75
Pengaruh Pengaturan pH Limbah Cair Tapioka Terhadap Pertumbuhan Mikroorganisme Dalam Bioreaktor ABR
1
Happy Mulyani*1, Setia Budi Sasongko2, Danny Soetrisnanto3
Universitas Setia Budi Surakarta; Jl Letjend Sutoyo, Mojosongo, Surakarta, (0271) 852518 2,3 Program Studi Magister Teknik Kimia, Universitas Diponegoro, Semarang e-mail: *
[email protected]
Abstrak Karakter limbah cair tapioka yang bersifat asam ditengarai dapat menghambat pengolahan biologi. Kajian mengenai pengaruh pengaturan pH influen terhadap pertumbuhan mikroorganisme pada bioreaktor Anaerobic Baffled Reactor (ABR) perlu dilakukan. Penelitian ini dilakukan dengan mengoperasikan ABR 2 baffle pada berbagai variasi pH limbah cair tapioka sampai tercapai kadar COD efluen stabil. Kadar BOD, pH, sianida dan MLVSS dalam kompartemen ABR tiap interval 1 hari operasi selanjutnya diolah untuk mengestimasi nilai parameter kinetika reaksi. Hasil kalkulasi menunjukkan bahwa peningkatan pH terbukti mampu meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme dalam bioreaktor ABR. Ini diindikasikan dari peningkatan nilai laju pertumbuhan maksimum mikroorganisme (μmax) dan penurunan nilai konstanta inhibisi (KI). pH 8 merupakan kondisi influen yang menghasilkan pertumbuhan mikroorganisme terbaik dengan nilai parameter kinetika reaksi antara lain μmax 1,697/hari, Ks 237,978 mg/L BOD, KI 3,236 mg/L CN- , yield 0,438 mg VSS/mg BOD, and k 0,43/hari. Kata kunci— Limbah cair tapioka, pH, pertumbuhan mikroorganisme, ABR, COD, Abstract Acidic nature in cassava root was suspected could inhibit biological tretament. It is important to study about influence of infuent pH adjustment to microorganism growth in Anaerobic Baffled Reactor (ABR).This research was done by operating ABR 2 baffles in many tapioca wastewater pH variation until stabil COD concentration effluent reached. BOD, pH, cyanide, and MLVSS concentration in ABR compartements each 1 operation day then calculated for reaction kinetic parameter values estimation. Calculation result shows that pH incerase could increase microorganism growth in bioreactor ABR. This indicated from microorganism maximum growth rate (μmax) increase and inhibition constanta(KI) decrease. pH 8 is the best influen pH which results best bacterial growth performance with parameter kinetic values such μmax 1,697/day, Ks 237,978 mg/L BOD, KI 3,236 mg/L CN- , Y 0,458 mg VSS/mg BOD, and k 0,43/day. Keywords—Tapioca wastewater, pH, microorganism growth, ABR, COD, 1. PENDAHULUAN Industri tapioka dapat menghasilkan 12 m3 air limbah tiap produksi 1 ton tapioka [1] dengan 75 % air limbah dihasilkan dari tahapan ekstraksi[2]. Air limbah industri tapioka
Received June 1st ,2012; Revised June 25th, 2012; Accepted July 10th, 2012
76
ISSN: 1978-1520
bersifat asam. Hal tersebut disebabkan adanya pelepasan HCN oleh akar tapioka dan penambahan H2SO4 pada proses ekstraksi [3] Karakter tersebut dapat menyulitkan performa pengolahan reaktor anaerob. Aktivitas mikroba penghasil
CH4 (methanogen) yang berperan menghasilkan
penurunan nilai COD hingga lebih dari 70 % total reduksi COD sistem anaerobic digestion akan terhambat pada kondisi pH di luar kisaran 6,5-8,2 [4]. Sistem Anaerobic Baffled Reactor (ABR) merupakan suatu metode anaerob laju tinggi yang efektif digunakan sebagai pengolahan pendahuluan air limbah berkadar BOD dan COD tinggi dengan adanya rangkaian baffle vertikal yang dapat memaksa terjadinya kontak antara limbah dan biomass aktif dan mengurangi kemungkinan wash out [5,6]. Namun, lamanya start up dan tingginya sensitivitas bakteri terhadap pH dan toksik masih dapat ditemui dalam sistem ini [7] Start up anaerobic digester pada pH dan konsentrasi awal mikroorganisme rendah dapat mengakibatkan tidak tercapainya fase stasioner [4] dan melambatnya penguraian organik [9]. Laju pertumbuhan dan kematian mikroorganisme juga merupakan fungsi pH [10]. Penelitian ini bertujuan membahas pengaruh pH terhadap proses start up. Tinjauan start up dititikberatkan pada kajian terhadap pertumbuhan mikroorganisme yang dalam penelitian ini diestimasi dari nilai-nilai parameter kinetika reaksi. 2. METODE PENELITIAN
Sampel limbah cair sintesis dipilih digunakan dalam penelitian ini untuk menghindari terjadinya perubahan kualitas akibat proses transportasi limbah dari industri tapioka ke laboratorium penelitian. Limbah cair penelitian diambil dari cairan di atas pasta pati hasil pengendapan 12 jam campuran bubur ubi kayu dan air dengan perbandingan rasio 25 liter air per kg ubi kayu. Ubi kayu bahan baku limbah sintesis merupakan bahan baku industri kecil tapioka di Pati, Jawa Tengah yang dibeli langsung dari produsen tapioka industri tapioka di mana sampel limbahnya diambil untuk disesuaikan kadarnya dengan limbah cair sintesis. Karakteristik limbah cair tapioka sintesis dan kesesuaiannya dengan limbah cair tapioka eksisting yang dihasilkan salah satu industri tapioka berkapasitas 3 ton ubi kayu/hari di Pati, Jawa Tengah dapat dilihat dalam Tabel 1. Tabel 1. Karakteristik limbah cair tapioka sintesis Karakter
Limbah cair
Limbah cair tapioka
IJCCS Vol. x, No. x, July 201x : first_page – end_page
ISSN: 1978-1520
IJCCS
industri tapioka
sintesis
COD
7867 mg/L
8000 mg/L
BOD
3870 mg/L
3976 mg/L
TSS
1200 mg/L
1330 mg/L
pH
4,76
4,84
Sianida
51,2 mg/L
56,7 mg/L
77
Secara garis besar, penelitian terdiri dari tahapan preparasi bahan, pengaturan pH influen, inokulasi dan start up batch sampai diperoleh kondisi steady state. Proses start up batch dilakukan sampai tercapai steady state yang ditandai dengan stabilnya nilai COD dan MLSS efluen [11]. Bioreaktor yang digunakan dalam penelitian ini merupakan bak ABR plexy glass 2 baffle dengan ukuran 80 cm x 40 cm x 25 cm seperti terlihat di Gambar 1.
Gambar 1. Bak ABR Selanjutnya, inokulasi dilakukan dengan memasukkan lumpur IPAL industri tahu sistem ABR di daerah Lamper, Semarang sampai 1/3 volume kerja ABR. Karaktersitik benih lumpur tersaji dalam Tabel 2. Tabel 2. Karakteristik benih lumpur Karakter Nilai VSS
9450 mg/L
TSS
14530 mg/L
Influen limbah cair tapioka yang akan diolah menggunakan sistem ABR diatur pada variasi kondisi meliputi fresh feed limbah cair tapioka sintesis, fresh feed yang diatur pH-nya pada nilai 7 dan 8. Proses start up dilakukan secara batch dengan
Title of manuscript is short and clear, implies research results (First Author)
78
ISSN: 1978-1520
penambahan influen limbah cair tapioka pada berbagai variasi kondisi pH hingga mencapai 80 L. Selama proses start up, dilakukan pengamatan operasi pengolahan yang secara ringkas tersaji dalam Tabel 3. Untuk mencapai keakuratan hasil analisa, total sampel yang diambil tidak boleh melebihi 5 % volume kerja reaktor. Sampel untuk analisa COD, BOD, TSS, pH dan sianida merupakan cairan yang terdapat dalam reaktor yang diambil dari tiap kompartemen dengan volume sama. Sementara hasil pengadukan campuran cairan-lumpur pada tiap kompartemen dengan motor pengaduk sampai diperoleh suspensi yang tercampur sermpurna akan diambil dari tiap kompartemen ABR dengan volume yang sama untuk sampel MLSS. Tabel 3. Rekapitulasi pengamatan operasi Parameter
Lokasi
Waktu
diukur
pengukuran
pengukuran
pH, COD,
Influen proses
awal proses
BOD, TSS,
start up
sianida pH,
COD, Tiap
sianida,
kompartemen
MLSS
selama start up
BOD,
Tiap
MLVSS
kompartemen
interval 1 hari
interval 3 hari
selama start up Nilai parameter kinetika reaksi diperoleh dengan melakukan pengolahan data secara simultan dengan menggunakan Program MatLab 7.1 sampai didapatkan nilai MLVSS (X), BOD (S), pH dan sianida (I) hasil kalkulasi model kinetika reaksi dalam Tabel 4 yang mendekati data eksperimen. Tabel 4. Penentuan nilai parameter kinetika reaksi Parameter BOD
MLVSS,
Model kinetika reaksi = μ.X
=-
BOD
IJCCS Vol. x, No. x, July 201x : first_page – end_page
79
ISSN: 1978-1520
IJCCS
CN
=-
μ (pH) = a.pH2+ b.pH + c
pH
BOD, CN Keterangan: μ = μ(pH) x μ (S,I) 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa mengenai fenomena pertumbuhan mikroorganisme dan pemanfaatan substrat yang terjadi dengan mempertimbangkan adanya pengaruh inhibisi substrat, pH dan kadar toksik yang dalam hal ini diwakili oleh CN- digunakan dalam penelitian ini untuk mendapatkan nilai parameter kinetika yang dapat berguna dalam perancangan bioreaktor. Parameter kinetrika reaksi yang dianalisa dalam penelitian ini meliputi laju pertumbuhan mikroorganisme (μmax), konstanta setengah jenuh (Ks), yield (Y), konstanta inhibisi (KI), laju penurunan kadar CN- (k) serta nilai konstanta parameter laju pertumbuhan mikroorganisme akibat inhibisi pH (a, b dan c). Perbandingan nilai parameter kinetika tiap variasi run secara ringkas disajikan dalam Tabel 5. Tabel 5.Nilai parameter kinetika reaksi Paramete
Kontrol
pH 7
pH 8
0,966
1,068
1,477
33,903
90,735
56,816
337,451
304
r μmax -1
(hari ) Ks (mg/L BOD) KI
188,072
(mg/L BOD)
Title of manuscript is short and clear, implies research results (First Author)
80
ISSN: 1978-1520 Y
1,113
0,592
1,537
0,152
0,496
0,4304
(mg VSS/mg BOD) k (hari-1)
Tabel 7 menunjukkan bahwa laju pertumbuhan maksimum mikroorganisme (μ max) dalam bioreaktor ABR menjadi meningkat dengan adanya peningkatan pH inflluen. Ini sesuai dengan hasil penelitian Olafadehan and Alabi [8] yang menyebutkan bahwa laju pertumbuhan mikroorganisme dapat menjadi meningkat dengan adanya kenaikan pH. Dengan semakin besarnya nilai μmax, maka akan makin kecil pula volume bioreaktor diperlukan [8]. Peningkatan nilai μmax ini menguntungkan karena mengindikasikan air limbah semakin mudah dibiodegradasi [12] dan volume bioreaktor yang diperlukan menjadi makin kecil [12]. Terjadinya peningkatan nilai μmax juga diiringi dengan penurunan nilai konstanta inhibisi substrat (KI). Hal tersebut mengindikasikan bahwa pada pH rendah, efek inhibisi yang kemungkinan disebabkan oleh tingginya konsentrasi asam asetat yang tak terionisasi akan semakin terasa [8]. Efek inhibisi terendah didapatkan pada variasi pengolahan limbah cair tapioka sistem ABR dengan pengaturan pH influen pada kondisi basa. Fenomena tersebut dapat terjadi disebabkan rendahnya potensi akumulasi asam lemak volatil karena kondisi pH basa sehingga tidak terjadi hambatan metabolisme mikroorganisme yang dapat berakibat lanjut ke terhalangnya proses pembentukan metana dari asam asetat. Hal tersebut dapat dilihat dari μmax tertinggi dan KI terendah. Produksi lumpur terendah diindikasikan dengan kecilnya nilai Y dan Ks terendah yang diketahui berbanding lurus dengan konsentrasi efluen [12] juga didapatkan pada variasi run ini. Produksi lumpur terlihat dalam penelitian ini menjadi makin kecil dengan adanya peningkatan pH yang diindikasikan dengan kecilnya nilai Y (yield). Ini diduga terjadi karena kadar senyawa tersuspensi influen menjadi turun dengan adanya peningkatan pH limbah. Hal tersebut diinginkan dalam pengolahan biologi karena semakin kecil nilai Y, maka frekuensi pembuangan lumpur juga menjadi semakin kecil [13]. 4. KESIMPULAN
Peningkatan pH akan meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme dalam bioreaktor ABR. IJCCS Vol. x, No. x, July 201x : first_page – end_page
81
ISSN: 1978-1520
IJCCS
pH 8 merupakan kondisi influen yang menghasilkan pertumbuhan mikroorganisme terbaik dengan nilai parameter kinetika reaksi antara lain μmax 1,697/hari, Ks 237,978 mg/L BOD, KI 3,236 mg/L CN- , yield 0,438 mg VSS/mg BOD, and k 0,43/hari. 5. SARAN
Aplikasi proses pengaturan pH limbah cair tapioka influen pengolahan sistem ABR sebaiknya diujicobakan dalam skala lapangan sebagai salah satu alternatif rekomendasi desain untuk menghemat biaya pengolahan yang diperlukan.
DAFTAR PUSTAKA [1] Mai, H.N.P., 2006, Integrated Treatment of Tapioca Processing Industrial Wastewater, Dissertation, Wageningen University, Wageningen. [2] Setyawati R., K.K. Hirayama, H. Kaneko and K. Hirayama, 2011, Current Tapioca Starch Management in Indonesia, World Applied Science Journal No. 14 Vol. 5, 658-665, www.idosi.org/wasj/wasj14(5)11/2.pdf. [3] Seejuhn, R., 2002, Waste Audit in a Starch Tapioca Milk Processing Factory, Thesis, Asian Institute of Technology, Thailand. [4] Hudson, K, 2010, Operational Performance of the Anaerobic Baffled Reactor Used to Treat Wastewater from a Peri-Urban Community, Thesis, University of the Witwatersrand, Johannesburg. [5] Movahedyan, H., A. Assadi and A. Parvaresh, 2007, Performance Evaluation of ABR Treating Wheat Flour Starch Industry Wastewater, Iran J. Environ. Health Sci.
Eng.
No.
4
Vol.
2,
77-84,
ijehse.tums.ac.ir/index.php/ijehse/article/view/114.pdf. [6] Seejuhn, R., 2002, Waste Audit in a Tapioca Starch Milk Processing Factory, Thesis, Asian Instititute of Technology, Bangkok. [7]
Seghezzo, L., 2004, Anaerobic Treatment of Domestic Wastewater in Subtropical Regions, Dissertation, Wageningen University, Wageningen.
[8] Olafadehan, O.A. and A.T., Alabi, 2009, Modelling and Simulation of Methanogenic Phase of an Anaerobic Digester. Journal of Engineering Research No. 13 Vol. 2, No.1-16, www.unilag.edu.ng/opendoc.php?sno=17072&doctype=doc. [9] Foxon, K.M. C.J. Brouckaert and C.A. Buckley, 2007, Anaerobic Digestion of Domestic Wastewater: The Role of Microbial Selection Pressure in the Rate and
Title of manuscript is short and clear, implies research results (First Author)
82 Extent
of
Digestion.
ISSN: 1978-1520 www.ewisa.co.za/literature/files/253_202%20Foxon.pdf.
Diakses tanggal 19 Maret 2011. [10] Sundstrom, D.W. and H.E. Klei, 1979, Wastewater Treatment, Prentince-Hall Inc, Englewood Cliffs. [11] Bagus, I.N,2008, Start Up dan Perancangan Bioreaktor Anaerobik untuk Pengolahan Limbah Cair dengan Konsentrasi Garam Tinggi, Skripsi, Institut Pertanian Bogor. [12] Haydar, S. and J.A. Azis, 2009, Kinetic Coefficients for the Biological Treatment of Tannery Wastewater Using Activated Sludge Process. Pak. J. Engg. & Appl. Sci. Vol. 5, 39-43, www.uet.edu.pk/export/sites/UETWebPortal/.../6-KINITIC.pdf. [13] Aiyuk, S., I. Forrez, D.K. Lieven, A.V. Haandel and W. Verstraete, 2006, Anaerobic and Complementary Treatment of Domestic Sewage in Regions with Hot Climates—A Review, Bioresource Technology No. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16055328.
IJCCS Vol. x, No. x, July 201x : first_page – end_page
97 Vol. 1, 2225–2241,
