Prototype Monitoring and Controlling of Wastewater TreatmentPlant (WWTP) on IoT-Free Output Channels

Prototype Monitoring dan Controlling Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) pada Saluran Output Berbasis IoT

Iswanto Iswanto ¹⁾ , Fachrudin Hunaini ²⁾ , Dedi Usman Effendy ^{3 )}

^{1,2,3 )} Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Widyagama University Malang, Indonesia

⁽¹⁾ nilki.iswanto88@gmail.com

⁽²⁾ fachrudin_h@widyagama.ac.id,

⁽³⁾ d edy@widyagama.ac.id

Abstract The largest water pollution occurs due to the disposal of waste from the industrial sector, while some of it comes from the household sector. In the labor-intensive industrial sector and the household sector, domestic liquid waste is generated. The high level of liquid waste pollution can be overcome by using a wastewater treatment plant (WWTP). Wastewater parameters according to research that has been done, namely pH, Turbidity, and Ammonia are very important parameters and the main priority for the quality of wastewater discharged into the environment. In this study, a prototype monitoring and controlling WWTP on the output channel was designed by measuring wastewater parameters and an Internet of Things (IoT) based pump output control system. This prototype is programmed with 2 mode options, namely auto mode where the controlling system works based on program commands with target limits, namely pH 6 – 9, Turbidity < 300 NTU, and Ammonia < 20 PPM, if the wastewater measurement value is on target, the system activates the outgoing pump. for direct disposal to the environment. Meanwhile, if it does not meet the target, the system activates the treatment pump to return the wastewater back to the WWTP. Then the manual mode, which is the controlling system, works by operating the operator directly to activate the outgoing or treatment pump on a smartphone using the Blynk application. In Auto and Manual mode, wastewater parameters can be monitored on a smartphone using the Blynk application. All sensors used have been calibrated with 2 calibrator solutions. The calibration results show an error value of 0.115 for the pH sensor, an error value of 0.075 for the Turbidity sensor, and an error value of 0.115 for the Ammonia sensor.

Keywords: Domestic W aste ; WWTP ; M onitoring, C ontrolling ; Internet of Things (IoT).

Abstrak Pencemaran air terbesarterjadikarenapembuanganlimbahdarisektorindustri, sementarasebagianlainnyaberasaldarisektorrumahtangga. Dalamsektorindustripadatkarya dan sektorrumahtanggamenghasilkanlimbahcairdomestik. Tingginyapencemaranlimbahcairdapatdiatasidenganmenggunakaninstalasipengolahan air limbah (IPAL). Parameter air limbahmenurutpenelitian yang sudahdilakukanyaitu pH, Turbidity, dan Amoniamerupakan parameter yang sangatpenting dan prioritasutamakualitas air limbah yang dibuangkelingkungan. Pada penelitianinidirancangprototype monitoring dan controlling IPAL pada saluranoutput denganmengukur parameter air limbah dan sistempengendalianpompaoutput berbasisInternet of Things(IoT).Prototypeinidiprogramdengan 2 pilihan mode yaitu mode auto dimanasistemcontrollingbekerjaberdasarkanperintah program denganbatas target, yaitu pH 6 – 9, Turbidity < 300 NTU, dan Amonia < 20 PPM, apabilanilaipengukuran air limbahsesuai target, sistemmengaktifkanpompaoutgoinguntukpembuanganlangsungkelingkungan. Sedangkanapabilatidaksesuai target, sistemmengaktifkanpompatreatmentuntukmengembalikan air limbahkembalike IPAL. Kemudian Mode manual yaitusistemcontrolling bekerjadenganpengoprasian operator secaralangsunguntukmengaktifkanpompaoutgoing atau treatment pada smartphonedenganmenggunakanaplikasiBlynk. Pada mode Auto dan Manual parameter air limbah,dapatdimonitor pada smartphonemenggunakanaplikasiBlynk. Semua sensoryang digunakantelahdikalibrasidengan 2 larutankalibrator. Hasil kalibrasimenunjukannilaierror 0.115 untuk sensor pH, nilaierror 0.075 untuk sensor Turbidity, dan nilaierror 0.115 untuk sensor Amonia.

Kata Kunci : Limbah Domestik, IPAL, Monitoring, Controlling, Internet of Things (IoT)

Air merupakan komponen penting terhadap keberlangsungan makhluk hidup. Apabila air tercemar maka keberlangsungan makhluk hidup akan terganggu. Pencemaran air terbesar terjadi karena pembuangan limbah dari sektor industri, sementara sebagian lainnya berasal dari sektor rumah tangga. Dalam sektor industri padat karya dan sektor rumah tangga menghasilkan limbah cair domestik. Contoh limbah cair domestik antara lain yaitu air deterjen sisa cucian, air sabun, dan air tinja. Keadaan tersebut menyebabkan terjadinya pencemaran yang banyak menimbulkan kerugian bagi manusia dan lingkungan. Tingginya pencemaran limbah cair dapat diatasi dengan menggunakan instalasi pengolahan air limbah (IPAL) [1].

IPAL merupakan kesatuan sistem peralatan yang dirancang secara khusus untuk memproses atau mengolah cairan sisa proses, sehingga sisa proses tersebut menjadi layak untuk dibuang ke lingkungan, sistem IPAL secara umum melalui 6 proses antara lain, Screen and Grease Trap, Ekualisasi, Anaerob, Aerob, Sedimentasi, dan Filtrasi. Sistem pengoperasian tersebut menggunakan sistem otomatis, akan tetapi sebelum limbah cair dibuang ke saluran atau sungai perlu dilakukan proses sampling secara manual dengan mengambil sampling parameter limbah secara langsung di lokasi IPAL [2]. Parameter Air limbah menurut penelitian yang sebelumnya dilakukan oleh Sandy Tyas Wahyu Apriyanto, parameter output IPAL yang perlu diukur yaitu parameter pH air limbah dengan batas nilai parameter yaitu 6 - 9 [1]. Kemudian penelitian selanjutnya oleh Hafiidhudin yaitu pembuatan prototype dengan pengambilan data sensor pH dan sensor turbidity dapat di monitoring secara realtime, parameter pH dan turbidity juga dianggap penting [3]. Menurut penelitian Trisiani Dewi Hendrawati persyaratan kualitas air yang berhubungan langsung dengan kesehatan diantaranya kadar pH, kekeruhan, dan suhu air. Penelitian tersebut digunakan untuk pemantauan kondisi kualitas air sungai [4]. Sedangkan menurut penelitian yang dilakukan oleh Muhammad Akbar Nugroho berhubungan dengan monitoring kualitas pH dan kadar amonia adalah kebutuhan penting untuk makhluk hidup khususnya ikan di sungai [5]. Ketiga parameter utama yaitu pH, kekeruhan air, serta kadar amonia dalam air merupakan parameter yang sangat penting dan prioritas utama kualitas air pada saluran atau sungai dari hasil pengolahan limbah domestik. Penelitian - penelitian diatas secara umum dilakukan sebatas monitoring, sedangkan pengendalian secara realtime dengan pemberian umpan balik ke sistem masih belum ada. Pencemaran sungai terbesar salah satunya berasal dari limbah cair industri [2].Pencemaran tersebut dapat dikendalikan dengan meningkatkan kualitas dari output IPAL, melalui monitoring parameter pH, kekeruhan air, dan kadar amonia secara kontinyu dan sistem sebaiknya mempunyai kendali secara otomatis ketika parameter sudah sesuai standar dan pengembalian limbah untuk diproses ulang ketika parameter tidak standar, serta terdapat pengoperasian kendali secara manual. Sistem kendali manual digunakan apabila terjadi kondisi tidak normal atau emergency. Sistem tersebut tentunya akan berjalan apabila ada operator yang standby selama 24 jam dalam monitoring kualitas limbah cair. Hal tersebut memungkinkan dikembangkannya teknologi jarak jauh yang dapat membantu operator dalam pemantauan dan pengendalian sistem tanpa harus selalu standby di lokasi IPAL [2]. Melalui perkembangan teknologi yang sangat pesat mendukung sistem baru yang dikenal Internet of Things (IoT). Teknologi pendukung seperti komunikasi cahaya dengan fiber optik membuat lingkungan dalam berinternet semakin cepat dan mudah, salah satu perangkat yang bisa dijadikan web sarver adalah modul wifi NodeMCU ESP8266. Kemudian sistem operasi Blynk yang digunakan dalam modul wifi NodeMCU ESP8266 memiliki banyak keuntungan, diantaranya tidak berbayar dan dukungan yang kuat dari komunitas. Blynk adalah platform untuk aplikasi OS Mobile (iOS dan Android) yang bertujuan untuk kendali modul Arduino, Raspberry Pi, ESP8266, WEMOS D1, dan modul sejenisnya melalui internet. Penggunaan aplikasi Blynk memiliki keuntungan yaitu menghilangkan kebutuhan berada atau standby di lokasi untuk mengaktifkan maupun menonaktifkan perangkat elektronik yang dikendalikan [6].

Dengan permasalahan tersebut maka salah satu penyelesaiannya dengan pembuatan prototype sistem monitoring parameter pH, turbidity, amonia dan controlling pembuangan limbah cair secara otomatis maupun manual pada saluran output IPAL berbasis Internet of Things (IoT) agar proses pemantauan dan pengendalian kualitas air limbah sesuai dengan nilai standar parameter, perancangan sistem ini adalah penyempurnaan dan pengembangan dari penelitian -penelitian terdahulu tentang sistem monitoring dan pengendalian pencemaran air limbah.

II. TINJAUAN PUSTAKA

IPAL merupakan kesatuan sistem peralatan yang dirancang secara khusus untuk memperoses atau mengolah cairan sisa proses, sehingga sisa proses tersebut menjadi layak untuk dibuang ke lingkungan, Sistem IPAL secara umum melalui 6 proses antara lain, Screen and Grease Trap, Ekualisasi, Anaerob, Aerob, Sedimentasi, dan Filtrasi. Sistem pengoperasian tersebut menggunakan sistem otomatis akan tetapi sistem tersebut memiliki kekurangan yaitu sebelum limbah cair dibuang ke saluran atau sungai perlu dilakukan proses sampling secara manual dengan mengambil sampling air limbah secara langsung di lokasi IPAL. Parameter air limbah menurut beberapa penelitian yang sebelumnya yang perlu dilakukan yaitu monitoring kadar pH, kekeruhan (turbidity), dan kadar amonia dengan nilai standar adalah sebagai prioritas utama kualitas air pada saluran output atau sungai [4].

[figure 1 about here.]

B. Sensor pH

[figure 2 about here.]

Untuk menjaga agar kualitas air agar tetap dalam keadaan yang baik, elemen yang harus diperhatikan adalah tingkat keasaman dan kebasaan air. Karena pH yang baik dalam ekosistem kehidupan makhluk hidup adalah dengan nilai pH 6,5 sampai pH 7,5. Prinsip kerja dari sensor pH terdiri dari elektroda yang digunakan untuk mendeteksi ion H+ dari suatu cairan. Pengukuran dilakukan dengan elektroda potensiometrik yang berfungsi untuk memonitor perubahan tegangan yang disebabkan perubahan aktivitas ion Hidrogen (H+). Elektroda yang digunakan terdiri dari kombinasi tunggal elektroda referensi dan elektroda sensor. Elektroda kombinasi ini memiliki keluaran yang sudah dikalibrasi menjadi mV. Dengan memonitor perubahan tegangan yang disebabkan oleh perubahan aktivitas ion Hidrogen (H+) dalam larutan, maka pH larutan dapat diketahui [1].

C. Sensor Kekeruhan (Turbidity)

[figure 3 about here.]

Sensor kekeruhan air bekerja berdasarkan perubahan intensitas cahaya. Hal ini terjadi akibat adanya partikel-partikel yang tercampur dengan air. Perubahan intensitas cahaya yang dipancarkan akan berubah seiring dengan perubahan nilai kekeruhan air yang sedang diukur, selanjutnya akan dikonversikan ke dalam bentuk parameter tegangan listrik sehingga bisa didefinisikan sebagai nilai kekeruhan air dalam satuan NTU. Sensor turbidity meter dibangun dengan metode yaitu nephelometer, metode nephelometer adalah metode yang memanfaatkan intensitas cahaya yang dihamburkan oleh sempel di dalam air. Intensitas cahaya yang dihamburkan ini berbanding lurus dengan jumlah zat-zat yang tersupensi dalam lintasan cahaya tersebut. Metode nephelometer yang dipakai untuk membuat sensor tubidity meter ini, membutuhkan sumber cahaya dan detektor cahaya sumber, yang kemudian dirakit dan menjadi sebuah sensor turbidity meter metode nephelometer [7].

D. Sensor Gas Amonia

[figure 4 about here.]

Sensor gas merupakan alat elektronik yang dapat menghasilkan sinyal listrik sebagai fungsi terhadap interaksi dengan senyawa kimia, dalam hal ini gas atau uap senyawa organik. Sensor MQ-135 dapat berfungsi untuk mendeteksi keberadaan gas amonia. Pada dasarnya sensor ini terdiri dari tabung aluminium yang dikelilingi oleh silikon dan di pusatnya terdapat elektroda yang terbuat dari aurum dimana terdapat element pemanasnya. Ketika terjadi proses pemanasan, kumparan akan dipanaskan sehingga SnO2 keramik menjadi semikonduktor atau sebagai penghantar sehingga melepaskan elektron dan ketika amonia dideteksi oleh sensor dan mencapai aurum elektroda maka output sensor MQ-135 akan menghasilkan tegangan analog [5].

E. Modul Wifi ESP8266

Modul Wifi ESP8266 adalah sebuah perangkat pendukung IoT yang bersifat open source. Terdiri dari perangkat keras berupa System On Chip ESP8266 dari ESP8266 buatan Espressif System, juga firmware yang digunakan, yang menggunakan bahasa pemrograman Scripting Lua. Istilah NodeMCU secara default sebenarnya mengacu pada firmware yang digunakan daripada perangkat keras development kit. NodeMCU dapat dianalogikan sebagai board arduino-nya ESP8266. Dalam seri tutorial ESP8266 embeddednesia pernah membahas bagaimana memprogram ESP8266 sedikit merepotkan karena diperlukan beberapa teknik wiring serta tambahan modul USB to serial untuk mengunduh program. Namun NodeMCU telah me-package ESP8266 ke dalam sebuah board yang kompak dengan berbagai fitur layaknya mikrokontroler + kapabilitas akses terhadap Wifi juga chip komunikasi USB to serial sehingga untuk memprogramnya hanya diperlukan ekstensi kabel data USB persis yang digunakan sebagai kabel data dan kabel charging smartphone Android. Chip ESP8266 dengan menggunakan kabel USB [9].

[figure 5 about here.]

Modul Wifi NodeMCU ESP8266 berfungsi sebagai penghubung antara dengan server serta menjadi alat yang berfungsi menghubungkan ke server aplikasi salah satunya dengan aplikasi Blynk. Fitur pada modul Wifi NodeMCU ESP8266 yang memiliki 13 pin digital dan 1 pin analog yang memiliki fungsi khusus yaitu Analog to Digital Converter (ADC) [10].

F. Pompa Air 12 VDC

Pompa adalah peralatan mekanis yang digunakan untuk menaikkan cairan dari dataran rendah ke dataran tinggi atau untuk mengalirkan cairan dari daerah bertekanan rendah ke daerah yang bertekanan tinggi dan juga sebagai penguat laju aliran pada suatu sistem jaringan perpipaan. Dalam operasi, mesin-mesin peralatan berat membutuhkan tekanan discharge yang besar dan tekanan isap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari kedalaman tertentu, sedangkan akibat tekanan yang tinggi pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik sampai pada ketinggian yang diinginkan, Pada perancangan prototype, pompa DC 12 VDC digunakan untuk pemindahan fluida dari satu tempat ke tempat lainnya [11].

[figure 6 about here.]

III. METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini terdapat beberapa tahapan penelitian yaitu :

[figure 7 about here.]

Dari Gambar 7. Dapat dilihat bahwa inputan bagi modul ADS yaitu sensor pH, amonia dan turbidity. Selanjutnya data tersebut akan dikirimkan oleh modul ADS ke modul Wifi NodeMCU ESP8266. Router akan digunakan sebagai pemancar gelombang Wifi yang akan menghubungkan modul Wifi NodeMCU ESP8266 ke cloud internet. Data dari cloud internet dapat dimonitor dan dikontrol oleh perangkat yang memiliki akses ke cloud internet dalam hal ini salah satunya smartphone android. Relay module dan pompa merupakan output yang dikendalikan oleh NodeMCU ESP8266. Apabila hasil pengukuran sesuai dengan target yang ditentukan maka pompa 1 akan bekerja untuk melanjutkan proses pembuangan air limbah. Sedangkan apabila hasil pengukuran tidak sesuai dengan target, maka pompa 2 akan bekerja dan mengalirkan aliran air limbah ke sistem existing IPAL. Sistem tersebut dapat dioperasikan secara manual untuk menjalankan kedua pompa apabila terjadi kondisi tidak normal atau emergency.

B. Wiring Diagram Sistem Monitoring danControlling IPAL Menggunakan IoT

[figure 8 about here.]

Dalam perancangan sistem monitoring dan controlling sistem IPAL pada saluran output berbasis IoT menggunakan NodeMCU ESP 8266 sebagai pengolah data sensor, kemudian menggunakan modul ADS untuk mengolah sensor analog, modul ADS dipilih karena memiliki jumlah pin analog yang banyak yaitu 4 pin analog. Selanjutnya penentuan NodeMCU digunakan sebagai modul Wifi yang akan mengirimkan data ke cloud internet. Pada perancangan prototype ini pin komponen untuk wiring instalasi sebagai berikut :

[Tabel 1 about here.]

.

C. Perancangan Perangkat Lunak

Pada perancangan perangkat lunak berikut bertujuan untuk mengontrol NodeMCU untuk memproses data yang didapatkan dari pembacaan sensor dan menggerakan motor DC melalui android. Untuk gambaran umum mengenai jalannya program maka dibuatlah diagram alir seperti pada Gambar 9.

[figure 9 about here.]

Langkah awal proses yang dilakukan adalah inisialisasi yang merupakan tahap persiapan penggunaan pin yang akan dipakai pada NodeMCU ESP 8266. Langkah selanjutnya yang dilakukan proses pembacaan data input berupa pH, kadar amonia, dan turbidity. Data tersebut akan dikirimkan ke modul Wifi ESP8266 dan dikirim ke cloud internet. Parameter pH, amonia dan turbidity apabila melebihi batas standar maka sistem akan menginformasikan operator bahwa air limbah tidak memenui target dan air limbah bisa dikembalikan ke proses awal pengolahan IPAL dengan menyalakan pompa 2 (treatment) sampai air limbah habis, maka pompa 2 dimatikan. Jika nilai parameter telah memenui nilai baku mutu air limbah maka pompa 1 (outgoing) akan bekerja sampai air limbah habis, kemudian pompa 1 akan dimatikan secara otomatis. Sistem tersebut dapat bekerja ketika mendapat perintah manual dengan kontrol jarak jauh dengan menggunakan sistem IoT.

D. Rancangan Tampilan Blynk

[figure 10 about here.]

Berikut tampilan dari aplikasi Blynk yang ada pada hanphone. Pada gambar diatas terdapat 4 tombol yang digunakan yaitu mode manual atau auto, pompa Outgoing, pompa Treatment dan tombol Run, dimana tombol Run digunakan untuk start pembacaan parameter air limbah pada mode auto. Pada mode manual dilakukan dengan menekan tombol Out atau Treatment yang berfungsi untuk menjalankan relay dan pompa. Selain itu juga terdapat beberapa tampilan widget box yang digunakan untuk menampilkan nilai ADC dari masing - masing sensor dan juga nilai pembacaan dari sensor pH, turbidity, amonia dan juga pembacaan nilai dari sensor pelampung.

IV. ANALISA