Belajar › Unit pengolahan

Bak aerasi lumpur aktif

Rujukan buku: Buku 3, Bab 8

Coba di simulasi →

Apa fungsinya

Bak aerasi adalah jantung sistem lumpur aktif. Di dalamnya air limbah dicampur dengan gumpalan bakteri (flok) yang melayang dan diberi udara terus-menerus. Bakteri memakan bahan organik dan berkembang biak. Campuran air dan flok lalu dialirkan ke pengendap akhir; flok mengendap dan sebagian besar dikembalikan ke bak aerasi agar jumlah bakteri tetap tinggi. Untuk IPAL komunal dipakai varian aerasi diperpanjang (extended aeration): waktu tinggal panjang dan umur lumpur tua, sehingga prosesnya stabil terhadap beban kejut dan lumpur yang dibuang sedikit.

Cara kerja

• Kadar bakteri di bak dinyatakan sebagai MLSS (padatan tersuspensi dalam campuran), biasanya beberapa ribu mg/L.
• Perbandingan makanan terhadap bakteri disebut F/M. F/M rendah berarti bakteri "lapar", sehingga mereka juga mengurai sel tua; inilah sebab lumpur aerasi diperpanjang sedikit dan relatif stabil.
• Lama rata-rata lumpur tinggal di sistem disebut umur lumpur (SRT). SRT diatur dengan membuang lumpur berlebih dari pengendap akhir.
• Udara dari blower memberi oksigen dan mengaduk isi bak supaya flok tidak mengendap di dasar.

Aplikasi tidak memberi penyisihan BOD pada bak aerasi itu sendiri. Penyisihan dihitung bersama pada pengendap akhir, karena BOD baru benar-benar turun setelah flok dipisahkan dari air. Yang dikreditkan pada bak aerasi adalah penyisihan amoniak (nitrifikasi), minyak dan lemak 50 persen, dan fecal coliform 0,7 log.

Rumus dan cara menghitung

Volume bak diambil dari dua syarat; yang lebih besar menjadi kriteria penentu.

(1) V_FM  = B_BOD / (F/M x MLSS/1000)
(2) V_HRT = Q_jam x HRT_min
    V     = maks(V_FM, V_HRT)          luas = V / h_air

• B_BOD = beban BOD masuk (kg/hari); F/M = kg BOD/kg MLSS/hari; MLSS dalam mg/L (dibagi 1000 menjadi kg/m3)
• Q_jam = debit rata-rata (m3/jam); HRT_min = waktu tinggal minimum (baku 18 jam); h_air = tinggi air (m)

Luas dibagi ke beberapa modul dengan panjang : lebar sekitar 1,5 dan lebar maksimum 4,00 m. Setelah dibulatkan, F/M nyata, waktu tinggal nyata, dan beban volumetrik (B_BOD / V) dihitung ulang.

Produksi lumpur berlebih:

Y_obs  = Y / (1 + kd x SRT)
lumpur = Y_obs x B_BOD                 (kg bahan kering/hari)

• Y = koefisien hasil (baku 0,60 kg sel/kg BOD); kd = laju kematian sel (baku 0,06 /hari); SRT dalam hari

Kebutuhan oksigen = 1,50 kg O2/kg BOD x B_BOD. Udara = O2 / (0,28 x OTE) dengan OTE baku 0,10. Daya kempa dihitung adiabatik pada kedalaman air bak. Angka OTE 0,10 berlaku untuk difuser gelembung halus (tipe bawaan); di tahap 3 tersedia pula difuser gelembung kasar (OTE 0,06, asumsi) dan aerator permukaan (laju transfer 1,0 kg O2/kWh, asumsi). Perbandingannya ada di halaman memilih cara memasok oksigen.

Nitrifikasi menurut umur lumpur dan tambahan oksigen

Nitrifikasi adalah perubahan amoniak menjadi nitrat oleh bakteri nitrifikasi. Bakteri ini tumbuh sangat lambat dan peka terhadap suhu, sehingga baru bertahan di bak bila lumpur cukup lama tinggal di sistem. Karena itu penyisihan amoniak di aplikasi ditentukan oleh umur lumpur (SRT) dan suhu, bukan oleh F/M. Penjelasan umum tentang nitrogen ada di halaman amoniak dan nitrifikasi.

eff_N = 0,85   bila SRT >= 15 hari
      = 0,30   bila 8 hari <= SRT < 15 hari
      = 0,10   bila SRT < 8 hari
f_suhu = 1                           bila T >= 25 derajat C
       = maks(0,4; 1 - 0,05 x (25 - T))   bila T < 25
NH3-N keluar = NH3-N masuk x (1 - eff_N x f_suhu)

Tiga tangga SRT dan faktor suhu ini adalah asumsi perancangan aplikasi, bukan hasil pemodelan kinetika; kalibrasi dengan data lapangan atau uji laboratorium. Pada SRT 20 hari dan suhu 27 derajat C, amoniak 40 mg/L turun 85 persen menjadi 6,0 mg/L. Pada suhu 20 derajat C faktor suhu menjadi 0,75, sehingga penyisihan hanya 63,75 persen dan amoniak keluar 14,5 mg/L.

Tambahan oksigen. Menurut stoikiometri, mengubah 1 kg N amoniak menjadi nitrat memerlukan sekitar 4,57 kg O2, di luar oksigen untuk menguraikan BOD. Aplikasi memakai satu tetapan 1,50 kg O2/kg BOD pada bak aerasi dan menganggapnya sudah memuat kebutuhan nitrifikasi (pada biofilter aerob kedua suku dihitung terpisah). Sebagai pembanding kasar untuk R4: N yang dinitrifikasi = (40 - 6) x 150 / 1000 = 5,1 kg N/hari, setara 4,57 x 5,1 = 23,3 kg O2/hari. Bila oksigen ini ditambahkan di atas 63,0 kg O2/hari, kebutuhan menjadi 86,3 kg O2/hari atau sekitar 37 persen lebih besar. Selisih sebesar itu mengubah ukuran blower dan difuser, jadi pada tahap rancangan rinci periksa kembali kebutuhan oksigen dengan metode yang Anda pegang.

Kriteria perancangan

Sebagai pembanding, Lampiran III Permen LH/BPLH 11/2025 memberi lumpur aktif aerasi diperpanjang waktu tinggal 16-24 jam, tetapi lampiran itu hanya untuk tingkat sampai 50 m3/hari. Kasus Griya Asri (150 m3/hari) tidak terikat standar teknologi tersebut; yang mengikat adalah baku mutu.

Parameter baku aplikasi:

Pemeliharaan dan pengoperasian

Operator mencatat setiap hari: oksigen terlarut (sasaran sekitar 2 mg/L), uji endap 30 menit dalam gelas ukur 1 liter, warna dan bau. Flok cokelat yang cepat mengendap menandakan proses sehat; busa putih tebal menandakan lumpur terlalu muda, flok hitam berbau menandakan kurang udara. Lumpur berlebih dibuang ke pengering lumpur sesuai jadwal yang menjaga SRT. Blower kerja dan cadangan digilir mingguan.

Studi kasus: bak aerasi Griya Asri

Rangkaian R4 (lumpur aktif paket): debit 150,0 m3/hari (6,25 m3/jam); BOD masuk aerasi setelah pengendap awal 280 mg/L.

1. Beban BOD = 280 x 150,0 / 1000 = 42,0 kg/hari.
2. Volume dari F/M = 42,0 / (0,10 x 4,00) = 105,00 m3.
3. Volume dari waktu tinggal = 6,25 x 18 = 112,50 m3.
4. Kriteria penentu: waktu tinggal (112,50 m3 lebih besar dari 105,00 m3). Luas = 112,50 / 3,00 = 37,50 m2.
5. Dipakai 2 modul 5,30 m x 3,55 m x 3,00 m = 112,89 m3; waktu tinggal nyata 18,06 jam; F/M nyata 0,093; beban volumetrik 0,372 kg/m3/hari.
6. Y_obs = 0,60 / (1 + 0,06 x 20) = 0,273; lumpur berlebih = 0,273 x 42,0 = 11,45 kg/hari.
7. Oksigen = 1,50 x 42,0 = 63,0 kg O2/hari; udara 2.250 m3/hari = 1,56 m3/menit; daya kempa teoritis 1,02 kW (2 blower, satu cadangan).
8. Nitrifikasi: SRT 20 hari (di atas 15) dan suhu 27 derajat C (faktor suhu 1,00) memberi eff_N = 0,85. Amoniak 40,0 turun menjadi 40,0 x (1 - 0,85) = 6,0 mg/L.

Dari lima rangkaian Griya Asri, hanya R4 yang memenuhi keenam parameter baku mutu tingkat lebih dari 50 m3/hari, dan penyebab utamanya ada di bak ini: R1, R2, dan R5 gagal amoniak (40,0; 40,0; dan 20,0 mg/L terhadap baku 10 mg/L) karena tidak punya proses nitrifikasi yang memadai, sedangkan R3 gagal di 25,9 mg/L. Itu pelajaran perancangan, bukan galat aplikasi: amoniak hanya turun bila ada unit aerob dengan SRT atau beban media yang tepat. Harga yang dibayar R4 adalah galian dalam: dasar bak aerasi berada di elevasi 2,70 m, di bawah muka air tanah 3,00 m, dan dasar pengendap akhir lebih dalam lagi, sehingga gaya angkat bak kosong dan penurunan muka air tanah saat pelaksanaan harus diperiksa.

Karena waktu tinggal yang menentukan, F/M nyata (0,093) sedikit di bawah F/M rancangan 0,10. Ini wajar: bak sedikit lebih besar dari kebutuhan biologis. Bila pengguna menurunkan waktu tinggal minimum di bawah 18 jam, status waktu tinggal akan menjadi PERIKSA meskipun F/M masih OK.

Latihan

Soal 1 (mudah). IPAL kecil dengan debit 120 m3/hari menerima BOD 250 mg/L setelah pengendap awal. Pakai F/M 0,10, MLSS 4.000 mg/L, HRT minimum 18 jam, tinggi air 3,00 m. Tentukan volume bak, luas, kriteria penentu, dan kebutuhan udara (OTE 0,10).

Jawaban: beban BOD = 250 x 120 / 1000 = 30,0 kg/hari. V_FM = 30,0 / (0,10 x 4,00) = 75,0 m3. V_HRT = (120 / 24) x 18 = 90,0 m3. Penentu waktu tinggal, V = 90,0 m3, luas = 90,0 / 3,00 = 30,0 m2. Oksigen = 1,50 x 30,0 = 45,0 kg O2/hari; udara = 45,0 / (0,28 x 0,10) = 1.607 m3/hari = 1,12 m3/menit.

Soal 2 (sedang). Pengelola membuang lumpur berlebih lebih banyak sehingga SRT turun menjadi 10 hari. Suhu air 27 derajat C, amoniak masuk 40 mg/L. Berapa amoniak keluar, dan apakah memenuhi baku 10 mg/L?

Jawaban: SRT 10 hari berada di tangga 8 sampai 15 hari, eff_N = 0,30; faktor suhu 1,00. NH3-N keluar = 40 x (1 - 0,30) = 28,0 mg/L, tidak memenuhi. Dengan SRT 20 hari hasilnya 6,0 mg/L.

Soal 3 (menantang). Air limbah bersuhu 20 derajat C, SRT dipertahankan 20 hari. Berapa amoniak keluar? Berapa suhu minimum agar amoniak keluar tidak melebihi 10 mg/L, bila SRT tetap 20 hari?

Jawaban: f_suhu = 1 - 0,05 x (25 - 20) = 0,75; eff = 0,85 x 0,75 = 0,6375; NH3-N keluar = 40 x (1 - 0,6375) = 14,5 mg/L, belum memenuhi. Agar 40 x (1 - 0,85 x f) <= 10 diperlukan f >= 0,882, yaitu 1 - 0,05 x (25 - T) >= 0,882, sehingga T >= sekitar 22,6 derajat C. Memperpanjang SRT tidak membantu karena tangga 0,85 sudah tercapai; yang perlu dilakukan adalah memperbesar kapasitas nitrifikasi di luar model, misalnya mengurangi beban atau menambah unit.

Hubungan dengan baku mutu 11/2025

Pada tingkat debit lebih dari 50 m3/hari, Permen LH/BPLH 11/2025 (Lampiran I huruf A angka 2) menetapkan BOD 30, COD 100, TSS 30, amoniak (NH3-N) 10, dan minyak-lemak 5 mg/L; ringkasan dan alasannya ada di halaman baku mutu. Bak aerasi dengan SRT panjang adalah unit di rangkaian ini yang benar-benar menurunkan amoniak, selain BOD (bersama pengendap akhir). Ia tidak membunuh bakteri patogen secara memadai: fecal coliform hanya dikreditkan 0,7 log, sisanya tugas pengendap akhir dan desinfeksi. Ia juga tidak mengganti unit pemisah minyak dan lemak yang diwajibkan Pasal 8. Penyisihan di atas adalah asumsi perancangan; peraturan tidak menetapkan SRT atau F/M, sehingga pada tingkat lebih dari 50 m3/hari teknologi bebas selama baku mutu terpenuhi.

Rujukan

• Buku 3, Bab 8 (seri Menggambar Teknik untuk Teknik Lingkungan).
• Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery.
• Ten States Standards (Recommended Standards for Wastewater Facilities).

Foto dan gambar dari sumber terbuka

Foto dan gambar dari sumber terbuka

Foto dari sumber terbuka; hak cipta tetap pada pembuatnya sesuai lisensi.