PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2005 ISSN : 1411 – 4216
BIODEGRADASI UREA DALAM REAKTOR SHARON® : PENGARUH WAKTU TINGGAL CAIRAN DAN pH Hetty J Pasaribu , Deny Hartono, Raimond Praptana, dan Tjandra Setiadi Departemen Teknik Kimia, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa no. 10 Bandung, 40132 Telp (022) 2500989 Fax (022) 2501438; Email:
[email protected] Abstrak Salah satu metode terbaru dalam penghilangan nitrogen dari air limbah yang mengandung amonia dengan konsentrasi yang tinggi adalah proses SHARON® (Single reactor system for High Ammonia Removal Over Nitrite) - Anammox® (Anaerobic Ammonium Oxidation). Permasalahan timbul ketika teknologi SHARON® - Anammox® ini hendak diimplementasikan untuk pengolahan air limbah yang mengandung nitrogen dalam bentuk urea dengan konsentrasi yang tinggi, seperti air limbah dari pabrik pupuk urea Oleh karena itu, kinerja sistem proses SHARON®- Anammox® , terutama proses SHARON®, dalam mengolah air limbah yang mengandung urea dengan konsentrasi yang tinggi disamping amonia perlu dipelajari. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan konversi urea yang setinggi mungkin dan melakukan studi simulasi untuk mengkaji pengaruh dari parameter operasi, yaitu WTC (waktu tinggal cairan) dan pH terhadap kinerja proses SHARON. Penelitian ini dimulai dengan melakukan tahap inokulasi mikroba dari lumpur sawah. Setelah konsentrasi biomassa di dalam inokulum mencukupi maka serangkaian eksperimen dilakukan untuk mempelajari kinerja reaktor SHARON®. Percobaan dilakukan di dalam sebuah reaktor tangki ideal kontinyu bervolume 10 liter dengan temperatur dipertahankan konstan pada 35 oC. Variabel-variabel percobaan yang divariasikan adalah pH dan WTC. Analisa yang dilakukan meliputi analisa TKN, kadar amonia, nitrit, nitrat dan MLSS. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konversi urea yang semakin tinggi diperoleh pada WTC yang semakin lama. Pada pH 7, biodegradasi urea di dalam reaktor SHARON® mencapai konversi yang tinggi, yaitu di atas 95% untuk WTC 1,3; 1; dan 0,8 hari sedangkan pada pH 8,9, konversi urea mencapai harga diatas 85% untuk WTC 0,8 sampai 1,3 hari. Kondisi operasi terbaik untuk mendapatkan perbandingan molar nitrit terhadap amonia 1:1 adalah pada WTC 0,8 hari dan pH 7. Konsentrasi nitrat di keluaran reaktor didapati cukup tinggi baik untuk operasi SHARON pada pH 7 maupun pH 8,9. Kondisi operasi terbaik untuk biodegradasi urea di dalam reaktor SHARON® adalah pada pH 7 dan WTC yang berada di antara 0,8 dan 1 hari. Pada kondisi tersebut, konversi urea mencapai ~ 100% dan rasio molar nitrit terhadap amonia di keluaran reaktor mendekati 1. Pada pH 8,9 , nilai parameter kinetika yang diperoleh dari penelitian ini lebih besar dari data nit amm , µ max . literatur, terutama µ max Kata kunci: nitrifikasi parsial, SHARON®, urea. Pendahuluan Teknologi SHARON® (Single High Activity Ammonia Removal Over Nitrite)- Anammox® (Anaerobic Ammonia Oxidation) merupakan teknologi baru dalam pengolahan air limbah dengan kadar nitrogen yang tinggi. Metode ini mampu mengolah limbah dengan konsentrasi amonia sampai di atas 2000 ppm, sedang dengan metode pengolahan limbah nitrogen secara konvensial hanya mampu mengolah limbah dengan kandungan nitrogen di bawah 200 ppm (Hellinga dkk. 1998). Sehingga metode SHARON®- Anammox® diharapkan dapat mengolah air limbah yang dihasilkan oleh industri pupuk urea, yang mengandung kadar amonia dan kadar urea kelebihan, yaitu metode yang tinggi. Selain itu teknologi SHARON®- Anammox® memiliki beberapa pengoperasiannya yang sederhana dan biaya operasi yang rendah.
E-5-1
Hetty J Pasaribu , Deny Hartono, Raimond Praptana, dan Tjandra Setiadi Akan tetapi, teknologi SHARON®-Anammox® ini baru dikembangkan untuk pengolahan limbah yang mengandung senyawa nitrogen dalam bentuk amonia. Sedangkan karakteristik air limbah yang dihasilkan oleh pabrik urea ternyata tidak hanya mengandung limbah dengan kadar amonia tinggi tapi juga kadar urea yang tinggi. Sebagai contoh, suatu industri urea memiliki rata-rata kandungan amonia 626,02 ppm dan urea 1774,7 ppm sebagai nitrogen. Penggunaan teknologi proses SHARON®-Anammox® untuk mengolah limbah PT. Pupuk Kaltim perlu dikaji dan diteliti terlebih dahulu. Pengkajian dan penelitian tersebut terutama difokuskan pada kemampuan SHARON® dalam mengolah limbah indusri pupuk urea tersebut. Kemampuan proses Anammox® sangat bergantung pada produk pengolahan yang dilakukan oleh proses SHARON® tersebut. Tujuan khusus yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah mendapatkan konversi urea yang setinggitingginya, mengkaji pengaruh dari parameter operasi, yaitu WTC (waktu tinggal cairan) dan pH dan melakukan pemodelan dengan menggunakan data hasil penelitian Bahan dan Metode Penelitian Penelitian ini dibagi menjadi beberapa tahap. Tahapan pertama adalah pembiakan dan aklimatisasi, tahap kedua operasi SHARON®, dan dilanjutkan dengan analisa sampel dan model kinetika. Pada pengoperasian SHARON® ini, temperatur dijaga konstan pada temperatur 35 oC, dan dilakukan variasi WTC (waktu tinggal cairan) yaitu 1,3; 1; 0,8; 0,6 hari dan pH yaitu 7 dan 8,9. Peralatan utama yang dipakai adalah berupa reaktor gelas berpengaduk yang merupakan fermentor terbuka berukuran 10 liter. Reaktor ini dijalankan dengan prinsip chemostat, tanpa resirkulasi sel. Pengadukan yang dilakukan dianggap sempurna dan kondisi reaktor adalah homogen di setiap bagian reaktor, sehingga dikenal pula sebagai reaktor tangki ideal kontinu (RTIK). Skema peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1. Biocontroller ADI 1030
Temperature
Asam/Basa pH
Influen Ventilasi
Water Heater Substrat
Udara tekan
efluen
Gambar 1. Skema Peralatan Untuk mengetahui kinerja dari reaktor SHARON® dalam mengolah air limbah urea, diperlukan data-data hasil pengolahan limbah tersebut. Analisa dilakukan baik pada masukan maupun pada keluaran reaktor. Analisa sampel yang dilakukan adalah analisa TKN (Total Kjedahl Nitrogen), amonia, nitrit, nitrat, and MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids). Setelah data-data dari penelitian terkumpul, dilakukan analisa terhadap parameter kinetika dari proses SHARON®. Analisa ini dilakukan untuk membandingkan data-data hasil percobaan dengan model kinetika SHARON® yang diajukan oleh Vocke dkk., 2002. Parameter kinetika dihitung dengan menentukan neraca massa untuk setiap komponen, dan persamaan neraca massa diselesaikan dengan menggunakan software MATLAB. Hasil dan Pembahasan Dalam pembahasan ini akan dikemukakan tiga bagian, yaitu pengaruh waktu tinggal cairan (WTC) pada pH = 7, pengaruh pH pada kinerja reaktor, dan yang terakhir adalah kinetika pada reaktor SHARON. Pengaruh Waktu Tinggal Cairan (WTC) pada pH 7 Pada proses biodegradasi urea dalam reaktor SHARON® dilakukan variasi WTC, yaitu pada 0,6; 0,8; 1 dan 1,3 hari, dengan temperatur 35 °C dan pH 7. Pengaruh WTC terhadap Konversi Urea Pengaruh WTC terhadap konversi urea dalam reaktor SHARON® pada berbagai WTC dapat dilihat pada Gambar 2. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa semakin kecil WTC, maka konversi urea akan mengalami penurunan. Pada WTC sebesar 1,3 hari, konversi urea didapatkan sebesar 96%; untuk WTC 1 hari didapat 96%
E-5-2
Biodegradasi Urea Dalam Reaktor Sharon® : Pengaruh Waktu Tinggal Cairan Dan pH
Konversi Urea
dan pada WTC 0,8 hari didapat konversi urea sebesar 97%. Dari data diatas terlihat bahwa pada WTC 1,3; 1 dan 0,8 hari tidak terdapat perbedaan yang signifikan dan reaktor SHARON® mampu mengkonversi urea sampai di atas 96%. Dapat disimpulkan bahwa pada kondisi ini, WTC tidaklah mempengaruhi reaktor SHARON® dalam mengkonversi urea. 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
WTC (hari)
Gambar 2 Pengaruh WTC terhadap Konversi Urea pada pH 7
Nisbah nitrit terhadap amonia
Pengaruh WTC terhadap Nisbah Nitrit terhadap Amonia Pengaruh WTC terhadap nisbah nitrit terhadap amonia dalam reaktor SHARON® dapat dilihat pada Gambar 3. Pada WTC 0,6 hari, nisbah nitrit terhadap amonia yang didapat hanya sebesar 0,5, hal ini dapat dijelaskan karena kecilnya konversi urea, sehingga konsentrasi amonia dan nitrit yang terbentuk juga sangat kecil. Untuk WTC 1 dan 0,8 hari, nisbah nitrit terhadap amonia didapat adalah sebesar 3,28 dan 1,86. Pada WTC 0,8, didapatkan nisbah nitrit terhadap amonia yang mendekati 1, sehingga dapat disimpulkan bahwa kemungkinan kondisi terbaik untuk mendapatkan nisbah nitrit terhadap amonia adalah pada WTC disekitar 0,8 hari.
32 28 24 20 16 12 8 4 0 0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
WTC (hari)
Gambar 3 Pengaruh WTC terhadap Nisbah Nitrit terhadap Amonia pada pH 7 Pengaruh WTC terhadap Konsentrasi Nitrat Dari Gambar 4, terlihat bahwa semakin tinggi WTC maka konsentrasi nitrat akan mengalami peningkatan.
konsentrasi nitrat (ppm-N)
250 200 150 100 50 0 0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
WTC (hari)
Gambar 4. Pengaruh WTC terhadap Konsentrasi Nitrat (ppm-N) pada pH 7
E-5-3
Hetty J Pasaribu , Deny Hartono, Raimond Praptana, dan Tjandra Setiadi Pada penelitian ini, konsentrasi nitrat tertinggi didapat pada WTC 1,3 hari, mikroorganisma pengoksidasi nitrit diperkirakan masih berada dalam reaktor, sehingga amonia dan nitrit yang terbentuk di konversi menjadi nitrat. Berdasarkan hasil penelitian ini, belum ditemukan kondisi WTC yang optimum yang dapat membuat Nitrobacter sp. mengalami wash-out secara keseluruhan. Yang dapat disimpulkan adalah bahwa semakin tinggi WTC, maka konsentrasi nitrat pada efluen akan semakin tinggi. Pengaruh pH Dalam reaktor SHARON®, pH merupakan salah satu parameter proses yang amat penting. Untuk melihat pengaruh pH terhadap kinerja reaktor SHARON®, diambil data sekunder dari penelitian yang telah dilakukan oleh Hartono dan Praptana (2005) yang melakukan proses biodegradasi urea pada pH 8,9 dengan bekerja pada temperatur 35 °C.
Konversi Urea
Pengaruh pH terhadap Konversi Urea Pengaruh pH terhadap konversi urea pada berbagai WTC dapat dilihat pada Gambar 5.
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
pH ~8.9 pH 7
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 WTC (hari)
Gambar 5. Pengaruh pH terhadap Konversi Urea Dari gambar di atas, terlihat bahwa pada pH 8.9, didapatkan konversi urea yang lebih kecil dibanding pada pH 7 (untuk setiap WTC yang sama). Pada pH 7, laju konversi urea sangatlah cepat, yaitu berada diatas 96%.
Rasio nitrit terhadap amonia
Pengaruh pH terhadap Nisbah Nitrit terhadap Amonia Pengaruh pH terhadap nisbah nitrit terhadap amonia pada kondisi tunak dapat dilihat pada Gambar 6. 100 80 60
pH 7
40
pH ~8.9
20 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
WTC (hari)
Gambar 6 Pengaruh pH terhadap Nisbah Nitrit terhadap Amonia Reaktor SHARON® diharapkan dapat mengkonversi 50% amonia menjadi nitrit dengan mengendalikan pH operasi Hal ini dapat terjadi karena prinsip kesetimbangan amonia dan ion amonium dalam air yang dapat dikendalikan melalui pH. NH3 + H2O
NH4+ + OH (3)
Dengan naiknya pH, maka kesetimbangan antara amonia dan ion amonium akan bergeser ke arah amonia. Jika amonia tersedia lebih banyak, maka akan lebih banyak amonia yang akan dikonversikan menjadi nitrit, demikian pula sebaliknya. Oleh karena itu pada pH 8,9, konsentrasi nitrit jauh lebih besar dibandingkan jika bekerja pada pH 7, yang mengakibatkan nisbah nitrit terhadap amonia yang sangat besar.
E-5-4
Biodegradasi Urea Dalam Reaktor Sharon® : Pengaruh Waktu Tinggal Cairan Dan pH
Konsentrasi Nitrat (ppm-N)
Pengaruh pH terhadap Konsentrasi Nitrat Dari penelitian ini ingin dilihat pengaruh pH terhadap konsentrasi nitrat pada WTC yang sama. Pengaruh pH terhadap konsentrasi nitrat dalam dapat dilihat pada Gambar 7. 250 200 pH 7
150
pH ~8.9
100 50 0 0.4 0.6
0.8 1.0 1.2 1.4 WTC (hari)
Gambar 7. Pengaruh pH terhadap Konsentrasi Nitrat Dari gambar di atas, terlihat bahwa pada pH 8.9, konsetrasi nitrat yang terbentuk relatif lebih kecil dibandingkan pada pH 7. Kondisi pH optimum untuk pertumbuhan Nitrobacter sp. adalah diantara 7,2 dan 7,8, jika bekerja pada pH 8,9 (untuk WTC yang sama), maka Nitrobacter sp. akan mengalami hambatan, sehingga pembentukan nitrat akan lebih sedikit dibandingkan jika bekerja pada 7. Kinetika dalam Reaktor SHARON® Di dalam reaktor SHARON®, urea dianggap terkonversi dengan sangat cepat, sehingga pada model kinetikanya dianggap hanya amonia saja sebagai substrat (SHARON® murni). Dari hasil penelitian yang dilakukan, dibangun sebuah model untuk didapatkan parameter-parameter kinetikanya (Tabel 3). Model ini dibangun dengan menganggap bahwa temperatur, pH dan konsentrasi oksigen terlarut adalah konstan, yaitu masing-masing pada 35 °C, pH 7 dan konsentrasi oksigen terlarut 7 ppm. Semua parameter kinetika ini dianggap tidak bergantung terhadap WTC dan konstanta kesetimbangan hanya bergantung pada temperatur. Pada penelitian ini juga dilakukan proses SHARON® murni (menggunakan umpan amonia, data-data tidak disajikan dalam makalah ini), untuk melihat perbedaan parameter kinetikanya jika dibandingkan terhadap proses SHARON® dengan menggunakan umpan urea. Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa untuk nilai parameter-parameter kinetika dari SHARON® murni tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan dengan data dari pustaka, yaitu amm untuk µ max ,
amm nit amm K NH 3 , K HNO 2 dan K I , HNO 2 Pada pH 8,9, terdapat perbedaan yang sangat jauh untuk parameter
amm , µ max , K NH 3 , K HNO 2 dan K I , HNO 2 , antara data pustaka dan hasil percobaan, sehingga dapat kinetika µ max
nit
amm
amm
nit
disimpulkan bahwa penyimpangan ini terjadi karena pengaruh pH. Tabel 3. Nilai-nilai dari laju pertumbuhan maksimum, konstanta afinitas, konstanta inhibisi dan konstanta kesetimbangan Nilai
Nilai dari
Nilai dari
penelitian
penelitian
(pH=7)
(pH=9)
Pustaka*
Nilai dari penelitian SHARON murni (pH= 7)
amm µ max
s
-1
2,43E-5
1,52e-5
2,14e-5
4,37e-5
nit µ max
s-1
1,22E-5
1,22e-4
1,22e-5
7,07e-4
amm K NH 3
mol -3 mL
0,0334
0,0334
0,0334
0,04889
nit K HNO 2
mol mL-3
0,019
0,019
0,019
0,2093
K Iamm , HNO 2
mol mL-3
0,0145
0,0145
0,0145
0,03621
Parameter
Sat
dari
*Diambil dari : Locke dkk., 2002
E-5-5
Hetty J Pasaribu , Deny Hartono, Raimond Praptana, dan Tjandra Setiadi
Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Pada pH 7 dan pH 8,9, semakin lama WTC maka semakin tinggi konversi urea. 2. Di dalam reaktor SHARON®, pH sangatlah mempengaruhi nisbah nitrit terhadap amonia. Semakin tinggi pH, maka nisbah nitrit terhadap amonia akan semakin besar. 3. Konsentrasi nitrat pada pH 7 lebih besat daripada pH 8,9. 4. Kondisi operasi yang dapat mendekati karakteristik reaktor SHARON® adalah bekerja pada pH 7, dan bekerja pada WTC minimum 0,8 hari. 5. Parameter kinetika yang didapat memberikan model yang mendekati untuk WTC 1 hari. Daftar Pustaka American Public Health Association, Standard Methods: For The Examination of Water and Wastewater, 18th Ed., Washington D.C., USA, 1992. Dwiyana, A., dan Murtyastanto., Laporan Penelitian : Penguraian Urea dengan Proses Nitrifikasi dan Denitrifikasi, Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Bandung. Grady, C.P.L., and H.C.Lim., Biological Wastewater Treatment: Theory and Application, Marcel Dekker, Inc., N.Y., 1980. Hartono, Deny., dan Raimond Praptana., Biodegradation of Urea in The Wastewater Using A SHARON Process, Department of Chemical Engineering, Institut Teknologi Bandung, 2005. Hellinga C., A.J. Schellen., dan J.W. Mulder., The SHARON Process : An Innovative Method for Removing Nitrogen from Ammonium Rich Waste Water, Water Science and technology, Vol 37, No.9, pp135-142, 1998. Jetten,M.S.M., S.J. Horn, and M.C.M. Van Loosdrecht., Towards a More Sustainable Municipal Waste Water System, Water Science and Technology, Vol 35, No.9, pp 171-180, 1997. Lochtman, S.F.W., Process Choice and Optimization of the SHARON Process for the Sludge Treatment Plant Sluisjesdijk, BODL Report, TU Delft, Netherlands, 1995. Metcalf dan Eddy,Inc., Wastewater Engineering Treatment Disposal Reuse, 2nd, Tata Mc Graw-Hill Publishing Company, New Delhi, hal 699-744, 1979. Setiadi, Tjandra., R. Sarjaka, R. Apriyendi., Biological Nitrification of a Synthetic Urea Plants Wastewater, Departemen Teknik Kimia, ITB, 1995. Setiawan, Asep Wawan, dan Irawan Wibisono, Laporan Akhir: Penelitian Secara Laboratorium Biodegradasi Urea dan Ammonia dalam Air Limbah dengan Proses SHARON-Anammox, Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Bandung, 2003. Van Dongen, U., M.S.M.Jetten and M.C.M.Van Loosdrecht., The SHARON-Anammox Process for Treatment of Ammonium Rich Wastewater, Water Science and Technology,Vol.44,No.1,pp153-160.,IWA Publishing, 2001. Van Kempen, R., J.W. Mulder, dan M.C.M. van Loosdrecht (2001), Overview: Full Scale Experience of The SHARON® Process for Treatment of Rejection Water of Digested Sludge Dewatering, Water Science & Technology, Vol 44, No 1, pp 145-152. Vocke,Eveline L.P., Chris Hellinga., M.C.M.Van Loosdrecht. Modelling The SHARON Process in View of Coupling With Anammox. TiASWik, 2002.
E-5-6
