Pengolahan pendahuluan dan sedimentasi: saringan, penangkap pasir dan lemak, ekualisasi, netralisasi, bak pengendap, beban permukaan, waktu tinggal, dan beban pelimpah

Laundry sebuah rumah sakit mengalirkan air buangan mesin cucinya ke bak penampung, lalu pompa pengangkat memindahkannya ke IPAL di halaman belakang. Hampir setiap minggu pompa itu berhenti karena impelernya terbungkus serat dan potongan kain. Setelah pompa diganti dengan yang lebih besar, masalah baru muncul: air keluaran bak pengendap keruh setiap pukul sembilan sampai dua belas siang, dan lapisan lumpur mengapung di permukaan bak pada sore hari.

Teknisi yang memeriksa menemukan bahwa saringan di depan bak penampung berlubang dua sentimeter, terlalu besar untuk menahan serat kain. Tidak ada bak ekualisasi, sehingga setiap kali beberapa mesin membuang air bersamaan, pompa besar meneruskan semburan itu langsung ke bak pengendap. Debit puncak ke bak pengendap ternyata tiga kali debit rata-rata, dan lumpur yang lama tertinggal di dasar bak membusuk lalu terangkat oleh gelembung gas. Semua masalah itu terletak sebelum pengolahan biologis. Bab ini menjelaskan pengolahan pendahuluan dan sedimentasi, dan cara menghitung apakah ukurannya sesuai dengan debit yang benar-benar datang.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pengolahan pendahuluan dan sedimentasi dari sisi teknisi dan operator: saringan, penangkap pasir, penangkap lemak, ekualisasi, netralisasi, bak pengendap, beban permukaan, waktu tinggal, beban pelimpah, lumpur, dan gangguan. Ukuran akhir unit ditetapkan perancang yang berwenang.

Topik yang dibahas di bab lain:

• koagulasi, flokulasi, dan pemisahan flok untuk air minum ada di Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi;
• karakteristik air limbah ada di Bab 16 tentang karakteristik air limbah;
• sumber beban laundry dan rangkaian IPAL ada di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL;
• perangkap lemak dalam pemeliharaan plumbing ada di Bab 15 · Bangunan & Fasilitas tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing;
• pompa ada di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung;
• asam dan basa ada di Bab 15 · Kimia tentang asam-basa lanjut;
• bahan kimia di pekerjaan teknisi ada di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi;
• ruang terbatas ada di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas.

Urutan pengolahan pendahuluan

Pengolahan pendahuluan (preliminary treatment) adalah rangkaian unit di depan pengolahan utama yang memisahkan benda, pasir, lemak, dan semburan debit. Pengolahan pendahuluan melindungi unit-unit sesudahnya. Urutan yang umum untuk IPAL kecil:

1. Saringan: menahan benda besar dan serat yang menyumbat pompa dan pipa.
2. Penangkap pasir: mengendapkan pasir dan butiran berat yang mengikis pompa dan memenuhi bak.
3. Penangkap lemak: memisahkan minyak dan lemak yang mengapung.
4. Bak ekualisasi: meratakan debit dan mutu air limbah sebelum diolah.
5. Netralisasi: membawa pH ke rentang yang dapat diterima unit berikutnya, sering di bak ekualisasi itu sendiri. Ada instalasi yang dilengkapi bak ekualisasi sekaligus netralisasi.
6. Bak pengendap pertama: mengendapkan padatan tersuspensi yang dapat mengendap sebelum pengolahan biologis.

Tidak semua IPAL memiliki keenam unit. IPAL laundry kecil sering menggabungkan saringan serat, bak ekualisasi dengan pengaduk dan netralisasi, lalu pengolahan fisika-kimia atau biologis, seperti dijelaskan di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL.

Saringan, penangkap pasir, dan penangkap lemak

Saringan dan penangkap serat

Saringan (screen) adalah penghalang berlubang atau berbatang di saluran yang menahan benda padat lebih besar dari celahnya. Saringan kasar berupa batang sejajar menahan benda besar seperti kain lap, botol, dan sarung tangan. Untuk laundry, yang paling merepotkan adalah serat halus dari kain, yang lolos dari saringan kasar lalu menggulung di impeler pompa dan menyumbat pipa kecil. Penangkap serat, berupa keranjang atau saringan berlubang beberapa milimeter, dipasang di saluran buangan mesin atau di depan bak penampung.

Saringan yang tidak dibersihkan menyumbat dan membuat air meluap, sehingga jadwal pembersihan sama pentingnya dengan ukuran lubangnya. Volume hasil saringan dapat dihitung per tahun; hasil saringan dicatat volumenya, ditiriskan, dan dibuang sebagai sampah menurut ketentuan setempat.

Penangkap pasir

Penangkap pasir (grit chamber) adalah saluran atau bak tempat aliran diperlambat supaya pasir dan butiran berat mengendap. Pasir dan butiran berat lebih cepat mengendap dari bahan organik. Penangkap pasir memanfaatkan perbedaan ini: aliran diperlambat sampai sekitar 0,3 m/s, cukup lambat untuk mengendapkan pasir tetapi cukup cepat untuk membawa bahan organik ringan. Bila kecepatannya terlalu rendah, pasir dan bahan organik sama-sama mengendap, sehingga endapannya membusuk dan berbau. Berat jenis pasir di air limbah berkisar 1,2 sampai 2,5.

Di laundry, pasir terbawa dari linen kotor tempat terbuka, kain lap, dan seragam kerja. Jumlahnya kecil, tetapi bila tidak ditangkap, ia mengisi dasar bak ekualisasi dan mengurangi volume efektifnya dari bulan ke bulan.

Penangkap lemak

Penangkap lemak (grease trap) adalah bak dengan sekat yang memperlambat aliran, sehingga minyak dan lemak naik ke permukaan dan tertahan, sementara air keluar dari bawah sekat. Kinerjanya ditentukan oleh waktu tinggal, suhu, dan bentuk minyak:

1. Waktu tinggal: makin lama, makin banyak tetesan minyak sempat naik.
2. Suhu: lemak hewani cair pada suhu air cuci panas dan baru membeku setelah dingin. Air buangan yang terlalu panas membawa lemak cair melewati penangkap.
3. Emulsi: minyak yang sudah diemulsikan deterjen tidak naik walaupun waktu tinggalnya panjang.
4. Pengurasan: lemak yang menumpuk mengurangi volume efektif; bila tidak dikuras, lemak terbawa keluar.

Pemeriksaan dan pengurasan perangkap lemak gedung dibahas di Bab 15 · Bangunan & Fasilitas tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing.

Ekualisasi dan netralisasi

Ekualisasi: meratakan debit dan mutu

Mesin laundry membuang air dalam semburan, dan buangan setiap tahap berbeda pH, suhu, dan bahannya. Bak ekualisasi (equalization tank) menampung semburan itu, mengaduknya supaya mutunya merata, lalu memompa keluar dengan debit yang hampir tetap ke unit berikutnya. Dengan begitu, bak pengendap dan pengolahan biologis menerima beban yang tenang, tidak semburan.

Volume bak ekualisasi ditentukan dari selisih terbesar antara air yang masuk dan air yang dipompa keluar. Bila laundry bekerja beberapa jam sehari sedangkan pompa keluar bekerja lebih lama dengan debit tetap, bak harus menampung kelebihan selama jam kerja:

untuk debit masuk yang kira-kira tetap selama jam kerja. Di sini $V_{\text{ek}}$ volume yang harus ditampung (m³), $Q_{\text{masuk}}$ dan $Q_{\text{pompa}}$ debit masuk dan debit pompa keluar (m³/jam), dan $t_{\text{kerja}}$ lama jam kerja (jam). Untuk debit masuk yang berubah-ubah, selisih terbesar dicari dari kurva kumulatif debit masuk dan debit keluar jam demi jam, ditambah cadangan. Bak ekualisasi juga memerlukan pengaduk atau aerasi supaya padatan tidak mengendap dan air tidak membusuk.

Netralisasi pH

Air buangan laundry dapat sangat basa di tahap cuci utama dan agak asam di tahap penetral. Di bak ekualisasi, sebagian saling menetralkan. Sisanya dinetralkan dengan menambah asam atau basa, biasanya dengan pompa dosis yang dikendalikan sensor pH. pH juga dapat diturunkan dengan menambah asam.

Perhitungan dosis dari pH saja hanya perkiraan bawah, karena air limbah mengandung alkalinitas yang menyangga perubahan pH, seperti dijelaskan untuk penyangga dan kurva titrasi di Bab 15 · Kimia tentang asam-basa lanjut. Dosis yang sebenarnya ditentukan dengan menitrasi sampel di laboratorium atau di lapangan. Asam dan basa pekat ditangani dengan alat pelindung dan aturan penyimpanan di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Prinsip pengendapan

Bak pengendap (sedimentation tank atau clarifier) adalah bak tempat air limbah mengalir pelan sehingga padatan yang lebih berat dari air turun ke dasar dan air jernih keluar lewat pelimpah. Partikel yang lebih berat dari air turun dengan kecepatan yang bergantung pada ukuran dan beratnya. Pengendapan gravitasi hanya efisien untuk partikel besar, lebih dari sekitar 50 µm, dan bahan penggumpal sering dipakai untuk memperbaiki pengendapan. Penggumpalan partikel halus menjadi flok dijelaskan di Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi.

Bak pengendap ideal bekerja dengan aturan sederhana: partikel tertangkap bila kecepatan mengendapnya lebih besar dari kecepatan air naik di bak. Laju pelimpahan didasarkan pada kecepatan aliran ke atas.

Beban permukaan

Beban permukaan (surface overflow rate), atau laju pelimpahan permukaan, adalah debit dibagi luas permukaan bak:

dengan $Q$ dalam m³/hari dan $A$ dalam m², sehingga $v_o$ dalam m³/m²/hari atau m/hari. Laju pelimpahan permukaan didefinisikan dengan persamaan ini. Angka ini setara kecepatan air naik di bak. Partikel dengan kecepatan mengendap lebih kecil dari $v_o$ terbawa keluar.

Yang menentukan adalah luas, tidak kedalaman. Bak yang lebih dalam dengan luas yang sama tidak menangkap partikel yang lebih halus, walaupun waktu tinggalnya lebih lama. Beban permukaan dihitung pada debit rata-rata dan pada debit puncak, karena air keruh muncul pada saat puncak.

Waktu tinggal dan beban pelimpah

Waktu tinggal (detention time) didefinisikan sebagai volume dibagi debit:

dengan $V$ volume air di bak (m³) dan $Q$ debit (m³/jam), sehingga $t$ dalam jam. Waktu tinggal bak pengendap berkisar satu sampai tiga jam. Waktu tinggal yang terlalu pendek tidak memberi kesempatan partikel mengendap; yang terlalu panjang membuat air dan lumpur membusuk, terutama pada suhu tropis.

Beban pelimpah (weir overflow rate) adalah debit dibagi panjang pelimpah tempat air jernih keluar:

dalam m³/m/hari, dengan $Q$ dalam m³/hari dan $L$ panjang pelimpah dalam meter. Pelimpah yang terlalu pendek membuat air mengalir cepat di dekatnya dan menarik partikel ke atas. Beban pelimpah dihitung dengan memasukkan debit dan panjang pelimpah ke rumus ini. Pelimpah juga harus rata: pelimpah yang miring membuat air keluar hanya di satu sisi, sehingga beban setempatnya jauh lebih besar dari hasil hitungan.

Lumpur dan buih di bak pengendap

Padatan yang mengendap membentuk lumpur di dasar bak, dan minyak serta buih mengapung di permukaan. Keduanya harus dikeluarkan teratur. Lumpur yang ditarik dari bak pengendap dapat berkadar padatan 5 persen. Pengolahan lumpur selanjutnya dibahas di Bab 22 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur.

Gangguan yang sering muncul:

1. Air keluar keruh pada jam sibuk: beban permukaan puncak terlalu tinggi; ekualisasi kurang atau tidak ada.
2. Lumpur mengapung: lumpur terlalu lama di dasar, membusuk dan menghasilkan gas; penarikan lumpur kurang sering.
3. Aliran pintas (short-circuiting): air masuk langsung menuju pelimpah tanpa menyebar, karena sekat masuk rusak, pelimpah miring, atau perbedaan suhu air masuk dan air di bak.
4. Bau: lumpur dan air yang membusuk; waktu tinggal terlalu lama atau lumpur tidak ditarik.
5. Buih dan minyak di pelimpah: penangkap lemak penuh atau tidak bekerja, atau sekat penahan buih rusak.

Membersihkan bak dan menguras lumpur tidak memerlukan masuk ke dalam bak bila peralatannya benar. Bila harus masuk, prosedur ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas berlaku, karena bak air limbah dapat mengandung hidrogen sulfida dan kekurangan oksigen, seperti dicatat bab itu.

Pengoperasian harian unit pendahuluan

Unit pendahuluan sering dianggap bagian yang "tidak perlu diurus" karena tidak ada mikroba yang harus dijaga. Kenyataannya, sebagian besar panggilan darurat IPAL kecil berasal dari unit-unit ini. Pemeriksaan harian yang umum:

1. Saringan dan penangkap serat: dibersihkan setiap hari kerja atau lebih sering pada hari sibuk; volume hasil saringan dicatat, karena kenaikan mendadak menunjuk masalah di hulu, seperti kantong cucian yang robek atau kain lap yang ikut terbuang.
2. Bak penampung dan pompa: pelampung level bergerak bebas, pompa bergantian bila ada dua, dan arus motor pompa dicatat; arus yang naik menunjuk impeler mulai tersumbat.
3. Bak ekualisasi: pengaduk atau aerasi bekerja, pH dan suhu dicatat pada jam yang sama setiap hari, dan level tertinggi harian dicatat untuk mengetahui apakah volumenya masih cukup.
4. Netralisasi: sensor pH dikalibrasi menurut jadwal, wadah asam atau basa diperiksa isinya, dan pompa dosis tidak bocor.
5. Bak pengendap: ketinggian lapisan lumpur diukur dengan tongkat atau tabung pengukur lumpur, kejernihan air di pelimpah diamati, buih dikeluarkan, dan pelimpah dibersihkan dari lumut.
6. Penangkap lemak: tebal lapisan lemak diperiksa; dikuras sebelum lemak memenuhi sekitar seperempat volumenya.

Catatan harian ini menjadi data untuk diagnosis. Air keruh di bak pengendap jauh lebih mudah dijelaskan bila catatan menunjukkan bahwa level bak ekualisasi penuh sejak pukul sembilan atau pompa dosis asam berhenti sejak kemarin.

Contoh kerja

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

Contoh 1: beban permukaan pada debit rata-rata dan puncak. Bak pengendap persegi 3 m kali 1,5 m dengan kedalaman air 2 m menerima debit rata-rata 60 m³/hari. Luasnya 4,5 m², jadi $v_o = 60/4{,}5 = 13{,}3$ m/hari. Pada jam sibuk, debit tanpa ekualisasi mencapai 12 m³/jam atau setara 288 m³/hari, sehingga $v_o = 288/4{,}5 = 64$ m/hari. Bila batas rancangan yang dipakai 24 m/hari pada debit rata-rata dan 48 m/hari pada puncak, bak ini cukup pada rata-rata tetapi terlampaui pada puncak.

Contoh 2: waktu tinggal. Volume bak pada Contoh 1 adalah $4{,}5 \times 2 = 9$ m³. Pada debit rata-rata 2,5 m³/jam, $t = 9/2{,}5 = 3{,}6$ jam; pada debit puncak 12 m³/jam, $t = 9/12 = 0{,}75$ jam. Waktu tinggal rata-rata sedikit di atas rentang satu sampai tiga jam, tetapi saat puncak terlalu pendek.

Contoh 3: volume ekualisasi. Laundry membuang 60 m³ selama 10 jam kerja, kira-kira 6 m³/jam. Pompa ekualisasi diatur 3,75 m³/jam selama 16 jam. Selama 10 jam kerja, masuk 60 m³ dan keluar $3{,}75 \times 10 = 37{,}5$ m³, jadi bak menampung sekitar 22,5 m³. Dengan cadangan 20 persen, volume efektif sekitar 27 m³. Setelah ekualisasi, bak pengendap menerima 3,75 m³/jam, yaitu beban permukaan $90/4{,}5 = 20$ m/hari, di bawah batas rata-rata Contoh 1.

Contoh 4: kecepatan di penangkap pasir. Saluran penangkap pasir selebar 0,3 m dengan kedalaman air 0,1 m mengalirkan 0,01 m³/s. Luas aliran 0,03 m², jadi kecepatan $0{,}01/0{,}03 = 0{,}33$ m/s, dekat dengan sasaran sekitar 0,3 m/s. Bila debit turun ke 0,004 m³/s pada kedalaman yang sama, kecepatan 0,13 m/s dan bahan organik ikut mengendap.

Contoh 5: lumpur dari bak pengendap. Air limbah 60 m³/hari dengan TSS 150 mg/L, dan bak pengendap menyisihkan 60 persen. Padatan yang tertangkap $60 \times 150 \times 0{,}6/1.000 = 5{,}4$ kg kering per hari. Pada kadar padatan 5 persen, lumpur basahnya sekitar $5{,}4/0{,}05 = 108$ kg, kira-kira 0,11 m³ per hari.

Contoh 6: penangkap lemak. Debit puncak dari dapur dan laundry linen dapur 0,5 L/s, dan waktu tinggal yang dipakai 30 menit. Volume efektif $0{,}5 \times 1.800 = 900$ L, sekitar 0,9 m³, belum termasuk ruang untuk lemak dan endapan yang menumpuk di antara dua pengurasan.

Kondisi berhenti

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

1. Pekerjaan memerlukan masuk ke bak, sumur pompa, atau saluran tertutup tanpa izin masuk ruang terbatas, uji udara, dan penjaga.
2. Netralisasi memakai asam atau basa pekat tanpa pompa dosis tertutup, alat pelindung, dan tempat cuci mata.
3. Ukuran bak atau pompa akan diubah tanpa perhitungan beban permukaan dan waktu tinggal pada debit puncak.
4. Lumpur, hasil saringan, atau lemak akan dibuang ke saluran umum atau tempat yang tidak diizinkan.
5. Air limbah meluap dari bak ke lingkungan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

• Bab 16 tentang karakteristik air limbah memberi karakteristik air limbah.
• Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL memberi sumber beban laundry dan rangkaian IPAL.
• Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah memberi neraca massa dan waktu tinggal.
• Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi memberi koagulasi dan pemisahan flok.
• Bab 15 · Bangunan & Fasilitas tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing memberi perangkap lemak.
• Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung memberi pompa.
• Bab 15 · Kimia tentang asam-basa lanjut memberi penyangga dan titrasi.
• Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi memberi bahan kimia, dan Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas memberi ruang terbatas.
• Bab 22 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur melanjutkan lumpur yang ditarik dari bak pengendap.
• Bab 18 tentang lumpur aktif, bab berikutnya di rak ini, membahas pengolahan biologis dengan lumpur aktif.

Latihan dan pembahasan