Efektivitas Penggunaan Serbuk Kayu sebagai Media Biofilter dalam Pengolahan Air Limbah Domestik The Effectivity of Sawdust as A Biofilter Media in Domestic Wastewater Treatment Irine Praptiningtyas1, Rofiq Iqbal2, dan Prayatni Soewondo3 Program Studi Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha 10 Bandung 40132 1
[email protected],
[email protected], dan
[email protected]
Abstrak Peningkatan jumlah penduduk di kota Bandung menyebabkan timbulnya peningkatan volume limbah domestik yang dihasikan oleh masyarakat. Beban pengolahan ini sangat sulit bila hanya dilakukan oleh beberapa unit pengolahan terpusat saja sehingga dibutuhkan unit-unit pengolahan dalam skala kecil yang mampu mengolah air limbah domestik di sekitarnya secara in situ, salah satunya adalah biofilter. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan dua unit reaktor biofilter yang masing-masing memiliki media yang berbeda, yaitu serbuk kayu dan bioball. Limbah serbuk kayu yang merupakan media organik diharapkan mampu menjadi media tumbuh yang lebih baik bagi mikroorganisme dibandingkan dengan bioball yang merupakan media plastik sintesis yang umum digunakan dalam teknologi biofilter. Hasil pengujian menunjukkan bahwa biofilter dengan media serbuk kayu untuk waktu kontak 4-24 jam mampu menyisihkan parameter ammonia sebesar 7,28-31,61%, COD sebesar 3,94-78,93%, BOD sebesar 28,31-91,49%, surfaktan sebesar 8,48-37,93%, dan TSS sebesar 24-61% sedangkan biofilter dengan media bioball untuk waktu kontak 4-24 jam mampu menyisihkan parameter ammonia sebesar 6,25-60,33%, COD sebesar 2,48-82,44%, BOD sebesar 31,59-85,14%, surfaktan sebesar 6,6943,17%, dan TSS sebesar 6-44%. Kata kunci : biofilter, bioball, air limbah domestik, serbuk kayu Abstract The increasing of population in Bandung has caused the increasing of the domestic wastewater volume produced by society. This load will be difficult to be treated by only few centralized processing treatment units. This condition required some small scale treatment units that can process the surrounding domestic wastewater (in situ), one of the methods is biofilter. This research used two biofilter units which have different media, sawdust and bioball. Sawdust as an organic media is expected to be a better growing medium for microorganism than bioball as a synthesis plastic media. The testing results prove that bofilter with sawdust media can remove 7,28-31,61% of ammonia, 3,94-78,93% of COD, 28,31-91,49% of BOD, 8,48-37,93% of surfactant, dan 24-61% of TSS for 4-24 hours of contact time and biofilter with bioball media can remove 6,2660,33% of ammonia, 2,48-82,44% of COD, 31,59-85,14% of BOD, 6,69-43,17% of surfactant, dan 6-44% of TSS for 4-24 hours of contact time Keywords: biofilter, bioball, domestic wastewater, sawdust
PENDAHULUAN Kota Bandung mengalami banyak perubahan dalam berbagai aspek, mulai dari jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi, serta aktivitas masyarakat. Hal ini menyebabkan infrastruktur dan fasilitas yang tersedia telah melampaui kapasitasnya. Sampai pada tahun 2009, jumlah kepala keluarga yang memiliki sarana jamban keluarga adalah sebesar 370.824 kepala keluarga dengan pencapaian cakupan sebesar 67,08% dan telah mencapai target IPM (Indeks Pembangunan Manusia) yaitu sebesar 65% sedangkan jumlah kepala keluarga yang memiliki SPAL (Sistem Penyaluran Air Limbah) adalah sebanyak 354.273 kepala keluarga 1
dengan pencapaian cakupan sebesar 64,08% dan belum memenuhi targetnya yaotu sebesar 65%. (Buku Putih Sanitasi Kota Bandung, 2010) Pertumbuhan penduduk yang semakin meningkat juga mengakibatkan jumlah air limbah domestik yang dihasikan pun semakin besar. Beban pengolahan ini sangat sulit bila hanya dilakukan oleh beberapa unit pengolahan terpusat saja. Karena itulah, dibutuhkan unit-unit pengolahan dalam skala kecil yang mampu mengolah air limbah domestik di sekitarnya secara in situ, salah satunya dengan biofilter. Metode ini diharapkan mampu menurunkan tingkat pencemaran badan air akibat limbah domestik dan aman untuk langsung dialirkan ke badan air seperti sungai. Dalam pemanfaatannya, industri kayu menghasilkan limbah serbuk kayu dalam jumlah yang cukup besar. Produksi kayu di Indonesia setiap tahunnya mengalami peningkatan. Indonesia merupakan salah satu negara penghasil kayu gergaji terbesar di dunia. Produksi total rata-rata kayu gergaji negara ini mencapai 2,6 juta m3/tahun dengan hasil limbah serbuk kayu sebesar 1,4 juta m3/tahun (Danarto, 2011). Limbah serbuk kayu ini belum dimanfaatkan secara maksimal sehingga menimbulkan dampak negatif lain terhadap lingkungan dan kesehatan manusia. Salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan menjadikannya sebuah produk yang bernilai tambah dengan teknologi yang aplikatif dan sederhana, yaitu menjadikan limbah serbuk kayu ini sebagai media pengganti bioball dalam unit biofilter. Limbah serbuk kayu yang merupakan media organik diharapkan mampu menjadi media tumbuh yang lebih baik bagi mikroorganisme sehingga pertumbuhan bakteri dan pembentukan biofilm dapat lebih optimal dibandingkan dengan bioball yang merupakan media sintesis yang umum digunakan dalam teknologi biofilter. METODOLOGI Penelitian dimulai dengan melakukan studi literatur dan pengumpulan data awal, seperti kualitas parameter limbah domestik pada umumnya serta berbagai metode yang dilakukan dalam penelitian pengolahan air limbah domestik dengan menggunakan teknologi biofilter.
Gambar 1. Metodologi Penelitian 2
Desain unit biofilter dibuat dalam skala laboratorium. Tahapan dalam proses pengolahan limbah domestik ini terdiri dari tahap seeding dan aklimatisasi serta tahap operasi yang dilakukan dengan 4 variasi waktu kontak, yaitu 4 jam, 8 jam, 10 jam, dan 24 jam dengan 3 kali operasi untuk setiap variasi waktu kontaknya untuk kemudian diuji kualitas efluennnya berdasarkan parameter TSS, BOD, COD, surfaktan, ammonia, pH, temperatur, dan tanin. Limbah domestik yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari Jl. Dago Pojok, Kampung Tanggulan, Desa Cikalapa, Kel. Dago, Bandung. Pengujian terhadap parameter-parameter kualitas efluen hasil pengolahan dari kedua biofilter dilakukan di laboratorium sehingga dapat diketahui persentase penyisihan untuk setiap parameternya dan dapat diketahui tingkat efektivitas dari biofilter, baik dengan media serbuk kayu maupun bioball. Tabel 1. Metode Pengujian untuk Setiap Parameter Limbah Domestik Parameter
Metode Uji
TSS
Photometric Method
BOD
Titrasi Winkler
COD
Refuks Tertutup
DO
DOmeter
Ammonia
Destilasi-Titrasi
Surfaktan
Crystal Violet Method
pH
pHmeter
Temperatur
Termometer
Tanin
Tyrosine Method
HASIL DAN PEMBAHASAN Unit biofilter yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari satu unit biofilter dengan media bioball (biofilter BB) dan satu unit biofilter dengan media serbuk kayu (biofilter SK). Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap, yaitu tahap seeding dan aklimatisasi serta tahap operasi. Tahap Seeding dan Aklimatisasi Biofilter dengan media serbuk kayu diberi nama biofilter SK sedangkan biofilter dengan media bioball diberi nama biofilter BB. Pengujian terhadap kedua parameter tersebut dilakukan setiap hari selama 18 hari berturut-turut dengan hasil efluen dan persentase penyisihan parameter COD dan amonia seperti pada Tabel 2. Mekanisme pengolahan dan aktivitas mikroorganisme yang terjadi pada unit biofilter ini secara umum dapat dibagi menjadi 6 tahapan, yaitu transportasi dan adsorpsi zat organik serta nutrien dari fasa liquid ke fasa biofilm, transportasi mikroorganisme dari fasa liquid ke fasa biofilm, adsorpsi mikroorganisme yang terjadi dalam lapisan biofilm, reaksi metabolisme mikroorganisme yang terjadi dalam lapisan biofilm yang memungkinkan terjadinya 3
mekanisme pertumbuhan dan kematian sel, penempelan (attachment) dari sel, yaitu pada saat lapisan biofilm mulai terbentuk dan terakumulasi secara kontinu dan bertahap pada lapisan biofilm, serta mekanisme pelepasan (detachment biofilm) dan produk lainnya (by product). Tabel 2. Kualitas Efluen selama Masa Aklimatisasi Bioball Hari ke-
Ammonia (mg/L NH3-N)
0 1
Serbuk Kayu
% Penyisihan
Ammonia (mg/L NH3-N)
15,70
0,00
16,40
-4,46
2
10,70
3
Bioball
Serbuk Kayu
% Penyisihan
COD (mg O2/L)
% Penyisihan
COD (mg O2/L)
% Penyisihan
15,70
0,00
88,00
0,00
88,00
0,00
11,40
27,39
81,60
7,27
59,60
32,27
31,85
16,30
-3,82
64,40
26,82
71,60
18,64
20,00
-27,39
15,60
0,64
78,00
11,36
28,40
67,73
4
17,60
-12,10
12,10
22,93
54,80
37,73
60,40
31,36
5
25,40
-61,78
13,80
12,10
54,00
38,64
61,20
30,45
6
25,40
-61,78
13,10
16,56
38,80
55,91
57,20
35,00
7
22,90
-45,86
12,10
22,93
38,40
56,36
63,60
27,73
8
17,60
-12,10
13,50
14,01
24,40
72,27
66,80
24,09
9
6,86
56,31
8,08
48,54
48,80
44,55
81,20
7,73
10
19,21
-22,34
6,86
56,31
50,40
42,73
86,00
2,27
11
12,35
21,35
2,74
82,52
47,60
45,91
78,40
10,91
12
6,86
56,31
2,74
82,52
30,25
65,63
59,84
32,00
13
16,46
-4,87
4,12
73,78
29,92
66,00
59,84
32,00
14
15,09
3,87
5,49
65,04
31,62
64,07
59,84
32,00
15
14,92
4,97
4,97
68,34
30,01
65,90
59,84
32,00
16
14,23
9,36
5,49
65,04
29,92
66,00
59,84
32,00
17
13,97
11,02
5,49
65,04
29,92
66,00
59,84
32,00
18
13,68
12,87
5,49
65,04
29,92
66,00
60,23
31,56
Ammonia Kualitas efluen dari hasil pengolahan pada kedua jenis biofilter masih berfluktuasi di awal masa aklimatisasi. Hal ini disebabkan karena lapisan biofilm yang terbentuk masih sedikit dan tipis yang menandakan bahwa aktivitas mikroorganisme masih ada dalam tahap adaptasi dan belum tumbuh merata pada seluruh permukaan media, baik pada media bioball maupun serbuk kayu. Persentase penyisihan parameter ammonia mulai stabil pada hari ke-14, baik untuk biofilter SK maupun biofilter BB. Hal ini menandakan bahwa mikroorganisme telah mampu beradaptasi dengan baik dalam lingkungan unit biofilter pada kedua media. Senyawa ammonia dalam air limbah domestik terdifusi masuk ke dalam lapisan biofilm yang melekat pada permukaan media. Pada saat yang bersamaan, dengan menggunakan oksigen terlarut di dalam air limbah, senyawa ammonia tersebut akan diuraikan oleh mikroorganisme dalam lapisan biofilm dengan mekanisme tertentu.
4
Kadar Ammonia (mg/L NH3-N)
30,00 25,00 20,00 15,00
Efluen Biofilter SK
10,00
Efluen Biofilter BB
5,00 0,00 0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
Waktu (Hari)
Gambar 2. Kadar Ammonia Hasil Pengolahan Selama Tahap Aklimatisasi Fluktuasi hasil pengolahan untuk parameter ammonia selama masa aklimatisasi dapat dilihat pada Gambar 2. Kedua jenis biofilter berhasil menyisihkan parameter ammonia dengan persentase penyisihan yang berbeda. Berdasarkan hasil uji di laboratorium, biofilter SK lebih efektif menyisihkan parameter ammonia dengan persentase penyisihan yang lebih besar daripada biofilter BB. Fluktuasi dan besarnya persentase penyisihan parameter ammonia untuk kedua media dapat dilihat pada Gambar 3.
Efisiensi Penyisihan (%)
100,00 75,00 50,00 25,00
Efluen SK
0,00 -25,00 0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
Efluen BB
-50,00 -75,00
Waktu (Hari)
Gambar 3. Persentase Penyisihan Ammonia Selama Tahap Aklimatisasi Nitrogen ammonia di dalam lingkungan berada dalam bentuk ion ammonium dan ammonia yang tidak terionisasi. Hubungan antara kedua bentuk senyawa tersebut ada dalam suatu sistem kesetimbangan dengan persamaan sebagai berikut.
Chemical Oxygen Demand (COD) Kadar COD selama awal masa aklimatisasi memiliki satu persamaan kondisi dengan parameter ammonia, yaitu masih berfluktuasinya kadar COD pada efluen dari kedua jenis biofilter. Hal ini disebabkan karena lapisan biofilm yang terbentuk masih tipis dan sedikit 5
yang menandakan bahwa mikroorganisme masih ada dalam tahap adaptasi dan belum tumbuh merata pada seluruh permukaan media, baik media bioball maupun serbuk kayu. Penyisihan COD mulai stabil pada hari ke-12 untuk kedua jenis biofilter. Hal ini menandakan bahwa mikroorganisme telah mampu beradaptasi dengan baik dalam lingkungan unit biofilter pada kedua media. Stabilnya tingkat penyisihan COD ini mengindikasikan bahwa kondisi di dalam reaktor sudah tunak dan siap beroperasi menyisihkan parameter polutan dalam air limbah domestik yang akan diolah. Fluktuasi hasil pengolahan untuk parameter COD dapat dilihat pada Gambar 4. Kedua jenis biofilter berhasil menyisihkan parameter COD dengan persentase penyisihan yang berbeda. Berdasarkan hasil uji di laboratorium, biofilter BB mampu menyisihkan parameter COD dengan persentase penyisihan yang lebih besar daripada biofilter SK. Fluktuasi besarnya persentase penyisihan parameter COD untuk kedua media dapat dilihat pada Gambar 5. 105,00 Kadar COD (mg/L)
90,00 75,00 60,00 45,00
Efluen BB
30,00
Efluen SK
15,00 0,00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Waktu (Hari)
Gambar 4. Kadar COD Hasil Pengolahan Selama Tahap Aklimatisasi Media bioball lebih efektif untuk menyisIhkan parameter COD selama masa aklimatisasi. Hal ini dikarenakan media serbuk kayu memiliki kandungan tanin yang menyebabkan warna kemerahan pada air limbah. % Penyisihan COD (%)
90,00 75,00 60,00 45,00
Efluen SK
30,00
Efluen BB
15,00 0,00 0
5
10
15
20
Waktu (hari)
Gambar 5. Persentase Penyisihan COD Selama Tahap Aklimatisasi 6
Tanin merupakan senyawa polipenol yang mempunyai berat molekul tinggi serta memiliki gugus hidroksil dan gugus lainnya (seperti karboksil) sehingga dapat membentuk kompleks dengan protein dan makromolekul lainnya di bawah kondisi lingkungan tertentu. Tanin mengandung atom C dan H yang dapat terbaca sebagai kandungan organik pada proses uji parameter COD di laboratorium. Hal inilah yang menyebabkan efluen hasil pengolahan biofilter SK memiliki persentase penyisihan yang lebih rendah dibandingkan dengan biofilter BB karena tanin menjadi sumber tambahan kandungan organik selain dari air limbah yang diolah sehingga selama proses pengolahan, terdapat penambahan kandungan organik yang juga harus diolah oleh mikroorganisme. Tahap Operasi Pada tahap ini unit biofilter dapat dianggap tunak dan siap menyisihkan parameter pencemar dalam limbah domestik. Tahap ini dibuat dengan 4 variasi waktu kontak, yaitu 4 jam, 8 jam, 10 jam, dan 24 jam. Hasil penelitian dengan waktu kontak 4 jam dapat dilihat pada uraian berikut. Berdasarkan Gambar 6, diketahui bahwa penyisihan ammonia pada kedua jenis biofilter berhasil dilakukan dengan persentase penyisihan yang berbeda untuk setiap jenis biofiter.
A
B
Gambar 6. Efisiensi Penyisihan Ammonia pada Efluen Tahap Operasi A. Biofilter SK B. Biofilter BB Ammonia adalah senyawa yang terbentuk dari proses oksidasi bahan organik yang mengandung nitrogen dalam air limbah dengan bantuan bakteri. Faktor-faktor lingkungan 7
yang mempengaruhi aktifitas mikroorganisme seperti suhu, kelembaban, dan ketersediaan sumberdaya.
A
B Gambar 7. Efisiensi Penyisihan COD pada Efluen Tahap Operasi A. Biofilter SK B. Biofilter BB Penyisihan COD pada tahap operasi ini sudah cukup stabil untuk kedua media. Biofilter BB lebih efektif dalam menyisihkan parameter COD dibandingkan dengan biofilter SK. Kadar tanin yang terukur sebagai organik dalam pengujian organik ini sudah menurun drastis dan dapat dikatan stabil. Secara fisik, warna air sudah tidak lagi kemerahan.
A 8
B Gambar 8. Efisiensi Penyisihan Surfaktan pada Efluen Tahap Operasi A. Biofilter SK B. Biofilter BB Berdasarkan Gambar 8, diketahui bahwa kemampuan kedua jenis biofilter dalam menyisihkan parameter surfaktan hampir sama. Nilai penyisihannya pun cenderung lebih stabil dibandingkan dengan penyisihan untuk parameter lainnya. Struktur surfaktan dalam limbah deterjen yang dipakai memiliki berbagai jenis struktur. Jika struktur kimianya berupa garis lurus, gugus surfaktan ini mudah diuraikan oleh mikroorganisme. Akan tetapi bila struktur surfaktannya berupa garis bercabang, surfaktan akan lebih sulit didegradasi. Selama tahap operasi, terjadi penurunan pH dalam rentang 1,1-1,8. Perubahan nilai pH ini diakibatkan oleh adanya produksi asam dari metabolisme bakteri dan juga menandakan adanya biodegradasi yang dilakukan oleh bakteri terhadap kandungan surfaktan. Berdasarkan Gambar 9 diketahui bahwa unit biofilter dengan media bioball mampu menyisihkan TSS lebih optimal. Penyisihan TSS yang tinggi ini disebabkan oleh strukur bioball yang meiliki pori-pori kecil yang mampu menangkap padatan kecil sehingga terpisah dari efluen.
A
9
Gambar 9. Efisiensi Penyisihan TSS pada Efluen Tahap Operasi A. Biofilter SK B. Biofilter BB
KESIMPULAN 1. Biofilter dengan media serbuk kayu mampu menyisihkan parameter ammonia sebesar 7,28-31,61%, COD sebesar 3,94-78,93%, BOD sebesar 28,31-91,49%, surfaktan sebesar 8,48-37,93%, dan TSS sebesar 24-61% untuk waktu kontak 4-24 jam. 2. Biofilter dengan media bioball mampu menyisihkan parameter ammonia sebesar 6,25-60,33%, COD sebesar 2,48-82,44%, BOD sebesar 31,59-85,14%, surfaktan sebesar 6,69-43,17%, dan TSS sebesar 6-44% untuk waktu kontak 4-24 jam. 3. Kandungan tanin yang berasal dari serbuk kayu dalam penelitian ini tidak berdampak signifikan terhadap proses penyisihan parameter polutan. DAFTAR PUSTAKA Cannas. 2008. Tannin-Based Wood Adhesives. Wood Adhesives Chemistry and Technology. New York : Marcel Dehler, Inc. Cheeke, K. M. 2006. Introducing A New Media for Fixed-film Treatment in Decentralized Wastewater Systems. Water Environment Foundation. Cohen, Y. 2001. Biofiltration—The Treatment of Fluids by Microorganism Immobilized into The Filter Bedding Material: A Review. Bioresource Technology, 77: 257-274. Danarto (2011). Pemanfaatan Tanin dari Kulit Kayu Bakau sebagai Pengganti Gugus Fenol pada Resin Fenol Formaldehid. Kejuangan : Yogyakarta Govind, R (2001). Biofiltration : An Innovation Technology for The Future. University of Cincinnati : Cincinnati. Hall, A (1999). A Comparative Analysis of Three Biofilter Types Treating Wastewater Produced Iin Recirculating Aquaculture Systems. Virginia Polytechnic Institut and State University : Virginia Kandasamy, J. Adsorption and Biological Filtration in Wastewater Treatment. Sydney : University of Technology Pemerintah Kota Bandung (2010), Buku Putih Sanitasi Kota Bandung Setyo, B (2006). Pengolahan Limbah dengan Media Biofilter Pasir. Universitas Diponegoro : Semarang 10
