Pengelolaan Kualitas Air

Pengelolaan Kualitas Air Model Kualitas Air Idris M. Kamil Dept. Teknik Lingkungan ITB April 22, 2014

Model Sederhana Kualitas Air. Untuk membantu para ahli pengelolaan kualitas air dalam melalukan tugasnya digunakan model matematis. Dengan model matematis dan komputer banyak persoalan pengelolaan kualitas air dapat diselesaikan dengan cepat dan mudah. Dalam pertemuaan ini kita membicarakan 2 (dua) model kualitas air sederhana: 1 Model Streeter - Phelp 2 Model Reaktor untuk Sungai

Model Streeter-Phelps. Permasalahan pencemaran air permukaan (sungai, waduk, dan danau) sudah menjadi perhatian para ahli sejak sekitar tahun 20-an. Tepatnya sejak 1925 pada saat Streeter dan Phelps menyusun model kualitas air sungai Ohio di Amerika Serikat. Model ini dikenal dengan sebutan DO Sag yang memperkirakan penurunan kandungan oksigen (dissolved Oxygen-DO) di sepanjang sungai akibat degradasi Biochemical Oxygen Demand (BOD).

Gambar: Respon BOD-DO sungai akibat limbah cair

Model ini dikembangkan Streeter - Phelp, dua ahli kesehatan masyarakat, mengamati adanya interaksi antara parameter DO dan BOD. Model Streeter and Phelps adalah model kualitas air yang tertua dan digunakan untuk memprediksi defisit oksigen di dalam sungai akibat menerima air limbah.

Defisit oksigen atau perbedaan kandungan oksigen terlarut dengan kandungan oksigen jenuh, di hilir tergantung kompetisi proses berikut ini: Laju penambahan defisit = laju de-oksigenasi - laju re-aerasi Secara matematis, persamaan untuk menghitung defisit adalah: δd δt = k DL t k R D (1) D = k DL 0 k R k D ( e k Dt e k Rt ) + D 0 e k Rt (2)

Bila penampang sungai ukurannya konstan, t = x/u, dimana x = jarak dan u = kecepatan air sungai, maka: D = k DL 0 k R k D ( e k D(x/u) e k R(x/u) ) + D 0 e k R(x/u) (3)

Defenisi: D = Oksigen defisit, adalah perbedaan oksigen jenuh dengan oksigen terlarut, (D = DO sat DO), D unitnya g/m 3. k D = laju deoksigenasi, 1/hari; k R = laju reaerasi, 1/hari;L a = kebutuhan oksigen awal, mg/l; L t = kebutuhan oksigen pada waktu t, mg/l; L t = L a e ( k Dt) ; D a = defisit oksigen awal, g/m 3 ; t = perbedaan waktu,hari.

Titik kritis dimana nilai DO menjadi 0.0 (mg/l) atau secara matematis dinyatakan bahwa dd dt = 0 maka: { [ 1 kr t c = ln 1 D ]} 0(k R k D ) k R k D k D k D L 0 (4) sehingga, titik kritis adalah X c = Ut c (5)

Asumsi: 1 Model Streeter-Phelps menghubungkan laju perubahan defisit oksigen dengan jarak terhadap laju de-oksigenasi (pengurangan oksigen) dan re-oksigenasi (penambahan oksigen). 2 Dalam kondisi ideal, kualitas air sebelum titik pembuangan dinyatakan sehat. Pada saat air limbah dibuang ke sungai melalui pipa outlet, kualitas air sungai mulai berubah karena menerima BOD di dalam air limbah. 3 Kondisi pada titik pencampuran dinyatakan dalam persamaan berikut:

L 0 = Q SL S + Q al L al Q S + Q al (6) dimana: L 0 = BOD pencampuran (mg/l) Q S = Debit air sungai (L/detik) L S = BOD sungai sebelum pencampuran (mg/l) Q al = Debit air lmbah (L/detik)

Interaksi antara DO dengan BOD di dalam sebuah sungai sama seperti yang terjadi dalam botol pemeriksaan BOD. Bersamaan dengan berjalannya waktu (contoh: air mengalir ke hilir) kandungan oksigen di dalam sungai berkurang sama seperti yang terjadi di dalam botol BOD. Di dalam botol BOD,L t, BOD setelah waktu t dapat dinyatakan sebagai berikut: L t = L 0 e ( k Dt) (7) dimana k D adalah koefisien de-oksigenisasiyang dapat dihitung dari hubungan k T = k 20 θ (T 20). T adalah temperatur air ( 0 C). Persamaan (7) berlaku juga untuk sungai. Bila kita mengetahui kecepatan aliran air, kita dapat menghitung BOD pada titik-titik di daerah hilir.

Kita lebih tertarik pada kandungan Oksigen yang tersisa, yang tergantung pada laju de-oksigenasi (seperti didalam botol) dan laju re-oksigenasi atau re-aerasi yang tidak terjadi di dalam botol. Laju re-areasi, r R, dinyatakan sebagai: r R = k R D dimana k R adalah konstanta re-aerasi dan D adalah defisit oksigen atau D = D saturasi D air sungai. Konstanta re-aerasi dapat dihitung dengan persamaan berikut: k R,(20 o C) = 3, 9u (1/2) H (3/2) dimana u = kecepatan air (m/detik) dan H = kedalaman sungai rata-rata (meter).

Table: Beberapa nilai Koefisien re-aerasi Badan air Nilai k R pada 20 o C kolam kecil dan backwater 0,1-0,23 Sungai aliran lambat & danau besar 0,23-0,35 Sungai besar aliran lambat 0, 35-0,46 Sungai besar aliran normal 0,46-0,69 Cepat dan air mancur 1,15

Konsentrasi Oksigen Jenuh Berdasarkan Hukum Henry, konsentrasi jenuh oksigen (Oxygen Saturation) di dalam air pada suhu 20 o C sekitar 10 mg/l. Secara umum beberapa faktor lingkungan mempengaruhi nilai ini. Dari aspek pemodelan kualitas air, faktor penting yang mempengaruhi konsentrasi jenuh oksigen adalah: Temperature Salinitas Variasi tekanan partial akibat elevasi Beberapa rumus empiris untuk menghitung konsentrasi jenuh ini diuraikan berikut ini.

Pengaruh Temperatur Persamaan berikut ini adalah rumus empiris yang menunjukkan ketergantungan konsentrasi jenuh oksigen dengan temperature (Chapra, 1997): ln(do sat ) = 139, 34411 + + 1, 243800 1010 T 3 a 1, 575701 105 6, 642308 107 T a Ta 2 8, 621949 1011 T 4 a dimana T a adalah temperatur air dalam o C

Faktor-faktor dalam Deoxygenasi dan Reaerasi adalah: 1 Sumber oksigen Aliran masuk ke sistem Fotosintesa Re-aerasi 2 Penggunaan oksigen Oksidasi secara biologi zat organik karbon Oksidasi secara biologi zat organik nitrogen Dekomposisi benthos di dasar Respirasi tumbuhan air Kebutuhan oksigen untuk bahan kimia

Model Reaktor untuk Sungai Model Reaktor untuk Sungai. Salah satu model untuk memperkirakan transpor pencemar di sungai menggunakan model reaktor. Model ini mengasumsikan tiap segmen sungai merupakan sebuah reaktor yang mempunyai pola aliran tercampur sempurna. Berdasarkan prinsip keseimbangan massa, model reaktor dapat dinyatakan sebagai berikut: Perubahan Massa per waktu = Massa masuk per waktu - Massa keluar per waktu ± Peluluhan atau Timbulan

Model Reaktor untuk Sungai Secara matematik dinyatakan sebagai berikut: dc A dt V = QC A,i QC A ± r A V (8) Dengan waktu ditensi hidraulis θ H = V /Q, maka solusi pers. (8) untuk kodisi steady-state adalah: C A = C A,i 1 + kθ H (9)

Model Reaktor untuk Sungai Gambar: Ilustrasi Sungai diwakili reaktor hubungna seri

Model Reaktor untuk Sungai Bentuk umum untuk reaktor dari 1 s/d n model matematik dan solusinya adalah: 0 = QC p,1 QCp, 1 + ( kc p,1 )V 1 0 = QC p,2 QCp, 1 + ( kc p,1 )V 2. (10) 0 = QC p,n QCp, n + ( kc p,n )V n

Model Reaktor untuk Sungai C p,1 = C p,1 1 + kθ H,i C p,1 C p,2 = (1 + kθ H,1 )(1 + kθ H,2 ). C p,n = C p,1 (1 + kθ H,1 )(1 + kθ H,2 )... (1 + kθ H,n ) (11)

Model Reaktor untuk Sungai Latihan No. 1 Model DO Sag Sebuah industri membuang limbah cairnya, dengan debit Q= 0.1 m 3 /hari, BOD = 300 mg/l, DO = 0 mg/l ke sungai yang mempunyai debit Q=5.5 m 3 /hari, BOD = 20 mg/l, DO = 2 mg/l, Temperatur =20 o C dan k D = 0,02 /hari dan k R = 0,001/hari. Panjang sungai 50 km dan kecepatan air = 0.015 m/hari. Hitung lokasi titik krits dan DO sungai pada lokasi setiap 1 km sepanjang 50 km dan gambarkan profil DO defisit titik yang dihitung. (Gunakan MS Excel)

Model Reaktor untuk Sungai LAtihan No. 2 Model Sungai-Reaktor Sebuah sungai sepanjang 20 km dibagi dalam 5 segmen masing-masing panjang 4 km. Debit air sungai 25 m 3 /detik dan zat pencemar masuk di awal sungai dengan konsentrasi 500 mg/l. Asumsikan laju peluluhan (decay rate) k = 0, 1 per hari, Penampang masing-masing segmen adalah A 1 = 28m 2 ; A 2 = 30m 2 ; A 3 = 32m 2 ; A 4 = 34m 2 ; dan A 5 = 38m 2. Asumsi reaktor teraduk sempurna dan dalam hubungan seri, Hitung konsentrasi pencemar di masing-maing segmen.