PENGARUH KONSENTRASI ELEKTRON AKSEPTOR H2O2 DALAM MENDEGRADASI CAMPURAN BENZENA-TOLUENA PADA REAKTOR BIOBARRIER Praswasti PDK Wulan, Misri Gozan, Benget P.S,Yuli Amalia, Bustomi Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia,Kampus Baru UI, Depok 16424 E-mail:
[email protected]
Intisari Benzena dan toluena merupakan komponen utama dalam fraksi minyak bumi yang bersifat racun dan karsinogenik serta sulit didegradasi oleh lingkungan. Berbagai teknologi untuk menghilangkan pengotor ini sudah banyak dilakukan salah satunya dengan adsorbsi menggunakan karbon aktif. Permasalahan yang timbul saat ini pemakaian karbon aktif secara terus-menerus mengakibatkan karbon aktif bersifat jenuh dan karbon aktif akan kehilangan kemampuannya dalam mengadsorb partikel adsorbat. Oleh karena itu diperlukan proses yang dapat meningkatkan kembali daya serap karbon aktif tanpa perlu direaktivasi terlebih dahulu sebelum digunakan kembali. Salah satu teknologi yang dapat mengatasi masalah ini adalah Biobarrier. Konsorsium bakteri memperoleh energi untuk berkembang dan melakukan metabolisme dari proses transfer elektron dari elektron donor menuju elektron akseptor. Elektron akseptor adalah senyawa yang menerima elektron selama terjadinya pernapasan sel dan menjadi sumber energi bagi konsorsium bakteri.Tujuan penelitian ini adalah memperoleh konsentrasi optimum H2O2 sebagai elektron akseptor yang mensuplai oksigen pada proses biobarrier campuran benzena dan toluena dengan memanfaatkan aktivitas konsorsium Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Aeromonas hydrophilla, Bacillus coagulans dan Bacillus substilis dalam bioreaktor fixed bed. Metode Enrichment dilakukan terhadap konsorsium bakteri untuk adaptasi dengan benzena dan toluena. Dilakukan variasi konsentrasi H2O2 10 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, dan 50 mg/l untuk biodegradasi yang optimum. Campuran kontaminan yang ditambah Lockhead and Chase (LC) dan H2O2 dialirkan secara kontinyu. Sampel outlet kolom bioregenerator dianalisa dengan Gas Chromatograph-Flame Ionization Detector (GC FID). Hasil penelitian menunjukkan konsorsium bakteri mereaktivasi GAC dengan biodegradasi benzena toluena yang menempel di permukaan dan teradsorp dalam pori GAC. Inokulasi awal enrichment 3,5 x 105 CFU/ml mencapai fasa stationer jam ke-120 dengan jumlah bakteri 1.37 x 1011 CFU/ml. Proses biodegradasi optimum pada konsentrasi H2O2 30 mg/l dengan konsentrasi benzena dan toluena masing-masing 25 ppm dan 40.5 ppm.. Kata Kunci: Adsorpsi, biobarrier, biodegradasi, elektron akseptor
1.
Pendahuluan
Industri pengolahan minyak dan gas bumi menghasilkan limbah yang mengandung zat-zat berbahaya jika terlepas ke lingkungan tanpa diolah terlebih dahulu. Diantara zat-zat tersebut ialah hidrokarbon aromatik seperti, benzena dan toluena yang sangat beracun dan bersifat karsinogenik (Baker, 1994). Metode pengolahan limbah diklasifikasikan menjadi pengolahan fisika, pengolahan kimia, dan pengolahan biologi (Collins, 1995). Tetapi kebanyakan metode ini dalam aplikasinya kurang efisien dan mahal. Biobarrier merupakan gabungan proses biodegradasi dan adsorpsi yang dilakukan secara simultan untuk pengolahan limbah (Gozan, 2004). GAC (Granular Activated Carbon) sebagai adsorben yang telah jenuh akan direaktivasi oleh mikroorganisme dengan mendegradasi kontaminan yang terserap oleh karbon aktif tersebut (reaktivasi secara bioregenerasi). Hal ini tentunya akan membuat proses pengeliminasian kontaminan menjadi lebih efektif dan efisien karena karbon aktif akan direaktivasi secara kontinyu tanpa menghentikan proses secara keseluruhan sehingga dapat mempercepat waktu operasi dan menghemat biaya pembelian karbon aktif karena tidak perlu sering diganti (Gozan, 2004). Jenis bakteri yang akan digunakan adalah
konsorsium bakteri yang terdiri dari Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Aeromonas hydrophilla, Bacillus coagulans dan Bacillus substilis. Penelitian dilakukan dengan konsorsium karena pada kenyataannya di lapangan, lingkungan menyediakan beberapa jenis populasi bakteri dalam wadah dan waktu yang sama. Dengan jumlah bakteri yang lebih banyak dan kompetisi yang terjadi diharapkan kontaminan hidrokarbon yang terdegradasi akan lebih banyak. Benzena dan toluena sebagai hidrokarbon aromatis merupakan komponen utama minyak bumi yang sulit diuraikan dan memberikan dampak pada lingkungan jika dilakukan pengolahan secara fisika atau kimia (Baker, 1994). Konsorsium bakteri ini memperoleh energi untuk berkembang dan melakukan metabolisme dari proses transfer elektron dari elektron donor menuju elektron akseptor. Elektron akseptor adalah senyawa yang menerima elektron selama terjadinya pernapasan sel dan menjadi sumber energi bagi konsorsium bakteri. Elektron akseptor yang biasa digunakan untuk proses aerobik adalah oksigen yang berasal dari reaksi dekomposisi hidrogen peroksida (H2O2) karena bentuk fisiknya cairan sehingga lebih mudah dikendalikan pada proses biodegradasi benzena dan toluena dibandingkan injeksi udara ke dalam kolom bioreaktor (Gozan, 2004). H2O2 juga mudah terurai di dalam air menghasilkan oksigen. Jumlah elektron akseptor H2O2 yang optimum sangat dibutuhkan untuk proses biodegradasi yang maksimal, sehingga perlu dilakukan optimasi konsentrasi elektron akseptor yang dibutuhkan konsorsium bakteri.
2.
Metodologi
Penelitian diawali dengan Tahap Persiapan Granular Activated Carbon (GAC) berupa pembersihan dan pengeringan GAC. Dilanjutkan dengan persiapan model kontaminan berupa campuran benzena dan toluena dan pembuatan LC. Selanjutnya memasuki tahap enrichment konsorsium bakteri. Penjenuhan GAC dilakukan untuk mengetahui kemampuan GAC mengadsorb campuran benzena dan toluena yang nantinya akan dilanjutkan dengan prosedur biodegradasi. Tahap ini akan berakhir ketika GAC telah jenuh sehingga konsentrasi kontaminan campuran benzena dan toluena masuk inlet kolom I sama dengan konsentrasi outlet kolom II seperti terlihat pada Gambar 1a dan 1b. Larutan kontaminan yang merupakan campuran benzena toluena dialirkan secara konstinyu ke dalam kolom bioregenerator. Penjenuhan GAC berlangsung selama 302 jam.
Gambar 1a Port pengambilan sample penjenuhan GAC.
Gambar 1b Skema Alat Biobarrier
Biodegradasi Campuran Benzena Toluena diawali dengan Pembuatan larutan H2O2 (elektron akseptor). Percobaan ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi konsentrasi H2O2 sebagai elektron akseptor terhadap kemampuan biodegradasi konsorsium bakteri. Tangki diisi dengan model kontaminan campuran benzena dan toluena dengan konsentrasi 250 ppm dan nutrisi cair untuk bakteri berupa larutan LC. Sebelum dilakukan biodegradasi, GAC diinokulasikan dengan konsorsium bakteri. Hidrogen Peroksida (H2O2) yang berfungsi sebagai elektron akseptor dimasukkan ke dalam kolom adsorpsi dengan variasi konsentrasi 10 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, dan 50 mg/l. Waktu
pengambilan sampel ini dapat berubah-ubah, tergantung besarnya konsentrasi benzena dan toluena yang keluar dari kolom. 3.
Hasil dan Diskusi
3.1 Proses enrichment konsorsium bakteri Enrichment konsorium bakteri dengan benzena-toluena dilakukan untuk memperbanyak jumlah bakteri dan adaptasi pada lingkungan yang mengandung benzena dan toluena. Bakteri yang digunakan adalah konsorsium Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Bacillus substillis, Bacillus coagulans, dan Aeromonas hydrophila. Konsorsium bakteri ini telah terbukti mampu mendegradasi benzena dan toluena (Bustomy, 2006; Risma, 2005). Perkembangan konsorsium bakteri diketahui pada proses enrichment dalam bioreaktor kaca dilakukan inokulasi dengan Nutrient Agar (NA). Metode pour plate digunakan untuk mengetahui pertumbuhan dan perhitungan jumlah koloni bakteri. Metode ini digunakan karena mudah dilakukan secara manual dan jumlah CFU/ml yang terbentuk ada pada rentang 30-300 koloni. (Hildebrandt, 1991).
Gambar 2 Pertumbuhan bakteri dengan metode pour plate Dari Gambar 2 terlihat bahwa konsorsium bakteri mampu berkembang pada enrichment konsentrasi benzena dan toluena 500 ppm. Jumlah inokulum awal konsorsium bakteri adalah 3,5 x 105 CFU/ml. Lag phase berlangsung sangat cepat (kurang dari 24 jam). Fase ini disebut juga fase pertumbuhan lambat karena jumlah bakteri tidak bertambah tetapi mengalami pertambahan ukuran sel serta melakukan sintesis molekul-molekul yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan pembelahan sel. Waktu pertumbuhan lag phase yang pendek menunjukkan bahwa konsorsium bakteri cepat beradaptasi dengan keberadaan benzena toluena sebagai sumber karbon. Pada awal enrichment tersedia nutrisi yang melimpah untuk pertumbuhan bakteri sehingga cepat mencapai fasa pertambahan eksponensial. Log phase berlangsung hingga jam ke-120 dimana bakteri mengalami pertumbuhan maksimal dan peningkatan jumlah secara eksponensial. Medium cair LC dan hidrokarbon benzena dan toluena ternyata mampu menyediakan sumber nutrisi yang cukup untuk pertumbuhan optimum konsorsium bakteri. Dari jam ke-120 sampai jam ke-264 telah mengalami fasa stationer yang ditunjukkan dengan jumlah bakteri yang relatif sama yaitu 1.37 x 1011 CFU/ml. Fasa kematian belum teramati karena persediaan nutrisi yang masih banyak dan fasa kematian lebih lama dari 264 jam (batas pengambilan sampel). Penjenuhan GAC akan benzena dan toluena dilakukan untuk mengetahui kemampuan adsorpsi dari GAC. Tahap ini akan berakhir ketika konsentrasi kontaminan campuran benzena dan toluena masuk inlet kolom I sama dengan konsentrasinya di outlet kolom II. Benzena dan toluena yang mengisi pori-pori GAC akan menjadi sumber karbon bagi bakteri pada saat proses biodegradasi berlangsung (Sontheimer, 1988). Pada saat campuran kontaminan dialirkan ke dalam kolom, GAC yang terbasahi akan tenggelam dan berada di bagian bawah kolom karena densitasnya yang 1,2 g/cm3 lebih besar daripada densitas air. Kedua kolom bioregenerator dengan diameter 2,052 cm dan tinggi 30 cm masing-masing diisi dengan GAC sebanyak 20 gram. Luas permukaan GAC sebagai tempat berlangsungnya penyerapan benzena dan toluena cukup besar yaitu 1065 m2/g. Semakin besar luas permukaan GAC semakin tinggi kapasitas adsorpsinya yang memungkinkan adsorpsi benzena dan toluena lebih maksimal (Sontheimer, 1988). Diameter pori GAC sebesar 15 Å sampai 23 Å memudahkan adsorpsi molekul benzena dan toluena yang diameternya hanya sebesar 5,85 Å dan 5,72 Å (Othmer, 1992).
Konsentrasi inlet diset 250 ppm karena pertumbuhan konsorsium bakteri dan laju biodegradasi optimum pada konsentrasi benzena 200 ppm (Rianty, 2005). Konsentrasi 250 ppm larut sempurna dalam air karena benzena larut dalam air hingga 1800 ppm dan toluena hingga 597 ppm (Othmer, 1992). Dengan melihat batas kelarutannya dalam air, toluena memerlukan waktu pengadukan lebih lama dibandingkan dengan benzena. Penjenuhan GAC berlangsung selama 302 jam. Titik breakpoint adalah titik dimana mulai terjadi penurunan adsorpsi benzena toluena karena semakin banyak adsorbat yang mengisi pori GAC (Sontheimer, 1988). Seiring berjalannya waktu, kontaminan campuran benzena toluena yang dialirkan secara kontinyu ke dalam kolom akan menjenuhkan semua pori GAC. Adsorben GAC telah jenuh dan tidak mampu lagi menyerap molekul benzena dan toluena yang terus dialirkan masuk secara kontinyu ke dalam kolom karena kapasitas adsorpsinya telah terpakai semuanya. 3.2 Pengaruh Variasi H2O2 Terhadap Biodegradasi Campuran Benzena Toluena Konsorsium bakteri yang digunakan dalam penelitian ini adalah bakteri aerob, sehingga sangat membutuhkan oksigen dalam proses metabolisme sel. Elektron akseptor yang berperan untuk suplai oksigen dalam penelitian ini adalah H2O2. Alasan penggunaan H2O2 sebagai sumber oksigen adalah karena wujudnya cairan sehingga lebih mudah terdifusi ke dalam larutan kotaminan dan LC yang bersama-sama masuk ke dalam kolom bioregenerator. Elektron akseptor fasa gas lebih sulit terdifusi ke dalam larutan kontaminan sehingga penggunaannya akan boros karena banyak yang terbuang ke lingkungan. Selain itu, oksigen yang berasal dari H2O2 menghasilkan energi yang lebih besar (Lehman, 1991) dibandingkan dengan elektron akseptor yang lain. Hidrogen peroksida akan terurai menjadi molekul oksigen dan air berdasarkan reaksi : H2O2 ½ O2 + H2O Konsentrasi hidrogen peroksida yang diizinkan untuk proses biodegrdasi adalah antara 10 mg/l sampai 100 mg/l. Konsentrasi hidrogen peroksida yang digunakan pada bidegradasi tidak boleh langsung dengan konsentrasi yang tinggi tetapi harus dimulai dari konsentrasi yang rendah dahulu agar bakteri yang digunakan mampu beradaptasi. Konsentrasi yang terlalu tinggi malah akan menjadi racun bagi bakteri (Gozan, 2004). Gambar di bawah menunjukkan penurunan konsentrasi benzena pada outlet kolom II sebagai hasil proses biodegradasi dengan variasi konsentrasi elektron akseptor 10 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, dan 50 mg/l.
Gambar 3 Profil Konsentrasi Benzena terhadap waktu dengan variasi konsentrasi elektron akseptor H2O2
Gambar 4 Profil Konsentrasi Toluena terhadap waktu dengan variasi konsentrasi elektron akseptor H2O2
Pada Gambar 3 terlihat bahwa konsentrasi benzena dan toluena pada outlet kolom II untuk semua variasi konsentrasi H2O2 cenderung naik pada tiga jam pertama. Naiknya konsentrasi pada outlet kolom II ini disebabkan oleh aktifitas konsorsium bakteri untuk proses biodegradasi yang belum maksimal. Konsorsium bakteri yang baru diinjeksikan membutuhkan waktu untuk adaptasi dengan lingkungan baru (lag phase) dimana bakteri belum mencapai pertumbuhan logaritmik sehingga jumlah bakteri yang mendegradasi benzena toluena belum banyak. Konsorsium bakteri diinjeksikan pada setiap variasi konsentrasi elektron akseptor H2O2. Tujuan injeksi bakteri ini untuk memastikan bahwa penurunan konsentrasi benzena toluena dalam kolom bioregenerator adalah hasil biodegradasi.
Pada konsentrasi H2O2 10 mg/l proses biodegradasi berlangsung cepat setelah jam ke-2 hingga jam ke-39 dengan konsentrasi benzena terendah adalah 124.13 ppm. Selanjutnya biodegradasi cenderung konstan dengan konsentrasi benzena 161.32 ppm. Proses biodegradasi pada konsentrasi H2O2 30 mg/l berlangsung cepat setelah jam pertama dan pada outlet kolom II meningkat hingga 92 ppm pada menit ke-106. Kenaikan konsentrasi ini disebabkan kurangnya suplai oksigen maka biodegradasi kurang maksimal. Setelah elektron akseptor dialirkan kembali terjadi penurunan konsentrasi outlet hingga 25 ppm pada menit ke-130 yang merupakan konsentrasi terendah pada biodegradasi dengan empat variasi konsentrasi H2O2. Dapat disimpulkan bahwa konsorsium bakteri Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Bacillus substillis, Bacillus coagulans, dan Aeromonas hydrophila mencapai kinerja optimal untuk biodegradasi campuran benzena toluena dengan konsentrasi elektron akseptor H2O2 30 mg/l. Kecenderungan yang terjadi pada biodegradasi benzena juga terjadi pada biodegradasi toluena seperti pada Gambar 4. Konsentrasi terkecil outlet kolom II adalah 40.5 ppm pada jam ke-115 dengan konsentrasi H2O2 30 mg/l. Toluena sulit berdifusi dengan larutan kontaminan sehingga tidak banyak yang mengisi pori GAC untuk dibiodegradasi oleh konsorsium bakteri. Pada saat biodegradasi telah berjalan beberapa jam, lapisan biofilm terbentuk pada permukaan GAC. Lapisan biofilm terbentuk karena jumlah konsorsium bakteri semakin banyak. Pada awalnya konsorsium bakteri melakukan biodegradasi benzena toluena yang terdapat di dalam pori GAC, tetapi setelah lapisan biofilm terbentuk, GAC hanya sebagai tempat menempelnya konsorsium bakteri dan proses biodegradasi berlaku untuk kontaminan yang lewat. Lapisan biofilm yang terbentuk memperbesar pressure drop di dalam kolom sehingga perlu dilakukan penyesuaian terhadap laju alir inlet. Dari Gambar 3 dan 4 terlihat bahwa penurunan konsentrasi benzena dan toluena yang paling besar terjadi pada biodegradasi dengan konsentrasi H2O2 30 mg/l. Hal ini pun terbukti pada penurunan konsentrasi terbesar Co-Ce (selisih antara inlet kolom I dan outlet kolom II) baik benzena dan toluena secara umum terjadi pada konsentrasi H2O2 30 mg/l. Selanjutnya diikuti oleh konsentrasi H2O2 10 mg/l, 50 mg/l, dan terakhir 40 mg/l. Kulturisasi dilakukan terhadap konsorsium bakteri dari dalam kolom bioregenerator untuk membuktikan terjadinya aktivitas bakteri untuk biodegradasi benzena toluena. Hasil perhitungan CFU/ml konsorsium bakteri diberikan pada Tabel 1 di bawah ini. Tabel 1 CFU/ml Konsorsium Bakteri pada Pada Proses Biodegradasi Konsentrasi H2O2
Jam
Kolom I
Kolom II
10 mg/l
44
9.95E+10
1.50E+11
30 mg/l
20
6.00E+12
8.50E+12
40 mg/l
20
8.10E+09
4.21E+10
50 mg/l
18
1.92E+09
3.46E+09
Jumlah konsorsium bakteri pada proses biodegradasi dengan konsentrasi H2O2 30 mg/L mencapai 8.5 x 1012 CFU/ml.. Semakin banyak jumlah konsorsium bakteri pada proses bioremediasi, semakin banyak jumlah kontaminan yang dibiodegradasi (Barnum, 1998). Ini mengindikasikan bahwa bakteri tumbuh optimum pada konsentrasi elektron akseptor 30 mg/l. Jumlah oksigen yang disuplay H2O2 30 mg/l optimum untuk memacu pertumbuhan dan aktivitas biodegradasi benzena toluena dalam kolom bioreaktor.
Gambar 5 pH campuran benzena toluena
Aktivitas konsorsium bakteri dapat juga kita lihat dari pH larutannya. Berikut adalah grafik yang menunjukkan besarnya pH campuran benzena dan toluena pada outlet kolom II. Dari Gambar 5 terlihat bahwa rentang pH campuran benzena toluena adalah antara 6.7 sampai 7.0. Konsorsium bakteri Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Bacillus substillis, Bacillus coagulans, dan Aeromonas hydrophila yang digunakan memiliki rentang pH untuk pertumbuhan optimum sekitar 6.5 sampai 7.0. Aktivitas konsorsium bakteri menyebabkan sifat larutan menjadi lebih asam. Hal ini terjadi karena proses respirasi substrat menghasilkan gas CO2 dan H2O (dalam bentuk HCO3-) dan NADH yang menghasilkan ion H+ sehingga pada akhirnya terbentuk suatu larutan asam lemah H2CO3 yang menyebabkan turunnya pH larutan. Sebagaimana persamaan reaksi: CH2O (karbon kompleks) + O2 → CO2 + H2O + energi Maka secara tidak langsung adanya penurunan pH menunjukkan adanya penambahan H2CO3 sebagai akibat adanya proses biodegradasi. Larutan bersifat asam pada biodegradasi dengan konsentrasi elektron akseptor H2O2 30 mg/l karena banyaknya aktivitas bakteri untuk proses biodegradasi benzena toluena. 4.
Kesimpulan
a.
Konsorsium bakteri Pseudomonas aeroginosa, Pseudomonas flourescens, Bacillus subtilis, Bacillus coagulans dan Aeromonas hydrophila mampu beradaptasi dengan uap benzena-toluena konsentrasi 500 ppm. Inokulasi awal enrichment 3,5 x 105 CFU/ml dan mencapai fasa stationer jam ke-120 dengan jumlah bakteri 1.37 x 1011 CFU/ml. Kesetimbangan adsorpsi pada loading phase tercapai jam ke-278 dengan konsentrasi benzena 210 ppm dan toluena 135 ppm. Proses biodegradasi optimum dengan konsentrasi H2O2 30 mg/l. Konsentrasi benzena dan toluena outlet kolom II masing-masing 25 ppm dan 40.5 ppm.
b. c.
5.
Daftar Pustaka
Andika, Rizky. 2004. Studi Awal Ketahanan Bakteri Pseudomonas aeruginosa Terhadap Konsentrasi Iso-oktana dalam Media Cair. Departemen Teknik Gas dan Petrokimia Universitas Indonesia. Baker, Katherine H dan Diane S. H. 1994. Bioremediation. New York : Mc Graw-Hill, Inc. Bustomy, Achmad. 2006. Thesis: Pengurangan Kadar Polutan Hidrokarbon Dalam Air Permukaan Dengan Menggunakan Alat Bioregenerator. Depok : Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia Collins, C.H , Patricia M Lyne, Grange. 1995. Microbial Methods. Oxford : Butterworth Heinemann . Gozan, Misri. 2004. Sequential anaerobic-aerobic Activated Carbon Biobarrier for Elimination of Chlorinated Hydrocarbons in Groundwater. Gottingen: Civillier Verlag. Hamed, Tareq Abu, et al. 2003. Substrate Interaction During The Biodegradation of Benzene, Toluene and Phenol Mixtures. Process Biochemistry Journal Vol 39 Hildebrandt, W. dan S. Wilson. 1991. On Site Bioremediation System Reduce Crude Oil Contamination. Groundwater Technology Inc. Othmer, Kirk. 1992. Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. New York : John Wiley & Sons. Risma. 2005. Studi Awal Proses Biodegradasi Toluena Oleh Bakteri Pseudomonas aeruginosa. Depok : Teknik Kimia Universitas Indonesia. Singh, Ajay dan Owen P. Ward. 2004. Biodegradation and Bioremediation. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. Sontheimer, C dan Summers. 1998, Activated Carbon for Water Treatment, DVGW – Forchungstelle.
