Belajar › Konsep dasar

Amoniak dan nitrifikasi

Rujukan buku: Buku 3, Bab 8

Coba di simulasi →

Sampai beberapa tahun lalu, perancangan IPAL domestik komunal hampir selalu berhenti pada BOD dan TSS. Baku mutu dalam Permen LH/BPLH 11/2025 menambahkan amoniak sebagai parameter yang harus dipenuhi pada tingkat debit lebih dari 50 m3/hari, dan ternyata parameter ini mengubah daftar rangkaian yang lulus. Halaman ini menjelaskan apa itu amoniak dalam air limbah, mengapa sebagian unit tidak berdaya terhadapnya, dan bagaimana Studio IPAL memperkirakan penurunannya. Batas dan pasal peraturannya ada di halaman baku mutu menurut Permen LH/BPLH 11/2025.

Siklus nitrogen secukupnya

Nitrogen di air limbah domestik datang terutama dari urin dan tinja. Bentuknya berubah-ubah menurut kondisi:

1. Nitrogen organik (protein dan urea) di air limbah segar diurai bakteri menjadi amoniak. Tahap ini disebut amonifikasi dan terjadi sejak di saluran dan bak pertama, tanpa perlu oksigen.
2. Amoniak berada dalam kesetimbangan antara bentuk ion (NH4+) dan bentuk gas terlarut (NH3). Bagian NH3 bertambah pada pH dan suhu tinggi.
3. Dengan oksigen, bakteri nitrifikasi mengubah amoniak menjadi nitrit lalu nitrat. Tahap ini disebut nitrifikasi.
4. Tanpa oksigen tetapi dengan bahan organik, bakteri lain mengubah nitrat menjadi gas nitrogen (N2) yang lepas ke udara. Tahap ini disebut denitrifikasi dan tidak dimodelkan di Studio IPAL.

Peraturan menyebut parameternya "Amoniak (NH3-N)": kadar amoniak dinyatakan sebagai massa nitrogen, bukan massa senyawa NH3. Karena itu angkanya sebanding dengan angka nitrogen pada neraca di atas.

Mengapa amoniak menjadi masalah

Ada dua alasan, dan keduanya relevan untuk perancang.

Pertama, bentuk NH3 bebas beracun bagi ikan dan hewan air lain. Kadar yang tampak kecil di laboratorium bisa mematikan bila pH sungai tinggi atau air hangat.

Kedua, amoniak adalah zat penuntut oksigen. Di sungai, bakteri mengubahnya menjadi nitrat sambil memakai oksigen terlarut, sekitar 4,57 kg O2 untuk setiap kg nitrogen yang dinitrifikasi. Aliran 150 m3/hari dengan 40 mg/L amoniak membawa 6,0 kg nitrogen per hari, setara kebutuhan oksigen sekitar 27 kg O2 per hari. Itulah alasan peraturan membatasinya, dan angka yang sama (4,57) dipakai Studio IPAL untuk menghitung oksigen yang harus disuplai blower di biofilter aerob.

Amoniak air limbah masuk

Coba di simulasi →

Amoniak air limbah masuk adalah kadar nitrogen amoniak (NH3-N) dalam air limbah mentah sebelum pengolahan, dalam mg/L. Nilai bawaan Studio IPAL 40 mg/L, asumsi umum untuk air limbah domestik gabungan kakus dan nonkakus; air limbah dari dapur dan mandi saja jauh lebih rendah. Angka ini penting karena unit anaerobik tidak menurunkannya, sehingga ia menentukan seberapa besar penyisihan yang harus dicapai unit nitrifikasi: untuk batas 10 mg/L, perlu 75 persen penyisihan dari 40 mg/L dan 83 persen dari 60 mg/L. Karena penyisihan di aplikasi dibatasi 85 persen per unit nitrifikasi, kadar masuk di atas sekitar 67 mg/L tidak mungkin lulus. Tidak ada PERIKSA langsung pada isian ini; dampaknya muncul pada mutu amoniak keluaran. Ganti angka bawaan dengan hasil uji laboratorium air limbah kawasan Anda.

Mengapa proses anaerobik tidak menurunkan amoniak

Tangki septik, ABR, dan filter anaerobik bekerja tanpa oksigen terlarut. Bakteri nitrifikasi justru memerlukan oksigen, tumbuh lambat, dan akan kalah bersaing bila tidak ada oksigen. Di dalam reaktor anaerobik, yang terjadi malah amonifikasi: nitrogen organik berubah menjadi amoniak. Jadi kadar amoniak keluar reaktor anaerobik paling-paling sama dengan kadar masuk, dan bisa lebih tinggi.

Studio IPAL menyederhanakannya: unit anaerobik dianggap tidak menurunkan amoniak sama sekali (penyisihan 0 persen). Akibatnya rangkaian yang seluruhnya anaerobik membawa kadar amoniak masuk sampai ke badan air. Rangkaian R1 dan R2 dalam studi kasus di bawah memperlihatkannya. Perhatikan pula bahwa BOD dan amoniak adalah dua masalah berbeda: reaktor anaerobik yang sangat baik menurunkan BOD tetap tidak memperbaiki amoniak.

Nitrifikasi di biofilter aerob dan lumpur aktif

Hanya dua unit di Studio IPAL yang memberi oksigen cukup untuk nitrifikasi: biofilter aerob dan bak aerasi lumpur aktif. Kedua unit sama-sama bergantung pada kenyataan bahwa bakteri nitrifikasi tumbuh lebih lambat daripada bakteri pengurai BOD. Mereka baru mendapat tempat bila bahan organik sudah sebagian besar habis atau bila umur biomassa cukup panjang.

Nitrifikasi

Nitrifikasi adalah oksidasi amoniak menjadi nitrit lalu nitrat oleh bakteri aerob, dan satu-satunya cara di rangkaian ini untuk menurunkan amoniak. Syaratnya oksigen, suhu yang tidak terlalu rendah, dan kondisi yang memberi bakteri lambat ini kesempatan tumbuh: pada biofilter, beban BOD per volume media yang rendah; pada lumpur aktif, umur lumpur (SRT) yang panjang, sedikitnya 15 hari. Mutu amoniak keluaran menjadi PERIKSA bila penyisihannya kurang. Memperbaikinya: turunkan beban BOD media (media lebih besar), perpanjang umur lumpur, atau perhatikan suhu bila lokasi dingin. Rumus yang dipakai aplikasi dijelaskan di bawah.

Rumus nitrifikasi di Studio IPAL

Perkiraan penyisihan amoniak (fraksi, 0 sampai 1) dihitung dari kondisi unit:

faktor_suhu = 1                              bila T >= 25 derajat C
faktor_suhu = maks (0,4 ; 1 - 0,05 x (25 - T))   bila T < 25 derajat C

Biofilter aerob:
E_N = maks (0,10 ; min (0,85 ; 1 - 1,1 x B_media)) x faktor_suhu

Lumpur aktif:
E_N = 0,85 x faktor_suhu     bila SRT >= 15 hari
E_N = 0,30 x faktor_suhu     bila 8 hari <= SRT < 15 hari
E_N = 0,10 x faktor_suhu     bila SRT < 8 hari

C_keluar = C_masuk x (1 - E_N)
O2_nitrifikasi = 4,57 x E_N x (C_masuk x Q / 1000)

• B_media = beban BOD terhadap volume media (kg BOD/m3 media/hari)
• SRT = umur lumpur (hari); lihat umur lumpur
• T = suhu air limbah (derajat C); suhu bawaan 27 derajat C, jadi faktor suhu 1
• C = kadar amoniak (mg/L); Q = debit rata-rata (m3/hari); O2_nitrifikasi dalam kg O2/hari

Dua hal berbeda antara kedua unit. Pada biofilter, penyisihan menurun secara mulus dengan naiknya beban BOD media: pada beban 0,30 kg BOD/m3/hari (batas bawah kriteria biofilter) E_N = 0,67, pada 0,60 E_N = 0,34, dan pada beban sekitar 0,82 sudah menyentuh batas bawah 0,10. Pada lumpur aktif, penyisihan berupa anak tangga menurut umur lumpur. Pada biofilter, oksigen untuk nitrifikasi ditambahkan terpisah dari oksigen untuk BOD; pada lumpur aktif, faktor oksigen 1,5 kg O2/kg BOD sudah memuat kebutuhan nitrifikasi. Kebutuhan oksigen umum dibahas di kebutuhan oksigen.

Rumus pada biofilter adalah korelasi empiris sederhana untuk pra-rancangan, bukan hukum alam. Kalibrasikan dengan data lapangan sebelum dipakai untuk dokumen persetujuan.

Dasar amoniak: NH3-N total atau NH3 bebas

Peraturan menulis parameternya "Amoniak (NH3-N)". Studio IPAL membandingkan hasil hitungan dengan nitrogen amoniak total, yaitu jumlah NH4+ dan NH3 yang dinyatakan sebagai nitrogen. Ini cara konservatif: angka total selalu lebih besar daripada NH3 bebas, sehingga rancangan yang lulus dengan dasar total juga lulus dengan dasar bebas.

Bila laboratorium Anda melaporkan NH3 bebas, angkanya jauh lebih kecil, dan perbandingan langsung dengan baku mutu 10 mg/L bisa menyesatkan. Tanyakan kepada laboratorium dan kepada dinas lingkungan dasar pelaporan yang mereka pakai, dan tulis dasar itu di dokumen rancangan.

Studi kasus: amoniak di lima rangkaian Griya Asri

Griya Asri: 300 SR, debit rata-rata 150,0 m3/hari, amoniak masuk 40 mg/L (asumsi), suhu 27 derajat C, baku mutu amoniak 10 mg/L. Beban nitrogen masuk = 40 x 150,0 / 1000 = 6,0 kg N/hari.

Langkah hitung:

1. R3: biofilter menerima BOD 42,0 kg/hari pada volume media terpasang 71,28 m3, sehingga beban nyata 0,589 kg BOD/m3/hari. E_N = 1 - 1,1 x 0,589 = 0,352 (di dalam batas 0,10 sampai 0,85, faktor suhu 1). Amoniak keluar = 40 x (1 - 0,352) = 25,9 mg/L. Nitrogen yang dinitrifikasi = 0,352 x 6,0 = 2,1 kg N/hari, sehingga tambahan oksigen = 4,57 x 2,1 = 9,7 kg O2/hari di atas 50,4 kg O2/hari untuk BOD.
2. R4: umur lumpur 20 hari (di atas 15), sehingga E_N = 0,85 x 1 = 0,85. Amoniak keluar = 40 x (1 - 0,85) = 6,0 mg/L.
3. R1, R2: tidak ada unit nitrifikasi, jadi amoniak keluar sama dengan amoniak masuk. R1 dan R2 sama dalam hal ini walaupun R1 jauh lebih baik dalam BOD dan TSS.
4. R5: lahan basah menyisihkan setengah amoniak (40 menjadi 20 mg/L), tetapi hasilnya tetap di atas batas, dan kebutuhan lahan rangkaian ini 4.346,1 m2 terhadap lahan tersedia 756,0 m2.

Pelajaran yang bisa dihitung dari rumus yang sama (bukan keluaran mesin, melainkan latihan dengan rumus di atas):

• Bisakah R3 diperbaiki dengan memperbesar media? Untuk mencapai 10 mg/L perlu E_N = 1 - 10/40 = 0,75, berarti beban media (1 - 0,75)/1,1 = 0,227 kg BOD/m3/hari. Volume media yang perlu = 42,0 / 0,227, kira-kira 185 m3, sekitar 2,6 kali volume terpasang (71,28 m3). Beban 0,227 juga di luar kriteria perancangan biofilter (0,30 sampai 1,00), sehingga PERIKSA akan muncul dan perlu penjelasan teknis. Pada batas bawah 0,30 saja, E_N = 0,67 dan amoniak keluar masih 13,2 mg/L.
• Bagaimana bila R4 dibangun di lokasi dingin? Pada air 20 derajat C, faktor suhu = 1 - 0,05 x (25 - 20) = 0,75; E_N = 0,85 x 0,75 = 0,6375 dan amoniak keluar 40 x (1 - 0,6375) = 14,5 mg/L. Rangkaian yang lolos di 27 derajat C bisa gagal di 20 derajat C. Karena itu suhu air limbah dicatat dan diisi dengan benar.
• Margin R4 hanya dari 6,0 terhadap 10 mg/L, dan hanya bila operator benar-benar menjaga umur lumpur di atas 15 hari. Lumpur yang dibuang terlalu banyak langsung menurunkan umur lumpur dan nitrifikasi ikut turun.

Rangkaian yang lolos amoniak tidak otomatis menjadi pilihan terbaik; biaya, lahan, dan kebutuhan operator dibahas di memilih rangkaian. Gambaran seluruh enam parameter ada di studi kasus baku mutu.

Kesalahan yang sering terjadi

Rujukan

• Permen LH/BPLH Nomor 11 Tahun 2025 tentang Baku Mutu Air Limbah dan Standar Teknologi Pengolahan Air Limbah untuk Air Limbah Domestik, Lampiran I huruf A angka 2 (amoniak NH3-N).
• Buku 3, Bab 8 (seri Menggambar Teknik untuk Teknik Lingkungan).
• Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (nitrifikasi dan umur lumpur).