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. Nilai untuk IPAL tertentu diambil dari manual dan perancangnya.

Topik yang dibahas di bab lain:

• karakteristik air limbah ada di Bab 16 tentang karakteristik air limbah;
• pengolahan pendahuluan dan bak pengendap ada di Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi;
• neraca massa ada di Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah;
• IPAL laundry ada di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL;
• jenis mikroba ada di Bab 2 · Biologi & Mikrobiologi tentang bakteri, spora, virus, jamur, dan protozoa;
• biofilm ada di Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi tentang biofilm di pipa, tangki, dan mesin;
• udara tekan dan kompresor ada di Bab 7 · Utilitas tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai.

Bagian-bagian proses lumpur aktif

Proses lumpur aktif (activated sludge process) adalah pengolahan biologis yang mencampur air limbah dengan lumpur berisi mikroba di bak yang diberi udara, lalu memisahkan lumpur itu dan mengembalikan sebagian besarnya. Bagian-bagiannya:

1. Bak aerasi: air limbah dicampur dengan lumpur berisi mikroba dan diberi udara. Campuran ini disebut cairan campuran (mixed liquor).
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 (return activated sludge): sebagian besar lumpur yang mengendap dipompa kembali ke bak aerasi supaya jumlah mikroba tetap.
5. Lumpur buang (waste activated sludge): sebagian kecil lumpur dikeluarkan dari sistem setiap hari, supaya mikroba tidak menumpuk dan menua.

Ada beberapa ragam proses. Aerasi diperpanjang (extended aeration), 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. Pada satu instalasi, waktu aerasi dinaikkan sampai 60 jam dan penyisihan BOD mencapai 98,2 persen; proses stabilisasi kontak 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. 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 tentang bakteri, spora, virus, jamur, dan protozoa.

Oksigen terlarut (dissolved oxygen) adalah oksigen yang larut di air, dinyatakan dalam mg/L. Mikroba ini memerlukan oksigen terlarut. Rentang yang umum dijaga di bak aerasi adalah sekitar 1,5 sampai 3 mg/L. 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. Ada saat kebutuhan makanan dan oksigen mencapai puncaknya. Pada bak yang airnya mengalir memanjang, puncak itu terjadi di bagian awal, tempat air limbah baru masuk; 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. Mikroba anoksik berguna untuk denitrifikasi, yaitu mengubah nitrat menjadi gas nitrogen di zona tanpa oksigen terlarut.

MLSS, MLVSS, dan rasio makanan terhadap mikroba

MLSS dan MLVSS

MLSS (mixed liquor suspended solids) adalah padatan tersuspensi dalam cairan campuran, dalam mg/L, yang menyatakan kira-kira banyaknya lumpur di bak aerasi. MLVSS (mixed liquor volatile suspended solids) adalah bagian volatilnya, yang dipakai sebagai perkiraan mikroba yang aktif. Kadar mikroba aktif di bak aerasi dihitung sebagai MLVSS; pada satu hasil laboratorium, 66 persen MLSS adalah bahan volatil.

Rentang yang umum: sekitar 1.500 sampai 3.000 mg/L untuk proses konvensional, dan sekitar 3.000 sampai 5.000 mg/L untuk aerasi diperpanjang. Sebagai contoh, kadar padatan di sebuah bak aerasi 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 (food-to-microorganism ratio) 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. Ada sasaran F/M 0,3 yang dinyatakan dengan COD, sehingga satuan BOD atau COD harus selalu disebut bersama angkanya.

Rentang yang umum dengan BOD: 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 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi. Lumpur tinggal jauh lebih lama dari air, karena sebagian besar lumpur dikembalikan. Umur lumpur (sludge age), atau waktu tinggal padatan (solids retention time, SRT), adalah lamanya lumpur rata-rata berada di sistem. 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. Dengan $V$ dalam m³, debit dalam m³/hari, dan kadar dalam mg/L, SRT keluar dalam hari. Rentang yang 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. 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

Uji kemampuan mengendap dilakukan 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 (sludge volume index, SVI) menghubungkan volume itu dengan MLSS:

dalam mL/g, yaitu volume yang ditempati satu gram lumpur setelah mengendap 30 menit. Patokan yang 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:

dengan $Q_r$ debit lumpur balik, $Q$ debit air limbah dalam satuan yang sama, dan $X_r$ kadar padatan lumpur balik dalam mg/L. Perbandingan ini biasanya sekitar 0,25 sampai 1. Lumpur balik yang terlalu sedikit membuat lumpur menumpuk dan membusuk di bak pengendap kedua; lumpur balik dapat 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 22 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur.

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.

Udara mengandung sekitar 0,28 kg oksigen per m³ pada keadaan biasa, tetapi hanya sebagian kecil yang larut ke air. Efisiensi perpindahan oksigen (oxygen transfer efficiency) adalah bagian oksigen dari udara yang dihembuskan yang benar-benar larut ke air. Efisiensi ini bergantung pada jenis diffuser dan kedalaman bak; untuk bak dangkal IPAL paket, angkanya sering hanya sekitar 5 sampai 15 persen. 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 tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai.

Gangguan lumpur dan catatan operasi

Gangguan lumpur yang sering terjadi

Gejala dan penyebab yang umum:

1. Lumpur mengembang (sludge bulking): 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. Ada 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. Warna cairan campuran cokelat susu terang menunjuk proses lumpur aktif yang bekerja baik. Bau tanah, batas lumpur yang tajam pada uji 30 menit, dan banyak protozoa bertangkai di bawah mikroskop bersama-sama menunjuk proses yang sehat; bila warnanya menjadi abu-abu gelap dan berbau busuk, oksigen terlarut adalah hal pertama yang diperiksa.
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 tentang limbah cair laundry dan IPAL.

Catatan operasi harian

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

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

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

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: 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 3: 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 4: 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 5: akibat tidak membuang lumpur. Bak aerasi 100 m³ dengan pertumbuhan lumpur bersih sekitar 6 kg/hari. 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 6: 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.

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

Hubungan dengan bab lain

• Bab 16 tentang karakteristik air limbah memberi karakteristik dan beban air limbah.
• Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi memberi pengolahan pendahuluan dan bak pengendap.
• Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah memberi neraca massa.
• Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL memberi IPAL laundry.
• Bab 2 · Biologi & Mikrobiologi tentang bakteri, spora, virus, jamur, dan protozoa memberi jenis mikroba.
• Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi tentang biofilm di pipa, tangki, dan mesin memberi biofilm.
• Bab 7 · Utilitas tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai memberi udara tekan.
• Bab 22 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur mengolah lumpur yang dibuang.
• Bab 19 tentang biakan melekat dan IPAL kecil adalah bab berikutnya di rak ini.

Latihan dan pembahasan