ruang anaerob, dan ruang pengendap akhir; pengurasan dijadwalkan sebelum lumpur memenuhi ruangnya.
3. Media: tidak tergenang di atasnya dan tidak berbau busuk di ruang aerob; media yang tersumbat dibersihkan menurut petunjuk pembuat.
4. Pompa sirkulasi: bekerja dan debitnya sesuai setelan.
5. Bak kontrol: warna, bau, dan kejernihan air keluaran diamati; sampel diambil menurut jadwal pemantauan.
6. Masukan dari hulu: laundry dan dapur tidak membuang bahan kimia pekat, minyak, atau pemutih dalam jumlah besar sekaligus.

Gejala dan penyebab yang umum:

1. Air keluaran hitam dan berbau: ruang aerob kehabisan udara, atau lumpur penuh sehingga air anaerob langsung keluar.
2. Air keluaran keruh dengan serpihan: biofilm terlepas berlebihan, ruang pengendap akhir penuh lumpur, atau beban mendadak.
3. Busa tebal di ruang aerob: surfaktan dari laundry, atau biofilm muda setelah gangguan.
4. Bau di sekitar IPAL: tutup tidak rapat, ventilasi tersumbat, atau ruang aerob kekurangan udara.
5. Kinerja turun mendadak setelah pagi tertentu: pembuangan pemutih, disinfektan, atau bahan kimia lain yang membunuh biofilm. Disinfektan yang efektif di laundry, seperti di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi, juga efektif terhadap biofilm IPAL.

Memulai IPAL baru dan memulihkan setelah gangguan

Biofilm tidak langsung ada ketika IPAL baru diisi air. Pada iklim tropis, biofilm yang cukup biasanya terbentuk dalam beberapa minggu, dan bagian anaerob memerlukan waktu lebih lama. Selama masa itu, mutu efluen belum mencerminkan kemampuan IPAL sebenarnya. Cara yang umum untuk mempercepat dan menjaga masa awal:

1. Pembibitan: lumpur dari IPAL lain yang sehat atau dari tangki septik ditambahkan sebagai sumber mikroba, menurut petunjuk perancang.
2. Beban bertahap: air limbah dimasukkan sedikit demi sedikit, atau laundry disambungkan setelah bagian domestik berjalan baik.
3. Blower bekerja sejak awal, supaya ruang aerob tidak menjadi anaerob sebelum biofilm aerob terbentuk.
4. Pengamatan lebih sering: warna dan bau ruang aerob, gelembung udara, dan kejernihan bak kontrol dicatat setiap hari selama bulan pertama.

Setelah gangguan, seperti blower mati berminggu-minggu atau pembuangan pemutih, langkahnya serupa: penyebab dihentikan dulu, lumpur yang berlebihan dikuras, udara dipulihkan, lalu beban dinaikkan bertahap. Pemulihan biasanya memerlukan beberapa minggu, sehingga pemilik perlu diberi tahu bahwa air keluaran tidak langsung jernih pada hari blower diperbaiki.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: penyisihan bertahap. Air limbah 20 m³/hari dengan BOD 300 mg/L. Ruang pengendap dan biofilter anaerob menyisihkan sekitar 50 persen, sehingga BOD masuk ke biofilter aerob 150 mg/L. Biofilter aerob menyisihkan 80 persen dari sisanya, sehingga BOD keluaran sekitar 30 mg/L, atau 90 persen secara keseluruhan.

Contoh 2: beban organik biofilter aerob. BOD 150 mg/L pada 20 m³/hari membawa 3 kg/hari. Media aerob 6 m³ memberi $B_v = 3/6 = 0{,}5$ kg BOD/m³/hari. Bila batas rancangan yang dipakai 0,5 kg BOD/m³/hari, unit ini bekerja tepat di batas; penambahan debit dari laundry akan melampauinya.

Contoh 3: beban hidraulik trickling filter. Trickling filter berdiameter 3 m mempunyai luas $\pi \times 1{,}5^2 = 7{,}07$ m². Debit masuk 20 m³/hari dengan resirkulasi $R = 1$ memberi $q = 20 \times 2/7{,}07 = 5{,}7$ m³/m²/hari.

Contoh 4: udara untuk biofilter aerob. BOD yang disisihkan di biofilter aerob $3 \times 0{,}8 = 2{,}4$ kg/hari. Dengan 1,5 kg oksigen per kg BOD dan efisiensi perpindahan 5 persen untuk diffuser gelembung kasar di ruang dangkal, udara yang diperlukan $2{,}4 \times 1{,}5/(0{,}28 \times 0{,}05) = 257$ m³/hari, sekitar 0,18 m³/menit, ditambah cadangan. Angka 0,28 adalah kandungan oksigen udara dalam kg per m³ yang dipakai untuk kebutuhan udara di Bab 18. Tanpa blower, kebutuhan oksigen itu tidak terpenuhi sama sekali, seperti pada kasus pembuka.

Contoh 5: jadwal pengurasan. Ruang pengendap awal mempunyai ruang lumpur 3 m³, dan pengukuran menunjukkan lumpur bertambah sekitar 0,1 m³ per bulan. Ruang itu penuh dalam sekitar 30 bulan. Pengurasan dijadwalkan setiap sekitar dua tahun, dengan pengukuran ketinggian lumpur setiap tiga bulan untuk memastikan.

Contoh 6: pemutih dari laundry. Laundry membuang 2 m³ air bilas pemutih dengan klorin tersedia sekitar 100 mg/L ke IPAL dalam waktu singkat. Klorin yang masuk sekitar 200 g. Bila bercampur dengan 20 m³ air di ruang-ruang awal IPAL, kadarnya sekitar 10 mg/L, cukup untuk merusak sebagian biofilm. Pembuangan dapat diatur bertahap, digabung dulu dengan air limbah lain di bak ekualisasi, atau klorinnya dinetralkan lebih dulu, menurut keputusan perancang.

Kondisi berhenti

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

1. Pekerjaan memerlukan masuk ke ruang IPAL, terutama ruang anaerob dan pengendap, tanpa izin masuk ruang terbatas, uji udara, ventilasi, dan penjaga.
2. Ada nyala api, percikan, atau pekerjaan panas di dekat lubang ruang anaerob yang dapat mengandung metana.
3. Panel blower atau pompa harus dibuka tanpa isolasi energi listrik.
4. Lumpur hasil pengurasan akan dibuang ke tempat yang tidak diizinkan.
5. Air limbah meluap dari IPAL ke saluran umum atau tanah sekitar.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 tentang karakteristik air limbah memberi debit, BOD, dan beban yang menjadi masukan hitungan beban di bab ini. Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi membahas ekualisasi dan pengolahan pendahuluan sebelum air limbah laundry digabung, dan Bab 18 tentang lumpur aktif membahas pengolahan biakan tersuspensi dan kebutuhan udaranya. Biofilm yang ditumbuhkan di IPAL sama dengan biofilm di Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi tentang biofilm di pipa, tangki, dan mesin, dan disinfektan yang merusaknya dibahas di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi tentang disinfektan dan cara kerjanya. IPAL untuk laundry ada di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL, dan masuk ke ruang IPAL mengikuti Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas. Gas metana dan hidrogen sulfida dari penguraian anaerob dijelaskan di Bab 17 · Biologi & Mikrobiologi tentang metabolisme mikroba dan gas yang dihasilkannya, dan lumpur yang dikuras diolah dan dibuang seperti di Bab 22 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur. Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif adalah bab berikutnya di rak ini.

Latihan dan pembahasan