Belajar › Unit pengolahan

Biofilter aerob

Rujukan buku: Buku 3, Bab 8

Coba di simulasi →

Apa fungsinya

Biofilter aerob adalah bak berisi media plastik (sarang tawon, bioball) atau batu yang terendam air limbah dan terus diberi gelembung udara. Bakteri tumbuh sebagai lapisan lendir (biofilm) pada permukaan media dan memakan bahan organik terlarut dengan bantuan oksigen. Unit ini dipakai sesudah pengendap awal bila dibutuhkan keluaran lebih baik dan lahan lebih kecil daripada pengolahan anaerobik. Imbalannya: kempa udara (blower) harus menyala terus, jadi ada biaya listrik dan perlu operator.

Berbeda dari unit anaerobik, biofilter aerob juga dapat menurunkan amoniak. Bakteri nitrifikasi di biofilm mengoksidasi amoniak menjadi nitrat, tetapi hanya bila beban BOD pada media cukup ringan. Bagian "Nitrifikasi dan kebutuhan oksigen" di bawah menjelaskan hitungannya.

Cara kerja

• Air limbah masuk dari bawah dan mengalir naik melalui media (aliran naik). Bak dibagi beberapa kompartemen yang disusun seri.
• Pipa penyebar udara (difuser) di dasar bak meniupkan udara. Gelembung memberi oksigen dan sekaligus mengaduk air agar seluruh media terlayani.
• Biofilm terus tumbuh. Bagian yang tua mengelupas dan terbawa air sebagai padatan halus, sehingga sesudah biofilter selalu diperlukan pengendap akhir.
• Karena bakteri melekat pada media, tidak perlu resirkulasi lumpur seperti pada lumpur aktif. Ini yang membuat biofilter lebih mudah dioperasikan.

Rumus dan cara menghitung

Ukuran biofilter ditentukan oleh dua syarat; yang menghasilkan luas lebih besar menjadi kriteria penentu.

(1) B_BOD  = C_BOD x Q / 1000
    V_media = B_BOD / L_v          luas_1 = V_media / h_media
(2) V_hrt   = Q_jam x HRT_min      luas_2 = V_hrt / h_air
    luas    = maks(luas_1, luas_2)

• B_BOD = beban BOD masuk (kg/hari); C_BOD = kadar BOD masuk unit (mg/L); Q = debit rata-rata (m3/hari)
• L_v = beban organik rancangan terhadap volume media (kg BOD/m3 media/hari)
• h_media = tinggi media (m); h_air = tinggi air = h_media + 0,40 m (ruang di bawah media) + 0,30 m (air di atas media)
• Q_jam = debit rata-rata (m3/jam); HRT_min = waktu tinggal minimum (jam)

Luas dibagi rata ke beberapa kompartemen. Bila satu kompartemen lebih lebar dari lebar maksimum (3,50 m), bak dipecah menjadi beberapa modul paralel. Sesudah ukuran dibulatkan, beban nyata dan waktu tinggal nyata dihitung ulang dari volume terpasang.

Nitrifikasi dan kebutuhan oksigen

Nitrifikasi adalah oksidasi amoniak menjadi nitrat oleh bakteri aerob khusus. Bakteri ini tumbuh lambat dan kalah bersaing dengan bakteri pemakan BOD memperebutkan oksigen dan tempat melekat. Makin ringan beban BOD pada media, makin besar bagian amoniak yang teroksidasi. Aplikasi memperkirakannya dengan:

beban_nyata = B_BOD / V_media,terpasang
nitrifikasi = clip(1 - 1,1 x beban_nyata ; 0,10 ; 0,85) x faktor_suhu
NH3-N keluar = NH3-N masuk x (1 - nitrifikasi)

• clip(x ; 0,10 ; 0,85) = nilai x dipaksa berada di antara 0,10 (10 persen) dan 0,85 (85 persen).
• faktor_suhu = 1,00 bila suhu air limbah 25 derajat C atau lebih; di bawah itu, 1 - 0,05 x (25 - suhu), tidak kurang dari 0,40.

Oksidasi amoniak juga memakai oksigen. Kebutuhan oksigen biofilter karenanya ditambah satu suku:

B_NH3 = C_NH3 x Q / 1000                          (kg N/hari)
O2    = f_O2 x B_BOD + 4,57 x nitrifikasi x B_NH3   (kg O2/hari)
udara = O2 / (0,28 x OTE)                         (m3/hari)

• f_O2 = kebutuhan oksigen per kg BOD terurai (baku 1,20 kg O2/kg BOD)
• 4,57 = kg O2 yang diperlukan untuk mengoksidasi 1 kg nitrogen amoniak menjadi nitrat
• 0,28 = kg oksigen dalam 1 m3 udara
• OTE = efisiensi transfer oksigen difuser (baku 0,09)

Daya kempa dihitung dengan rumus kompresi adiabatik terhadap tekanan kolom air setinggi h_air; lihat daya blower. Angka ini daya teoritis: kehilangan tekan di pipa dan difuser belum dimasukkan, jadi pilih blower dengan cadangan tekanan. Penjelasan umum tentang nitrifikasi dan amoniak masuk ada di halaman amoniak dan nitrifikasi; lihat juga amoniak air limbah masuk.

Kriteria perancangan

Parameter baku yang dipakai aplikasi (boleh diubah di simulasi):

Waktu tinggal lebih panjang dari batas bawah tidak merugikan proses; yang membatasi biofilter adalah beban organik media. Beban yang makin ringan juga makin menguntungkan nitrifikasi, tetapi beban di bawah 0,30 kg/m3/hari keluar dari rentang kriteria dan berstatus PERIKSA.

Pemeliharaan dan pengoperasian

Periksa blower setiap hari (bunyi, suhu, saringan udara) dan gilir blower kerja dengan cadangan setiap minggu. Amati gelembung di permukaan: daerah tanpa gelembung menandakan difuser tersumbat. Bila oksigen terlarut di kompartemen akhir di bawah sekitar 2 mg/L, tambah udara. Nitrifikasi paling cepat terganggu oleh kekurangan oksigen dan suhu rendah. Endapan di dasar bak dan lumpur pengendap akhir dibuang berkala ke pengering lumpur.

Studi kasus: biofilter aerob Griya Asri

Rangkaian R3: debit rata-rata 150,0 m3/hari (6,25 m3/jam), suhu 27 derajat C. Sesudah pengendap awal, BOD masuk biofilter 280 mg/L, TSS 114 mg/L, dan amoniak 40 mg/L.

1. Beban BOD = 280 x 150,0 / 1000 = 42,0 kg/hari.
2. Volume media dari beban organik = 42,0 / 0,60 = 70,00 m3. Pada tinggi media 1,50 m, luas = 46,67 m2.
3. Tinggi air = 1,50 + 0,40 + 0,30 = 2,20 m. Luas dari waktu tinggal 3 jam = 6,25 x 3 / 2,20 = 8,52 m2.
4. Kriteria penentu: beban organik media (46,67 m2 lebih besar dari 8,52 m2).
5. Dibagi 2 kompartemen = 23,33 m2 per kompartemen. Lebar hitung jauh melampaui 3,50 m, sehingga dipecah 4 modul paralel. Tiap kompartemen 2,20 m x 2,70 m; panjang satu modul 2 x 2,20 + 0,12 (sekat) = 4,55 m.
6. Volume media terpasang 71,28 m3 (luas lekat 10.692 m2); beban nyata 42,0 / 71,28 = 0,59 kg BOD/m3/hari.
7. Volume efektif 104,54 m3; waktu tinggal nyata 16,73 jam.
8. Nitrifikasi = 1 - 1,1 x 0,589 = 0,352 (dalam batas 0,10 - 0,85), faktor suhu 1,00. Amoniak keluar = 40 x (1 - 0,352) = 25,9 mg/L.
9. Beban amoniak = 40 x 150,0 / 1000 = 6,0 kg N/hari, yang teroksidasi 0,352 x 6,0 = 2,1 kg N/hari.
10. Oksigen = 1,20 x 42,0 + 4,57 x 2,1 = 50,4 + 9,7 = 60,1 kg O2/hari. Udara = 60,1 / (0,28 x 0,09) = 2.383 m3/hari = 1,65 m3/menit. Daya kempa teoritis 0,81 kW; dipasang 2 blower.

Pemeriksaan: beban media 0,59 (OK, 0,30-1,00), waktu tinggal 16,73 jam (OK, ≥ 3), tinggi media 1,50 m (OK).

Pengendap akhir R3 hanya menyisihkan BOD 50 persen dan TSS 80 persen, karena penyisihan BOD besar sudah terjadi di biofilter. BOD turun dari 56,0 menjadi 28,0 mg/L dan TSS dari 34,2 menjadi 6,8 mg/L. Mutu akhir R3 setelah desinfeksi: BOD 26,6 mg/L, COD 53,2 mg/L, TSS 6,5 mg/L, minyak dan lemak 2,5 mg/L, dan fecal coliform 316 MPN/100 mL, semuanya memenuhi baku mutu. Satu-satunya yang tidak memenuhi adalah amoniak 25,9 mg/L terhadap baku 10 mg/L. Penjelasan angka pengendap akhir ada di halaman pengendap akhir.

Pelajaran R3: amoniak 25,9 mg/L

Amoniak 25,9 mg/L pada R3 adalah pelajaran perancangan, bukan kegagalan aplikasi. Rumus nitrifikasi di atas menunjukkan jalan keluarnya: turunkan beban BOD pada media. Tabel berikut hasil mesin untuk beberapa pilihan beban rancangan (rangkaian R3 yang sama, suhu 27 derajat C).

Pelajarannya ada tiga. Pertama, amoniak memang bisa membaik bila beban BOD media diturunkan, tetapi untuk mencapai 10 mg/L beban harus sekitar 0,23 kg/m3/hari, di luar rentang kriteria 0,30 - 1,00. Kedua, harganya besar: media membesar sekitar 2,6 kali (71,28 menjadi 184,80 m3), luas denah ikut membesar, dan udara bertambah. Ketiga, BOD akhir tidak berubah karena aplikasi memakai penyisihan BOD tetap, jadi pembesaran media hanya menolong amoniak. Bila baku mutu amoniak wajib dipenuhi, bandingkan dengan R4 (lumpur aktif), satu-satunya rangkaian pada kasus ini yang memenuhi keenam parameter. Suhu juga berpengaruh: pada 20 derajat C faktor suhu 0,75, nitrifikasi turun dari 35 menjadi 26 persen, dan amoniak keluar naik menjadi 29,4 mg/L.

Hubungan dengan baku mutu 11/2025

Biofilter aerob membantu menurunkan BOD (80 persen), COD yang mengikuti BOD, TSS (70 persen), minyak dan lemak (40 persen), fecal coliform (0,7 log), dan, tidak seperti unit anaerobik, amoniak melalui nitrifikasi. Penurunan amoniak itu bergantung pada beban BOD media dan suhu, dan pada beban baku hanya sekitar 35 persen, sehingga baku mutu amoniak 10 mg/L untuk tingkat lebih dari 50 m3/hari belum tercapai. Aplikasi membandingkan hasil dengan nitrogen amoniak total, yang konservatif; bila laboratorium melaporkan NH3 bebas, angkanya jauh lebih kecil, jadi tanyakan dasar pelaporan ke laboratorium dan dinas lingkungan. Biofilter juga bukan pengganti unit pemisah minyak yang diwajibkan Pasal 8, dan fecal coliform baru memenuhi batas setelah desinfeksi. Nilai amoniak masuk 40 mg/L adalah asumsi umum; ganti dengan hasil uji laboratorium.

Latihan

Soal 1 (mudah). Biofilter studi kasus memiliki volume media terpasang 71,28 m3 dan menerima BOD 280 mg/L pada debit 150,0 m3/hari. Hitung beban BOD media, nitrifikasi, dan amoniak keluar bila amoniak masuk 40 mg/L dan suhu 27 derajat C.

Jawaban: beban BOD = 280 x 150,0 / 1000 = 42,0 kg/hari; beban media = 42,0 / 71,28 = 0,589 kg/m3/hari. Nitrifikasi = 1 - 1,1 x 0,589 = 0,352 (dalam batas 0,10 - 0,85; faktor suhu 1,00). Amoniak keluar = 40 x (1 - 0,352) = 25,9 mg/L.

Soal 2 (sedang). Volume media terpasang diperbesar menjadi 94,05 m3 (beban rancangan 0,45). Hitung beban media nyata, nitrifikasi, amoniak keluar, dan kebutuhan oksigen total (beban amoniak masuk 6,0 kg N/hari).

Jawaban: beban media = 42,0 / 94,05 = 0,447 kg/m3/hari. Nitrifikasi = 1 - 1,1 x 0,447 = 0,509. Amoniak keluar = 40 x (1 - 0,509) = 19,6 mg/L. Oksigen untuk BOD = 1,20 x 42,0 = 50,4 kg O2/hari; untuk nitrifikasi = 4,57 x 0,509 x 6,0 = 14,0 kg O2/hari. Total = 64,4 kg O2/hari.

Soal 3 (menantang). Agar amoniak keluar tidak melebihi 10 mg/L pada suhu 27 derajat C, berapa nitrifikasi minimum, beban BOD media maksimum, dan volume media yang diperlukan (B_BOD = 42,0 kg/hari)? Bagaimana volume itu dibandingkan dengan 71,28 m3, dan apa komentar Anda terhadap rentang kriteria 0,30 - 1,00?

Jawaban: nitrifikasi minimum = 1 - 10 / 40 = 0,75. Dari 1 - 1,1 x beban = 0,75, beban maksimum = 0,25 / 1,1 = 0,227 kg/m3/hari. Volume media = 42,0 / 0,227 = 185 m3, sekitar 2,6 kali 71,28 m3. Beban 0,227 berada di bawah batas bawah kriteria 0,30, sehingga aplikasi menandainya PERIKSA. Pada beban 0,30 (batas bawah) nitrifikasi 0,67 dan amoniak keluar sekitar 13 mg/L, masih di atas 10. Artinya, memenuhi baku mutu amoniak hanya dengan membesarkan biofilter tidak masuk rentang kriteria; pertimbangkan rangkaian lain seperti lumpur aktif.

Rujukan

• Buku 3, Bab 8 (seri Menggambar Teknik untuk Teknik Lingkungan).
• Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery.
• Permen LH/BPLH Nomor 11 Tahun 2025 tentang Baku Mutu Air Limbah dan Standar Teknologi Pengolahan Air Limbah untuk Air Limbah Domestik.

Foto dan gambar dari sumber terbuka

Foto dan gambar dari sumber terbuka

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