tssN1693.9433
.IURNAL
ffiF
nro no.2Asustus2ooT
I ilOOTIE SITII CflEN I CAL Eil E NEENTIOJ OUR,Nil
ffisffiffiffi lnOONESle
Penerbit: PENDIDIKAN TINGGITEKNIKKIMIAINDONESIA ASOSIASI (A P T E K r N D O)
JURNAL
I TI|,diTTE SII II CHEN' CIL ETICI TIEEI'il E J O'NMI
Fsffffi#ff KOMOffi
2007 Vol,6No,2Agustus
-
tnDonEste
Ketua Dewan Editor : Yazid Bindar, Ph.D.oM.Sc.,Ir Bandung InstitutTeknologi Dewan Editor : Abdullah, Ph.D., MS., Ir Diponegoro Universitas Didi DwiAnggoro, Ph.D., M.Eng.,Ir Universitas Diponegoro
HM. Hatta Dahlan,Dr.,M.Eng.,Ir UniversitasSriwijaya
Hj. SusilaArita, Dr., Ir Sriwijaya Universitas Herri Susanto,Prof., Dr.nIr Bandung InstitutTeknologi Mahfud, Dr., DEA.,Ir Nopember Sepuluh InstitutTeknologi SanggonoAdisasmito, Ph.D., M.Sc., Ir Institut Teknologi Bandung
SugengWinardi, Prof.,Dr.oIr InstitutTeknologiSepuluhNopember
SuryoPurwono,Ph.D.,MA.Sc.,Ir Universitas Gadjah Mada
Wahyudi Budi Sediawan,Prof., Ph.D.oSU.,Ir Universitas Gadiah Mada
SekretarisRedaksi : Luh Indi Baramuni. ST. MT.
KIMI.A INDONESIA TINGGI TEKNIK PENDIDIKAN ASOSIASI (A P T E K I N D O) SekretariatRedaksi: ProgramStudi Teknik Kimia FakultasTeknologiIndustri Institut TeknologiBandung,,Jl. Ganesha10 Bandung40132 Telp. (022)250 0989Ext. 355Fax. (022)250 1438 Web : wwwiurnaltkimia.org E-mail : redaksi itki6Dche.itb.ac.id,
I: !
t
t*{jl* I
Vol.6 No.2Agustus2007
tssN 1693-94:
RNA
52rtE|e
L
AIn
,tm|E
At qEnrctl EtcltEEilnc Jotnilet
w&ffidffi tnoonEste
Daftar Isi 595- 60 SintesaMinyak GorengSehat(Diacylglycerol) Tatang H.Soerawidjaja RoyWinarso, DanuWicaksana, TrrtoPrakoso, Silat ReologiLarutan Tapioka
602- 60
DanuAriono,Lestri Fajrinia,Ria Julyana,Manullang Fermentasi Ethanol Menggunakan Bakteri Zymomonasmobilis 609 - 61t dari GtukosaHasilHidrolisa Enzimatik Bagas Saraswati PemodelanReaktor Sharon dengan Umpan Urea-Amonia TjandraSetiadi,Indrie Ratnasari,TrimaharikaWidarena
617- 62
Biodegradable Polymer dari Asam Laktat M.H. Nasution R. Nugraheni, I. Noezar,V.S.Praptowidodo,
626 - 63
Pemodelandan Simulasi Reaktor Mikro untuk Produksi Hidrogen 634- 64 SebagaiUmpan Bahan Bakar Kendaraan Bermotor YogiWibisonoBudhi,Subagjo
Dehidrasin-ButanolMenjadi SenyawaButenapada KatalisMolecular Sieve13X dalamReaktorUnggunTetap
642- 64
Melia Laniwati Gunawan,Hendrik Susanto
KonversiKatalitik n-ButanolMenjadi Hidrokarbon C2-C4 MenggunakanKatalis BrOrlZeolitAlam SetiadidanDariyus
649- 65
;; ] \
PEMODELAN REAKTOR SHARONDENGAN UMPAN UREA-AMONIA Tjandra Setiadi,Indrie Ratnasaridan Trimaharika Widarena ProgramStudiTeknik Kimia ProdukTeknik Kimia dan Pengembangan Perancangan KelompokKeahlian FakultasTeknologilndustri, Institut TeknologiBandung Jl. GanesaNo.l0,Bandung40132 E-mail:
[email protected]
Abstrak ProsesSHARON (Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)-Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) belum pernah digunakan untuk mengolah air limbah dengan konsentrasi urea tinggi. Data-data yang diperoleh dari percobaan pendahuluan belum dapat menjelaskan unjuk keria reaktor SHARON dengan umpan berupa urea' amonia. Oleh karenq itu, perlu disusun pemodelan matematika untuk menentuksn parameter kinetikq pertumbuhan mikroba dan parameter stoikiometrik real<siyang teriadi pada reaktor SHARON. Penyusunan model dilalatkan berdasarkan neraca massa reaklor tangki kontittyu berpengaduk. Model yang dihasilkan berupa sistem persamaan non-linear yang diselesaikan dengan program Matlab. Hasil simulasi model menuniukkan bahwa konsentrasi nitrat sama dengan nol pada keluaran reaktor SHARON dengan umpan ureaamonia tidak dapat dicapai. Untuk mendapatkan nisbah nitrit terhadap nitrat yang ekuimolar, diperlukan umpan dengan komposisi urea dan bikarbonat yang ekuimolar. : I,l6E-05 s't, Parameter kinetikyang diperoleh dari hasil optimasi model adatah,pffi
= 3,ss8E-0st'', Kii;ir= 3,34E-02 mol mL-3,Kiifro, : t,45E-02mot mL3, Kilho, : 6,I 4E-03motmL-3. Kata Kunci : pemodelan,SHARON, urea-amonia,parameterkinetik Abstract SHARON (Single reqctor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)-Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) has never been usedfor treating wastewater with high urea content. Three prior researches have been done to exqmine the performance of SHARON process with urea-ammoniafeed but the results are still unable to explain its performance. To explain these results, a model of SHARONprocess is needed to be built. Based on material balances of SHARON process in q stirued tank reqctor, a model was built. The model is nonlinear dffirential equation system qnd was solved using Least Square Method with the help of MATLAB. The simulation result shows that nitrate was always occurred in the efrluent of the SHARONprocess. Based on this research, equimolar nitrite to ammonia ratio cqn be obtained only tf the feed is equimolar in urea and : I ,1 6E-05 s I, bicarbonate composition. Optimized kinetic parameter obtained are p'J: F^o:
mot mL'3, 3,ss8E-0si', KiIl:3,34E-02 mol mL'3,Kii{no, : 1,45E-02
Ki]tror:-6,14E-03 mol mt3. This resultsshow that there are inhibition in oxidizing qmmoniumin thereqctorand inhibitionon growthof nitrite oxidizer. Ur",," prarameter Keywords: modeling, SHARON,urea-animoniu,
f
Pemodelan Reaktor sharon dengan Llmpan [Jrea Amonia (fiandra setiadi, dkk)
1. Pendahuluan Proses SHARON memiliki berbagai keunggulanj ika dibandingkandenganteknologi pengolahan air limbah . konvensional. Proses SHARON yang digabungkan dengan proses Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) limbah dengan mampu mengolah air 2000 ppm dan dari lebih konsenffasiamonia kecil dari lebih N terhadap C perbandingan air pengolahan teknologi itu, Sementara 0,15. limbah konvensional hanya mampu mengolah air limbah dengan kandungannitrogen kurang dari 200 ppm (Setiawandan Wibisono,2003). Dengan keunggulan tersebut, proses SHARON memiliki potensi yang besar untuk diaplikasikan dalam sistem pengolahan air limbah industri pupuk urea yang memiliki kandungan nitrogen lebih dari 2000 ppm. yang nitrogen Permasalahannya, 85% berada tersebut limbah air dalam terkandung dalam bentuk senyawa urea. Proses SHARON telah terbukti memiliki unjuk kerja yang baik dalam pengolahan limbah amonia. Namun, kinerjanya dalam mengolah air limbah dengan kandungan urea-amonia masih belum diketahui secarapasti. DepartemenTeknik Kimia Institut Teknologi Bandung telah melakukantiga buah penelitian untuk mengevaluasi unjuk kerja Reaktor SHARON dengan umpan berupa limbah urea-amonia. Tujuan dari penelitian tersebut adalah mengetahui kondisi operasi terbaik reaktor SHARON dengan menganalisa pengaruh parameter HF.T (Hydraulic Retention Time), pH, dan konsentrasiurea dalam umpan terhadap kinerja reaktor SHARON (Hartono dan Praptana,2005). Data-datahasil percobaanyang diperoleh ternyata belum dapat menjelaskan fenomena yang terjadi pada reaktor SHARON apabila umpan berupa air limbah urea-amonia berkonsentrasitinggi. Oleh sebab itu, perlu disusun pemodelan matematika untuk menentukan parameter kinetika pertumbuhan mikoba dan parameterstoikiometrikreaksi. 2. Fundamental Kombinasi proses SHARON Anammox bernrjuan untuk mengolah air limbah dengan kadar amoniatinggi menjadi gas nitrogen.Pada dasarnya proses tersebut terdiri atas tahap nitrifikasi parsial yang kemudian dilanjutkan dengan oksidasi amonium secara anaerobik. Reaklor SHARON berperan unhrk melakukan nitrifikasi parsial dengan mengoksidasi amonium menjadi nitrit dan nitrat dengan perbandingan komposisi I : 1, sedangkan untuk berfungsi Anammox reaktor mengoksidasi amonium serta nifrit yang
{
dihasilkan oleh reaktor SHARON meirjadi gas nitrogen. Reaktor SHARON beroperasi pada temperaturtinggi (30-40"C) dan rentangpH 7-8 berpengaduk. kontinyu reaktor dalam Keuntungan dari tingginya temperatur operasi ini adalahbahwa pada kondisi tersebutbakteri pengok"idasi nitrit (N i tr obacter) atmbuh dengan laju spesihk lebih rendah dari bakteri pengoksidasiamonia(N itr osomonas).Sehingga, denganmemilih waktu tinggal cairan (Hidraulic Retention Time, HRT) yang tepat, Nitrosomonas dapat tetap tinggal di dalam reaktor sementara Nitrobacter akan terbawa aliran keluar reaktor (Hellingadkk.,l998). Selama nitrifikasi berlangsung, pH larutan akan menurun dengan signifikan karena dibebaskannyadua mol H' untuk setiap NHayang dikonversi(Volcke dkk., 2002).Fenomena ini digambarkan oleh persamaan I dan 2 berikut. NHr'+1,502- NO; + 2If + HzO HCq- + I{ - H2O + CO2
(l) Q)
Untuk menjaCa,..gHpada tingkat yang diinginkandapatdilakukan oelucutanCO2yang terbentuk. Sisa proton dari reaksi 2 dapat dikonsumsi dalam proses denitrifikasi dengan menambahkansumber COD seperti metanol. Hal ini digambarkanpadapersamaan3. NOr- + 0,5CH3OH+ Il -
0.5N2+ l.5H2O (3)
Proses denitrifikasi sendiri akan bergantungpada kapasitasbuffer medium serta tingkat pH yang diinginkan (Hellinga dkk.,1998). Dalam proses Anammox (Anaerobic Amonia OXidation) amonia dan nitrit dikonversi menjadi gas nitrogen Amonia diubah sebagian menjadi nitrit (persamaan reaksi 4.a) oleh bakteri pengoksidasi amonia aerobik dalam kondisi oksigen terbatas. Selanjutnya, bakteri pengoksidasiamonia anaerobikakan mengubah amonia dan nitrit yang terbentuk menjadi gas nitrogen (Persamaanreaksi 4.b). Kedua reaksi tersebut dapat digabungkan menjadi sistem reaksi yang digambarkan persamaan 4.c (Sliekersdkk.,2002). iNH, + l-5 O, -+ li'{O. + H,O+ H'
(4.a)
+2H2O e.b) +^FI'+1.02N,+0.26NO; lNHr+1.321*'$ +0 lal| +La3F.O (4.c) +0 lL\Q +0.4.tM, L\7J,+O&XQ Bakteri Anammox secara reversibel dihambat' oleh kehadiran oksigen, sehingga proses yang digambarkanoleh persamaan4.c
Vol. 6 No. 2 JurnalTeknikKimia Indonesia"
harus terjadi pada keadaanoksigen terbatas. Bakteri pengoksidasiamonia secaraaerobik N2OdanNO dalamkondisi dapatmenghasilkan oksigenterbatas. Model yang dikembangkan dalam neracam:rssa penelitianini disusunberdasarkan dengan SHARON reaktor sistem bahwafasacair danfasagasdi mengasumsikan dalam reaktor teraduk sempurnadan reaksi hanyaterjadi pada fasa cair. Selainitu, laju difusi-antarfasa yang terjadi dalamtransfer dan nitrogendianggap oksigen,karbondioksida, jauh lebih cepat dibandingkandenganlaju reaksi sehingga tidak mempengaruhilaju keseluruhan. Reaktor SHARON merupakanreaktor GambarI berikut tangkikontinyuberpengaduk. skemareaktorSHARON. menunjukkan
2001:617 - 625
dan oksidasinitrit menjadi nitrat oleh bakteri Nitrobacter. Menurut Volcke dkk. (2002), l6srt'r3reaksi tersebut dapat dinyatakanoleh pe' .Jmaan7 dan8 berikut: o = ig r
cs
, -fu-= r\a +ra
^s3rLB
--&-
(7)
.y
tr;6rr-C* r1
P:=rr*"E*:ffixVffi;x.Yt, ^
-,,dt
Cr*r.
-,
(8)
p1dan p2berturut-turutmenyatakanpersamaan kinetika untuk reaksi oksidasi amonium dan reaksioksidasinihit. Persamaanlain yang juga berkaitan dengan kinetika reaksi SHARON adalah persamaan kesetimbangan antara amonium./amoni4 dan asamnitraVnitrit.Kedua persamaan tersebutdinyatakanoleh persamaan 9 dan10. CnonxC,-, Mot-=T: -}&{
(e)
C*'*Croi KQsvo, =
Gambar 1. Skema Reaktor SiYARON Neraca massa untuk senyawa i dengan konsentrasiCi dapatdisusunsebagaiberikut: d \YtlLu) di, * e.r- $ x cu+ r,xY, (-s) dt Konsentrasi senyawa i dalam keluaran sistem sama dengan konsentrasi senyawa i dalam reaktor setiap waktu. Volume fasa cair dapat dianggap konstan terhadap perubahan konsentrasi fasa cair (Volcke dkk., 2002). Dengandemikian,persamaan5 menjadi: dC,,
()?
-xt'; Y,
.I\olrt
-!-l-- xC,,+4 (6) I', Adapun komponen-komponen yang disusun neraca massanya adalah amonium, nitrit, nitrat, biomassa bakteri pengoksidasi (Nitrosomonas) dan bakteri amonium pengoksidasinitrit (N itro bacter). Berkaitan dengan kinetika reaktor SHARON, terdapat dua buah reaksi yang diperhatikan, yakni: oksidasi amonia menjadi nitrit yang dilakukan oleh bakteri Nitrosomonas -= dt
(t0)
C roo.
Kedua kesetimbanganitu dipengaruhi oleh konsentrasi H* dalamsistem. MenurutVolcke dkk. (2002),konversi reaksi dapat dihitung sebrgai |Urt0,, j=l
denganp.;menlatakanlaju reaksi,sedangkan Ai.; merupakanmatriks stoikiometri reaksi yang menunjukkan koeflrsien perolehan dan komposisi biomassa dari komponen yang terlibatdalamreaksioksidasiamoniummaupun nitrit. Persamaankonversi untuk amonium, nitrit, nitrat, biomassa bakteri pengoksidasi amonium dan bakteri pengoksidasi nitrit ll, 12, 13, 14 dan ditampilkan olehpersamaan 15. Pada persamaantersebut,Yr dan Y2 merupakan perolehan Nitrosomonas dan Nitr obacterterhadapsubstrat. Neraca ..,sssa komponen amonium, nitrit, nitrat, Nitrosomonqs dan Nitrobacter yang terlibat dalam unjuk kerja reaktor SHARON dalam mengolahair limbah ureaamonia berturut-turut ditunjukkan oleh persam&m 16, 17, 18, 19 dan 20.
I
fr7 *"''(tz)
r-,=(-n*)*(pff #fu #h #;'x-)-#"@* #; '
f*t:-
-9*--*s1*,'1 r.*,=(i)'(t,k"-ffi * c,*.*-Kfil +c* n -,,@. - tw ^ ')(ffi
c* c*r ^y* * *--K?X"tKi&o',.+c*r, +c. +cn K* Kffi , C^o,
-,,nt -^ = r.r-, Ir*
(13)
*
Xg*
(14)
,Coz * X-.. att Ktr.+ Coz^"
(l 5 )
"**^
t=S"{c-.-c]-"xffi*--*; {o*"&4fuft*,
yrm ALtDlIt
rZ|@
,F
>(-)
\$D2'r-\-Eq)z
ol" Dil'.c*txc"*-4",,*. tYl '-* +=+*.r$i"-91 vL [{€w{ vL cu* dt *tM{l
L
-
Kfr *-::---E;E;''|
- r*)
\ta.oz+-K;;;
(16)
Co: Kfi+co,
c*, Kffi+c*,
E
/c**tc*') . ,9ot .O1 -)-Kt*"t-. -(uo '" ui r
K€sr:o2
(C o**c*z\
x"s'","= *-{a - ^x,u K[i+co,
!9-=-+rcyor+).ur* *' dt
Y2
T^"unt
K*or+c r**cxo',." Kento,
dCorn
dt
=tr* r-M *
r^\v
dC *u dt
= t's t:!!_ .
C*,
Kffi +c..r,
,
,Cr*xCtsl', Kawoz k,ntr -Co**C^o, "r!n2 K"*o,
Co,
(18)
??ffim
At.ntzz
,
C"*tCt Kfr +Co, A v*t r . m o ,r - W
.
tr,
. -f
K{r+Co,
Notasi N menyatakan jumlah senyawa nitrogen total dalam bentuk amonia, nitrit dan nitrat. nnit dan namm berturut-turut merupakan jumlah atom N Pada Nitrobacter dan Nitrosomonas. 3. Metodologi Penelitian ini dirancang untuk dilakukan melalui beberapatahap. Tahap pertamaadalah pengumpulan data percobaan. Data-data tersebut merupakan hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya.Tahap kedua merupakan pembangunan model matematika berdasarkan nrru.u massa reaktor SHARONo' Model matematika yang dihasilkan berupa sistem persamaan non-linear yang diselesaikan dan disimulasikan dengan rutin fs olv e pada program MATLAB@. Secara garis besar, beberapa langkah yang diperlukan untuk menyelesaikanmodel
xXo ^ t
( 1e)
,,
(20) matematika yang telah disusun adalah penentuan tebakan awal, penulisan' rutin danoptimasi. MATLAB, simulasi, Tebakanawal yang digunakandalam peneiitianini adalahdatakondisi tunakreaktor SHARON yang diperolehdari dua penelitian sebelumnya,yaitu "BiodegradasiUrea Dalam Reaktor SHARON" yang dilakukan oleh. Pasaribupada tahun 2004-2005 dan "Ures Biodegradation in The Wastewater Using SHARON Process" yang dilakukan oleh danHartonopadatahun2004. Praptana Pasaribumeneliti mengenai pengaruh HRT terhadapunjuk kerja reaktor SHARON dalam mengolahair limbah urea-amoniapada pH = 7 sedangkanPraptana dan Hartono menelitihal yang samapadapH : 8,9. Kedua penelitian ini memiliki kondisi operasi, selain tlerajat keasaman, yang sama yaitu pada temperatur 35oC, konsentrasi
E
JurnalTeknikKimia Indonesi4Vol. 6 No. 2
urea 400 ppm dan HRT selama 0,6 hari, 0,8hari, t haridan 1,3hari. Perhitungan jumlah biomassa yang dihasilkan reaklor SHARON dilakukan persamaan 2l dan22 berikut. berdasarkan lxdn,,i=rrL--'[c* *c.o] = oor:x[c.o+c.o] erl \/r,'^* | u, 1ni4=$*lc*] = e,u*to-"lc*] /t,
matematika model Simulasi ditulis menggunakan bahasa MATLAB model matematikayang diperoleh. berdasarkan yang diperlukan untuk Konstanta-konstanta melengkapi persamaanmodel diambil dari Volcke(2002). tebakanawal,empat Untuk mendapatkan disimulasi titik datahasilpenelitiansebelumnya terlebih dahulu untuk mendapatkantitik-titik model. Empat titik model ini kemudian sehingga diregresi sesuai kecenderungannya diperoleh persamaan regresi. Berdasarkan persamaanregresi inilah tebakan awal baru ditentukan.
4. Hasildan Analisis Pada reaktor SHARON terjadi tiga urea,oksidasi prosesutamayaitu biodegradasi amoniadanoksidasinitrit. Hasilsimulasiunjuk kerja reaktorSHARONmenunjukkanpengaruh HRT terhadapketiga proses tersebut.Selain simulasi,pada penelitianini juga dilakukan parameterkinetik optimasiuntuk mendapatkan prosesSHARON. PengaruhHRT dan pH terhadapproses biodegradasiurea dalam Reaktor SHARON dapatdiamatidari nilai konversiurea.Gambar2 menunjukkanpengaruhHRT dan pH terhadap konversiureadalamreaklorSHARON. dapat Berdasarkan Gambar 2, disimpulkan bahwa biodegradasi urea cepat.Hal ini dapatdilihat dari berlangsung tingginyakonversiurea pada setiapHRT baik padapH : 7 maupunpH : 8,9. Semakinlama FIRT maka semakin banyak pula urea yang terdegradasi menjadi amonia karena dalamreaktormemiliki waktu mikroorganisme urea. yangsemakinbanyakuntukmengkonversi Namun, pada HRT : 0,6 hari, konversi urea lebih rendah dibandingkandengan konversi pada HRT yang lebih lama. Hal ini belum mengindikasikanbahwa kesetimbangan : 8,9, : pH pada hari. Pada 0.6 HRT tercapai pada dibandingkan lebih rendah urea konversi pH : 7 untuk semuanilai HRT kecualiHRT = 0,6 hari. TingginyakonversiureapadapH: 7 dalam hidrolisisurea berlangsung disebabkan
I-
-625 2007:617 Reaksiyangterjadidapat reaksikesetimbangan. 23. dilihatpadapersamaan co(NH)2+t{+ 2HzO<+2NHa=+HCO3-(23) Pengaruh HRT Terhadap Konverai Urcq
orf
epfl:8,9
o'r r o'o
-pH
:7
I
0,2t-
ol0.5 0,7 0.8 0,9 r I,t HFf, Fafi,
t,? 1.3
Gambar2. PengaruhHRT terhadapkonversiurea Pada konsentrasitf yang lebih keci. kesetimbanganreaksi hidrolisis urea akan urea. Hal yang bergeserke arah pembentukan berbedaterjadipadaHRT: 0,6 hari. Konversi urea pada pH : 7 lebih rendah daripada 8,9. Fenomenaini konversi pada pH wea (Bacillus disebabkanbakteri pendegradasi pasteurii) tergolongsebagaibakteri alkalifilik. Menurut Kenneth Todar (2002), kondisi optimum pertumbuhan bakteri Bacillus pasteurii adalah pada pH : 8 dan bahkan terdapatbeberapastrain yang mampu hidup pada pH = ll. Aktifitas bakleri yang lebih tinggi pada pH : 8,9 mengakibatkanurea terdegradasidenganlebih cepat. Sepertitelah dijelaskansebelumnya,pada HRT : 0.6 hari, belumtercapai.Dengan kondisi kesetimbangan demikian, pada waktu tinggal yang sama, aktivitasbakteriyanglebihtinggi padapH = 8,9 lebih banyak memungkinkanurea terdegradasi padapH : 7. daripadaureayangterdegradasi ' Profil konsentrasi dalam reaktor SHARONdisajikandalamGambar3 untukpH : 7 dansedangkan Gambar4 untukpH : 8,9.
-
cNF: cftoz c{o, Xam r t
Cf{laida
Xry3rlr + xdllla. . cfrqital: o CHoJ.rr
/l t.t
_-_-_-_--,*.f--
Garnbar 3. Profil konsentrasi NH3, NO2, NO3, Xr., dan Xn1 t e r h a d a pH R T p a d ap H : 7
Pemodelan Reaktor Sharon dengan lJmpan Urea - Amonia Ogl4fg
I
Gambar 4. Profil konsentrasiNH3' NO2, NO3, X,., dan Xn1 t e r h a d a pH R T p a d a p H : 8 ' 9 Nitritasi merupakan proses konversi amonium menjadi nitrit, saat oksidasi lebih lanjut nitrit menjadi nitrat dihindari. Pada Gambar 3 dan 4 dapat dilihat suatu kecenderunganyang sama dalam hal pengaruh HRT terhadap konsentrasi nitrat. Dari hasil simulasi pada pH : 7 dan pH - 8,9 daPat disimpulkanbahwa HRT yang lebih lama akan mengakibatkan konsentrasi nitrat yang lebih tinggi pada keluaran reaktor SHARON. Semakinlama HRT memungkinkanNitrobacter untuk mengoksidasilebih banyaknitrit menjadi nitrat. Reaktor Anammox memerlukan umpan dengan nisbah nitrit terhadap amonium ideal sebesar l:1 untuk dapat mengolah limbah amonia dengan baik. Limbah amonia ini dikonversi menjadi N2 menurut persamaan reaksi 24 yang merupakan persamaanproses Anammox yang disederhanakan dengan mengabaikanperfumbuhanbiomassa.
(24)
NHt'+NO2--N2+2H2O
Dari hasil simulasi diperoleh bahwa nisbah nitrit terhadapamonium dalam keluaran SHARON selalulebihbesardari l. Nisbahnitrit terhadapamonium terhadapHRT dapat
3m 250 .: 200 o
E r50
lz t5*0 o+4 095
135
HRr $rri)
Gambar 5. PengaruhHRT terhadap n i s b a hn i t r i t t e r h a d a pa m o n i u m
S{lSdi' iku
---I
Karena nisbah nitrit terhadapamonium yang dihasilkanjauh lebih tinggi dibandingkan dengan umpan Anammox ideal, dapat disimpulkanbahwa keluaran reaktor SHARON ini tidak dapatdigunakansebagaiumpanproses Anammox. Salah satu faktor yang paling mempengaruhinisbah nitrit terhadapamonium adalah ,risbah amonium dan bikarbonatdalam umpan reaktor SHARON. Beberapa sumber (Volcke dkk, 2005 dan Loosdrechtdkk, 2002) menyebutkan bahwa nisbah nitrit terhadap amonium sebesar l:l dapat dicapai dengan umpan yang mengandungnisbah amoniumdan bikarbonatyang ekuimolar. Hal yang paling mempengaruhinisbah amonium terhadap bikarbonat pada penelitian ini adalah umpan yang digunakan. Pada penelitian ini umpan yang digunakan adalah urea. Setiap mol urea yang terhidrolisis akan menghasilkandua mol amonium dan satu mol bikarbonat.Untuk memperolehnisbahamonium terhadap bikarbonat yang ekuirnolar, umpan perlu mengandungsatu mol bikarbonatuntuk setiapmol ureayang diumpankan. Pengaruh HRT terhadap nisbah nitrit terhadap amonium dllam keluaran proses SHARON juga dapat diamati pada Gambar 5. PadapH operasisebesar7, semakinbesarnilai HRT maka nisbahnitrit terhadapamoniumjuga akan semakin besar. Hal ini berbedadengan nisbahnitrit terhadapamonium padapH = 8,9. Padakondisi operasi ini, nisbah nitrit terhadap ammonium semakin bertambah dengan kenaikan HRT hingga mencapai puncaknya pada HRT : l,l hari. Setelahitu, nisbahnitrit berkurang dengan terhadap amonium bertambahnya HRT. Fenomena ini mungkin disebabkan adanya protozoa dalam sistem yang diteliti. .dengan bekerja Sistem SHARON memanfaatkan kemampuan kultur campuran mikroorganisme yang dapat melakukan degradasi senyawa nitrogen dalam kegiatan metabolismenya. Dampak dari penggunaan kultur campuran mikroorganisme (mixed culture) ini adalah resiko terkontaminasioleh mikroorganisme lain sangat tinggi. Setiawan dan Wibisono menyebutkan bahwa kehadiran protozoa dalam reaktor sering terjadi pada prosesdenganwaktu tinggal cairan (HRT) yang cukup lama. Walaupun tidak disebutkanwaktu yang dapat tinggal cairan minimum menyebabkanterikutnya protozoa ke dalam sistem,namun
JumalTeknikKimia Indonesia, Vol. 6 No. 2
I
sistem menghambat bakteri pengoksidasi amonium sehingga terjadi penumpukan amonium. NisbahpadapH : 8,9 jauh lebihtinggi dibandingkanpada pH : 7. Perbedaanini mungkindisebabkan olehprosesnitrifikasipada pH = 7 berjalan lebih cepat dibandingkan denganprosesnitrifikasipadapH = 8,9. Perbedaankecepatan oksiCasi nitrit tersebut disebabkankondisi keasamanyang mempengaruhiaktivitas bakteri yang terlibat dalam reaktor SHARON. Konsentrasinitrit yangtinggipadapH:8,9 menunjukkan bahwa oksidasi amonium berlangsung lebih cepat dibandingkan denganprosesoksidasinitrit. Proses oksidasi amonium dipengaruhi oleh bakteriNitrosomonasdan prosesoksidasi nitrit dipengaruhi oleh bakteri Nitrobacter. Nitrosomonas memiliki pH optimumpada7,8-8 sedangkanNitrobacter memiliki pH optimum pada rentang 7,3-7,5. Pada kondisi dengan alkalinitasyang tinggi, Nitrosomonasbekerja lebih baik dibandingkandengan Nitrobacter sehinggajumlah nitrit yang dihasilkan dari oksidasi amonia oleh Nitrosomonas lebih banyak dibandingkan dengan kemampuan nit,;: menjadi Nitrobacteruntuk mengoksidasi nihat. Seperti halnya profil konsentrasi, parameter kinetik proses SHARON juga diperoleh dengan menyelesaikan sistem persamaannonlinier. Data penelitian yang digunakanadalahpada pH : 8,9. Parameter kinetik hasil oprimasi ditabulasikandalam Tabell.
Tabel 1. Parameter kinetic :8t9
SHAROI\
Datn Penelitian Data Peuelitiao lDala Pusfaka
Pararneter
Date Pustnka
/1;
2.43E-0_5 1.I 6E-05
o48
lt,,
1.22E-05
4 E-06
0.33
K#
3.34E-0:
3.348-02
1.00
ntl
Ki;i*o' ,(]'I
2007:617 - 625
2005).Sementara itu, konstantaafinitasamonia (K*) untuk Nifrosomonasyangdiperolehdari pemo'-lan memiliki nilai yang samadengan data. eri pustakatersebut.Penurunan nilai p'o. dengannilai Ku.* yang tetap ini kemungkinan diakibatkan oleh terjadinya inhibisi nonkompetitif oleh nitrit yang merupakan produkdari reaksioksidasiamonia. Menurut Shuler (2002), konsentrasi produk yang tinggi dapat menghambat pertumbuhanmikoorganisme. Inhibisi secara kompetitifditandaidenganperubahannilai laju pertumbuhanmaksimumbakteri dan konstanta afinitas yang tetap. Secara spesifik, proses inhibisi non-kompetitifyang tedadipadareaksi oksidasi amoniurr ini adalah inhibisi nonkompetitifmumi karena harga p*, saja yangberubahsedangkan hargaK** tetap. Pada Tabel I terlihat bahwa terjadi penumnan nilai laju pertumbuhan spesifik maksimum bakteri pengoksidasi nitrit (Nitrobacter) dan konstantaafinitas asamnitrit (K"l) pada pH 8,9. Hal ini berarti pertumbuhan Nitrobacter terhambat. Anthonisendkk. (1976) menyebutkanbahwa terhambatnya pertumbuhan Nitrobacter disebabkanoleh terbentuknyaamonia bebas. Dalam beberapa kasus, dilaporkan bahwa peningkatan konsentrasi amoniabebas,terutama dalamkondisialkalinitas tinggi(pH di atas8,5) menyebabkan terhambatnya pertumbuhan bakteripengoksidasi nitrit. 5. Kesimpulan Hasil simulasi model matematika menunjukkanbahwa konsentrasinitrat sama dengannol pada keluaran reaktor SHARON denganumpanurea-amonia tidak dapatdicapai. Berdasarkanhasil penelitianini, agar tercapai nisbah nitrit terhadap amonium sebesar l: I makaumpanharusmemilikikomposisiureadan bikarbonatyangekuimolar, Parameterkinetik yang diperolehdari hasil optimasim -del ini adalah, pK
1,16E-05 t'', pI!^: 3,998E-05 s-r,Kitrfi= 3,34E-02mol mL-3, Ki![ro,
l..r5E-0?
I.458-02
1.00
t.90E-02
6-l4E-03
0.32
PadaTabel 1, dapatdilihat bahwalaju pertumbuhan spesifikmaksimumpammbakteri pengoksidasi amonia (Nitrosomonas) yang diperolehdari pemodelanadalahsetengahdari p* yang didapatkandari pustaka(Volcke,
= 1,45E-02mol
mL-3,Kil'*oz: 6'l4E-03 mol mL-3.optimasi parameterkinetik menunjukkanbahwa pada proses oksidasi amonium dalam reaktor SHARON dengan umpan urea-amonia mengaiami inhibisi. Hasil simulasi juga menunjukkan adanya hambatan pada pertumbuhan bakteripengoksidasi nitrit.
I Daftar Notasi komponeni Au = koefisienstoikiometrik dalamreakl j, mol Cc., = konsentrasi fasa gas (bulk) dari i, moUm3 komponen : konsentrasimasukan komponen i, C[., moUm3 C[., =' konsentrasimasukankomponen i, moVm3 : konsentrasikomponeni di fasa cair Cr., (bulk),moVm3 : konsentrasikomponeni jenuh pada Ci., interfasacairI gas,moVm3 koefisien perpindahan massa kr.ai : volumetrikkomponeni, s-r = laju konversivolumetrikdari reaksii ri Vr,
moVm3s : volumefasagasm3
V,
= volumefasacair,m3
o; = laju alir volumetrik gas masukan,m3/s a";' : laju atir volumetrik gaskeluaran,m3/s @';
: laju alir volumetrik cairan masukan, m3/s
A":t : laju alir volumetrikcairankeluaran, m'/s spesifikmaksimum pK = laju pertumbuhan
ll,n*
bakteripengoksidasiamonia,s-' : laju pertumbuhanspesifik maksimum
:
bakteri pengoksidasinitrit), mol/m3
DaftarPustaka Anthonisen, A.C., Loehr, R.E., tl] Prakasam,T.B.S., dan Srinath, E.G., (1976), "Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid," J. lYater Pollut.Contol Fed.,48(5),835-852 Hartcno,D., Praptana, R., (2005),"Urea l2l Biodegradation in The Wastewater Using SHARON Process,"LaporanPenelitian, Departemen Teknik Kimia, ITB, Bandung. A., Mulder,J.W., t3l Hellinga,C., Schellen, vanLoosdrecht, M., Heijnen,J.J.,(1998), "The SHARON Process: An Innovative Method for Nitrogen Removal From Ammonium-fuch Wastewatef', Water Scienceond Technologt,Vol.37, No 9, hlm.135-142 t4] Pasaribu,H.J., (2005), "Biodegradasi Urea Dalam ReaktorSHARON", Iesri Magister, DepartemenTeknik Kimia, InstitutTeknologiBandung,Bandung. Setiawan,A.W., Wibisono, I. (2003), t5l "Penelitian Secara Laboratorium Biodegradasi Urea dan Ammoniak Dalam Air Limbah dengan Proses SHARONAnammox",Laporan Akhir, LembagaPenelitiandan Pemberdayaan Masyarakat, ITB, Bandung. 16l Shuler, M.L., dan Kargi, F., (1992), "Bioprocess Engineering Basic Concept," Prentice-Hall,New Jersey,
17l
bakteripengoksidasinitrit, s-r = laju pertumbuhan spesifik bakteri pengoksidasi nitrit, s-' po^' : Iaju pertumbuhan spesifik bakteri pengoksidasiamonia,s-
Kt::
t8l
konstanta afinitas ammonia (untuk
Ki;I:
ammonia),mol/m3 bakteripengoksidasi : konstanta afinitas oksigen (untuk bakteripengoksidasiammonia),mol/m3
Ki.ii*or:
konstanta inhibisi terhadap asam nitrit (untuk bakteri pengoksidasi ammonia), mol/m'
Kijior=
konstantaafinitas asam nitrit (untuk
bakteripengoksidasinitrit), moVm3
konstanta afuritas oksigen (untuk
tel
USA. Sliekers, A.O., Derwort, N., Campos, J.L., Strous, M., Kuenen, J.G., Jetten, (2002), M.S.M., "Conipletely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite In One Single Reactor", Water Research, Vol. 36, hal. 2415 -2482 Van Loosdrecht,M.C.M, Volcke, E.L.P, Hellinga, C., van der Broeek, S., Vanrolleghem, P.A., (2005), "Coupling the SHARON process with Anammox: Model-basedscenarioanalysiswith focus on operating costs", Water Science & TechnologtVol 52 No 4 hlm. 107-l l5 Volcke, E.L.P., Hellinga, C., van der Broeek, S., van Loosdrecht, M.C.M., Vanrolleghem, P.A- (2002), *Modelling The SHARON Process In Viq,t of Coupling With Anammox", http://biomath.usent-be/ f
