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.

Topik yang dibahas di bab lain:

• mutu air dan parameter pengukuran umum ada di Bab 1 tentang mutu air dan parameter yang benar-benar diukur;
• alur pengolahan dan neraca massa ada di Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah;
• air limbah laundry dan IPAL ada di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL;
• sampling dan ukuran sampel ada di Bab 6 · Data & Pengukuran tentang sampling dan ukuran sampel.

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.

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:

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

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. Selisih massa ditulis dalam miligram dan volume dalam liter, sehingga TSS keluar dalam mg/L. Hasil timbang biasanya dicatat dalam gram, jadi selisihnya dikalikan 1.000 lebih dulu, dan volume dalam mililiter dibagi 1.000.

Kebutuhan oksigen: BOD, COD, dan rasio BOD/COD

Kebutuhan oksigen biokimia (BOD)

Kebutuhan oksigen biokimia (biochemical oxygen demand, 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. Uji BOD5 dimaksudkan mengukur kebutuhan oksigen karbon saja, dan 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. 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. $P$ tidak bersatuan, sehingga BOD5 keluar dalam mg/L; makin kecil $P$, makin besar pengali terhadap penurunan oksigen yang terukur. 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. 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

Kebutuhan oksigen kimia (chemical oxygen demand, 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. Reaksi oksidator kimia dijelaskan di Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut, oksidator, dan reduktor. 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:

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

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 (surfactant) dari deterjen menimbulkan busa di bak aerasi dan di saluran keluar, menghambat perpindahan oksigen, dan sebagian sulit diurai. Karena itu busa tidak hanya masalah tampilan. Busa yang tebal di IPAL laundry sering menunjuk dosis deterjen yang berlebihan di hulu, seperti dibahas di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL.

Nutrien, pH, suhu, dan zat penghambat

Nutrien: nitrogen dan fosfor

Nutrien (nutrients) di air limbah adalah nitrogen dan fosfor yang diperlukan mikroba pengurai untuk tumbuh. Perbandingan yang sering dipakai sebagai patokan adalah BOD : N : P sekitar 100 : 5 : 1. 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. Ada 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

Pada data karakteristik air limbah, 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. Zat penghambat (inhibitor) adalah zat yang menghambat atau membunuh mikroba pengolahan biologis.

1. pH: mikroba pengolahan biologis bekerja paling baik di sekitar pH netral, kira-kira 6,5 sampai 8,5. 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. Kadar logam diukur untuk mengetahui tingkat racun. Disinfektan yang bekerja baik pada linen, seperti dijelaskan di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi tentang disinfektan dan cara kerjanya, juga bekerja pada mikroba IPAL.

Beban pencemar dan ekuivalen penduduk

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 (pollutant load) adalah konsentrasi kali debit, yaitu massa pencemar yang dibawa air limbah per hari:

karena 1 mg/L sama dengan 1 g/m³, dan 1.000 g sama dengan 1 kg. Di sini $C$ konsentrasi pencemar dan $Q$ debit air limbah. Neraca massa di sepanjang unit pengolahan dijelaskan di Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah.

Karena debit dan konsentrasi berubah sepanjang hari, beban harian dihitung dari sampel gabungan yang ditimbang debitnya, seperti dibahas di Bab 6 · Data & Pengukuran tentang sampling dan Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry. Rata-rata tertimbang debit (flow-weighted average) adalah rata-rata konsentrasi yang setiap sampelnya diberi bobot sebanding debit saat sampel itu diambil (Contoh 4). Sampel sesaat (grab sample) 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 (population equivalent, EP) adalah beban air limbah yang dinyatakan 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:

dengan beban BOD dalam gram per hari, sehingga EP keluar dalam jumlah orang. Beban dalam kg/hari dikalikan 1.000 lebih dulu.

Jumlah ekuivalen penduduk juga dapat ditentukan 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, sedangkan 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 tentang limbah cair laundry dan IPAL 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:

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 (detection limit): 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

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

Contoh 1: 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 2: 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 3: ekuivalen penduduk. Dengan patokan 50 g BOD per orang per hari, yang berada di dalam rentang patokan di atas, 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 4: 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 5: 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 6: 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 tentang ruang terbatas.
4. Hasil sangat berbeda dari data sebelumnya tanpa perubahan proses yang diketahui; ulangi sampel sebelum menyimpulkan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

• Bab 1 tentang mutu air dan parameter yang benar-benar diukur memberi parameter mutu air dan beban.
• Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah memberi neraca massa dan waktu tinggal.
• Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL memberi sumber beban di laundry dan rangkaian IPAL.
• Bab 6 · Data & Pengukuran tentang sampling dan ukuran sampel memberi cara mengambil sampel sesaat dan gabungan.
• Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut memberi oksidator kimia, dan Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi tentang disinfektan dan cara kerjanya memberi disinfektan.
• Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas memberi prosedur masuk bak dan saluran tertutup.
• Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi adalah bab berikutnya di rak ini.

Latihan dan pembahasan