KOLAM STABILISASI ( Lin, 2007 )

S

ecara terminologi kolam stabilisasi, lagoon, dan kolam oksidasi memiliki maksud yang sama. Metode yang memanfaatkan cekungan tanah ini dimanfaatkan sebagai cara untuk pengolahan sekunder atau tersier. Kolam stabilisasi ini telah diaplikasikan untuk mengolah air limbah selama lebih dari 300 tahun. Kolam banyak dipilih untuk mengolah limbah yang berkapasitas kecil karena hanya membutuhkan biaya konstruksi dan operasi yang rendah. Metode ini digunakan untuk mengolah air limbah dari limbah domestik dan industri pada berbagai perubahan kondisi cuaca. Metode kolam dapat digunakan sebagai pengolahan tunggal ataupun dikombinasikan dengan berbagai proses pengolahan lainnya.

Kolam stabilisasi dapat diklasifikasikan menjadi kolam fakultatif (aerob-anaerob), kolam aerasi, kolam aerobik, dan kolam anaerobik yang didasarkan pada tipe reaksi atau aktivitas biologi yang sering terjadi di dalam kolam. Pengelompokan lain juga dapat dilakukan berdasarkan jenis influen (eflluen yang belum terolah, telah tersaring, telah diendapkan, atau eflluen yang berasal dari pengolahan sekunder (seperti lumpur akif)), lama pengurasan (tidak diemisikan, menengah, atau terus menerus), dan berdasarkan proses pemberian oksigen (dari proses fotosintesis, dari udara dipermukaan, atau aerasi mekanis).

1.   Kolam Fakultatif (Facultative Ponds)

Kolam fakultatif merupakan jenis kolam stabilisasi yang biasanya banyak digunakan. Kolam ini disebut sebagai lagoon. Kedalaman kolam fakultatif biasanya adalah 1,2-2,5 m (4-8 ft) yang memiliki lapisan aerob dan anaerob dan mengandung lumpur. Waktu detensi pada kolam ini biasanya adalah 5-30 hari (USEPA, 1983b).

Kolam ini dapat diaplikasikan pada air buangan yang hanya melewati proses penyaringan. Kolam ini juga dapat diaplikasikan mengikuti proses trickling filter, kolam aerasi, atau kolam anaerobik. Pada kolam ini kemudian terbentuk lapisan grit dan material yang berat  sebagai lapisan anaerobik. Sistem ini merupakan suatu bentuk interaksi antara bakteri heterotrof dan alga.

Pada kolam stabilisasi, bakteri yang terdapat di zona aerob merupakan bakteri yang sama yang dapat dijumpai pada proses lumpur aktif atau lapisan film pada media lekat di proses trickling filter. Bakteri-bakteri tersebut meliputi Beggiatoa Alba, Sphaerotilus natans, Achromobacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Pseudomonas, dan Zoogloea spp. (Lynch dan Poole, 1979). Organisme-organisme tersebut akan menguraikan material organik pada zona aerob.

Kandungan organik dalam air limbah terurai oleh aktifitas bakteri dan melepaskan fospor, nitrogen, dan karbondioksida. Oksigen yang dibutuhkan pada proses aerob berasal dari udara luar dan hasil dari proses fotosistesis. Pada proses fotosintesis alga menggunakan nutrien dan karbondioksida yang dihasilkan bakteri sehingga menghasilkan oksigen yang akan terlarut di dalam air. Oksigen terlarut tersebut digunakan kembali oleh bakteri. Hal ini menunjukkan terjadinya hubungan keduanya yang terbentuk dalam sebuah siklus. Di bagian bawah kolam, di zona anaerob dihasilkanlah gas-gas seperti metan(CH₄), karbondioksida (CO₂), dan hidrogen sulfida (H₂S). Diantara zona aerob dan anaerob terdapat suatu zola lapisan yang disebut sebagai zona fakultatif (facultative zone). Suhu merupakan faktor utama yang mempengaruhi aktifitas simbiosis biologi tersebut.

Beban organik (organik loading rates) pada kolam stabilisasi dinyatakan dalam kg BOD₅ per ha permukaan kolam per hari (lb BOD/acre.d), atau terkadang dinyatakan sebagai populasi ekivalen BOD per unit luas. Nilai tipikal loading rates adalah 22-26 kg BOD/ha.d (20-60 lb BOD/acre.d). Waktu detensi tipikal yang digunakan adalah 25 hingga 180 hari. Sedangkan dimensi tipikal yang sering digunakan adalah kedalaman 1,2-2,5 m (4-8 ft) dengan luas area 4-60 ha (10-150 acres) (USEPA, 1983b).

Kolam fakultatif biasanya dirancang untuk menurunkan nilai BOD menjadi sekitar 30 mg/L, tetapi, dalam prakteknya, penurunan nilai BOD berkisar dari 30 sampai 40 mg/L atau lebih tergantung dari kandungan ganggang. Penguraian zat organik yang mudah menguap berkisar antara 77-96%. Penurunan kadar Nitrogen mencapai 40-95%. Setelah diamati kadar phophorus berkurang menjadi < 40%. Nilai TSS efluen berkisar 40-100 mg/L, terutama ditentukan oleh kandungan ganggang (WEF dan ASCE, 1991b). Kehadiran ganggang di kolam limbah merupakan salah satu faktor yang paling menentukan kinerja kolam fakultatif. Kolam ini juga efektif dalam penurunan nilai fecal coliform (FC). Dalam kebanyakan kasus, nilai FC efluen densitasnya kurang dari 200 FC/100 ml.

Proses Perancangan

Rumus yang digunakan untuk merencanakan kolam fakultatif menggunakan beberapa data operasional disajikan dalam panduan manual perancangan (USEPA, 1974b). Perhitungan dan ilustrasi dari ukuran kolam fakultatif memuat loading rate, persamaan Gloyna, persamaan Marais-Shaw, model aliran, dan persamaan Wehner-Wilhelm. Kemudian untuk perancangan parsial-mix aerated lagoon dijelaskan pada bagian lain (WPCF, 1990). Pada  bagian ini akan dibahas mengenai metode perancangan loading rate area dan permodelan Wehner-Wilhelm.

a.      Perancangan Loading Rate Area

Prosedur perancangan biasanya didasarkan pada tingkat beban organik dan waktu tinggal hidrolik. Beberapa model empiris dan rasional untuk desain kolam fakultatif telah diusulkan. Beberapa metode desain yang diusulkan telah dibahas pada bagian lain (USEPA, 1983b). Loading Rate Area adalah metode desain yang paling konservatif dan dapat disesuaikan dengan standar spesifik. Berdasarkan suhu udara musim dingin rata-rata Loading Rate yang direkomendasikan dapat dilihat pada tabel 1 berikut (USEPA, 1974b).

Tabel 1 Loading Rates BOD5 untuk Kolam Fakultatif
Temperatur Udara Rata, oC	Kedalaman		BOD Loading Rate
	m	ft	kg/(ha.d)	lb/(acre.d)
< 0	1,5-2,1	5-7	11-22	10-20
0-15 (59o F)	1,2-1,8	4-6	22-45	20-40
> 15	1,1	3,6	45-90	40-80

Luas permukaan yang diperlukan untuk kolam fakultatif ditentukan dengan membagi kandungan organik (BOD) dengan loading rate BOD yang tercantum pada Tabel sesuai suhu udara dimana kolam akan dibuat. Hali ini dapat dinyatakan sebagai persamaan berikut :

 Dimana,    A   =  Luas area yang dibutuhkan, ha atau acre

             BOD   =  Konsentrasi BOD pada influen, mg/L

                  Q   =  Laju alir influen, m³/d atau Mgal/d

                LR   =  Loading Rate BOD (dari tabel), kg/(ha.d) atau (lb/(acre/d)

            1000   =  Faktor konversi, 1000 g = 1 kg

             8,34   =  Faktor konversi, lb/Mgal.mg/L) = 8,34 lb

Loading Rate BOD pada kolam pertama dalam serangkaian kolam tidak boleh melebihi 100 kg / (ha . d) atau (90 lb / (acre . d) untuk iklim hangat dan musim dingin yang suhu udara rata-ratanya lebih besar dari 15^o C (59^o F); dan 40 kg / (ha . d) atau (36 lb / (acre . d) untuk suhu udara musim dingin rata-rata kurang dari 0^o C (32^o F).

CONTOH 1

Debit air limbah sebuah kota kecil yang direncanakan akan diolah dengan kolam fakultatif adalah 1100 m³/d (0,29 Mgal/d). BOD influen air limbah tersebut diperkirakan 210 mg/L. Suhu musim dingin rata-rata di kota tersebut adalah 10^o C (50^o F). Rancanglah kolam fakultatif threecell system dengan beban organik kurang dari 80 kg/ (ha . d) atau 72 lb/(acre . d) dalam sel primer. Kemudian perkirakan pula waktu tinggal hidrolik ketika kedalaman lumpur rata-rata 0,5 m dan terdapat kehilangan air akibat rembesan dan penguapan sebesar 2,0 mm air per hari.

Solusi :

Langkah 1.     Hitung luas area total yang dibutuhkan

                       Dari tabel 1 pilih nilai loading rate BOD

                   LR = 38 kg/(ha . d) ; nilai tersebut dipilih karena suhu udara berada pada 

                            0 – 15^o C

                   Maka nilai A dapat dihitung,

       

Langkah 2.     Hitung luas area yang dibutuhkan untuk kolam pertama

                      Pilih nilai loading rate BOD 80 kg/(ha . d); nilai tersebut dipilih karena maksimal LR kolam pertama adalah 100 kg/(ha . d)

 Langkah 3.     Perancangan kolam fakultatif threecell system

                       Berdasarkan tabel 1, kedalaman air pada semua kolam diasumsikan 1,5 m

(a) Kolam I

Dengan memanfaatkan data A dan h, maka diperoleh dimensi kolam I yang dinyatakan sebagai P x L x h, yaitu 288 m (945 ft) x 100 m (328 ft) x 1,5 m (5 ft)

(b)2 Kolam lainnya

Luas masing-masing 2 kolam lainnya diperoleh dari,

= (60.800 – 28.800)/2 m²

= 16.000 m²

Sedemikian sehingga diperoleh P x L kolam adalah 144 m x 111 m sehingga, Layout kolam direncanakan sebagai berikut

Langkah 4.     Perkirakan waktu detensi hidrolik

(a) Hitung volume (V) penyimpanan (kedalaman lumpur rata-rata = 0,5 m)

(b) Hitung volume air yang hilang (V’)

(c) Hitung waktu detensi hidrolik (HRT)

CONTOH 2

Sebuah sistem lagoon terdiri dari dua sel yang tersusun seri. Setiap sel memiliki dimensi 110 m x 220 m (360 ft x 720 ft) dalam ukuran dengan kedalaman maksimum 1,64 m (5,4 ft) dan kedalaman minimal 0,55 m (1,8 ft). Laju Aliran air limbah adalah 950 m³/d (0,25 MGD) dengan BOD₅ rata-rata 105 mg/L. Tentukanlah organic loading rate dan waktu detensi lagoon. (Suhu berkisar 10^o C – 15^o C)

Solusi :

Langkah 1.     Hitung nilai loading rate BOD

                      

                                                                                                        

Nilai loading rate yang diperoleh kemudian dibandingkan dengan nilai loading rate pada tabel 1. Nilai yang diperoleh tersebut diterima karena berada pada rentang loading rate pada suhu 0^o – 15^o C.

Langkah 2.     Hitung waktu detensi (Td)

b.      Persamaan Wehner-Wilhelm

Wehner dan Wilhelm (1958) merupakan persamaan tingkat penyisihan substrat orde I  untuk reaktor yang memiliki pola aliran yang tidak teratur, yaitu pola plugflow dan pola complete-mix. Persamaan yang mereka usulkan yaitu sebagai berikut.

Dimana,    C   =  Konsentrasi substrat pada efluen, mg/L

                C­o   =  Konsentrasi substrat pada influen, mg/L

                  a   = 

                  k   =  konstanta reaksi orde I

                   t   =  Waktu detensi, h

                  D   =  Faktor dispersi, H/uL

                  H   =  Koefisien dispersi aksial, m²/h atau ft²/h

                  u   =  Kecepatan aliran, m/h atau ft/h

                  L   =  jarak yang ditempuh partikel, m atau ft

Persamaan Wehner-Wilhelm untuk aliran yang tidak beraturan diusulkan oleh Thirumurthi (1969) sebagai metode perancangan kolam fakultatif. Thirumurthi mengembangkan grafik yang dapat dilihat pada gambar 1 untuk membantu penggunaan persamaan nantinya. Dalam gambar 1 tersebut nilai kt  dihubungkan dengan nilai persen BOD₅ penyisihan (C/Co) pada limbah untuk faktor dispersi yang bervariasi dari nol untuk reaktor plug-flow ideal hingga tak terbatas nilainya untuk reaktor complete-mix. Faktor dispersi untuk kolam stabilisasi berkisar dari 0,1 sampai 2,0, dengan sebagian besar nilai tidak melebihi 1,0 disebabkan syarat pencampuran. Nilai tipikal untuk keseluruhan tingkat penyisihan BOD₅ orde I konstanta k bervariasi 0,05-1,0 per hari, tergantung pada proses pengoperasian dan karakteristik hidrolik dari kolam. Penggunaan persamaan untuk aliran yang tidak beraturan akan sulit, yaitu dalam pemilihan nilai k dan D. Nilai 0,15 per hari dianjurkan untuk k₂₀ (USEPA 1984). Pengaruh suhu untuk menentukan nilai k dapat dijelaskan dalam persamaan berikut.

Gambar 1 Grafik hubungan kt dan persen BOD remaining berbagai faktor dispersi dari persamaan Wehner - Wilhelm

Dimana,   k_T   =  Tingkatan reaksi pada suhu air minimum, per hari

               k₂₀   =  Tingkatan reaksi pada suhu 20^o C, per hari

                  T   =  Suhu minumum saat pengoperasian, ^oC

CONTOH

Rancanglah sebuah kolam fakultatif dengan menggunakan sitem Wehner – Wilhelm dan Thirumurthi dengan memanfaatkan data berikut ini.

Debit perancangan Q = 1100 m³/d (0,29 Mgal/d)

TSS Influen = 220 mg/L

BOD₅ influen = 210 mg/L

BOD₅ efluen = 30 mg/L

Orde I k  pada suhu 20^o C = 0,22 per hari

Faktor dispersi kolam D = 0,5

Suhu air pada periode kritis = 1^o C

Kedalaman kolam = 2 m (6,6 ft)

Kedalaman efektif = 1,5 m (5 ft)

Solusi :

Langkah 1.     Hitung persen BOD sisa pada efluen

                          

Langkah 2.     Hitung nilai  Kt

                      

        Langkah 3.     Tentukan nilai  dari Gambar 1

                               Pada C/Co = 14,3 % dan D = 0,5

Kt . t    = 3,1

Langkah 4.     Hitung waktu detensi pada perioda tahun kritis

                               t = 3,1 / (0,043 d^-1)

                                 = 72 hari

Langkah 5.     Hitung volume kolam dan luas permukaan yang dibutuhkan

                               volume = Qt  = 1100 m³/d x 72 days

                                           = 79.200 m³

                               Area = Volume/efective depth  = 79.200 m³ / 1,5 m

                                        = 52.800 m³

                                        = 52.8 ha

                                        = 13,0 acres

Langkah 6.     Cek nilai loading rate BOD₅

                                                                  

Langkah 7.     Tentukan daya yang dibutuhkan untuk surface aerator

     Asumsikan jika kapasitas aerator dalam transfer oksigen 2 kali nilai BOD per hari dan nilai kapasitas transfer aerator adalah 22 kg O₂ /(hp . d)

                               kebutuhan O₂ = 2 x 1100 m³/d x 210 g/m³ / 1000 g/kg

                                                       = 462 kg/d

                               Daya = 462 kg/d / 22 kg/hp . d

                                         = 21,0 hp

                                         = 15,7 kW

                               Gunakan 7 unit yang berkapasitas 3 hp

Langkah 8.     Cek nilai input daya untuk menghitung tingkat pengadukan

                               Power input = 15,7 kW/79,2 x 1000 m³

                                                   = 0,20 kW/1000 m³

                                                   = 0,0076 hp/1000 ft³

                              Catatan : pada pelaksanaannya, daya minimum untuk pengadukan berkisar antara 28 – 54 kW/1000m³ (1,06 – 2,05 hp/1000 ft³) (Metcalf dan Eddy, 1991).

Kolam Tersier

Kolam tersier juga disebut sebagai kolam pelengkap, terakhir atau kolam maturasi atau (pemasakan), merupakan tahap ketiga untuk mengolah efluen yang berasal dari proses lumpur aktif atau trickling filter. Kolam ini juga digunakan pada tahap kedua setelah proses di kolam fakultatif dan kolam aerobik.

Kedalaman air pada kolam tersier ini biasanya berkisar 1 – 1,5 m (3 – 4,5 ft). Loading Rate BODnya kecil dari 17 kg/ha . d atau 15 lb/acres . d. Sedangkan waktu detensinya relatif singkat, yaitu 4 hingga 15 hari.

2.   Kolam Aerob (Aerobic Ponds)

Kolam aerobik, juga disebut sebagai kolam aerobik tinggi tingkat. Kolam ini relatif dangkal dengan kedalaman biasanya berkisar antara 0,3 sampai 0,6 m (1 sampai 2 ft) sehingga memungkinkan cahaya untuk menembus lapisan air hingga bagian dasar kolam. Hal ini menjaga agar DO tersebar di seluruh bagian kolam. Hal ini meransang kinerja ganggang sehingga terjadinya kondisi anaerobik dapat dicegah. DO pada air berasal dari proses fotosintesis yang dilakukan oleh ganggang atau alga dan oksigen yang berasal dari permukaan kolam. Bakteri aerobik memanfaatkan dan menstabilkan kandungan organik dalam air limbah untuk memperoleh nutrisi. Waktu tinggal (Hidraulic Retention Time) di tambak adalah singkat, yaitu 3 sampai 5 hari.

Penggunaan kolam aerobik biasanya hanya terbatas pada daerah yang beriklim hangat dan cerah, terutama di mana tingkat tinggi penghapusan BOD diperlukan tapi ketersediaan lahan tidak terbatas. Namun, tingkat penurunan nilai kandungan koliform melalui pengolahan air limbah dengan kolam aerob ini adalah rendah.

3.   Kolam Anaerob (Anaerobic Ponds)

Kolam anaerobik biasanya relatif lebih dalam dan digunakan untuk mengolah limbah yang memiliki beban organik tinggi. Pada kolam anaerobik tidak terdapat adanya zona aerob. Kedalaman kolam anaerobik biasanya berkisar 2,5-5 m (8-16 ft). Waktu detensi berkisar antara 20 sampai 50 hari (USEPA 1983b).

Bakteri anaerob menguraikan bahan organik menjadi karbon dioksida dan metana. Prinsip dari reaksi biologi adalah pembentukan asam dan fermentasi metana. Proses ini mirip dengan yang terjadi pada  proses kondisi anaerobik pada pengolahan lumpur. Pada proses ini juga dihasilkan penyebab bau seperti asam-asam organik dan hidrogen Sulfida (H₂S).

Kolam anaerobik biasanya digunakan untuk mengolah limbah pekat industri dan pertanian. Kolam ini telah digunakan sebagai pretreatment kolam fakultatif atau kolam aerobik untuk air limbah pekat industri dan limbah area domestik di daerah pedesaan yang memiliki beban organik yang tinggi, seperti sisa-sisa makanan. Namun kolam ini tidak terlalu banyak digunakan pada pengolahan air limbah kota.

Keuntungan dari kolam anaerobik dibandingkan dengan proses pengolahan aerobik adalah produksi lumpur yang rendah dan tidak memerlukan peralatan aerasi. Namun, kelemahannya adalah proses ini menghasilkan senyawa yang menyebabkan timbulnya bau. Oleh karena itu untuk menstabilisasi limbah dibutuhkan proses pengolahan lanjutan berupa proses aerobik. Pada proses dekomposisi senyawa organik, suhu yang terjadi pada kondisi anaerob ini relatif lebih tinggi.

Pada proses pengoperasian pada kondisi normal, untuk mencapai efisiensi penyisihan BOD minimal 75 persen, diperlukan loading rates sebesar 0,32 kg BOD/(m3 . d) atau 20 lb/(1000 ft3 . d), waktu detensi minimal 4 hari, dan suhu operasi minimum 24^o C (75^o F) (Hammer, 1986)._[MN]

SUMBER : Lin, Shun Dar, and Lee, C. C. 2007 . Handbook of Environmental Engineering Calculation, 2^nd Edition . New York : McGraw-Hill .