STUDI EVALUASI KEMAMPUAN ADSORPSI-DESORPSI DAN BIODEGRADASI PHENOL PADA PENGOLAHAN LIMBAH CAIR LUMPUR AKTIF DENGAN PENAMBAHAN KARBON AKTIF Tri Widjaja Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri lnstitut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Tel: (031) 5946240; Fax: (031) 5999282; E-mail:
[email protected] Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi kinerja daripada proses di powdered activated carbon treatment (PACT) terhadap substansi phenol didasarkan pada kemampuan adsorpsi-desorpsi dan biodegradasi. Dalam penelitian ini ditambahkan substansi 3-bromophenol (3-BP) dan 3,5dichlorophenol (3,5 DCP) secara shock-loading pada reaktor PACT dan lumpur akif tanpa penambahan karbon aktif sebagai reaktor kontrol untuk waktu tertentu. Diperoleh hasil bahwa PACT reaktor mempunyai kinerja yang sangat baik untuk mengolah baik 3-BP maupun 3,5-DCP. Walaupun adsorpsi merupakan mekanisme utama untuk mengambil substansi 3,5-DCP dengan kemampuan desorpsi yang rendah, tetapi mekanisme adsorpsi, desorpsi, dan biodegradasi telah terjadi pada substansi 3-BP dengan kemampuan desorpsi yang tinggi. Diperoleh hasil juga bahwa kemampuan biodegradasi semakin baik terjadi pada reaktor PACT dibanding reaktor lumpur aktid dalam mengolah substansi 3-BP. Kata kunci: powdered activated carbon treatment; 3-bromophenol; 3,5-dichlorophenol; karbon aktif; biodegradasi; adsorpsi-desorpsi Pendahuluan Permasalah limbah industri yang mengandung pencemar yang beracun dan berbahaya akan sulit dipecahkan dengan menggunakan unit pengolah limbah cair secara biologis proses lumpur aktif, walaupun proses ini masih umum digunakan untuk mengolah limbah cair industri. Sebagai solusi pemakaian proses lumpur aktif untuk mengolah kandungan substabsi beracun ini adalah dengan menambahkan karbon aktif secara langsung pada tangki aerasi, yang prosesnya disebut dengan powdered activated carbon treatment (PACT). Proses PACT ini diketahui menunjukkan kinerja yang lebih stabil karena karbon aktif yang ditambahkan ke dalam kolam aerasi diharapkan dapat mengambil bahan beracun secara adsorpsi, dan kemampuan peruraian (biodegradasi) dari lumpur aktif akan bertambah (De Walle and Chian, 1977; Specchia and Gianetto, 1984). De Walle and Chian (1977) juga melaporkan bahwa proses PACT ini menunjukkan kestabilan yang lebih baik pada shock loading untuk menolahbahan beracun, disamping itu Sundstrom dkk.(1979) telah melaporkan bahwa pengolahan limbah cair dengan sistem PACT mernpunyai kinerja yang baik untuk kondisi shock loading terhadap komponen-komponen beracun seperti phenol. Pada pengolahan limbah cair yang Jurnal EKSTRAK , Vol. 1, No.1, Juni 2006
mengandung substansi beracun dengan PACT proses, banyak komponen organik akan diturunkan dengan proses biodegradasi di dalam lumpur aktif, sedangkan substansi beracun dengan kemampuan yang rendah biodegradasinya maupun tidak terbiodegradasi akan diambil oleh proses adsorpsi (Fox and Suidan, 1994). Dilain hal, de Jonge dkk. (1996) melaporkan bahwa proses desorpsi daripada komponen sorbed adalah proses penting didalam PACT dimana proses adsorpsi dan biodegradasi berinteraksi. Lebih lanjut Syamsiah dan Hadi (2004) meneliti tentang adsorpsi cycle dan pengaruh microorganisme terhadap pengambilan phenol didalam fixed-bed, yang melaporkan bahwa mekanisme reaksi terjadi dimulai dengan adsorpsi dan kemudian dilanjutkan dengan proses biodegradasi dan diakhiri dengan proses adsorpsi secara perlahan-lahan. Sebagaimana diketahui bahwa substansi beracun jika terdapat pada proses lumpur aktif menyebabkan kemampuan biodegradasi akan menurun. Karena adanya proses adsorpsi dari karbon aktif menyebabkan kemampuan biodegradasi pada mikroorganisme akan pulih jika konsentrasi substansi beracun lebih kecil daripada toxicity limit. Pada proses shock-loading didalam PACT proses dengan berbagai bahan beracun akan menghasilkan respon yang berbeda dihubungkan dengan 28
kemampuan adsorpsi-desorpsi dari karbon aktif dan berbeda juga kemampuan biodegradasi terhadap substansi beracun.Untuk itu perlu kiranya dievaluasi kinerja PACT proses untuk shock loading pada 3-BP dan 3,5-DCP untuk melihat respon adsopsi-desorpsi darikarbon aktif dan biodegradasi dari lumpur aktifnya.
1500 mg l-1 pada masing-masing tangki aerasi. Mixed liquor suspended solid (MLSS) di masing-masing tangki aerasi lumpur aktif adalah dipertahankan pada 3000 mg l-1. Sludge retention time (SRT) dipertahankan pada 15 h. Karbon aktif berupa serbuk yang digunakan mempunyai ukuran dengan diameter antara 53 sampai 75 µm.
Metodologi Penelitian Penelitian tentang pengolahan limbah dengan lumpur aktif menggunakan peralatan yang terbuat dari bahan polyacrylate terdiri dari tangki aerasi dan sedimentasi Dari kedua bagian ini dipisahkan oleh dinding yang pada bagian bawah terbuka (berlubang), yang memungkinkan adanya aliran effluent dari tangki aerasi ke tangi sedimentasi. Tangki aerasi dan sedimentasi mempunyai volume kerja masingmasing 2,5 1 dan 0,2 I. Lumpur aktif diaklimasikan dengan limbah sintetik sampai stabil effluennya sebelum dimulai shock loading. Gambar peralatan set-up penelitian dapat dilihat pada Gambar 1 sebagai berikut:
Kemampuan adsorpsi, desorpsi dan biodegradasi Komponen organik beracun yang digunakan untuk penelitian ini dipilih berdasarkan sifat adsorpsidesorpsi dari karbon aktif dan kemampuan biodegradasi dari lumpur aktif terhadap bahan beracun, sehingga terpilih adalah 3-BP dan 3,5-DCP sebagai target substance. Untuk menganalisis kemampuan adsorpsi dari karbon aktif terhadap 3-BP dan 3,5-DCP dilakukan adsorpsi secara batch, dimana 200 mg dari karbon aktif diletakkan kedalam erlenmeyer dan dicampurkan dengan larutan 3,5-DCP dan 3-BP yang bervariasi konsentrasinya untuk dikocok pada shaker pada 120 rpm dan suhu ruangan 20°C. Juga dilakukan analisis kemampuan adsorpsi sludge, yang mana sludge diambil dari tangki aerasi yang tanpa ditambahkan karbon aktif atau disebut sebagai kontrol. Sedangkan kemampuan desorpsi daripada PAC ditentukan dari % rate desorpsi yang diperoleh setelah proses adsorpsi tercapai dalam equilibrium Untuk kemampuan biodegradasi dari lumpur aktif dilakukan percobaan secara batch untuk lumpur aktif dengan konsentrasi sludge sebagai MLSS 2000 mg l-1 yang ditambahkan 50 mg l-1 masingmasing 3,5-DCP dan BP untuk dianalisa setiap saat 3,5-DCP dan 3-BP serta konsentrasi terbiodegradasi Cl- dan Br - .
Gambar 1.
Skema peralatan penelitian pengolah limbah dengan PACT proses
Sedangkan komposisi daripada limbah sintetik dapat dilihat pada Tabel 1. Limbah sintetik dirnasukkan ke dalam tangki aerasi dengan laju alir 7 I h-1. pH dipertahankan pada kisaran 6,5-7,5 dan suhu ruangan dipertahankan pada 20 °C. Karbon aktif digunakan pada penelitian ini terbuat dari coal dengan nama dagang Mitsubishi. Tabel 1. Komponen limbah sintetik*) Komponen Konsentrasi (mg l-1) Polypepton 446 KH2PO4 17.40 NaHCO3 111 MgSO4.7H2O 5.2 CaSO4.5H2O 2.11 FeSO4.7H2O 0.06 TOC 200 *)Nishijima dkk. (1993) Karbon aktif yang berupa serbuk (PAC) dimasukkan ke dalam lumpur aktif dengan konsentrasi Jurnal EKSTRAK , Vol. 1, No.1, Juni 2006
Percobaan pada kondisi shock loading Percobaan ini dilakukan setelah proses aklimasi dengan limbah sintetik. Shock loading diberikan pada tangki aerasi dengan konsentrasi 50 mg l-1 dengan laju alir sama dengan limbah sintetik selama 1 hari. Sampling dari efluen diambil secara periodik selama 7 hari operasi. Untuk 3,5-DCP besarnya konsentrasi yang diadsorpsi dihitung dari 3,5-DCP balance di influen, efluen dan yang dibiodegradasi. Besarnya 3,5-DCP yang dibiodegradasi diestimasikan dari konsentrasi CIpada efluen. Demikian juga untuk 3-BP dimana biodegradasi dari 3-BP ditentukan daripada konsentrasi Br - pada efluen. Metode Analisis Untuk keperluan evaluasi kinerja dari pengolah limbah lumpur aktif dilakukan analisis konsentrasi dissolved organic carbon (DOC) yang dilakukan dengan TOC analyzer (Shimadzu TOC-500). Konsentrasi 3,5-DCP dan 3BP dianalisis menggunakan high performance liquid chromai (JASCO-LC2000 plus HPLC) dengan kolom zorbac SB-Cl8 dan UV detector pada panjang gelombang 280 nm serta menggunakan 29
mobile phase larutan 0,1% asam phosphorair/acetonitrile dengan rasio 40/60 dengan laju alir 0,8 ml min -1 . (Berbani dkk, 1987). Konsentrasi CI- dan Br - dianalisis menggunakan ionchromatography (Dionex DX-500). MLSS ditentukan berdasarkan standard methods for examinition of waste and wastewater (APPA, 1989).
desorpsi dari PAC terhadap 3,5-DCP dan 3-BP yang masing-masing diperoleh harganya sekitar 2 % (atau dinyatakan sebagai tidak terdesorpsi) dan 1520 % (terdesorpsi), sedangkan untuk kemampuan biodegradasi lumpur aktif terhadap 3,5-DCP adalah tidak terbiodegradasi dan terhadap 3-BP adalah terbiodegradasi yang dapat dilihat pada Gambar 3 sedangkan pada 3,5-DCP tidak terbiodegradasi.
Hasil dan Pembahasan Kemampuan adsorpsi karbon aktif baru didalam tangki aerasi Kemampuan adsorpsi dari karbon aktif terhadap 3,5-DCP dan 3-BP pada keadaan baru dan didalam tangki aerasi dapat dilihat pada Gambar 2 yang menggunakan perhitungan dengan cara Freundlich adsorption isotherm.
Gambar 3. Batch test biodegradasi didalam lumpur aktif dengan MLSS 2000 mg l -1 konsentrasi awal 3-BP 50 mg l -1 dan diperoleh konsentrasi akhir Br - 27,8 mg l -1
Gambar 2. Adsorption Isotherm untuk PAC terhadap substansi 3-BP dan 3,5 DCP Pada Tabel 2 disajikan hasil perhitungan kemampuan adsorpsi menggunakan cara tersebut diatas memakai persamaan Freundlich sebagai berikut: X/M =KCf1/n. Kemampuan adsorpsi dari pada PAC terhadap 3,5-DCP dan 3-BP adalah hampir sama (nilai K adalah 270,63 dan 1933,43 mg g-1 ). Sedangkan kemampuan adsorpsi untuk sludge diabaikan, karena nilai K untuk 3,5-DCP pada lumpur aktif adalah 1,95 mg g -1 yang nilainya sangat jauh dibandingkan dengan besarnya kemampuan adsorpsi di tangki aerasi seperti yang terdapat pada Tabel 2. Tabel 2. Karakteristik 3,5-DCP dan 3-BP terhadap kemampuan adsorpsi dan desorpsi dan biodegradasi Substansi/ bahan
3,5-DCP
Daya adsorpsi dengan Freundlich (mg g-1) 270,63
3-BP
203,66
Daya desorpsi
Daya biodegrad asi
Tidak terdesorpsi
Tidak terbiodeg radasi Terbiode gradasi
Terdesorpsi
Pada lumpur aktif setelah diaklimasi dengan limbah sintetik polypepton dan menunjukkan kinerja yang stabil, selanjutnya dilakukan penambahan masing-masing substansi 3,5-DCP dan 3-BP baik untuk reaktor PACT maupun reaktor kontrol (lumpur aktif tanpa penambahan PAC) secara shock loading. Dari Gambar 4 diperoleh hasil peak untuk reaktor kontrol dengan penambahan secara shock loading 3,5-DCP menunjukkan lebih tidak dapat terolah dengan lumpur aktif dibandingkan dengan 3-BP, hal ini karena toxicity terhadap lumpur aktif daripada 3,5-DCP lebih tinggi daripada 3-BP. Sedangkan pada reaktor PACT diperokeh hasil peak untuk 3,5UCP hampir sama dengan 3-BP, hal ini dikarenakan walaupun pada 3,5-DCP hanya terjadi proses adsorpsi saja tetapi menghasilkan total removal yang sama pada proses di 3-BP yaitu; adsorpsi dan biodegradasi. Berdasarkan hal tersebut diatas, selanjutnya dilakukan klarifikasi dengan perhitungan secara mass balance daripada komponen untuk 3,5-DCP dan 3-BP baik di reaktor kontrol maupun di reaktor PACT, diperoleh hasil seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Pada Tabel 2 juga ditunjukkan kemampuan Jurnal EKSTRAK , Vol. 1, No.1, Juni 2006
30
Gambar 4. Perubahan konsentrasi effluen dari substansi 3,5-DCP dan 3-BP pada reaktor PACT maupun reaktor kontrol
Gambar 6. Proses adsorpsi dan dilanjutkan dengan proses biodegradasi dan desorpsi secara perlahan pada reaktor PACT terhadap substansi 3-BP sedangkan pada reaktor kontrol hanya terjadi proses adsorpsi dan biodegradasi. Terlihat pada reaktor kontrol bahwa proses biodegradasi selesai pada jam ke 74 sedangkan pada reaktor PACT proses desorpsi dan biodegradasi selesai pada jam ke 168. Dilain hal, pengolahan 3,5-DCP di reaktor kontrol maupun PACT tidak terjadi reaksi biodegradasi. Hal ini secara teoritis dapat ditunjukkan bahwa 21,78 mg l-1 akan dihasilkan dari penambahan shock loading 50 mg l-1 , akan tetapi dari hasil analisa Cl- tidak menunjukkan perubahan konsentrasi yang signifikan yaitu konsentrasi efluent berkisar antara 1-3 mg l -1
Gambar 5. Perbandingan jumlah dari substansi 3,5DCP dan 3-BP yang teradsorpsi dan terbiodegradasi pada reaktor PACT maupun reaktor kontrol Disini terlihat bahwa di PACT proses untuk mengambil 3.5-DCP hanya melalui proses adsorpsi (88% removal) sedangkan pada PACT untuk mengambil 3-BP melalui proses adsorpsi (50% removal) dan proses biodegradasi (37% removal). Disamping itu juga terlihat bahwa bila diperbadingkan antara removal 3-BP pada reaktor PACT untuk biodegradasi bertambah tinggi dibandingkan dengan biodegradasi di reaktor kontrol (kemampuan biodegradasi removalnya adalah 1,4 kali lebih baik), hal ini menyebabkan stabilitas bertambah baik oleh adanya kombinasi adsorpsi dan biodegradasi, sesuai dengan pendapat De Walle and Chian (1977) dan Sundstrom dkk.(1979). Sedangkan pada Gambar 6 terlihat bahwa pada PACT terjadi mekanisme adsorpsi sampai habis (pada jam ke 40), kemudian dilanjutkan dengan proses desorpsi dan biodegradasi secara perlahan.
Kesimpulan Dari penelitian ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. PACT reactor mempunyai kinerja yang sangat baik untuk mengolah limbah cair dengan kandungan baik substansi 3-BP maupun 3,5DCP. 2. Walaupun adsorpsi merupakan mekanisme utama untuk mengambil substansi 3,5-DCP dengan kemampuan desorpsi yang rendah, tetapi mekanisme adsorpsi, desorpsi dan biodegradasi telah terjadi pada substansi 3-.BP dengan kemampuan desorpsi yang tinggi 3. Diperoleh hasil pelitian juga bahwa kemampuan biodegradasi yang semakin baik pada reaktor PACT dibanding dengan reaktor lumpur aktif dalam mengolah substansi 3-BP Daftar Pustaka Barbeni, M., Minero, C., Pelizzetti, E., (1987), “Chemical degradation of chlorophenols wia fenton's reagent”, Chemo.rphere, 16, pp.2225-2237. De Jonge, R.J., Breure, A.M., Van Andel, J.G., (1991), “Enhanced biodegradation of o-cresol activated sludge in the presence of powdered activated carbon”, App1 Microbiol
Jurnal EKSTRAK , Vol. 1, No.1, Juni 2006
31
Riotechnol, 3, pp. 683-687. De Walle, F.B., Chian, E.S.K., (1977), “Biological regeneration of powdered activated carbc added to activated sludge units”, Water Research, 11, pp. 439-446. Fox, P. and Suidan M. T., (1994), “Adsorption of biologically inhibitory compounds as proce control mechanism in biological reactors”, J. of Hazardous Materials, 38, pp.389-404. Nishijima, W., Itoh, H., Okada, M., Murakami, A., (1993), “Simultaneous removal of phenol ar ammonium nitrogen by activated process added with biological support media and fixedbe process”, J of Japan Society on Water Environment, 16, pp.284-290. Specchia, V, Gianetto. A., (1984), “Powdered activated carbon in an activated sludge treatment plant”, Water Research, 18, pp.133137. Sundstrom, D. W, Klei, H.E., Tsui, T., Nayar, S., (1979), “Response of biological reactors to the addition of powdered activated carbon”, Water Research, 13, pp.1225-1231. Syamsiah, S. and Hadi, I.S., (2004), “Adsorption cycles and effect of microbial population on phenol removal using natural zeolit”, Sep. and Purif. Tech., 34, pp.125-1133.
Jurnal EKSTRAK , Vol. 1, No.1, Juni 2006
32
