Bab IV Hasil Penelitian dan Pembahasan IV.1. Umum Pada Bab IV ini akan dijabarkan hasil penelitian dan pembahasan hasil-hasil penelitian yang didapatkan. Secara garis besar penjelasan hasil penelitian meliputi: 1.
Karakteristik limbah yang digunakan
2.
Kondisi saat pembibitan dan aklimatisasi
3.
Percobaan batch
4.
Percobaan kontinyu
5.
Kinetika Reaktor
6.
Hidrodinamika
7.
Mikroorganisme di dalam reaktor
IV.2 Karakteristik air limbah yang digunakan Limbah yang digunakan di dalam penelitian adalah limbah buatan dengan karakteristik air limbah greywater. Alasan utama penggunaan limbah buatan dan bukan limbah asli adalah: 1.
Adanya fluktuasi yang tinggi untuk kualitas organik limbah greywater, sehingga untuk memudahkan analisa dibuat kualitas bahan organik yang serupa untuk tiap percobaan
2.
Tinjauan di dalam Penelitian ini meliputi konsentrasi DO, TSS, amonium dan COD, sedangkan di dalam limbah greywater asli kemungkinan terkandung pula bahan-bahan lain seperti minyak dan lemak, deterjen dll, yang kemungkinan dapat menghambat proses yang berlangsung, padahal bahanbahan ini tidak diteliti kualitasnya.
3.
Kepraktisan. Mengingat penelitian dilakukan dalam jangka waktu yang agak lama, maka dibutuhkan pula volume air limbah yang cukup besar. Oleh
63
karena itu dengan alasan kemudahan pembuatan sediaan limbah dan juga kualitas limbah yang dapat lebih dikontrol, digunakan air limbah buatan. Karakteristik air limbah yang digunakan ditunjukkan pada Tabel IV.1
Tabel IV.1 Kondisi air limbah yang digunakan No. 1 2 3 4 5 6 1
Parameter COD1 NH4-N Alkalinitas COD/NH4-N Temperatur pH
Satuan mg/l mg/l mg/l CaCO3 o C -
Kontinyu 300 2,5 50 120 22-23,8 7.1
Berubah sesuai dengan kondisi percobaan
Konsentrasi amonium 2,5 mg/l diambil berdasarkan nilai minimum konsentrasi amonium pada greywater. Sedangkan temperatur yang ada mengikuti kondisi lingkungan sekitar (tidak dikontrol).
IV.3 Kondisi Saat Start-up Keseluruhan hasil percobaan kontinyu yang dilakukan didalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar IV.1. Sedangkan detail hasil dari percobaan batch dan tiap beban kontinyu dapat dilihat sub-bab Percobaan Batch dan Percobaan Kontinyu. Seperti yang telah dijelaskan pada sub-Bab III.4 start-up dilakukan dalam dua tahap, yaitu tahap penumbuhan biofilm dan tahap aklimatisasi reaktor sampai kondisi tunak. Tahap penumbuhan dilakukan selama 10 hari dengan mode operasi batch. Sebagai sumber karbon digunakan glukosa dengan konsentrasi setara 300 mg/l. Sumber nutrien digunakan amonium klorida dan kalium fosfat. Inokulum yang digunakan berasal dari biakan mikroorganisme reaktor lumpur aktif dan mikroorganisme dari saluran drainase. Sedangkan sumber mikronutrien berasal dari penambahan feri sulfat. Air di dalam reaktor diganti tiap dua hari sekali, dan
64
pengudaraan untuk ketiga reaktor dilakukan secara kontinyu. Pemeriksaan untuk periode ini hanya dilakukan secara visual yaitu pada pertumbuhan biofilm. biofilm
Gambar IV.1 Penyisihan kadar SCOD pada R1, R2 dan R3 saat aklimatisasi dan percobaan kontinyu
Setelah periode penumbuhan biofilm 10 hari, maka mode operasi diganti secara kontinyu dengan mengalirkan air limbah buatan sukrosa pada debit 30 ml/menit. Sebagai sumber nutrien digunakan pupuk NPK buatan. Konsentrasi bahan organik yang digunakan adalah 650 mg/l. Penggunaan konsentrasi bahan organik yang tinggi melebihi beban rencana untuk running bertujuan untuk menyiapkan reaktor agar ar mempunyai kemampuan pengolahan untuk beban besar. Pengkondisian reaktor dengan pengudaraan tidak menerus mulai dilakukan pada tahap ini. Kondisi tunak didapatkan setelah 9 hari mulai aklimatisasi (Gambar IV.1). Waktu 9 hari adalah waktu yang normal untuk untuk aklimatisasi reaktor biofilm mengacu pada Gray (2004), dimana diperlukan 3-8 3 8 hari aklimatisasi untuk penyisihan bahan organik (BOD). Setelah akhir masa aklimatisasi reaktor dilakukan penimbangan massa (kering) biofilm.
65
Dapat dilihat antara reaktor 1, 2, 3 mencapai waktu kondisi tunak yang tidak berbeda. Pada kondisi tunak ini dapat dilihat pertumbuhan biofilm yang cukup tebal. Tabel IV.2 Kondisi ketiga saat reaktor masa tunak tercapai No. 1 2 3 4
Reaktor Pengudaraan Waktu pencapaian kondisi tunak Efisiensi pada akhir kondisi tunak Berat biofilm kering/Vol.Reaktor (mg biomassa.(l Reaktor)-1)
R1 2-2 9 hari
R2 4-4 9 hari
R3 kontinyu 9 hari
88%
88%
86%
2061
1985
2125
Dari hasil observasi ini menunjukkan kemampuan melekat yang cukup baik untuk mikroorganisme yang berasal dari reaktor lumpur aktif, karena secara teori bakteri lumpur aktif yang didominasi bakteri aerobik heterotrof mampu memproduksi biopolimer ekstraselular yang membentuk flok biologi atau biofilm untuk proses pertumbuhan melekat (Metcalf & Eddy, 2003).
Gambar IV.2 Pertumbuhan biofilm pada media (a) saat awal (b) akhir periode start up
66
Massa biofilm kering diperhitungkan dengan menghitung selisih berat media yang masih mengandung biofilm dengan berat media kering. Sampel media diambil sebanyak 10 sampel tiap reaktor yang dikeringkan pada temperatur 105oC selama dua jam dan ditimbang massanya. Waktu kondisi tunak dicapai setelah 17 hari dari awal pembibitan yang ditandai dengan stabilnya konsentrasi SCOD pada effluen tiap reaktor. Temperatur harian rata-rata Tidak ada perbedaan untuk waktu pencapaian kondisi tunak untuk R1, R2 dan R3. Penurunan konsentrasi SCOD rata-rata pada ketiga reaktor tidak jauh berbeda yaitu adalah 86%+2%. Proses aklimatisasi menunjukkan pencapaian masa tunak yang hampir sama untuk R1, R2 dan R3. Hanya saja laju penyisihan SCOD pada masa aklimatisasi pada R2 lebih besar dari pada R1 dan R3. Hal ini berdasarkan pada laju penyisihan pada yaitu dengan massa biofilm yang lebih kecil tetapi menghasilkan penyisihan yang lebih besar. Akhir masa tunak menunjukkan kesamaan karakteristik R1 dan R3 Setelah mencapai kondisi tunak, maka percobaan dilakukan untuk kondisi aliran batch diikuti dengan kondisi aliran kontinyu.
IV.4 Percobaan Batch Setelah melewati masa aklimatisasi, ketiga reaktor dioperasikan secara batch. Pengoperasian secara batch dilakukan dengan tidak mengalirkan air limbah pada influen maupun effluen. Konsentrasi air limbah yang digunakan adalah 300 mg/l. Sampel diambil tiap tiga jam pada titik pengambilan sampling kedua. Pengudaraan pada R1 dilakukan secara intermttent 2 jam hidup-2 jam mati, R2 4 jam hidup-4 jam mati, dan R3 diberikan pengudaraan menerus. Hasil pengambilan sampling berupa nilai konsentrasi SCOD pada ketiga reaktor ditunjukkan pada Gambar IV.3.
67
Konsentrasi SCOD (mg/l)
350 300 250
Reaktor
200
R1
150
R2
100
R3
50 0 0
5
10
15
20
Jam
Gambar IV.3 Penyisihan kadar SCOD pada R1, R2 dan R3 dalam kondisi Batch
Gambar IV.3 di atas menunjukkan penurunan materi organik tercepat terutama di dalam 6 jam pertama, setelah itu laju penurunan bahan organik berangsur-angsur menurun sampai akhir masa pengambilan sampel pada jam ke-18. Percobaan secara batch menunjukkan profil penurunan SCOD mengikuti reaksi orde ke-1. Ketiga reaktor menunjukkan profil yang sama. Hal ini adalah sesuai dengan teori umum bahwa laju reaksi keseluruhan untuk reaktor biofilter mengikuti orde ke-1 (Mann & Stephenson, 1997). Perhitungan laju penyisihan SCOD pada percobaan batch dengan pendekatan persamaan III.8 untuk masing-masing R1, R2 dan R3 adalah 0.013, 0.014, dan 0.014 mg SCOD.(jam.mg biomassa)-1. Di sini terlihat bahwa perbandingan laju penyisihan SCOD dalam percobaan batch menunjukkan laju penyisihan SCOD yang tidak jauh berbeda, artinya penambahan oksigen secara intermittent tidak berpengaruh secara signifikan, tetapi berat biofilm yang terbentuk berpengaruh seperti yang terlihat pada Tabel IV.2.
IV.5 Percobaan Kontinyu Percobaan kontinyu dilakukan setelah dilakukan percobaan batch. Percobaan kontinyu bertujuan untuk mengamati kinerja reaktor pada kondisi pengudaraan
68
yang diberikan. Sebagai parameter pembanding adalah bahan organik (SCOD), amonium, DO, TSS, pH dan temperatur. Tabel IV.3 Kondisi Beban Organik selama percobaan Laju (l.hari-1) 43,2 43,2 43,2
Run 1 2 3
HRT (jam) 4 4 4
HLR (m.hari-1) 2.88 2,88 2,88
Inlet COD (mg.l-1) 300 400 500
OLR (kgCOD.m-3.hari-1) 0,906 1,208 1,510
Parameter-parameter selain bahan organik diamati pada kondisi inlet COD 300 mg.l-1. Pengambilan sampel dan pemeriksaan dilakukan 6 kali tiap 3 jam. 600
Konsentrasi SCOD (mg/l)
500
400
Inlet 300
R1 R2
200
R3 100
0 24
25
26
27
28
29
Waktu (jam)
Gambar IV.4 Penyisihan kadar SCOD pada variasi konsentrasi influen dengan Q= 43,2 l.hari-1 dan HRT = 4 jam
Pengaruh kondisi pengudaraan terhadap kondisi reaktor dilihat berdasarkan dampaknya secara umum pada reaktor dengan mengamati kondisi efluen Amonium, SCOD, DO dan TSS.
69
Pengamatan dilakukan pada konsentrasi influen COD teoritis 300 mg/l. Limbah yang digunakan adalah limbah buatan sukrosa dengan dengan konsentrasi Amonium di influen 5 mg/l, pH rata-rata rata rata di influen 7,4, dan temperatur rata-rata rata 23,22oC, maksimum 23,8oC dan minimum 22oC. Alkalinitas diberikan berupa CaCO3 dengan konsentrasi 60 mg/l. Pengamatan dilakukan pada tiga reaktor masing-masing masing R1 untuk pengudaraan 2 jam hidup – 2 jam mati (2-2), (2 2), R2 dengan pengudaraan 4 jam hidup – 4 jam mati (4-4), 4), dan R3 dengan pengudaraan menerus. Pengudaraan diberikan dengan menggunakan aerator akuarium tipe coarse bubble. Debit udara yang diberikan sebesar 3,55 l/menit. Sampel diambil tiap tiga jam dengan 6 kali pengambilan sampel. Pengambilan sampel yang dilakukukan tiap tiga jam dengan kombinasi pengudaraan 2-2, 4--4, dan menerus akan memberikan waktu--waktu sampling dengan kondisi udara yang berbeda-beda berbeda (Gambar ar IV.1). Dengan metode ini, maka tidak diperlukan pengukuran parameter seperti laju pemakaian oksigen dan koefisien transfer massa seperti yang dilakukan Harris et al (1996).
Gambar IV.5 Hubungan antara pengambilan sampel dan kondisi pengudaraan
IV.5.1 Oksigen terlarut Pemeriksaan konsentrasi oksigen terlarut dilakukan secara langsung (in situ) pada sampel yang diambil menggunakan metode elektrometrik.. Sampel diambil pada
70
tiap titik ketinggian untuk tiap reaktor. Pengukuran konsentrasi DO dilakukan bersamaan dengan pemeriksaan temperatur air dan pH. Pengambilan sampel dilakukan tiap rentang waktu tiga jam. Hasil pengambilan sampel untuk tiap reaktor dapat dilihat pada Gambar IV.6, IV.7, dan IV.8. Sedangkan rata-rata konsentrasinya dapat dilihat pada Gambar IV.9. Gambar IV.10 menunjukkan hubungan antara waktu pengambilan sampel dengan kondisi pengudaraan pada tiap reaktor saat itu.
Konsentrasi DO (mg/l)
8
R1
6
30 cm 60 cm
4
Outlet
2
Inlet
0 1
3
5 Sampling ke-
Gambar IV.6 Profil konsentrasi DO pada pengudaraan 2 jam-2 jam
Konsentrasi DO (mg/l)
7 6
R2
5
30 cm
4
60 cm
3
Outlet
2
Inlet
1 0 1
3
5 Sampling ke-
Gambar IV.7 Profil konsentrasi DO pada pengudaraan 4 jam-4 jam
71
Konsentrasi DO (mg/l)
8 6
R3 30 cm
4
60 cm outlet
2
Inlet
0 1
2
3
4
5
6
Sampling ke-
Gambar IV.8 Profil konsentrasi DO pada pengudaraan menerus
Gambar IV.9 Rata-rata rata DO untuk tiap titik sampling
Gambar IV.10 Hubungan kondisi pengudaraan dan DO untuk ketiga reaktor
72