METODOLOGI PENELITIAN

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Lokasi Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Kantor Badan Pengkajian dan Penerapan Teknlogi (BPPT) Jakarta Pusat yang terletak di jalan M.H Thamrin No. 8 Jakarta.

3.2 Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah air limbah domestik yang bersumber dari salah satu bak pengumpul limbah toilet (Septic Tank), yaitu campuran dari limbah cair blackwater dan graywater kantor BPPT Jakarta Pusat.

3.3 Waktu Penelitian

Pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret – hingga Agustus 2013.

3.4 Variabel Penelitian

3.4.1 Variabel Bebas (Independen)

Variasi waktu tinggal (WTH) pada reaktor MBBR dengan menggunakan media bioball. Waktu tinggal yang digunakan antara lain 12 jam, 8 jam, 6 jam dan 4 jam.

3.4.2 Variabel Kontrol (Moderasi)

Untuk pengontrolan dari penelitian digunakan :

a) Tempat penelitian di ruang terbuka, dekat dengan sumber listrik dan tidak mudah mendapat gangguan (misal hujan dan binatang) selama penelitian sehingga mikroorganisme bisa tumbuh dengan baik.

c) Suplai udara dari blower yang masuk ke dalam reaktor MBBR diatur menggunakan valve dengan debit aliran 10 - 70 liter/menit.

d) Debit sirkulasi dari bak pengendap yang masuk ke dalam reaktor MBBR adalah 100 % dari debit air limbah. (R = 1).

e) Jumlah media bioball yang dimasukkan ke dalam reaktor adalah sebesar 20 % dari total volume efektif air limbah di dalam reaktor.

3.4.3 Variabel Terikat (Dependen)

Parameter air limbah domestik yang diujikan meliputi Amoniak (NH 3 ), Nitrit (NO 2 ), Nitrat (NO 3 ), suhu dan pH.

3.5 Rancangan Alat Penelitian

Instalasi alat yang beroperasi dalam penelitian ini terdiri dari 3 (tiga) buah reaktor, yaitu reaktor penampung limbah, reaktor moving bed biofilm, dan reaktor pengendap akhir. Debit alir pengolahan dirancang menyesuaikan dengan waktu tinggal air limbah di dalam reaktor moving bed biofilm. Rancangan alat penelitian lengkap dapat dilihat pada Tabel 3.1 dan 3.2.

3.5.1 Menghitung Volume Efektif Reaktor Pengolahan

Volume efektif reaktor pengolahan moving bed biofilm reactor yang digunakan dalam penelitian ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3.1. Yaitu volume reaktor yang sesuai dengan bentuk reaktor (silinder) dan tinggi saluran output di dalam reaktor.

1 V 2 efektif reaktor = πd 𝑥ℎ 𝑠𝑎𝑙𝑢𝑟𝑎𝑛 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 ………….………………………. (3.1) 4

Keterangan : π

= Konstanta luas lingkaran (3,14)

d = Diameter (m)

h = Tinggi saluran output dalam reaktor (m)

Dari hasil pengukuran, diketahui :

Diameter reaktor = 68 cm Tinggi saluran output = 60 cm (terukur)

V efektif = x 3,14 x (68 cm) 2 x 60 cm

= 217,790 cm 3 = 217,790 liter  Dibulatkan 218 Liter

3.5.2 Menghitung Volume Media Bioball dalam Reaktor

Dalam penelitian ini, direncanakan volume media bioball yang dimasukkan ke dalam reaktor adalah sebesar 20 % dari total volume reaktor pengolahan MBBR. Total volume media bioball adalah sebagai berikut :

V media = 218 Liter x

= 43,6 Liter  Dibulatkan 44 Liter

3.5.3 Menghitung Debit Alir Pengolahan (Sesuai WTH)

Debit alir pengolahan moving bed biofilm reactor dalam penelitian ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3.2 :

V Q= efektif

WTH

Keterangan :

= Debit Aliran (liter/jam)

V efektif

= Volume efektif (liter)

WTH = Waktu tinggal air limbah dalam reaktor (m)

Dari hasil perhitungan, diketahui :

V efektif = 218 liter

WTH = 12 Jam, 8 Jam, 6 Jam, 4 Jam

a. Waktu tinggal 12 jam

Q 218 liter untuk WTH 12 Jam =

= 18 liter/jam

12 jam

b. Waktu tinggal 8 jam

Q untuk WTH 8 Jam =

218 liter

= 27 liter/jam 8 jam

c. Waktu tinggal 6 jam

untuk WTH 6 Jam =

218 liter

6 jam = 36 liter/jam

d. Waktu tinggal 4 jam

Q untuk WTH 8 Jam =

218 liter

4 jam = 54 liter/jam

3.5.4 Menghitung Debit Resirkulasi

Debit resirkulasi yang masuk ke dalam moving bed biofilm reactor dalam penelitian ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3.3 :

Qr = Q in xR ………………………………………………………….. (3.3)

Keterangan :

Q r = Debit resirkulasi (liter/jam)

Q in = Debit masuk reaktor (liter/jam) R = Rasio resirkulasi (0,5 - 1,5)

Debit resirkulasi yang digunakan dalam penelitian ini selama proses seeding sebesar 0,5 Q, sementara itu dalam operasi waktu tinggal sebesar 1 Q. Dari hasil perhitungan debit air limbah dengan persamaan (3.3) sebelumnya, kemudian didapatkan debit resirkulasi lumpur yang sesuai dengan debit air limbah.

3.5.5 Menghitung Kebutuhan Udara Teoritis

Kebutuhan udara teoritis sangat penting dalam menentukan spesifikasi blower yang digunakan selama pengolahan ini. Perhitungan kebutuhan udara aerasi ini berdasarkan waktu tinggal air limbah 12 jam dan 4 jam (untuk mengetahui range), volume reaktor, dan asumsi beban hidrolik yang ingin dihilangkan. Perhitungan kebutuhan udara aerasi berdasarkan penghilangan beban amoniak adalah sebagai berikut :

Asumsi amoniak yang masuk

: 200 mg/l

Efisiensi Pengolahan

Amoniak yang dihilangkan

: 190 mg/l

Temperatur udara rata-rata

: 28 o C

BM udara (T = 28 o C)

: 1172,5 mg/l

Asumsi Oksigen / Udara

1. WTH 12 Jam Beban amoniak

= 18 liter/jam x 190 mg/l = 3420 mg/jam = 57 mg/menit

Faktor Keamanan

= 1,5 (ditetapkan)

Kebutuhan Oksigen Teoritis = 1,5 x 57 mg/menit

= 85,5 mg/menit

Kebutuhan Udara teoritis :

(85,5 mg/menit)

= 0,314 liter/menit

(1172,5 mg/l x 0,232 mg O2/mg Udara)

Efisiensi Difuser

(0,314 liter/menit)

Kebutuhan Udara Aktual

0,025 = 12,57 liter/menit

2. WTH 4 Jam Beban amoniak

= 54 liter/jam x 190 mg/l = 10.260 mg/jam = 171 mg/menit

Faktor Keamanan

= 1,5 (ditetapkan)

Kebutuhan Oksigen Teoritis = 1,5 x 128,25 mg/menit

= 256,5 mg/menit

Kebutuhan Udara teoritis :

(256,5 mg/menit)

= 0,942 liter/menit

(1172,5 mg/l x 0,232 mg O2/mg Udara)

Efisiensi Difuser

(0,707 liter/menit)

Kebutuhan Udara Aktual

0,025 = 37,71 liter/menit

Melihat hasil perhitungan diatas, untuk menghasilkan efisiensi penghilangan amoniak

95 % dengan asumsi beban amoniak yang dihilangkan sebesar 190 mg/l. Maka, pada operasi waktu tinggal 4-12 jam, kebutuhan udara teoritis sebesar 12,57 – 37,31 liter/menit, untuk itu digunakan blower dengan spesifikasi range 0-70 liter/menit.

3.5.6 Menghitung Volume Rongga Media Bioball

Volume rongga media bioball dapat diketahui melalui suatu metode pengukuran dalam volume air tertentu. Untuk mendapatkan volume rongga bioball langkah pertama yang dilakukan adalah dengan mengisi penuh media bioball ke dalam gelas ukur 1000 ml,

Untuk lebih jelasnya, metode ini dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 : Langkah-langkah mengukur volume rongga bioball

Tabel 3.1 : Rancangan Reaktor Penelitian Moving Bed Biofilm Reactor

No Reaktor Penelitian

Tipe

Spesifikasi Ukuran

Spesifikasi Rancangan

1 Bak Penampung

Gentong Plastik

Diameter atas

: 52,5 cm Volume efektif

: 100 liter

(Hasil Pengukuran)

Diameter bawah

: 32 cm

Tinggi saluran output

: 45 cm

Diameter maks

2 Reaktor Aerasi (MBBR)

Profil Tank Plastik

Diameter tangki

: 68 cm

Tipe aliran

: Downflow

Diameter mainhole

: 40 cm

Tipe saluran output

: Weir dengan pipa 1,5" berlubang,

Tinggi tangki efektif

: 67 cm

mengelilingi sisi tangki membentuk persegi

Tinggi total tangki

: 87 cm

Tinggi saluran output : 59 cm

Kapasitas

: 250 liter Tinggi air efektif

: 60 cm

Volume efektif

: 218 liter (Persamaan 3.1)

Debit influent

: 18 liter/jam (WTH 12 Jam) (Persamaan 3.2)

27 liter/jam (WTH 8 Jam) (Persamaan 3.2) 36 liter/jam (WTH 6 Jam) (Persamaan 3.2) 54 liter/jam (WTH 4 Jam) (Persamaan 3.2)

Rasio resirkulasi : 0,5 ; 1

Debit resirkulasi

: Menyesuaikan (Persamaan 3.3)

3 Bak Pengendap Akhir

Gentong Plastik

Diameter atas

: 52,5 cm Volume efektif : 88 liter (Hasil Pengukuran)

Diameter bawah

: 32 cm

Tinggi saluran output

: 40 cm

Diameter maks

: 57 cm

Rasio resirkulasi

Debit resirkulasi

: Menyesuaikan

(Persamaan 3.3)

Kapasitas

: 120 liter

Tabel 3.2 : Rancangan Alat dan Bahan Penelitian Moving Bed Biofilm Reactor

No Alat Penelitian

Tipe

Spesifikasi

Spesifikasi Rancangan

1 Bioball

Thermoplastic Golf Diameter

: 3,5 cm

Volume Rongga

0,75 liter/liter

(Hasil Pengukuran)

Luas spesifik

: ± 210 m 2 /m 3 % Volume

: 20% (2500 buah bioball)

(Hasil Pengukuran)

Berat Jenis

: 0,973 kg/m 3 Media bioball

Porositas

dalam reaktor

: 44 liter (Hasil Pengukuran) 2 Pompa Air

Volume aktual

ATMAN

Debit maks

: 5400 liter/jam

Head maks

: 5m

AQURA

Debit maks

: 2800 liter/jam

Head maks

: 2,5 m

Debit

: Menyesuaikan dengan waktu tinggal air limbah

AQUARIA

Debit maks

: 2000 liter/jam

Head maks

3 Blower Aerasi ATMAN GF-150 Debit maks : 70 liter/menit

Pressure maks

: 3m

Debit

: Menyesuaikan dengan kondisi lapangan

JEBO P-70

Debit maks

: 70 liter/menit

Pressure maks

: 3m

4 Diffuser Udara Air disk

Diameter efektif : 23 cm Rancangan Model : Double diffuser (2 unit dipasang seri)

(Fine bubble)

Output udara

: Membran

3.6 Metode Pengumpulan Data

Jenis data yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

A. Data primer, yakni data yang diperoleh langsung dari hasil analisis di lapangan, yaitu :

 Pemeriksaan awal sampel air limbah domestik yang masuk kedalam sistem.  Debit air limbah yang akan diolah dan rancangan alat penelitian

 Hasil analisis parameter air limbah (NH 4 , NO 3 , NO 2 , dan pH)

B. Data sekunder, yaitu data yang dikumpulkan dari studi literatur yang berkaitan dengan permasalahan penelitian baik yang diperoleh dari penelitian sebelumnya maupun dari instansi-instansi dan lembaga-lembaga terkait.

3.7 Metode Analisis Data

Analisis data yang diperoleh disajikan menggunakan metode deskriptif dengan tabel, grafik dan narasi yang menggambarkan kondisi seluruh parameter penelitian (Walpole 1995) yang kemudian dianalisa secara komprehensif sesuai dengan teori yang ada. Langkah selanjutnya dari analisis ini adalah perhitungan efisiensi proses, beban volumetric loading, dan surface loading.

3.7.1 Perhitungan Efisiensi Proses

Menurut Verstraete dan Vaerenbergh (1986) perhitungan penghilangan kandungan zat polutan didasarkan atas perbandingan pengurangan konsentrasi zat pada titik masuk dan keluar terhadap konsentrasi zat di titik masuk, digambarkan dalam prosentase (%). Perhitungan tingkat efisiensi proses ini dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan :

C o −C % Effisiensi = [ 1 ] 𝑥 100 ………………………………………………. (3.4)

Keterangan :

C 0 = Nilai konsentrasi influent (mg/L)

C 1 = Nilai konsentrasi effluent (mg/L)

3.7.2 Perhitungan Laju Beban Volume (NH 3 -Volumetric Loading)

Metcalf dan Eddy (2003) mengatakan laju pembebanan zat didefinisikan sebagai jumlah senyawa zat yang terdapat dalam air yang diuraikan oleh mikroorganisme di dalam bioreaktor per unit satuan volume air limbah dalam reaktor per hari. Laju beban ini digunakan untuk mengetahui jumlah total beban zat di dalam air yang akan diolah dalam biofilter. Laju pembebanan amoniak volumetrik dihitung dengan persamaan di bawah ini :

QxC VL = 1

Keterangan :

VL = Laju pembebanan amoniak/NH

3 loading (gr/m .hari)

Q = Debit air yang diolah (m 3 /hari)

C 1 = Konsentrasi amoniak dalam titik masuk (g/m 3 )

V = Volume reaktor (m 3 )

3.7.3 Perhitungan Laju Beban Permukaan (NH 3 - Surface Loading)

Metcalf dan Eddy (2003) menambahkan, selain beban volumetric loading laju pembebanan permukaan zat didefinisikan sebagai jumlah senyawa zat yang terdapat dalam air yang diuraikan oleh mikroorganisme di dalam bioreaktor per unit satuan luas permukaan media biofilm per hari. Laju pembebanan amoniak permukaan dihitung dengan persamaan di bawah ini :

S L= ……………………………………………………………….. (3.6) A

QxC 1

Keterangan :

SL = Laju pembebanan permukaan (gr/m 2 .hari) Q = Debit air yang diolah (m 3 /hari)

C 1 = Konsentrasi ammonium dalam titik masuk (g/m 3 )

A = Luas permukaan media biofilm (m 2 )

3.8 Bahan dan Alat Penelitian

3.8.1 Bahan

3.8.1.1 Air Limbah

Air limbah yang diolah dalam penelitian ini bersumber dari salah satu bak pengumpul limbah toilet (Septic Tank) kantor BPPT Jakarta Pusat.

3.8.1.2 Media Biofilm

Media biofilm yang digunakan adalah media dari bahan thermoplastic tipe bioball golf dengan spesifikasi seperti yang terlihat pada Tabel 3.3.

3.8.1.3 Bahan Analisa Parameter (Reagen)

Bahan yang digunakan untuk analisis dalam penelitian ini dapat dilihat pada tabel 3.4.

Tabel 3.3 : Spesifikasi Media Penyangga

Tipe

: Bioball Golf

Luas Spesifik

: ± 210 m 2 /m 3

Berat Spesifik Media : 164,34 kg/m 3

Berat Jenis

: 0,970 kg/m 3

Porositas

Warna

: Hitam

Tabel 3.4 : Daftar Reagen Analisa Parameter yang digunakan

No Parameter

Reagen

Range Performance (mg/l)

1 COD

Digestion Solution HR

1-1500

1. Ammonium Salicylate

2 Amoniak 0,01

– 0,5

2. Ammonium Cyanurate

3 Nitrit

NitriVer 3 LR

0,001 – 0,3

4 Nitrat

NitraVer 5 MR

0,1 – 10

3.8.1.4 Reaktor Percobaan

Bahan yang digunakan sebagai reaktor adalah 2 unit gentong plastik kapasitas 120 liter dan 1 unit profil tank kapasitas 250 liter. Sedangkan untuk bahan distribusi air perpipaan digunakan pipa AW PVC Ø ½ inci, 1 inci, 2 inci, selang Ø 1 inci, selang Ø

10 mm, elbow, tee, valve, klep, dan penutup pipa. Skema alat penelitian diawali dengan bak penampung, profil tank MBBR, dan diakhiri dengan bak pengendap akhir.

3.8.2 Alat

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Pompa celup merk ATMAN, spesifikasi Qmax 5400 L/jam ; Head 5 m

2. Pompa aquarium merk AQUARIA, spesifikasi Qmax 2000 L/jam ; Head 1,8 m

3. Pompa merk AQURA, spesifikasi Qmax 2400 L/jam ; Head 2 m

4. Blower Aerasi merk ATMAN tipe GF-150 dan JEBO P-70

5. Difuser gelembung halus (fine bubble)

6. Spectofotometer DR 2800

7. Gelas ukur kimia 100 ml

8. pHmeter Hydrotester

9. Mikro Pipet 10 ml

3.9 Tahapan Penelitian

3.9.1 Penentuan Lokasi Instalasi Alat Penelitian

Lokasi pengambilan air limbah yang akan diolah adalah pada salah satu bak penampung limbah toilet (septic tank), sehingga instalasi alat penelitian dioperasikan di lahan parkir kantor BPPT Jakarta Pusat, dekat dengan sumber air limbah. Skema alat dapat dilihat pada Gambar 3.2.

44

Gambar 3.2 : Skema Rancangan Alat Penelitian (Bani, 2013)

3.9.2 Perancangan Alat Penelitian

Penelitian ini dilakukan dalam skala kecil (Pilot Plan) dengan kapasitas pengolahan sebesar 217 Liter. Rancangan alat pengolahan terdiri atas 1 buah bak penampung yang terbuat dari gentong plastik kapasitas maksimum 120 liter, 1 buah reaktor aerasi berkapasitas maksimum 250 liter yang diisi dengan media penyangga sebanyak 20 %, dan 1 buah reaktor pengendap akhir yang terbuat dari gentong berkapasitas 120 liter. Skema rancangan alat penelitian seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.2.

3.9.3 Tahapan Pelaksanaan Penelitian

3.9.3.1 Tahap Pembuatan Alat

Untuk reaktor aerob dibuat dengan profil tank dengan kapasitas 250 liter. Volume efektif yang digunakan adalah 218 liter. Di dalam reaktor aerob dibuat weir dari pipa 1,5 inci yang telah diberi lubang dengan diameter 25 mm dengan menggunakan bor. Untuk difuser, digunakan jenis fine bubble berbentuk disc dengan diameter 30 cm sebanyak dua buah. Untuk blower digunakan merk Jebo kapasitas 70 liter/menit. Untuk mengatur debit udara dari blower digunakan valve.

Bak pengumpul dibuat dengan mengunakan gentong air dengan ukuran 120 liter. Fungsi dari bak pengumpul adalah untuk menstabilkan debit yang akan masuk ke dalam reaktor aerob. Di dalam bak pengumpul diberi pompa celup (pompa akuarium) yang digunakan untuk memompa air limbah ke reaktor aerob.

Bak pengendap akhir yang akan digunakan dalam penelitian adalah gentong air dengan kapasitas 120 liter. Pada dasar bak pengendap dilakukan penyemenan untuk membuat slope sebagai ruang lumpur. Pada bak pengendap akhir akan dibuat weir dengan menggunakan pipa 4 inci. Waktu tinggal pada bak pengendap akhir sama dengan debit limbah masuk dan tidak diperhitungkan secara lebih detail. Untuk proses resirkulasi, dilakukan dengan mengunakan pompa akuarium dengan rasio resirkulasi adalah 100 %.

3.9.3.2 Tahap Pengoperasian Alat

Pada tahap ini, air limbah domestik dari sum pit dipompakan menuju bak pengumpul, selanjutnya, air limbah kembali dipompakan menuju reaktor aerob. Didalam reaktor aerob yang telah ditambah media bioball, air limbah akan mengalami pengadukan yang disebabkan oleh adanya proses aerasi yang merata dengan menggunakan blower. Selanjutnya limpasan (over flow) dari reaktor aerob akan mengalir masuk ke dalam bak pengendap akhir.

Di dalam reaktor aerob, mikroorganisme pendegradasi zat polutan air limbah akan terdapat pada dua tempat, yakni mikroorganisme akan tersuspensi di dalam air limbah dan sebagian lagi akan melekat dan membentuk biofilm di media bioball. Sehingga pada reaktor aerob tersebut akan terjadi dua proses pengolahan biologis, yakni proses pengolahan biologi secara tersuspensi dan proses pengolahan biologi secara melekat.

Pada penelitian kali ini, akan terdiri dari beberapa proses, yakni :

a. Proses seeding dan aklimatisasi. Proses ini dilakukan untuk mengembang biakan mikroorganisme. Seeding dilakukan secara alami dengan cara mengalirkan air limbah domestik secara kontinyu ke dalam reaktor biofilter. Dalam proses ini telah terbentuk lapisan biofilm yang menyelimuti media bioball. Sedangkan aklimatisasi merupakan pengadaptasian mikroorganisme terhadap air buangan yang akan diolah. Proses aklimatisasi ini berjalan selama 2 minggu dengan waktu tinggal 12 jam dengan debit 18 liter/jam. Akhir dari aklimatisasi adalah ketika effisiensi penurunan konsentrasi COD dan Amoniak relatif stabil.

b. Proses penentuan waktu optimal Setelah proses seeding dan aklimatisasi, selanjutnya masuk ke proses penentuan waktu optimal. Pada proses ini, waktu tinggal diubah menjadi 8 jam, 6 jam dan 4 jam.

3.9.3.4 Tahap Pengujian Sampel

Pengujian sampel dilakukan secara periodik. Sampling Point ditetapkan diambil pada bak penampung dan outlet bak pengendap akhir. Dalam penelitian ini dilakukan analisis terhadap karakteristik air limbah domestik yang diolah yakni saat sebelum (influen) dan sesudah (efluen) memasuki pengolahan. Parameter yang diuji adalah amoniak, nitrit, nitrat, pH, dan COD. Metode analisis untuk berbagai parameter yang diteliti dapat dilihat pada tabel 3.5. Hasil analisis mengacu pada baku mutu air limbah domestik berdasarkan PerGub DKI Jakarta No.122 Tahun 2005.

Tabel 3.5 : Metode Analisis Parameter

No Parameter

Metode Analisis

Jenis Analisis

Powder Pillows Spektrofotometer 2 Nitrit (NO 2 - )

1 Ammonia (NH 4 + )

Salicylate Method

Powder Pillows Spektrofotometer 3 Nitrat (NO 3 - )

USEPA Diazotization

Powder Pillows Spektrofotometer 4 COD

Cadmium Reduction Method

TNTplus 822 Spektrofotometer 5 TSS

USEPA Reactor Digestion Method

Spektrofotometer DR 2800 6 pH

Photometric Method

pHmeter Hydrotester PH-80 Catatan : Spesifikasi tata cara analisis terlampir

pHmetri instrument

Diagram proses moving bed biofilm reactor untuk pengolahan air limbah domestik yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 : Diagram alir proses pengolahan moving bed biofilm reactor untuk pengolahan air limbah domestik

3.10 Diagram Alir Penelitian

IDE

Identifikasi Masalah

Studi Literatur

Pengumpulan Data Primer Pengumpulan Data Sekunder

Proses Pembuatan Alat

Penentuan Karakteristik Air Limbah

Pengoperasian Moving Bed Biofilm Reactor

Analisis Laboratorium

HASIL

Analisis Hasil Terhadap Efisiensi Penurunan Parameter Limbah

KESIMPULAN DAN SARAN

Gambar 3.4 Diagram Alir Penelitian