1. PENGOLAHAN
LIMBAH CAIR
SECARA BIOLOGIS
IRFAN D. PRIJAMBADA
Lab. Mikrobiolgi Tanah dan Lingkungan
Fak. Pertanian, Universitas Gadjah Mada

2. AIR, SUMBER KEHIDUPAN
 Sebagian besar (70 %) tubuh mahluk
hidup berisi air
 Tempat tinggal bagi sebagian jenis
mahluk hidup (tanaman, insekta, ikan,
dan mamalia)
 Fungsi lain: transportasi, olahraga dan
rekreasi, pencuci, dan tempat buangan
KUALITAS?

3. KUALITAS,
MENENTUKAN FUNGSI
 Kualitas yang sesuai untuk suatu fungsi
belum tentu sesuai untuk fungsi yang lain.
 Kualitas air danau yang sesuai untuk
olahraga dayung tidak sesuai untuk
diminum.
 Kualitas air minum dapat digunakan untuk
air pendingin mesin, tetapi tidak
sebaliknya.

4. KUALITAS AIR,
 Ditentukan oleh keberadaan
senyawa kimia terlarut dan
tersuspensi.
 Ditentukan oleh jumlah senyawa
kimia terlarut dan tersuspensi.
 Ditentukan oleh akibat dari senyawa
kimia terlarut dan tesrsuspensi
tersebut terhadap mahluk hidup
penghuni ekosistem

5. KUALITAS AIR,
 Air minum, sebagai contoh,
diharuskan mengikuti aturan
keeradaan dan jumlah senyawa
kimia yang ketat untuk melindungi
kesehatan manusia pemakainya
(diperkirakan 30.000 orang
meninggal setiap hari di dunia
karena penggunaan air dengan
kualitas buruk dan kurangnya
sanitasi).

6. KELAS KUALITAS AIR:
 Kelas satu, dapat digunakan untuk air baku
air minum;
 Kelas dua, dapat digunakan untuk
prasarana/sarana rekreasi air,
pembudidayaan ikan air tawar, peternakan,
dan air untuk mengairi pertanaman;
 Kelas tiga, dapat digunakan untuk
pembudidayaan ikan air tawar, peternakan,
dan air untuk mengairi pertanaman;
 Kelas empat, dapat digunakan untuk
mengairi pertanaman.

7. PENCEMARAN AIR
 Pembuangan bahan sisa sangat mudah
dilakukan melalui air.
 Bahan sisa yang dibuang melalui air
hilang dari pandangan tetapi tidak
pernah hilang senyawanya.
 Air memiliki kemampuan merombak
senyawa penyusun bahan sisa, tetapi
tidak secepat jumlah bahan sisa yang
dimasukkan ke dalam air.

8. PENCEMARAN AIR
 Jumlah buangan bahan sisa yang melampaui
kemampuan badan air merombak senyawa
penyusun bahan sisa tersebut menghasilkan
pencemaran.
 Bahan sisa yang mencemari air sebagian
besar berasal dari rumah tangga, pertanian,
dan industri.
 Bahan sisa pencemar juga mengandung
senyawa-senyawa kimia sintetik yang
berbahaya dan senyawa-senyawa kimia yang
tidak dapat dirombak oleh alam.

9. PENCEMARAN AIR
DEFINISI:
masuknya atau dimasukkannya
mahluk hidup, zat, energi dan atau
komponen lain ke dalam air oleh
kegiatan manusia sehingga kualitas
air turun sampai ke tingkat tertentu
yang menyebabkan air tidak
berfungsi lagi sesuai dengan
peruntukkannya

10. ASAL PENCEMARAN AIR
1. LANGSUNG (point source)
 Rumah tangga: Septic tanks, Grey
water.
 Pertanian: Kotoran peternakan.
 Perkotaan: Timbunan pembuangan
sampah, timbunan endapan IPAL,
tempat pemakaman umum, timbunan
bahan pengerasan jalan.

11. ASAL PENCEMARAN AIR
1. LANGSUNG (point source)
 Industri: Kebocoran tangki dan pipa
minyak, kebocoran dan tumpahan
bahan kimia bahan baku industri,
sumur injeksi limbah industri, bahan
pengawet, “tailing” di industri
pertambangan, debu terbang dari
instalasi pembangkit tenaga, buangan
lumpur minyak di industri pengilangan
minyak, dan sisa pencucian alat
industri.

12. ASAL PENCEMARAN AIR
2. TIDAK LANGSUNG (non-point source)
 Pupuk dari lahan pertanian
 Pestisida dari lahan pertanian dan hutan
 Jatuhan bahan kimia terlarut/tersuspensi
melalui hujan.

13. PENCEMARAN AIR LEWAT UDARA
 Aktifitas manusia menghasilkan
senyawa-senyawa kimia yang
dilepaskan ke udara.
 Senyawa-senyawa kimia tersebut
menyebar melalui aliran udara melewati
batas-batas wilayah pemerintahan
sehingga disebut long-range
transboundary air pollution (LRTAP).
 Senyawa-senyawa tersebut memasuki
lingkungan air melalui pengendapan
basah maupun kering.

14. PENCEMARAN AIR LEWAT UDARA
 Hujan asam, merupakan fenomena LRTAP
yang sering dipublikasikan, berasal dari gas
buang mesin berbahan bakar batu bara dan
minyak, industri peleburan logam, industri
pengilangan minyak, dan industri pulp dan
kertas. Gas SO2 dan NO2 diubah menjadi
H2SO4 dan HNO3 di udara setelah bereaksi
dengan air.
 Di Kanada bagian timur, hujan asam
diperhitungkan berasal dari Amerika Serikat.
Sedangkan hujan asam di bagian timur laut
Amerika serikat diperkirakan berasal dari
Kanada.

15. PENCEMARAN AIR LEWAT UDARA
 Hujan asam mengancam lingkungan
yang tidak tahan asam. Berbagai jenis
ikan, serangga, tanaman air, dan
mikroorganisme mengalami gangguan
reproduksi dan kematian. Penurunan
populasi organisme ini dapat
mempengaruhi jaringan makanan.

16. MAHLUK HIDUP PENCEMAR AIR
 Hewan
 Tumbuhan
 Jamur
 Khamir
 Bakteri

17. BAHAN KIMIA PENCEMAR AIR
 Terdapat hampir 10.000.000 bahan kimia, kurang
lebih 100 000 di antaranya digunakan secara
komersial.
 Hampir semua bahan kimia beracun dilepaskan ke
lingkungan air secara langsung, sebagian lainnya
melalui rembesan atau aliran air permukaan.
 Bahan-bahan kimia pencemar air dapat
mengakibatkan perubahan rasa, bau, dan warna
air.
 Bahan kimia pencemar air yang beracun dapat
mengakibatkan penurunan fertilitas, perubahan
bentuk tubuh, kerusakan sistem ketahanan tubuh,
dan peningkatan kebolehjadian tumor pada hewan.

18.  Limbah cair banyak dihasilkan oleh
industri dan rumah tangga.
 Limbah cair sering mengandung:
 Bahan organik tersuspensi (tinggi)
 Bakteri (coliforms dan pathogen)
 Pencemar kimia, pestisida dan logam
berat
 Sebagian besar dapat dihilangkan oleh aktifitas
mikroba
PENCEMARAN AIR
OLEH LIMBAH CAIR

19. SENYAWA ORGANIK YANG
DIHASILKAN OLEH MAHLUK HIDUP
 Karbohidrat
 Lemak
 Protein

20. LIMBAH CAIR INDUSTRI
 Sisa atau hasil buangan produksi yang berupa
zat cair dan diolah melalui IPAL.
 Jika hasil analisis menunjukkan bahwa limbah
tersebut beracun berdasarkan baku mutu, harus
dikirim ke pusat pengolahan limbah cair.
 Jika sesuai baku mutu dapat digunakan untuk
internal production consumption atau dibuang
ke lingkungan dengan ijin BAPPEDAL

21. 20 Senyawa beracun pencemar air
1 ARSENIC
2 LEAD
3 MERCURY
4 VINYL CHLORIDE
5 POLYCHLORINATED BIPHENYLS
6 BENZENE
7 CADMIUM
8 POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS
9 BENZO(A)PYRENE
10 BENZO(B)FLUORANTHENE

22. 20 Senyawa beracun pencemar air
11 CHLOROFORM
12 DDT, P,P'-
13 AROCLOR 1254
14 AROCLOR 1260
15 DIBENZO(A,H)ANTHRACENE
16 TRICHLOROETHYLENE
17 CHROMIUM, HEXAVALENT
18 DIELDRIN
19 PHOSPHORUS, WHITE
20 CHLORDANE

23.  Peraturan tentang baku mutu air limbah.
 Beberapa perlakuan dibutuhkan untuk
memenuhi baku mutu:
Perlakuan primer
 Penghilangan fisik bahan tersuspensi.
Perlakuan sekunder
 Degradasi oleh mikroba untuk menghilangkan
senyawa organik terlarut.
Perlakuan tersier
 Pemisahan bahan terendapkan.
PENGOLAHAN BIOLOGIS
UNTUK LIMBAH CAIR

24. Primary Settling
Basins

25. Primary Settling

26. Primary Settling Tank Design
 Size
rectangular: 3-24 m wide x 15-100 m long
circular: 3-90 m diameter
 Detention time: 1.5-2.5 hours
 Overflow rate: 25-60 m3
/m2
·day
 Typical removal efficiencies
solids: 50-60%
BOD5: 30-35%

27. Secondary Treatment Provide BOD removal beyond what is
achieved in primary treatment
removal of soluble BOD
additional removal of suspended solids
 Basic approach is to use aerobic biological
degradation:
organic carbon + O2 → CO2
 Objective is to allow the BOD to be
exerted in the treatment plant rather than
in the stream

28. How is this accomplished?
 Create a very rich
environment for
growth of a diverse
microbial community

29. Basic Ingredients
 High density of microorganisms (keep
organisms in system)
 Good contact between organisms and
wastes (provide mixing)
 Provide high levels of oxygen (aeration)
 Favorable temperature, pH, nutrients
(design and operation)
 No toxic chemicals present (control
industrial inputs)

30. Dispersed growth vs Fixed
Growth
 Dispersed Growth – suspended organisms
Activated sludge
Oxidation ditches/ponds
Aerated lagoons, stabilization ponds
 Fixed Growth – attached organisms
Trickling filters
Rotating Biological Contactors (RBCs)

31. Activated Sludge
 Process in which a mixture of wastewater and
microorganisms (biological sludge) is agitated
and aerated
 Leads to oxidation of dissolved organics
 After oxidation, separate sludge from
wastewater
 Induce microbial growth
 Need food, oxygen
 Want Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS)
of 3,000 to 6,000 mg/L

32. Activated Sludge
Mixed
Liquor Air
Secondary
clarifier
w/w
Waste
Activated
Sludge
(WAS)
Return
Activated
Sludge
(RAS)
Treated
w/w
Discharge to
River or Land
Application

33. Activated sludge
East Lansing WWTP

34. Secondary Clarifier
East Lansing WWTP

35. Activated Sludge Design
 Major design parameter: food to microorganism
ratio:
(MLVSS)solidssuspended
volatileliquormixed
volume
BODsolubleinitial
rateflowwhere
5
=
=
=
=
=
X
V
S
Q
VX
QS
M
F
0
0

36. Activated Sludge Design
 td = approximately 6 - 8 hr
 Long rectangular aeration basins
 Air is injected near bottom of aeration
tanks through system of diffusers
 Aeration system used to provide mixing
 MLVSS and F/M controlled by wasting a
portion of microorganisms

37. F/M Parameter
 Low F/M (low rate of wasting)
 starved organisms
 more complete degradation
 larger, more costly aeration tanks
 more O2 required
 higher power costs (to supply O2)
 less sludge to handle
 High F/M (high rate of wasting)
 organisms are saturated with food
 low treatment efficiency

38. Trickling Filters
 Rotating distribution arm sprays primary
effluent over circular bed of rock or other
coarse media
 Air circulates in pores between rocks
 “Biofilm” develops on rocks and micro-
organisms degrade waste materials as
they flow past
 Organisms slough off in clumps when film
gets too thick

39. Trickling Filters
Filter Material

40. Trickling Filters
 Not a true filtering or sieving process
 Material only provides surface on which
bacteria to grow
 Can use plastic media
lighter - can get deeper beds (up to 12 m)
reduced space requirement
larger surface area for growth
greater void ratios (better air flow)
less prone to plugging by accumulating slime

41. Trickling
Filters

42. Trickling Filter Plant Layout

43. Rotating Biological Contactors
 Called RBCs
 Consists of series of closely spaced discs
mounted on a horizontal shaft and rotated
while ~40% of each disc is submerged in
wastewater
 Discs: light-weight plastic
 Slime is 1-3 mm in thickness on disc

44. Rotating Biological Contactors

45. Rotating Biological Contactors
Aeration
Shearing of excess
microorganisms
Attached microorganisms
pick up organics
Film
mixes with
wastewater

46. Rotating Biological Contactors
Primary
Settling
Sludge
Treatment
Secondary
Settling
Sludge Treatment

47. Low-tech solutions
 Aerobic ponds
 Facultative ponds
 Anaerobic ponds

48. Aerobic ponds
 Shallow ponds (<1 m
deep)
 Light penetrates to
bottom
 Active algal
photosynthesis
 Organic matter con-
verted to CO2, NO3
-
,
HSO4
-
, HPO4
2-
, etc.

49. Facultative ponds
 Ponds 1 - 2.5 m deep
 td = 30 - 180 d
 not easily subject to
upsets due to
fluctuations in Q,
loading
 low capital, O&M costs
Facultative
Aerobic
Anaerobic

50. Oxidation Ditches

51. Anaerobic Ponds
 Primarily used as a pretreatment process
for high strength, high temperature wastes
 Can handle much high loadings
 2 stage:
Acid fermentation: Organics → Org. acids
Methane fermentation Org. Acids → CH4 and
CO2

52. Land and Wetland Application
 Spray irrigation and infiltration
 Overland flow
 Wetlands
Source: Environmental
Science, 4th ed., B.J. Nebel
and R.T. Wright, Prentice-
Hall, N.J., c. 1981

53. Spray irrigation
 Usually follows oxidation ponds, aerated
lagoons
 Application leads to filtering, biological
degradation, ion exchange, sorption,
photodegradation
 Need about 1 acre/100 people
Secondary
Treatment
Flooding,
channeling
spray irrigation

54. Spray irrigation
 Problems
climate
pathogens
need buffer zone
Source: Environmental Science, 4th ed., B.J. Nebel
and R.T. Wright, Prentice-Hall, N.J., c. 1981

55. Overland flow
 Water irrigated onto long narrow fields
 Use grasses that take up large amounts of
nitrogen
 Underlying soil should be fairly impervious
Secondary
Treatment
Application to land
slopped at 2-8%

56. Overland Flow:
Emmitsburg, MD
 Treats 1 MGD on 200
acres
 Settling pond then
irrigated
 Fields planted with
reed canary grass
 Below ~1 ft topsoil is
compacted clay
Source: Environmental Science, 4th ed., B.J. Nebel
and R.T. Wright, Prentice-Hall, N.J., c. 1981

57. Overland Flow:
Emmitsburg, MD
 W/W applied to one side of
field, percolates through
topsoil to a collecting gutter
 Water in gutter (clear and
nutrient-free)
 Collected in another
reservoir and spray-irrigated
onto forage crops
Source: Environmental Science, 4th ed.,
B.J. Nebel and R.T. Wright, Prentice-Hall,
N.J., c. 1981

58. Overland Flow:
Emmitsburg, MD
 Land for irrigation was
donated by townsperson
 Why? What were the
benefits of such a project?
 What would be the
concerns?
Source: Environmental Science, 4th ed.,
B.J. Nebel and R.T. Wright, Prentice-Hall,
N.J., c. 1981

59. Overland Flow:
Emmitsburg, MD
 Advantages
 free water
 free nutrients
 plants can be fed to
animals
 low-cost
 low-maintenance
 water meets discharge
regulations (NPDES)
 Disadvantages
 will not work in cold
climates
 pathogen dispersion in
air
 need buffer zones
 need large amount of
land

60. Wetlands
 Use of natural or artificial wetlands
 Floating plants act as filters and support
for bacteria
(From: Environmental Science, 4th ed., B.J. Nebeland R.T. Wright, Prentice-Hall, N.J., © 1981)
(From:
http://www.city.pg.bc.ca/finished.htm)

61. Facility Options
 Considerations for wastewater treatment
facility options
… →

62. Facility Options
 Considerations for wastewater treatment
facility options
costs
 capital
 operation and maintenance (including energy)
availability of space
degree of treatment required by NPDES
permit
municipal or municipal plus industrial
flowrate

63. Facility Options
 Considerations for wastewater
treatment facility options
distance from residential properties
 problems with: odors, flies, other nuisances
agricultural usage or land application
options
presence of pathogens
experience of design engineers

64. Pemisahan fisik bahan organik
tersuspensi dalam bak
pengendapan untuk mengurangi
kebutuhan oksigen biologis
(BOD).
PERLAKUAN PRIMER

65.  Degradasi oleh mikroba untuk
mengurangi kandungan senyawa
organik.
 Dua cara:
 Degradasi anaerobik dalam sludge
tank / activated sludge tank
 Degradasi aerobik menggunakan
trickling bed filter.
PERLAKUAN SEKUNDER

66. KEBUTUHAN OKSIGEN
 Kebutuhan oksigen
mencerminkan proses biologis.
 Dinyatakan dalam Biological
Oxygen Demand (BOD) yang
merupakan kebutuhan oksigen
untuk merombak senyawa
organik dalam limbah cair
selama 5 hari pada suhu 20o
C.

67.  Dinyatakan juga dalam bentuk
Chemical Oxygen Demand (COD)
yang merupakan jumlah
oksigen ang diperlukan untuk
mengoksidasi senyawa organik
selama.
 Perbedaan BOD dan COD
mencerminkan efisiensi proses
biologi yang dilakukan.
KEBUTUHAN OKSIGEN 2

68.  Untuk menghilangkan sisa senyawa
organik dan mineral (biasanya berbeaya
tinggi dan tidak selalu dibutuhkan).
 Fosfat dapat diendapkan dengan
flokulasi menggunakan garam yang
mengandung aluminium, besi atau
kalsium.
 Mikroba pathogen dapat dihilangkan
dengan khlorinasi atau penyinaran UV.
 Arang aktif dapat digunakan untuk
menghilangkan senyawa oganik
rekalsitran.
PERLAKUAN TERSIER

69. PARAMETER HASIL OLAHAN
 BOD (Biological Oxigen Demand)
 COD (Chemical Oxigen Demand)
 SS (Suspended Solid)
 TSS (Total Suspended Solid)
 N-Ammonium (Nitrogen Removal)
 N-Nitrit (Nitrogen Removal)
 N-Nitrat (Nitrogen Removal)
 P-Phospat (Phospourus Removal)
 pH