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 ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan.

Angka rancangan kolam untuk iklim tropis di bab ini adalah rentang umum; ukuran akhir ditetapkan perancang yang berwenang, dan baku mutu efluen mengikuti izin yang berlaku.

Jenis kolam dan cara kerjanya

Kolam stabilisasi (waste stabilization pond) adalah kolam yang 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, dengan angka untuk iklim hangat:

1. Kolam anaerob (anaerobic pond): dalam, sekitar 2,5 sampai 5 m, dengan waktu tinggal sekitar 1 sampai 5 hari. Penguraian anaerob berlangsung tanpa oksigen bebas. Kolam ini menurunkan BOD dan padatan secara besar dengan lahan kecil, tetapi berpotensi berbau.
2. Kolam fakultatif (facultative pond): 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 (maturation pond): dangkal, sekitar 1 sampai 1,5 m, terutama untuk menurunkan bakteri patogen dengan sinar matahari, pH tinggi, dan waktu.

Kolam aerasi (aerated lagoon) adalah kolam yang memakai aerator mekanis atau difuser untuk memasok oksigen, sehingga lebih dalam dan memerlukan lahan lebih kecil daripada kolam fakultatif, tetapi memerlukan listrik. Salah satu susunan untuk air limbah industri adalah bak ekualisasi dan netralisasi yang diikuti kolam aerasi, dan sistem lain 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, waktu tinggal, dan volume kolam

Beban organik volumetrik dan permukaan

Beban organik (organic loading) adalah banyaknya BOD yang masuk ke kolam per hari, dan laju beban organik didefinisikan dengan rumus tersendiri. Beban BOD harian:

dengan $Q$ dalam m³/hari dan BOD dalam g/m³, sehingga $L$ dalam g/hari. Karena 1 mg/L sama dengan 1 g/m³, BOD hasil uji laboratorium dapat langsung dimasukkan. Karakteristik dan cara mengukur BOD ada di Bab 16 tentang karakteristik air limbah.

Dua ukuran beban yang dipakai:

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.

Beban hidraulik (hydraulic loading) kolam adalah debit dibagi luas, dalam satuan kedalaman per hari.

Waktu tinggal dan volume kolam

Waktu tinggal (detention time) adalah volume kolam 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. Volume kolam dan laguna dapat dihitung dari ukurannya, dan isi di sudut tidak berarti kecuali pada laguna kecil. Rumus prismoida yang umum:

dengan $V$ volume air kolam (m³), $h$ kedalaman air (m), dan $A$ luas permukaan air (m²) 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 1.

Neraca air kolam

Neraca air (water balance) kolam adalah perhitungan air yang masuk, hilang, dan keluar dari kolam dalam satu selang waktu. Volume laguna berubah karena hujan dan penguapan. Kolam yang luas kehilangan air karena penguapan dan rembesan, dan menerima air hujan langsung. Neraca hariannya:

dengan $Q$ debit (m³/hari), $A$ luas permukaan air (m²), dan $P$ 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 tentang air tanah dan sumur bor; karena itu dasar dan tebing kolam dilapisi tanah kedap atau lapisan geomembran menurut rancangan.

Kolam buangan terkendali (controlled-discharge pond) adalah kolam yang hanya dibuang pada musim tertentu, sehingga harus menampung efluen selama berbulan-bulan. Volume kolam seperti itu ditentukan oleh neraca air musiman, bukan oleh beban BOD.

Alga, oksigen harian, bau, dan nyamuk

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. 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 tentang pemantauan efluen, dan izin sebagian daerah membedakan padatan alga dari padatan lain. Pengendalian alga di kolam kecil dapat memakai dosis tembaga; bahan seperti itu beracun bagi kehidupan air dan hanya dipakai bila diizinkan.

Bau, warna, dan nyamuk

Gejala kolam yang dapat dibaca di lapangan:

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.

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, tebing, dan lumpur

Inlet, outlet, dan tebing

Kinerja kolam sering lebih banyak ditentukan oleh inlet dan outlet daripada oleh ukurannya. Aliran pintas (short-circuiting) adalah aliran yang bergerak langsung dari inlet ke outlet tanpa melewati sebagian besar isi kolam. 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. 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. 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 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur. 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. 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, dan aerator permukaan memindahkan sekitar 1 sampai 2 kg oksigen per kWh dalam keadaan lapangan. 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 tentang lumpur aktif.

Penurunan bakteri di kolam maturasi

Penurunan bakteri indikator di kolam sering didekati dengan model campur sempurna orde pertama:

dengan $N_0$ dan $N$ jumlah bakteri masuk dan keluar (per 100 mL), $t$ 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 dengan $T$ suhu air dalam °C. 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 tentang sistem klorinasi dipertimbangkan. Mikroba indikator dan cara mengujinya ada di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba air dan pengujiannya.

Pemantauan

Ada parameter yang umum dipantau di kolam dan laguna. Daftar pemantauan yang sederhana berikut disesuaikan dengan 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.

Ekuivalen penduduk dapat dihitung dari buangan yang diusulkan, cara yang berguna untuk menilai apakah perluasan laundry di kasus pembuka masih tertampung, seperti di Bab 16 tentang karakteristik air limbah.

Contoh kerja

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

Contoh 1: 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 2: 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 3: perluasan laundry. Sebelum perluasan, debit 150 m³/hari dengan BOD 400 mg/L memberi beban $150 \times 400 = 60.000$ g/hari, yaitu 60 kg BOD per hari, dan kolam anaerob dirancang pada beban volumetrik 300 g/m³·hari, sehingga volumenya $60.000/300 = 200$ m³ dan waktu tinggalnya $200/150 = 1{,}3$ hari. 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 4: 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, 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 5: 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 6: 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 tentang ruang terbatas dan atmosfer berbahaya.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 menjelaskan karakteristik air limbah dan ekuivalen penduduk, Bab 17 pengolahan pendahuluan, Bab 18 lumpur aktif dan aerasi, Bab 19 proses anaerob dan biakan melekat, 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 di ruang terbatas. Bab 25 tentang proyek integratif IPAL laundry kecil menggabungkan pemilihan rangkaian IPAL untuk laundry.

Latihan dan pembahasan