Analisis Daya Tampung Beban Pencemaran Sungai Mangetan Kanal Kabupaten Sidoarjo dengan Metode QUAL2Kw

Transkripsi

1 1 Analisis Daya Tampung Beban Pencemaran Sungai Mangetan Kanal Kabupaten Sidoarjo dengan Metode QUAL2Kw Merdinia Nita Saraswaty, Nieke Karnaningroem dan Didik Bambang S Jurusan Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil Dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia nieke@enviro.its.ac.id Abstrak Objek yang digunakan dalam penelitian ini adalah sungai Mangetan Kanal yang terletak di Kabupaten Sidoarjo yang merupakan anak sungai DAS Brantas. Sungai ini digunakan sebagai air baku Instalasi Pengolahan Air (IPA) di Kecamatan Krian. Sungai ini menerima beban limbah dari rumah tangga, industri, dan pertanian sehingga warna air sungai coklat agak keruh. Sungai Mangetan Kanal memerlukan perhitungan daya tampung beban pencemaran (DTBP) agar mendapatkan batasan maksimum dari air limbah yang akan masuk ke badan air dengan metode program QUAL2Kw. Parameter kualitas air yang digunakan adalah ph, temperatur, DO, BOD, COD, TSS, nitrat (NO 3 - ), ammonium (NH 4 + ), dan fosfat (PO 4 3- ). Hasil dari aplikasi dan evaluasi dengan metode QUAL2Kw dengan 4 (empat) skenario pada sungai Mangetan Kanal dalam kondisi eksisting telah tercemar. Hasil dari perhitungan daya tampung beban pencemaran sungai Mangetan Kanal yang maksimum untuk parameter uji terdapat pada segmen 1 dan 5, sedangkan untuk yang minimum terdapat pada segmen 2 dan 4.. Kata Kunci Sungai Mangetan Kanal, QUAL2Kw, Daya Tampung, Kualitas Air I. PENDAHULUAN ungai Mangetan Kanal menerima beban limbah dari Sberbagai sumber, seperti rumah tangga, industri, dan pertanian. Pada hulu sungai Mangetan Kanal terdapat pabrik yang menggunakan sungai Mangetan Kanal untuk membuang limbah cairnya. Bantaran sungai Mangetan Kanal digunakan oleh masyarakat sekitar sebagai MCK (mandi, cuci, kakus) dengan secara langsung membuang limbah ke badan air. Objek penelitian yang akan diteliti dan dibahas untuk perlindungan dan pengelolaan kualitas lingkungan adalah sungai Mangetan Kanal. Salah satu tahapan melakukan perhitungan Daya Tampung Beban Pencemaran (DTBP) sumber air adalah dengan menggunakan pemodelan numerik terkomputerisasi (computerized numerical modeling) (Peraturan Menteri Lingkungan Hidup No. 1, 2010). Model kualitas air dapat ditentukan dengan beberapa metode termasuk QUAL2Kw yang sering digunakan dan tersedia bebas. QUAL2Kw ini merupakan suatu sistem kalibrasi otomatis dan interaksi komponen seperti, BOD, denitrifikasi, dan DO (Kannel et al., 2010). Model QUAL2Kw memiliki beberapa keunggulan, yaitu dapat mensimulasikan sungai dalam bentuk satu dimensi dengan aliran berupa non-uniform dan stabil pada skala waktu dan mensimulasikan beban masuk dan keluar dari sumber pencemar (Pelletier, 2008). Dalam penelitian ini, model QUAL2Kw dipilih untuk digunakan dalam perhitungan DTBP dan kondisi kualitas air dari sungai. Penelitian dengan topik menganalisis daya tampung beban pencemaran sungai dengan metode QUAL2Kw ini diperlukan, karena memudahkan dalam permodelan kualitas air pada sungai tersebut. Selain itu juga permodelan kualitas air dapat memudahkan pengelolaan dari kualitas air sungai (Lestari, 2012). Sungai Mangetan Kanal merupakan air baku untuk IPA Kecamatan Krian. Menurut pengamatan langsung kondisi sungai berwarna coklat agak keruh. Sungai Mangetan Kanal memerlukan perhitungan daya tampung beban pencemaran (DTBP) untuk memperkirakan beban maksimum dari bahan organik yang dapat masuk ke sungai dengan simulasi model kualitas air sungai, dalam hal ini adalah QUAL2Kw dikarenakan hanya ada kajian tentang DTBP pada sungai Mangetan Kanal. Tujuan dari penelitian ini utnuk mengaplikasikan metode QUAL2Kw dalam mengevaluasi kualitas air Sungai Mangetan Kanal dengan simulasi 4 (empat) skenario untuk IPA Kecamatan Krian dan menghitung daya tampung beban pencemaran sungai Mangetan Kanal. II. METODOLOGI PENELITIAN A. Kerangka Penelitian Penelitian ini berawal dari adanya keinginan untuk mengetahui daya tampung beban pencemaran pada sungai Mangetan Kanal yang digunakan sebagai air baku IPA Kecamatan Krian untuk menghasilkan air bersih yang disesuaikan dengan baku mutu badan air. Perhitungan daya tampung beban pencemaran ini akan menggunakan metode program QUAL2Kw. Penelitian ini akan melakukan observasi lapangan dan penentuan segmen sungai agar mudah dalam melakukan perhitungan DTBP. Studi literatur dalam penelitian ini melingkupi pencemaran sungai, self-purifikasi sungai, daya tampung beban pencemaran, dan model simulasi QUAL2Kw. Pengumpulan data primer dan sekunder meliputi parameter uji

2 2 kualitas air sungai, debit air sungai, data curah hujan dan kecepatan angin, serta profil hidrolis dari sungai Mangetan Kanal. Data primer dan sekunder tersebut akan di-entry dalam program QUAL2Kw. Selanjutnya data akan dianalisis untuk mendapatkan daya tampung beban pencemaran air sungai agar diketahui jumlah maksimum air limbah yang dapat dibuang ke sungai. B. Langkah Kerja Penelitian Penetapan segmen sungai dalam penelitian dari sungai Mangetan Kanal mempunyai panjang 14,92 km dari hulu hingga IPA Kecamatan Krian. Segmen akan dibagi sebanyak 6 (enam) reach. Penelitian ini membutuhkan data primer dan data sekunder. Kegiatan pengumpulan data primer dapat dilakukan dengan observasi lapangan pada sungai. Data primer yang dikumpulkan adalah data debit sungai, data hidrolik, sumber pencemar, dan kualitas air hasil sampling. Kegiatan pengumpulan data sekunder meliputi peta administrasi kabupaten sidoarjo, data jumlah penduduk pada 5 (lima) tahun terakhir, data klimatologi daerah, data profil sungai, dan data debit serta kualitas limbah industri yang dibuang ke sungai. C. Analisa Data Pada analisa data, teknik simulasi ini akan dilakukan untuk menentukan daya tampung beban pencemaran. Teknik ini akan terbagi dalam beberapa skenario, lihat Tabel 1 berikut : Tabel 1. Skenario Teknik Simulasi Skenario Kualitas Air di Hulu Sumber Kualitas Air Pencemar Sungai 1 Eksisting Eksisting Model 2 Eksisting Estimasi Tahun 2018 Model 3 *BMA Kelas Satu Tanpa sumber pencemar Model 4 *BMA Kelas Satu Trial & error *BMA Kelas Satu Keterangan : *BMA = Baku Mutu Air (PP No. 82 Tahun 2001) 1. Skenario 1 Pada skenario ini data eksisting pada kualitas air dari hulu akan diinput dalam program. Limbah rumah tangga yang masuk ke sungai sebagai beban limbah dikategorikan sebagai sumber pencemar tak tentu. Sedangkan sumber pencemar tertentu dari industri dapat ditentukan, jika beban limbah berasal dari efluen industri yang mengarah langsung ke sungai. Beban limbah dari saluran drainase dan lainnya dapat diasumsikan bersumber dari rumah tangga. 2. Skenario 2 Kualitas air di hulu sungai Mangetan Kanal menggunakan data eksisting. Estimasi sumber pencemar hingga tahun 2018 didapatkan dengan menghitung laju pertumbuhan atau proyeksi penduduk selama 5 (lima) tahun. Beban pencemar dari rumah tangga yang masuk secara langsung maupun tidak langsung ke sungai Mangetan Kanal diasumsikan sebagai non-point source. Beban pencemar dari industri diasumsikan seperti skenario Skenario 3 Kualitas air di hulu sungai Mangetan Kanal sesuai dengan baku mutu air kelas satu pada PP No. 82 Tahun Pada skenario ini dilakukan untuk mengetahui proses self-purifikasi sungai jika tidak ada beban pencemaran yang masuk. Kualitas limbah dari sumber pencemar tak tentu dianggap memenuhi baku mutu air limbah. Beban pencemar berupa anak sungai akan diasumsikan memenuhi baku mutu air. 4. Skenario 4 Kualitas air di hulu sungai Mangetan Kanal sesuai dengan baku mutu air kelas satu pada PP No. 82 Tahun Pada simulasi skenario ini kualitas air setelah hulu sungai diusahakan memenuhi baku mutu air kelas satu karena untuk menghitung daya tampung pada sungai dan besaran sumber pencemaran berdasarkan trial and error. Keputusan Gubernur Jawa Timur No. 45 Tahun 2002 akan menjadi dasar penentuan konsentrasi air limbah industri. Limbah rumah tangga akan diolah menggunakan Instalasi Pengolahan Limbah Tinja (IPLT) terpadu sehingga dapat diasumsikan memenuhi baku mutu limbah domestik nasional pada KepMen LH No.112 Tahun Daya tampung pada prinsipnya adalah kemampuan badan air menerima beban pencemaran tertentu tanpa menjadi tercemar oleh sumber pencemar tersebut. Kemampuan ini akan mempunyai range beban pencemar hingga maksimum yang dapat ditoleransi oleh badan air penerima. Daya Tampung = Beban pencemar maksimum Beban kondisi awal Beban pencemar didapatkan dari hasil pemodelan kualitas air oleh program QUAL2Kw berdasarkan skenario. Beban kondisi awal merupakan beban yang dimiliki sungai secara alamiah. Beban pencemar maksimum merupakan baku mutu air sungai berdasarkan PP No. 82 Tahun III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN A. Segmentasi Sungai Sungai Mangetan Kanal akan dianalisis dengan panjang sungai penelitian sekitar 14,92 km dari hulu atau titik awal sampling hingga di depan bangunan intake IPA Kecamatan Krian. Segmen penelitian akan dibagi sebanyak 6 (enam) reach sesuai dengan Gambar 2. Pembagian segmen ini didasarkan dengan kesesuaian karakteristik kualitas air yang terdapat pada sungai. 1. Segmen 1 2 (1,19 km) Segmen awal atau hulu dari sungai pada kilometer 14,92 hingga kilometer 13,73. Segmen 1 2 dibagi berdasarkan karakteristik kualitas air sungai dengan masukan limbah industri. 2. Segmen 2 3 (3,01 km) Segmen 2 3 dari sungai pada kilometer 13,73 hingga kilometer 10,72. Segmen 2 3 dibagi berdasarkan karakteristik kualitas air sungai setelah masukan limbah industri dan adanya masukan limbah domestik. 3. Segmen 3 4 (3,67 km)

3 3 Segmen 3 4 dari sungai pada kilometer 10,72 hingga kilometer 7,05. Segmen 3 4 dibagi berdasarkan domestik dan saluran drainase yang masuk. 4. Segmen 4 5 (2,13 km) Segmen 4 5 dari sungai pada kilometer 7,05 hingga kilometer 4,92. Segmen 4 5 dibagi berdasarkan domestik, bangunan intake, dan anak sungai yang keluar. Pada segmen ini juga terdapat bangunan terjunan setelah anak sungai. 5. Segmen 5 6 (4,31 km) Segmen 5 6 dari sungai pada kilometer 4,92 hingga kilometer 0,61. Segmen 5 6 dibagi berdasarkan domestik dan anak sungai yang keluar. 6. Segmen 6 7 (0,61 km) Segmen 6 7 dari sungai pada kilometer 0,61 hingga kilometer 0. Segmen 6 7 dibagi berdasarkan domestik dan anak sungai yang keluar. sungai yang keluar, dan bangunan intake dari IPA Kecamatan Krian. Sumber pencemar non-point source meliputi sumber pencemaran yang menyebar dan tidak terdeteksi yang mencakup saluran pembuangan air limbah rumah tangga, air limbah jamban, dan limbah pertanian. Parameter dari pemodelan untuk program terbagi menjadi dua, yaitu parameter hidrolik (flow, velocity, dan depth) dan parameter kualitas air (ph, temperature, ISS, DO, CBODf, NO 3 -, NH 4 +, PO 4 3-, dan Generic, dst.). D. Kalibrasi Model Kalibrasi model dilakukan dengan tujuan data model mendekati data input pada program. Variasi data yang berbeda pada waktu yang berbeda pada kualitas air sungai dan kualitas air limbah menjadi alasan dilakukannya kalibrasi model. Model yang harus dikalibrasi pertama kali adalah model hidrolik sungai pada worksheet Hydraulics Data. Kalibrasi model pada data hidrolik dapat dilihat pada Gambar 3 hingga 5. Gambar. 2. Segmen Sungai Mangetan Kanal (Tanpa Skala) B. Kondisi Kualitas Air Sungai Kualitas air sungai Mangetan Kanal diperiksa melalui kegiatan sampling. Kegiatan pengambilan dilakukan secara bersamaan. Kegiatan sampling diambil dengan 2 (dua) lokasi titik pengambilan. Kondisi kualitas air sungai dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Kondisi Kualitas Air Sungai Lokasi ph TSS DO COD BOD NO3 - NH4 + PO4 3- (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) 1a b Rata-rata a b Rata-rata a b Rata-rata a b Rata-rata a b Rata-rata a b Rata-rata a b Rata-rata C. Pembentukan Model Pada pembangunan model ini, sumber pencemar point source meliputi saluran pembuangan limbah industri, anak Gambar. 3. Perbandingan Model dan Data untuk Parameter Debit Aliran Sungai Gambar. 4. Perbandingan Model dan Data untuk Parameter Kecepatan Aliran Sungai Gambar. 5. Perbandingan Model dan Data untuk Parameter Kedalaman Sungai

4 4 E. Simulasi Kualitas Air Model parameter kualitas air yang telah dihasilkan dan dikalibrasi dari program dapat dipergunakan pada skenario yang telah dirancang sebelumnya. Proses simulasi ini ditujukan untuk memperkirakan kualitas air yang ada sesuai dengan skenario pada Tabel 1. Sumber pencemar pada skenario 1 ini menggunakan kondisi eksisting dari sungai Mangetan Kanal. Data input yang dipakai adalah data yang digunakan saat pembentukan model dilakukan pertama kali. Simulasi pada skenario 1 dimaksudkan untuk mengetahui kondisi beban pencemar yang ada dari hulu hingga hilir segmen pada sungai. Hasil simulasi data pada skenario ini didapatkan beberapa parameter yang melebihi nilai baku mutu yang diperbolehkan pada badan air kelas satu. Hasil parameter yang telah berhasil dikalibrasi dapat dipakai untuk simulasi kualitas air pada skenario selanjutnya. Hasil simulasi model untuk parameter DO dan BOD dari skenario 1 dapat dilihat pada Gambar 6 dan 7. untuk parameter DO dan BOD dari skenario 2 dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9. Gambar. 8. Profil DO Berdasarkan Skenario 2 Gambar. 6. Profil DO Berdasarkan Skenario 1 Gambar. 9. Profil BOD Berdasarkan Skenario 2 Pada skenario 3 ini debit inflow beban pencemar pada point dan non-point source akan dihilangkan, sehingga dari simulasi ini dapat diketahui kemampuan self-purifikasi dari sungai Mangetan Kanal. Hasil simulasi dari skenario 3 ini untuk nilai parameter DO masih belum memenuhi baku mutu badan air kelas satu pada segmen 2 dan 3. Hasil simulasi model untuk parameter DO dan BOD dari skenario 3 dapat dilihat pada Gambar 10 dan 11. Keterangan : = point source yang masuk Gambar. 7. Contoh Profil BOD Berdasarkan Skenario 1 Simulasi skenario 2 bertujuan untuk mengetahui kondisi sungai pada 5 (lima) tahun kedepan dari kondisi eksisting. Air limbah yang masuk ke sungai dapat dihitung melalui persen perbandingan luas wilayah desa dan kecamatan. Persen luas wilayah kecamatan Tarik sebesar 8%, kecamatan Balongbendo sebesar 33%, dan kecamatan Krian sebesar 6%. Debit limbah domestik pada kecamatan Tarik sebesar 0,006 m 3 /detik, kecamatan Balongbendo sebesar 0,03 m 3 /detik, dan kecamatan Krian sebesar 0,009 m 3 /detik. Hasil simulasi pada skenario 2 untuk kualitas air sungai pada parameter terdapat sedikit peningkatan dari skenario 1. Hal ini dikarenakan debit limbah domestik pada non-point source lebih kecil menurut hasil perhitungan estimasi tahun Hasil simulasi model Gambar. 10. Profil DO Berdasarkan Skenario 3 Gambar. 11. Profil BOD Berdasarkan Skenario 3

5 5 Simulasi pada skenario 4 ini didasarkan pada nilai parameter kualitas air yang sesuai dengan batas baku mutu badan air kelas satu menurut PP No. 82 Tahun Skenario 4 ini akan menggunakan metode trial and error pada nilai kualitas air sungai dalam point dan non-point source. Hasil simulasi dari skenario 4 ini nilai kualitas air dari semua parameter menurun secara signifikan dari skenario 1. Namun, dari skenario 4 ini pada parameter DO masih melebihi baku mutu badan air kelas satu pada segmen 2 dan 3. Hasil simulasi model untuk parameter DO dan BOD dari skenario 4 dapat dilihat pada Gambar 12 dan 13. Segmen TSS Tabel 3. Daya Tampung Sungai Mangetan Kanal BOD NH4 NO3 PO4 COD Gambar. 12. Profil DO Berdasarkan Skenario 4 Gambar. 14. Daya Tampung Parameter BOD Gambar. 13. Profil BOD Berdasarkan Skenario 4 F. Perhitungan Daya Tampung Hasil simulasi skenario kualitas air dapat digunakan untuk mencari perhitungan daya tampung beban pencemaran pada sungai Mangetan Kanal. Perhitungan daya tampung beban pencemaran akan menggunakan skenario 3 dan 4, yaitu saat badan air tanpa beban pencemar dan saat beban pencemar sesuai dengan batas baku mutu badan air kelas satu. Perhitungan beban pencemaran (BP) dalam satuan kg/hari akan menggunakan rumus : BP = Debit (L/detik) x Konsentrasi (mg/l) = (Beban Pencemaran (mg/l) x 86400) : Menurut Tabel 3. untuk perhitungan daya tampung segmen sungai terdapat yang maksimum dan minimum pada tiap parameter uji sesuai dengan segmen sungai yang ada. Daya tampung sungai Mangetan Kanal sesuai dengan hasil perhitungan untuk parameter uji pada Tabel 2 dapat dilihat pada Gambar 14 hingga 19. Gambar. 15. Daya Tampung Parameter COD Gambar. 16. Daya Tampung Parameter TSS Gambar. 17. Daya Tampung Parameter Nitrat

6 6 adanya kajian lebih lanjut pada perhitungan daya tampung beban pencemaran ini dengan skenario yang lain, seperti variasi pada debit dan kondisi kualitas air di hulu sungai. Gambar. 18. Daya Tampung Parameter Ammonium G. Penurunan Beban Pencemaran Menurut kondisi eksisting dari skenario 1, diperlukan adanya penurunan beban pencemaran agar kualitas air sungai Mangetan Kanal dapat tetap memenuhi baku mutu badan air kelas satu. Perhitungan penurunan beban pencemaran ini menggunakan selisih antara beban pencemaran pada skenario 1 dan 4. Dari hasil perhitungan beban pencemaran dibutuhkan penurunan pada parameter BOD dengan persentase penurunan rata rata sebesar 97%. Parameter Nitrat untuk daya tampung beban pencemarannya sudah maksimum dan pada parameter Fosfat dari beberapa segmen sudah mencapai maksimum. IV. KESIMPULAN Kesimpulan dari penelitian untuk perhitungan daya tampung beban pencemaran dengan metode QUAL2Kw ini dalam hasil aplikasi metode QUAL2Kw dalam mengevaluasi kualitas air Sungai Mangetan Kanal dengan simulasi 4 (empat) skenario untuk IPA Kecamatan Krian, yaitu hasil simulasi skenario 1 dan 2 tidak memenuhi baku mutu badan air kelas satu. Hasil simulasi skenario 3 dan 4 memenuhi baku mutu badan air kelas satu. Daya tampung segmen sungai dari hasil perhitungan sebagai berikut : Parameter TSS Maksimum = ,66 kg/hari pada segmen 5 Minimum = 1.512,00 kg/hari pada segmen 4 Parameter BOD Maksimum = 790,56 kg/hari pada segmen 1 Minimum = 60,48 kg/hari pada segmen 4 Parameter Ammonium Maksimum = 172,08 kg/hari pada segmen 5 Minimum = 15,12 kg/hari pada segmen 4 Parameter Nitrat Maksimum = 2.753,23 kg/hari pada segmen 5 Minimum = 85,43 kg/hari pada segmen 2 Parameter Fosfat Maksimum = 44,63 kg/hari pada segmen 1 Minimum = 1,36 kg/hari pada segmen 4 Parameter COD Maksimum = 3.754,73 kg/hari pada segmen 1 Minimum = 302,40 kg/hari pada segmen 4 Saran yang diberikan untuk perhitungan daya tampung beban pencemaran dengan metode QUAL2Kw ini diperlukan DAFTAR PUSTAKA [1] Agustiningsih, D., Kajian Kualitas Air Sungai Blukar Kabupaten Kendal Dalam Upaya Pengendalian Pencemaran Air Sungai, Semarang: UNDIP (2012) 16. [2] Al Baduwi, M. S., Aplikasi Model Simulasi Komputer QUAL2Kw pada Studi Pemodelan Kualitas Air Kali Surabaya, Surabaya: Jurusan Teknik Lingkungan ITS (2011). [3] American Public Health Association, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater : 20 th Edition, Washington DC. : American Water Works Association (1998). [4] Brown, L. C. dan Thomas O. B, The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS : Documentation and User Manual, Georgia: Environmental Protection Agency (1987). [5] Corbitt, R. A, Standard Handbook of Environmental Engineering : 2 nd Edition, New York: McGraw-Hill Companies (2004). [6] Lestari, A. D. N., Studi Pengaruh Hidrolika, Naungan, dan Point Source terhadap DO-BOD Sungai Menggunakan Model QUAL2Kw (Studi Kasus: Sungai Gajahwong, Yogyakarta), Yogyakarta : Universitas Gadjah Mada (2012). [7] Pelletier, G. dan S. Chapra, QUAL2Kw Theory and Documentation (Version 5.1) : a Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality, Washington : Departement of Ecology (2008). [8] Rusnugroho, A., Penentuan Daya Tampung Beban Pencemaran Kali Madiun (Segmen Wilayah Kota Madiun) Menggunakan QUAL2Kw. Surabaya : Jurusan Teknik Lingkungan ITS. (2012).