Pengolahan dan pembuangan lumpur: produksi lumpur, pengentalan, stabilisasi, pengeringan, padatan kering dan volume, dan pembuangan

Sebuah hotel dengan laundry sendiri memiliki IPAL lumpur aktif kecil di halaman belakang. Setiap bulan, pengelola memanggil truk penyedot lima sampai enam kali untuk mengangkut lumpur dari bak pengendap, masing-masing sekitar 6 m³. Tagihan pengangkutan lumpur menjadi salah satu biaya terbesar IPAL, dan pemilik bertanya kepada teknisi: mengapa lumpurnya begitu banyak, padahal air limbahnya tidak terlalu kotor?

Teknisi mengambil sampel dari truk dan mengujinya. Kadar padatannya sekitar satu persen, artinya 99 persen dari yang diangkut dan dibayar adalah air. Lumpur ditarik langsung dari dasar bak pengendap kedua ke tangki penampung, tanpa dikentalkan. Di sudut halaman ada dua bak pengering lumpur berlapis pasir, tetapi tidak pernah dipakai karena percobaan pertama menghasilkan bau busuk dan lalat. Lumpur yang belum stabil memang berbau ketika dijemur. Bab ini menjelaskan cara menghitung banyaknya lumpur, mengurangi volumenya dengan mengentalkan dan mengeringkan, menstabilkannya supaya tidak berbau, dan membuangnya menurut izin.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pengolahan lumpur IPAL kecil dan menengah dari sisi operator dan teknisi: asal lumpur, kadar padatan, produksi lumpur, pengentalan, stabilisasi, pengondisian, pengeringan, penanganan, pembuangan, dan keselamatan kerja. Rancangan rinci unit dan penggolongan lumpur menurut peraturan ditetapkan perancang dan pihak yang berwenang. Karakteristik padatan ada di Bab 16 tentang karakteristik air limbah; bak pengendap di Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi; lumpur aktif dan lumpur buang di Bab 18 tentang lumpur aktif; IPAL biakan melekat dan pengurasannya di Bab 19 tentang biakan melekat dan IPAL kecil; air cuci balik filter di Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif; koagulasi di Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi; ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas; alat pelindung diri di Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri.

Dari mana lumpur berasal

Lumpur (sludge) adalah padatan yang tertangkap atau tumbuh di unit pengolahan air limbah, bercampur dengan air dalam jumlah besar. Banyaknya BOD yang disisihkan sebuah proses berhubungan langsung dengan banyaknya padatan yang dihasilkannya. Setiap unit pengolahan yang menangkap atau menumbuhkan padatan menghasilkan lumpur:

1. Lumpur primer dari bak pengendap pertama: padatan dari air limbah, mudah mengendap, banyak bahan organik, cepat membusuk.
2. Lumpur biologis dari lumpur buang proses lumpur aktif atau biofilm yang terlepas dari media: ringan, encer, sulit dikentalkan. Pada IPAL biakan melekat, biofilm yang terlepas dan padatan yang mengendap tetap harus dikuras dan diolah.
3. Lumpur kimia dari koagulasi dan pengendapan dengan bahan kimia, seperti di Bab 3 tentang koagulasi: volumenya bertambah oleh hidroksida logam dari koagulan.
4. Air cuci balik filter: air cuci balik filter dibuang ke proses pengolahan lumpur.
5. Bahan lain: pasir, hasil saringan, dan lemak, yang biasanya ditangani terpisah dari lumpur.

Laundry menambah serat kain, sisa deterjen, dan kadang lumpur kimia bila IPAL-nya memakai koagulasi. Lumpur dari IPAL yang menerima air limbah laundry rumah sakit dapat membawa bahan yang memerlukan penanganan khusus, sehingga penggolongannya diperiksa menurut peraturan yang berlaku.

Kadar padatan dan volume

Lumpur hampir seluruhnya air. Kadar padatan (solids content) adalah massa padatan kering dibagi massa lumpur, dinyatakan dalam persen massa: lumpur 1 persen berisi 10 g padatan kering per kilogram lumpur. Padatan total dan padatan volatil biasanya dinyatakan dalam persen; sebagai contoh hitungan, lumpur yang ditarik dari bak pengendap berkadar padatan 5 persen.

Karena massa jenis lumpur encer hampir sama dengan air, volume lumpur kira-kira:

dengan $V$ dalam m³, $M$ massa padatan kering dalam kg, dan $s$ kadar padatan sebagai pecahan. Hubungan yang lebih penting bagi operator adalah perbandingan dua keadaan untuk padatan yang sama:

Menaikkan kadar padatan dari 1 menjadi 4 persen mengurangi volume menjadi seperempat, dan menaikkannya menjadi 25 persen mengurangi volume menjadi seperdua puluh lima. Setiap langkah pengolahan lumpur pada dasarnya membuang air.

Menghitung produksi lumpur

Banyaknya padatan kering yang dihasilkan setiap hari dapat diperkirakan:

1. Lumpur primer: debit kali padatan tersuspensi kali bagian yang disisihkan bak pengendap, seperti di Bab 17 tentang sedimentasi.
2. Lumpur biologis: BOD yang disisihkan kali hasil pertumbuhan teramati. Hasil pertumbuhan teramati (observed yield) adalah kilogram padatan yang tumbuh per kilogram BOD yang disisihkan:

dengan $P_x$ produksi lumpur biologis (kg padatan kering per hari), $Y_{\text{obs}}$ hasil pertumbuhan teramati (kg per kg), dan $\Delta \text{BOD}$ BOD yang disisihkan (kg per hari). Untuk lumpur aktif konvensional, angka $Y_{\text{obs}}$ sekitar 0,5 sampai 0,7, dan untuk aerasi diperpanjang lebih rendah, sekitar 0,3 sampai 0,4, karena sebagian lumpur terurai sendiri selama umur lumpur yang panjang.

3. Lumpur kimia: dari dosis koagulan dan padatan yang diendapkannya, dihitung menurut reaksi kimianya.

Perkiraan ini dibandingkan dengan catatan lumpur buang dan pengangkutan. Bila lumpur yang diangkut jauh lebih sedikit dari perkiraan, padatan mungkin menumpuk di bak atau terbawa efluen; bila jauh lebih banyak, kadar padatannya mungkin rendah atau ada sumber padatan lain.

Pengentalan

Pengentalan (thickening) adalah langkah yang menaikkan kadar padatan lumpur cair sebelum diolah lebih lanjut. Pengentalan gravitasi paling efektif untuk lumpur primer, dan pengental yang paling umum adalah bak bundar.

Cara yang umum:

1. Pengental gravitasi: lumpur didiamkan di bak berkerucut atau bak bundar; padatan turun, air jernih di atasnya dikembalikan ke awal IPAL. Lumpur primer dapat mencapai sekitar 5 sampai 10 persen; lumpur biologis biasanya hanya sekitar 2 sampai 3 persen.
2. Pengapungan udara terlarut: gelembung halus mengangkat lumpur ringan ke permukaan untuk dikeruk; cocok untuk lumpur biologis.
3. Tangki penampung dengan pembuangan air atas: cara paling sederhana di IPAL kecil; lumpur didiamkan beberapa jam, lalu air di atasnya dibuang kembali ke IPAL sebelum lumpur diangkut.

Ukuran pengental gravitasi dinilai dengan beban padatan, yaitu kilogram padatan kering per m² luas per hari. Air yang dikembalikan dari pengental membawa BOD dan padatan halus, sehingga ikut dihitung sebagai beban IPAL. Pengental yang dibiarkan terlalu lama tanpa ditarik lumpurnya juga membusuk, menghasilkan gas yang mengangkat lumpur ke permukaan, dan mengembalikan air keruh ke IPAL; karena itu penarikan lumpur kental dijadwalkan sama teraturnya dengan lumpur buang.

Stabilisasi

Lumpur mentah berbau, menarik lalat, dan membawa mikroba penyebab penyakit. Stabilisasi (stabilization) adalah pengolahan yang menguraikan sebagian bahan organik lumpur supaya lumpur tidak lagi membusuk dengan cepat:

1. Stabilisasi aerob: lumpur diberi udara dalam bak terpisah selama beberapa minggu, atau proses aerasi diperpanjang sudah menstabilkan sebagian lumpur di bak aerasi.
2. Stabilisasi anaerob: lumpur diurai tanpa oksigen dalam tangki tertutup dan menghasilkan biogas. Penguraian anaerob berlangsung tanpa oksigen bebas. Pada satu contoh hitungan, sebuah tangki pengurai anaerob menghasilkan 12 ft³ gas per pon padatan volatil yang terurai, yaitu sekitar 0,75 m³ per kg. Waktu tinggal padatan adalah lamanya lumpur berada di tangki pengurai.
3. Stabilisasi kapur: kapur menaikkan pH sangat tinggi sehingga mikroba berhenti bekerja; gabungan lumpur kapur dan alum menghasilkan lumpur yang lebih mudah ditiriskan.

Ukuran yang sering dipakai adalah persen penguraian padatan volatil. Dengan $F_m$ dan $F_k$ bagian volatil padatan lumpur masuk dan keluar, sebagai pecahan, penguraiannya dapat dihitung dari dua uji padatan saja:

dengan VSR penguraian padatan volatil sebagai pecahan (dikali 100 untuk persen). Rumus ini berasal dari anggapan bahwa padatan tidak volatil tidak berubah selama stabilisasi.

Pengondisian dan pengeringan

Pengondisian dengan polimer

Lumpur biologis menahan air dengan kuat, sehingga sulit ditiriskan. Pengondisian (conditioning) dengan polimer menggumpalkan partikel lumpur menjadi flok besar yang melepas air lebih mudah. Dosis polimer kering yang diinginkan dapat ditulis sebagai kadar, misalnya 10 mg/L, dan polimer juga ditambahkan ke proses dalam jumlah tertentu per hari.

Untuk pengeringan lumpur, dosis polimer biasanya dinyatakan dalam kilogram polimer per ton padatan kering, dan sering berada sekitar beberapa kilogram per ton. Jenis dan dosis yang tepat dipilih dengan uji kecil pada lumpur sebenarnya, karena lumpur dari setiap IPAL berbeda. Polimer yang berlebih membuat lumpur licin dan menyumbat kain penyaring; yang kurang membuat air tiris keruh.

Alat dan bak pengering

Pengeringan (dewatering) adalah langkah yang menaikkan kadar padatan sampai lumpur dapat disekop dan diangkut sebagai padatan, biasanya sekitar 15 sampai 35 persen untuk alat mekanis dan lebih tinggi untuk bak pengering pada cuaca kering.

1. Bak pengering pasir: bak pengering umumnya dipakai untuk mengeringkan lumpur yang sudah terurai dengan baik, dan terdiri dari media peniris dan sistem saluran bawah. Air meresap ke bawah dan menguap ke atas. Cara ini murah tetapi memerlukan lahan, tergantung cuaca, dan lumpurnya harus sudah stabil supaya tidak berbau.
2. Filter pengepres: filter pengepres mencakup jenis sabuk dan jenis pelat dan bingkai, dan pengepres sabuk terdiri dari dua sabuk berpori. Lumpur yang sudah diberi polimer dijepit di antara sabuk atau pelat.
3. Sentrifus: lumpur diputar cepat sehingga padatan terlempar ke dinding.
4. Kantong penyaring geotekstil: lumpur yang diberi polimer dipompa ke kantong besar yang meneteskan air keluar; sederhana untuk IPAL kecil.

Bak pengering pasir dinilai dengan beban padatan tahunan, yaitu kilogram padatan kering per m² luas per tahun, dan beban tahunan terbesarnya dapat dihitung dari padatan yang dikeringkan dan luas bak (Contoh 5). Air tiris dari semua cara ini dikembalikan ke awal IPAL.

Penanganan, pengangkutan, dan pembuangan

Lumpur cair dipompa dengan pompa yang tahan padatan. Salah satu pompa lumpur desak positif yang paling umum adalah pompa piston, dan pengeluaran lumpur dilakukan secara manual atau mekanis. Lumpur kering diangkut dengan wadah tertutup.

Pembuangan dan pemanfaatan lumpur mengikuti peraturan dan izin yang berlaku, yang dapat menetapkan penggolongan lumpur, pengangkut yang berizin, tempat tujuan, dan catatan setiap pengangkutan. Pilihan yang umum adalah pengangkutan ke instalasi pengolahan lumpur, penimbunan di tempat yang diizinkan, atau pengomposan bila lumpur memenuhi syarat. Kompos diambil sampelnya dan diuji menurut ketentuan, dan nitrogen adalah nutrien kritis dalam proses pengomposan. Lumpur tidak boleh dibuang ke saluran, sungai, atau lahan tanpa izin.

Neraca lumpur dan catatan

Lumpur yang dihasilkan setiap hari harus pergi ke suatu tempat: dibuang sebagai lumpur buang, terbawa efluen, menumpuk di bak, atau terurai saat stabilisasi. Neraca lumpur (sludge balance) adalah perbandingan bulanan antara padatan yang diperkirakan dihasilkan dan padatan yang keluar atau tersimpan:

1. Perkiraan produksi: dari BOD dan padatan tersuspensi yang disisihkan, seperti pada bagian menghitung produksi lumpur.
2. Lumpur yang dikeluarkan: volume lumpur buang atau lumpur yang diangkut dikalikan kadar padatannya.
3. Padatan yang terbawa efluen: debit dikalikan padatan tersuspensi efluen.
4. Perubahan simpanan: kenaikan MLSS di bak aerasi atau tinggi lapisan lumpur di bak pengendap dan tangki.

Bila produksi jauh melebihi jumlah yang dikeluarkan dan terbawa efluen, lumpur sedang menumpuk di suatu bak, dan cepat atau lambat akan terbawa keluar sekaligus. Catatan yang diperlukan untuk neraca ini sederhana: tanggal dan volume setiap penarikan atau pengangkutan, kadar padatan sampelnya, hasil uji padatan efluen, dan pengukuran tinggi lumpur. Catatan pengangkutan juga menjadi bukti pembuangan yang sah bila diminta pihak yang berwenang.

Keselamatan kerja dengan lumpur

Lumpur dan tempat penyimpanannya membawa beberapa bahaya:

1. Gas: lumpur yang membusuk menghasilkan hidrogen sulfida yang beracun dan metana yang mudah terbakar, terutama di tangki tertutup, sumur pompa, dan tangki pengurai anaerob. Masuk ke tempat seperti itu mengikuti prosedur ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas.
2. Mikroba: lumpur mentah membawa bakteri, virus, dan telur cacing; sarung tangan, sepatu bot, pelindung mata, dan cuci tangan diperlukan, seperti di Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri.
3. Bahan kimia: polimer kering licin bila tumpah dan basah; kapur bersifat korosif bagi kulit dan mata.
4. Mesin: pengepres sabuk dan sentrifus mempunyai titik jepit dan bagian berputar yang harus dikunci saat dibersihkan.
5. Kebakaran: biogas dari tangki pengurai ditangani dengan peralatan dan jarak aman yang ditetapkan perancangnya.

Contoh kerja

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

Contoh 1: volume menurut kadar padatan. Padatan kering 11 kg per hari pada kadar 1 persen bervolume sekitar $11/(1.000 \times 0{,}01) = 1{,}1$ m³. Pada 4 persen, volumenya $1{,}1 \times 1/4 = 0{,}28$ m³, dan pada 25 persen $1{,}1 \times 1/25 = 0{,}044$ m³ atau sekitar 44 L.

Contoh 2: produksi lumpur. Lumpur aktif aerasi diperpanjang menyisihkan BOD 13,5 kg per hari dengan $Y_{\text{obs}} = 0{,}4$, angka yang diambil dari rentang aerasi diperpanjang di bagian produksi lumpur, sehingga lumpur biologis sekitar $0{,}4 \times 13{,}5 = 5{,}4$ kg per hari. Bersama lumpur primer 5,4 kg per hari dari bak pengendap pertama, seperti di Bab 17 tentang sedimentasi, produksi seluruhnya sekitar 11 kg padatan kering per hari.

Contoh 3: truk penyedot. Lumpur 1,1 m³ per hari pada 1 persen berarti sekitar 33 m³ per bulan, atau sekitar 5,5 kali angkutan truk 6 m³, seperti pada kasus pembuka. Setelah dikentalkan menjadi 4 persen, volumenya sekitar 8,3 m³ per bulan, kurang dari dua angkutan.

Contoh 4: luas pengental gravitasi. Untuk lumpur biologis dengan beban padatan 30 kg per m² per hari, padatan 11 kg per hari memerlukan luas sekitar $11/30 = 0{,}37$ m². Tangki berdiameter 1 m dengan luas 0,79 m² memberi beban sekitar 14 kg per m² per hari, di bawah batas itu.

Contoh 5: luas bak pengering. Padatan 11 kg per hari sama dengan sekitar 4.000 kg per tahun. Bila beban padatan tahunan yang dipakai 100 kg per m² per tahun, luas bak pengering yang diperlukan sekitar 40 m², misalnya dua bak berukuran 4 m kali 5 m yang dipakai bergantian.

Contoh 6: kebutuhan polimer. Padatan 11 kg per hari selama sebulan menjadi sekitar 0,33 ton. Dengan dosis 4 kg polimer per ton padatan kering, kebutuhan polimer sekitar $4 \times 0{,}33 = 1{,}3$ kg per bulan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia, pemilik IPAL, atau pihak yang berwenang bila:

1. Pekerjaan memerlukan masuk ke tangki lumpur, sumur pompa, atau tangki pengurai tanpa izin masuk ruang terbatas, uji udara, ventilasi, dan penjaga.
2. Ada pekerjaan panas atau sumber nyala di dekat tangki pengurai anaerob atau tempat biogas terkumpul.
3. Penggolongan lumpur belum diketahui, padahal lumpur akan diangkut atau dibuang, atau pengangkutnya tidak berizin.
4. Lumpur akan dibuang ke saluran, sungai, atau lahan tanpa izin.
5. Pengepres atau sentrifus akan dibersihkan tanpa isolasi energi.
6. Lumpur mentah akan ditangani tanpa sarung tangan, sepatu bot, atau pelindung mata (Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri).

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 tentang karakteristik air limbah memberi padatan total dan volatil, Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi memberi bak pengendap dan lumpur primer, dan Bab 18 tentang lumpur aktif memberi lumpur buang. Bab 19 tentang biakan melekat dan IPAL kecil membahas pengurasan IPAL biakan melekat, Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif membahas air cuci balik, dan Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi membahas asal lumpur kimia. Untuk keselamatan, Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas dan Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri berlaku. Bab 23 tentang pemantauan efluen dan operasi harian IPAL melanjutkan rak ini.

Latihan dan pembahasan