Pengelolaan Lumpur Aktif dari Proses Pengolahan Limbah dengan Teknologi Membran Suyanet Sari Dewi Teknik Kimia, ITB, Jalan Ganesa No.10, Bandung, Indonesia
[email protected]
Abstrak Makalah ini memberikan ulasan mengenai perkembangan terakhir dari bioteknologi membran dalam pengurangan dan pengolahan lumpur hasil pengolahan limbah cair yang meluputi proses fundamental, performa, dan parameter operasional. Dibahas juga perspektif masa depan proses membran hibrid untuk pengurangan dan perawatan lumpur dari limbah cair. Berdasarkan tinjauan literatur menunjukkan bahwa pemeliharaan metabolisme biologis, predasi pada bakteri, dan metabolisme uncoupling melalui penggunaan anaerob oksik (OSA) adalah proses yang menjanjikan dan dapat digunakan dalam skala penuh. Dibutuhkan pula pengembangan metode kontrol untuk proliferasi cacing dan pengurangan lumpur yang baik dapat dicapai jika pertumbuhan cacing dapat dikontrol dalam kinerja MBR. Sistem membran hibrid aerobik dapat dilakukan untuk pengentalan dan pengolahan lumpur di pabrik pengolahan air limbah kecil dan menengah (IPAL), baik aplikasi untuk skala pilot/skala penuh. Proses pegolahann membran anaerobik (AMD) adalah teknologi yang sangat kompetitif untuk stabilisasi dan proses pengolahan lumpur. Penggunaan resirkulasi biogas untuk kontrol fouling merupakan metode yang tepat dalam mengurangi kebutuhan energi pada proses AMD. Kata kunci: pengolahan limbah, membran bioteknologi, pengolahan lumpur, limbah, lumpur aktif
menyaring suspensi mengandung bakteri dapat dilakukan dengan cairan umpan melintasi membran asimetris dengan ukuran pori 0,5-1,0 mum, dengan membran tubular, datar maupun kapiler [7]. Unit biologis bertanggung jawab untuk biodegradasi senyawa limbah dan modul membran untuk pemisahan fisik air yang diolah dari campuran larutan dengan konsentrasi tinggi. Diameter pori membran adalah dalam kisaran antara 0,01 dan 0,1 μm [8]. MBR memiliki keuntungan dari kualitas air produk yang lebih tinggi dan jejak rendah. Menurut konfigurasi MBR, baik MBRs aerobik dan anaerobik dapat dibagi menjadi dua kelas sebagai MBR dengan aliran samping (MBRs) dan MBR terendam (MBRi). Dalam MBRs aliran samping, modul membran ditempatkan di luar MBR. Lumpur dari MBR dipompa ke modul membran, yang membuat aliran silang pada permukaan membran, dan dengan demikian meresap. Lumpur yang terkonsentrasi ditolak oleh membran didaur ulang ke MBR. Ini adalah proses filtrasi membran bertekanan. Beberapa modifikasi yang dilakukan untuk mengurangi konsumsi energi yang tinggi. Oleh karena itu, pompa hisap ditambahkan ke pompa resirkulasi di sisi permeat, yang akan meningkatkan efisiensi fleksibilitas dan menurunkan laju alir silang dan kebutuhan energi [2]. Dalam MBRs terendam modul membran langsung terendam dalam reaktor. Sistem ini memerlukan pompa vakum untuk membuat perbedaan TMP untuk produksi serapan. Dalam hal ini, tidak ada pompa sirkulasi diperlukan karena lintas aliran diciptakan oleh aerasi hal ini dapat mengurangi konsumsi energi dibandingkan dengan konfigurasi MBR aliran samping. MBR terendam memiliki konfigurasi sederhana karena kebutuhan peralatan sedikit [3]. MBRs aliran samping memiliki keuntungan yaitu lebih kuat dan kontrol
1
Pendahuluan Proses pengolahan biologis secara luas digunakan untuk pengolahan air limbah. Namun, selama penurunan polutan organik oleh mikroorganisme, sejumlah besar limbah lumpur aktif (WAS) dihasilkan dimana proses penanganan dan pembuangan yang sulit dan mahal. Ada dua tahap untuk mengatasi masalah lumpur yaitu, meminimalkan produksi lumpur selama pengolahan air limbah, dan perawatan setelah lumpur yang dihasilkan. Pemisahan membran tidak hanya minimalisasi lumpur tetapi juga dapat meminimalisasi lumpur pasca perawatan. Sebagai tambahan, membran juga telah digunakan untuk lumpur yang mengental dan pengolahan aerobik atau anaerobik dalam beberapa tahun terakhir Makalah ini bertujuan untuk meninjau secara kritis perkembangan terakhir dalam penggunaan membran untuk meminimalkan lumpur dan pasca perawatan dengan menutupi: (1) proses-proses dasar, (2) kinerja dalam pengurangan lumpur, peningkatan efisiensi, membran fouling (kinerja filtrasi), dan pengurangan polutan, (3) parameter kunci dalam performa (faktor kunci untuk operasi dan desain), dan (4) perspektif masa depan. 2
Membran Bioeraktor untuk Pengolahan Limbah Teknologi MBR adalah kombinasi dari proses lumpur biologis konvensional, dan sistem membran mikrofiltrasi (MF) atau ultrafiltrasi (UF). Pada proses membran berbasis gaya dorong tekanan, masingmasing proses dapat dikelompokkan berdasarkan ukuran pori, urutannya sebagai berikut: MF>UF>NF>RO [5]. Aplikasi membran ultrafiltrasi untuk proses pengolahan limbah cair sangat mahal, tetapi dapat digunakan untuk mengolah aliran limbah terkonsentrasi yang kecil dari sumber titik tertentu sebelum dicampurkan dengan aliran selokan [6]. Untuk 1
kecepatan aliran lintas lebih fleksibel dan pemuatan hidrolik. Ada dua jenis bahan membran yang berbeda: polimerik dan keramik. Membran polimerik biasanya dibuat untuk memiliki porositas permukaan tinggi, atau persen luas permukaan pori lintas seluruh area, dan distribusi ukuran pori sempit sehingga banyak bahan yang melewati proses dan selektif untuk penolakan. Bahan keramik telah terbukti cocok untuk teknologi MBR karena bahan ini tahan untuk panas, bahan kimia, dan stabilitas mekanik. MBR aerobik adalah konfigurasi MBR terkait dengan sistem aerasi. Aerasi memiliki dua fungsi: 1) memasok oksigen ke mikroorganisme dalam bioreaktor dan 2) menggerus permukaan membran untuk membuat aliran silang, yang membuat permukaan membran relatif bersih. Faktor yang berpengaruh terhadap performa membran antara lain: Waktu tinggal hidraulik (HRT). HRT menunjukkan durasi (dalam jam) larutan umpan tetap di MBR sebelum diproses sebagai permeat oleh membran. Rumus untuk HRT adalah Volume hidraulik (L) HRT (h) = (1) L
pori) atau pembentukan lapisan cake pada permukaan membrane [13]. MBRs anaerobik dalam pengolahan air limbah menggabungkan pengurangan polusi dan produksi energi. Hal ini paling menarik untuk pengolahan limbah industri. Proses anaerobik banyak digunakan untuk industri limbah kekuatan tinggi dan jarang untuk limbah kota karena 1) sulit untuk mempertahankan pertumbuhan mikroorganisme anaerob yang lambat dengan HRT singkat untuk pengolahan air limbah kekuatan rendah dan 2) anaerobik digestion jarang memenuhi standar discharge [14]. Biodegradasi anaerob konvensional menunjukkan pengendapan biomassa dan karenanya mengakibatkan hilangnya biomassa menjadi limbah. Penggunaan AnMBR menunjukkan kualitas limbah yang lebih baik dari pengolahan anaerobik konvensional [14]. Mirip dengan MBRs aerobik, dua konfigurasi yang digunakan: aliran samping dan terendam. Dalam konfigurasi aliran sisi, modul filtrasi membran ditempatkan di luar reaktor dan setelah penyaringan biomassa beredar ke dalam reaktor. Hal ini membuat fluks tinggi, yang membuat biaya pembersihan dan energi yang tinggi [15]. Dalam MBR terendam, membran ditempatkan di dalam reaktor. Karena udara tidak dapat digunakan untuk memberikan aliran silang pada membran, seperti dalam MBR aerobik, menjaga permeabilitas tinggi lebih sulit di AnMBRs. Dalam banyak kasus, gas sparging dengan biogas yang dihasilkan digunakan untuk mengelilingi membran [16]. FO adalah proses alami yang didorong oleh perbedaan tekanan osmotik untuk mempertahankan zat terlarut tetapi memungkinkan air meresap melalui membran semipermeabel [17]. FO menarik karena efisiensi rejection yang tinggi; karenanya kelemahan dari konvensional MBRs MF dan UF dapat diatasi, yang terbatas dalam retensi senyawa dengan berat molekul rendah (LMWC). Untuk meningkatkan efisiensi dalam penghilangan LMWC, MBRs konvensional perlu dikombinasikan dengan unit RO/NF, yang menghasilkan biaya modal dan konsumsi energi yang tinggi [18]. FO-MBR menghasilkan efisiensi pembersihan yang tinggi dalam proses pengolahan air limbah dan penggunaan kembali [19]. Lebih dari 99% karbon organik dan lebih dari 98% dari NH4-N dapat dihilangkan dengan menggabungkan proses biologi dengan FO menggunakan lembaran membran FO datar selulosa triasetat [19]. FO-MBR pada skala pilot menggunakan garam NaCl dan MgSO4 dalam larutan imbang. NaCl memberikan efisiensi yang lebih tinggi dari MgSO4 sebagai agen osmotik, karena koefisien difusi zat terlarut lebih besar. FO-AnMBr menunjukkan >96% penghilangan karbon dan 100% dari total fosfor dan 62% dari penghilangan NH4-N. Ini adalah efisiensi penyisihan lebih baik daripada AnMBR konvensional [20].
Laju permeate ( ) h
Jika HRT tinggi, lebih mudah bagi bakteri biocenosis untuk menyesuaikan diri dengan kondisi reaktor. Nilai HRT yang lebih rendah menghasilkan OLR yang tinggi, yang berakibat pada pengurangan volume reaktor yang diperlukan untuk mencapai kinerja penghilangan yang ditentukan. Di sisi lain, HRTs yang lebih tinggi biasanya menghasilkan kinerja removal yang lebih baik [4]. Penggunaan HRT dalam kisaran 13-19 h menghasilkan kualitas limbah yang dapat diterima. Menurunkan HRT mengakibatkan peningkatan membran fouling di MBRs [9]. Mixed liquor suspended solid. Campuran liquor adalah campuran dari air limbah mentah dan lumpur aktif yang terkandung dalam baskom aerasi dalam proses lumpur aktif. MLSS digunakan untuk mengontrol instalasi pengolahan air limbah dalam proses pertumbuhan ditangguhkan. Konsentrasi MLSS memiliki dampak langsung pada viskositas [10]. Waktu retensi lumpur (SRT). SRT menunjukkan seberapa sering lumpur diambil dari MBR. Hal ini juga berarti umur lumpur [11]. Aktivitas biomassa lemah dipengaruhi oleh usia lumpur. Persyaratan pembersihan membran tergantung pada sedikit SRT. Tingkat pembebanan organik (OLR). Meningkatkan OLR menurunkan kemampuan menyaring dari MBR [12]. Fouling. Ketika mengolah larutan organik (seperti larutan makromolekul), konsentrasi zat terlarut pada permukaan membran dapat mencapai nilai yang tinggi, dan konsentrasi maksimum (konsentrasi gel). Pembentukan lapisan gel pada permukaan membran sering dianggap sebagai fouling, yang menyebabkan penurunan fluks permeat atau peningkatan TMP selama proses membran. Konsentrasi gel tergantung pada ukuran, bentuk, struktur kimia. Pada MBR fouling dapat dikaitkan dengan pemblokiran pori (deposisi dalam
2.1 Minimalisasi lumpur dari limbah dalam MBRs Empat mekanisme untuk meminimalkan lumpur di MBRs yaitu, pemeliharaan metabolisme biologis, 2
pertumbuhan lysis-cryptic, predasi pada bakteri, dan metabolism uncoupling. Energi yang diperoleh dalam bentuk ATP selama oksidasi biologis digunakan oleh mikroba untuk pemeliharaan mereka diikuti oleh sintesis [21]. Oleh karena itu, dengan meningkatkan konsumsi energi untuk pemeliharaan, sintesis sel baru akan berkurang karena energi yang digunakan berkurang sedikit untuk proes sintesis sel baru. Pemeliharaan metabolisme untuk meminimalkan lumpur, dapat segera diwujudkan dalam MBRs karena MBRs biasanya dioperasikan di bawah waktu retensi lumpur yang lama (SRT) yang mengakibatkan campuran larutan tersuspensi padatan yang tinggi konsenttrasinya (MLSS) dan rendahnya rasio makanan/mikroorganisme (F/M). Pada rasio F/M yang rendah, mikroba cenderung menggunakan sebagian dari substrat pakan untuk tujuan pemeliharaan dan akibatnya menurunkan jumlah substrat untuk pertumbuhan [22]. Untuk meminimalkan lumpur metode pertumbuhan Lysis-cryptic banyak digunakan dalam MBRs. Isi sel dilepaskan ke dalam larutan massal lisis sel, yang mana memberikan substrat asli untuk mikroba. Substrat asli ini digunakan kembali selama metabolisme mikroba (pertumbuhan samar), membebaskan sebagian karbon sebagai produk respirasi, yang membuat berkurangnya produksi biomassa [23]. Untuk meningkatkan efisiensi lisis, beberapa langkah digunakan MBRs untuk meminimalkan lumpur, seperti ozonisasi [24;25;26], ultrasonikasi [27], oksidasi fenton [28], perawatan alkali [29], dan disintegrasi thermo-chemical [30]. Konsentrasi oksigen yang tinggi di MBRs menyebabkan lisis sel dan minimalisasi lumpur. Energi yang hilang selama transfer dari (mikroba) rendah ke tingkat tropik yang tinggi (organisme), dan dengan demikian produksi lumpur dapat diminimalkan. Protozoa dan metazoan mungkin diawali nitrobacteria, yang memiliki ukuran relatif kecil, dan mengakibatkan kerusakan penghapusan amonium. Kondisi ini dapat lebih baik jika SRT lebih panjang di MBRs, memungkinkan bahwa nitrobacter berlimpah juga dapat berkembang biak. Jalur metabolisme diklasifikasikan ke dalam katabolisme dan anabolisme. Katabolisme mengurai senyawa organik kompleks untuk menghasilkan energi bebas dalam bentuk ATP, sedangkan anabolisme menggunakan energi bebas untuk menghasilkan sel-sel molekul. Anabolisme bakteri digabungkan ke katabolisme substrat melalui laju pembatasan respirasi [31, 23]. Pelepasan metabolisme bisa terjadi pada kondisi proses biosintesis menjadi laju pembatasan respirasi yang dapat mengarahkan energi bebas berlebih menjauh dari anabolisme dan meminimalkan produksi biomassa. Pelepasan metabolisme dapat diwujudkan dengan menggunakan bahan kimia uncoupler, rasio F/M yang tinggi dan proses oxic settling anaerob (OSA) [23]. Namun pada MBRs, OSA yang menggunakan bahan kimia uncoupler dengan rasio F/M yang tinggi mungkin akan sulit untuk diterapkan karena MBRs selalu memiliki konsentrasi MLSS jauh lebih tinggi daripada proses lumpur aktif konvensional (CAS).
Penggunaan uncoupler dapat mengganggu fosforilasi oksidatif (OP). Mekanisme pengentalan lumpur dan pengolahan menggunakan proses membran dapat dibagi dua fasa yaitu, dewatering/pengentalan pada HRT dan SRT yang pendek, dan pengentalan serta pengolahan simultan pada HRT dan SRT panjang. Pada tahap I, lumpur terutama airnya melalui ekstraksi air dari campuran liquor menggunakan membran. Pada fase ini, udara digunakan untuk membangun aliran kecepatan silang (CFV) dalam proses pengentalan membran aerobik, sementara pengaduk atau pompa sirkulasi ditambahkan dalam proses pengentalan membran anaerob. Pada fase II, isi sel dapat terlepas pada HRT dan SRT yang lama. Dalam kondisi aerobik, isi sel dapat teroksidasi menjadi CO2, yang mana akan difermentasi untuk menghasilkan asam lemak volatil (VFA), dan H2 lebih lanjut dan CH3COOH, dan akhirnya CH4 dalam proses pengolahan aerobik. Selama fase ini, air bebas, air interstisi dan bahkan air yang ada di sel dapat dipisahkan dari campuran cairan menggunakan membrane [32]. Pengentalan lumpur tradisional umumnya diselesaikan oleh gravitasi pengentalan, pengentalan flotasi udara terlarut (DAF), dan pengentalan sentrifugal. Kekurangan dari pengentalan gravitasi memiliki jejak yang besar dan efisiensi pengentalan yang rendah, mengkonsumsi lebih banyak energi sehingga biaya operasi yang mahal. Penggunaan membran untuk pengentalan lumpur (MST) diusulkan untuk memecahkan beberapa masalah yang ada di antara proses pengentalan tradisional [33]. Masukan limbah pada MBRs diganti dengan WAS. Supplai udara secara kontinu dimasukan ke dalam reaktor, yang dapat menyebabkan CFV untuk mengontrol fouling permukaan membran dalam proses membran terendam [34]. Lumpur secara bertahap terkonsentrasi oleh ekstraksi air dari WAS. Karena aerasi terus menerus, reaktor dioperasikan pada kondisi oksik yang membuat hampir tidak ada substrat di WAS, mikroorganisme berada di bawah daerah pembusukan endogen dan cenderung merusak diri mereka sendiri. Oleh karena itu, pengentalan lumpur secara simultan dan pengolahan terjadi dalam proses membran hibrid untuk pengobatan WAS [33]. SRT juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi pengentalan lumpur dan proses pengolahan. Sebuah SRT yang lama dapat mengakibatkan kerusakan lumpur yang tinggi. Penggabungan pengentalan dan pengolahan lumpur dalam reaktor tunggal dapat mengurangi jejak tersebut. Dalam pengentalan lumpur dan proses pengolahan simultan, intensitas aerasi yang lebih tinggi diperlukan tidak hanya karena kebutuhan pencernaan tetapi untuk mengendalikan fouling membran [35]. Proses anaerobik konvensional selalu membutuhkan volume reaktor yang besar karena SRT panjang diperlukan untuk mencapai pencernaan yang efektif/efisien inilah kekurangan dari proses konvensional. Melalui pemisahan menggunakan 3
membran, dapat mengurangi volume reaktor dengan menggunakan sebuah HRT singkat [36]. Retensi mikroba juga dapat meningkatkan efisiensi pengolahan. Pengentalan dan pengolahan lumpur anaerobik dapat secara bersamaan dilakukan dalam proses pengolahan membran anaerob (AMD). Dalam proses pengentalan tradisional, koagulan ditambahkan dalam jumlah besar, mengakibatkan peningkatan biaya operasi, sedangkan di proses AMD koagulan dapat dihindari dan proses ini lebih unggul. Fouling pada membran masih kekurangan utama dari proses AMD. Dalam pengentalan dan pengolahan lumpur aerobik, udara dipompa ke dalam reaktor untuk mengontrol fouling. Sebuah pompa untuk daur ulang suspensi diperlukan dalam sistem, yang juga digunakan untuk menginduksi tegangan geser untuk kontrol fouling. Hal ini menunjukkan proses AMD terendam dapat digunakan untuk pengolahan lumpur. Recycle biogas dapat menginduksi CFV sepanjang permukaan membran dalam proses AMD terendam. Secara umum, proses AMD terendam memiliki jejak dan biaya operasi rendah dibandingkan dengan eksternal, karena pompa resirkulasi eksternal selalu membutuhkan konsumsi energi yang tinggi untuk menginduksi CFV tinggi. Namun, proses AMD eksternal dapat mencapai flux membran lebih tinggi dibandingkan dengan yang terendam. Selain itu pembersihan membran di AMD eksternal lebih mudah. Dapat juga dikembangkan dengan menambahkan resirkulasi biogas dalam ruang pemisahan membran, sementara retentat dikembalikan ke bioreaktor utama. Konfigurasi ini disebut sebagai sistem terendam eksternal [37], mengurangi konsumsi energi dengan menggunakan resirkulasi biogas untuk menggantikan kecepatan tinggi resirkulasi cairan dengan pompa untuk menciptakan CFV. Secara umum direkomendasikan untuk menggunakan HRT sekitar 510 d dan SRT sekitar 30-40 d untuk AMD. Disarankan bahwa operasi fluks harus <30 L/(m2h) untuk memfasilitasi kinerja proses. Konsentrasi MLSS dalam reaktor harus dikendalikan sekitar 15-20 g/L. Pada konsentrasi MLSS yang lebih tinggi control pembentukan cake lumpur akan menjadi lebih sulit. Integrasi siklus relaksasi dan penambahan polimer kationik yang ditemukan efektif dalam mengontrol fouling membrane anaerob [38].
yang rendah. Secara umum, MBRs dioperasikan dengan SRT <100 d [39] dan SRT optimal untuk MBRs kirakira mulai dari 20-60 d [40]. Sekelompok penulis telah melaporkan bahwa penggunaan SRT sangat panjang dapat mengakibatkan kenaikan fouling membran. SRT yang tepat (kira-kira 20-60 d) harus digunakan dalam MBRs dalam rangka mencapai pengurangan lumpur dan kinerja filtrasi yang baik. Pertumbuhan Lysis-cryptic di MBRs dapat diwujudkan dengan menggunakan fisika-kimia, mekanik dan metode biologi. Performa dapat dievaluasi oleh tiga aspek: pengurangan lumpur, membran filtrasi, dan penghapusan polutan. SRT memainkan peran yang lebih penting dalam meminimalkan lumpur. Pada SRT sangat panjang dapat menyebabkan kerusakan kualitas air. Intensitas disintegrasi berkaitan erat dengan rasio pelarutan, dan peningkatan SDFR dapat menyebabkan beban kejut untuk sistem, yang memengaruhi pada kualitas aliran [27]. Secara umum, jika SDFR kurang dari 1,5%, lumpur disintegrasi tidak akan berdampak pada aliran. Penggunaan ozon untuk lumpur disintegrasi dapat mengurangi tingkat fouling membran [25]. Penggunaan ozon di MBRs dapat mengakibatkan pengurangan EPS di lumpur, penurunan potensi zeta koloid, dan pembesaran ukuran floc, yang bertanggung jawab dalam membran fouling [41]. Perlu dicatat bahwa oksigenasi tinggi juga merupakan metode untuk meminimalkan lumpur di MBRs. Selain itu diketahui juga bahwa gaya geser, dalam bentuk aerasi kuat, digunakan untuk mengontrol fouling membran. Gaya geser dan DO yang tinggi juga mempengaruhi sifat fisika kimia dan biologi biomassa di MBRs, akibatnya mengakibatkan pengurangan lumpur [42]. Pengurangan lumpur di MBR dengan cacing adalah sekitar 1,9 kali lebih tinggi dari MBR konvensional. Memangsa bakteri dapat mengubah karakteristik lumpur dan menghasilkan kelakuan fouling yang bervariasi pada membran. Penurunan dari populasi bakteri yang lebih kecil (sekitar 1 μm) terjadi dengan meningkatnya spesies predator terutama sessile ciliates dan ciliates berenang bebas [43]. Penurunan populasi bakteri yang lebih kecil dapat berkontribusi pada kinerja yang lebih baik dari MBR. Inokulasi cacing alien mungkin sulit jika mereka tidak berasal dari lumpur. Cacing diinokulasi tidak bisa menyesuaikan diri dengan lingkungannya. Namun, melalui variasi kondisi lingkungan, mungkin meningkatkan atau membatasi pertumbuhan protozoa dan metazoa. Faktor lingkungan termasuk DO, suhu, pH, ORP, NH+, H S, cahaya, salinitas dan sebagainya, antara DO dan suhu dapat memainkan peran yang lebih penting dalam pertumbuhan cacing di MBRs. Cacing tumbuh dengan baik di MBR dengan DO 2-4 mg/L sedangkan mereka tidak hadir di MBR dengan DO di bawah 1 mg/L [33]. Sebuah DO sangat tinggi atau sangat rendah dapat menghambat pertumbuhan cacing di MBRs. Secara umum, suhu optimal untuk pertumbuhan cacing adalah sekitar 15-25 °C [44].
2.2 Minimalisasi lumpur dalam MBRs Metabolisme pemeliharaan biologis dapat dilakukan di MBRs dibandingkan dengan proses CAS karena MBRs selalu dioperasikan di bawah SRT panjang dan konsentrasi MLSS yang tinggi. Rasio F/M menurun dengan meningkatnya SRT di MBRs, yang mengarah ke penurunan pengurangan produksi lumpur. Ketika SRT lebih panjang dari 300 d, sekitar 90% pengurangan lumpur dapat dicapai. Performa SRT selanjutnya meningkat, dengan tercapainya nol pertumbuhan lumpur dalam MBR [39]. Untuk pengurangan lumpur, fouling pada membran juga merupakan faktor yang harus dipertimbangkan dalam MBRs dibawah SRT panjang dan operasi F/M 4
Metabolisme uncoupling dapat dilakukan melalui penambahan uncoupler kimia dan pergeseran kondisi lingkungan (proses OSA). Uncouplers kimia yang banyak digunakan 2,4 dinitrofenol (DNP), 2,4 Dichlorophenol (DCP), paranitrofenol (PNP), pentachlorophenol (PCP), 3,3’,4',5 tetrachlorosalicylanilide (TCS), dan 2,4,5 triklorofenol (TCP) katabolisme uncouple dan anabolisme biomassa terjadi pada konsentrasi 2,4 DCP diatas 0,5 mg/L [45]. Penggunaan uncoupler kimia mungkin kondusif dalam mengontrol fouling pada membran. Sistem OSA MBR menghasilkan perolehan lumpur yang lebih sedikit dibandingkan dari sistem MBR [46]. Sistem OSA MBR lebih baik dalam pengurangan nilai COD dan efisiensi penyelesaian lumpur.
3
Pengembangan Teknologi Biofilm dan teknologi MBR dapat diintegrasikan bersama-sama untuk meminimalkan lumpur. Telah diketahui dengan baik bahwa teknologi biofilm dapat mencapai pengurangan lumpur 25% dibandingkan dengan proses lumpur aktif [25]. Diharapkan mencapai pengurangan lumpur dengan efisiensi yang lebih tinggi dengan mengintegrasikan biofilm dengan MBR menggunakan perawatan biologis atau metode pemangsaan metabolisme untuk meminimalkan lumpur. Proses membran hibrid dapat digunakan sebagai alternatif untuk pengentalan dan pengolahan lumpur dalam IPAL kecil dan menengah (2x104 m3/d). Skala pilot dan pabrik telah dipasang dan beroperasi [47]. Selain itu, auto termal termofilik pengolahan aerobik (ATAD) dapat dieksplorasi [48]. Di masa depan, proses AMD terendam harus dikembangkan dalam rangka untuk memverifikasi kelayakan untuk pengolahan lumpur. Proses bioreaktor anaerob membran terendam telah berhasil digunakan untuk pengolahan air limbah [39]. Dalam proses ini, biogas dapat diedarkan kembali ke mengelilingi permukaan membran, dan dengan demikian fouling pada membran dapat dikurangi. Dengan menggunakan resirkulasi biogas, kebutuhan energi untuk proses AMD dapat dikurangi secara substansial. Kemungkinan menggunakan resirkulasi biogas untuk proses AMD eksternal harus juga dieksplorasi. Teknologi pendekatan membran dinamis mungkin menjanjikan untuk menyelesaikan masalah dalam proses membran hibrid seperti tingkat fouling tinggi dan rendahnya fluks. Membran dinamis, yang juga disebut sebagai membran sekunder, dibentuk pada bahan pendukung yang mendasari ketika larutan filter mengandung partikel-partikel padat seperti floks mikroba. Pembentukan lapisan filtrasi pada permukaan membran dapat menentukan sifat penolakan dari sistem, karena lapisan diendapkan dapat bertindak sebagai membran "sekunder" sebelum membran "nyata". Membran dinamis menggunakan bahan-bahan kasar telah digunakan untuk pengolahan air limbah, dan operasional fluks yang tinggi. Dibandingkan dengan proses membran tekanan didorong, sistem FO menunjukkan keunggulan yang menonjol seperti hampir tidak ada operasi hidrolik tekanan, penolakan terhadap kontaminan, dan fouling pada membran yang rendah. Integrasi membran FO dengan perlakuan lumpur adalah upaya baru untuk mencapai yang efisiensi yang tinggi dalam pengentalan dan pengolahan lumpur, dan juga berkualitas aliran yang tinggi.
2.3 Pengentalan dan pengolahan lumpur Pengentalan lumpur didominasi sistem membran hibrid pada HRT pendek, sementara pengolahan dan pengentalan secara bersamaan dapat dicapai jika dioperasikan menggunakan HRT yang relatif lebih lama. Secara umum, peningkatan SRT dan tingkat DO dapat berkontribusi untuk mencapai pengurangan lumpur yang lebih tinggi. Pengurangan lumpur dapat dicapai dalam proses membran hybrid. Dalam proses ini lumpur segar terus dimasukkan ke dalam reaktor secara kontinu dan lumpur yang dikeluaran akan dicampur dengan lumpur yang telah diolah untuk menjalani proses pengolahan. Namun, dalam proses pengolahan aerobik tradisional khususnya untuk pengolahan lumpur skala kecil, model batch selalu diterapkan. Telah diamati bahwa pengurangan lumpur dapat ditingkatkan dengan penambahan lumpur yang telah diolah dan dimasukkan ke dalam alat pengolahan yang dipenuhi dengan lumpur yang belum diolah, dan lumpur yang telah diolah bisa berfungsi sebagai sumber massa sel yang layak dan dibutuhkan untuk degradasi padatan organik [47]. Proses membran hibrid secara alami dapat digunakan karena modus aliran terus menerus dan dengan demikian efisiensi pengolahan lebih tinggi. Membran hibrid dapat meningkatkan kualitas aliran dengan menggunakan perangkat pemisahan padat-cair. Untuk mengendalikan fouling pada membran, identifikasi dari flux kritik dan penggunaan operasi subkritis dapat digunakan [35]. Fouling pada membran juga dapat diatasi dengan menambahkan koagulan, yang dapat meningkatkan ukuran partikel dan dengan demikian mencegah fluks penurunan dan peningkatan TMP [42]. Penambahan koagulan anorganik lebih efektif daripada koagulan organik. Telah ditemukan bahwa tingkat penurunan lumpur dalam proses AMD lebih tinggi dibandingkan dalam proses pengolahan konvensional. Saat ini sistem membran eksternal diterapkan secara luas dalam proses AMD. Membran dengan fluks yang lebih tinggi dapat dicapai dengan proses AMD menggunakan membran vibrating eksternal dan sistem membran tubular. Penggunaan USG bisa kondusif untuk mengontrol fouling yang disebabkan oleh pembentukan cake pada lumpur [36].
4
Kesimpulan Untuk meminimalkan lumpur selama pengolahan air limbah menggunakan MBRs, pemeliharaan biologis, pemangsa, dan metabolisme uncoupling melalui OSA adalah metode yang menjanjikan yang dapat diterapkan untuk aplikasi skala penuh. Kombinasi dari mereka, menghasilkan kinerja proses jauh lebih baik. 5
Perawatan lumpur menggunakan sistem membran hibrid aerobik dapat juga digunakan pada IPAL berukuran kecil atau sedang. Proses AMD menjanjikan untuk stabilisasi dan pengolahan lumpur Penggunaan resirkulasi biogas untuk kontrol fouling dapat lebih mengurangi kebutuhan energi. Penelitian masa depan harus didedikasikan untuk proses optimasi, skala pilot/penelitian, dan inovasi teknologi baru, dalam rangka untuk mendorong maju aplikasi nyata membran hibrid untuk meminimalkan pengolahan lumpur.
[8]
[9]
[10] Daftar Notasi AMD Pengolahan membrane anaerobik CAS Lumpur aktif konvensional CFV Kecepatan aliran silang CST Waktu hisap kapiler DAF Flotasi udara terlarut EPS Zat polimer ekstra FO Forward Osmosis HRT Waktu tinggal hidrolik MBRs Membran bioreaktor MLSS Campuran cairan tersuspensi OP Fosforilasi oksidatif ORP Laju produksi organik OSA Oxic settling anaerobic SMP Produk mikroba terlarut SRT Waktu retensi lumpur TMP Total produk mikroba WAS Lumpur limbah aktif
[11]
[12]
[13]
[14]
Daftar Pustaka References [1] S. Judd, Principles and applications of membrane bioreactors for water and wastewater treatment. Cranfield University, UK. (2011). [2] Y. Shimizu, Y. Okuno, K. Uryu, S. Ohtsubo, A. Watanabe. Filtration characteristics of hollow fiber microfiltration membranes used in MBR for domestic wastewater treatment. Water Research, 30 (1996) 2385-2392. [3] M. Gander, B. Jefferson, S. Judd. Aerobic MBRs for domestic wastewater treatment: A review with cost considerations. Separation and Purification Technology, 18 (2000) 119-130. [4] J.J. Qin, M.H. Oo, G. Tao, K.A. Kekre. Feasibility study on petrochemical wastewater treatment and reuse using submerged MBR. Journal of membrane science, 293 (2007) 161166. [5] I.G. Wenten, A.N. Hakim, P.T.P. Aryanti. “Bioreaktor Membran untuk Pengolahan Limbah Industri.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [6] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [7] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, Khoiruddin. “Teknologi Membran dalam Pengolahan Limbah.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
6
G. Wenten, D. Koenhen, H.D. Roesink, A. Rasmussen, G. Jonsson. Method for the removal of components causing turbidity, from a fluid, by means of microfiltration. Biotechnology Advances, 15 (1997) 453-453. J.S. Chang, C.Y. Chang, A.C. Chen, L. Erdei, S. Vigneawaran. Long term operation of submerged membrane bioreactor for the treatment of high strength acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) wastewater: Effect of hydraulic retention time. Desalination, 191 (2006) 45-51. H. Hasar, C. Kinaci, A. Unlu, H. Togrul, U. Ipek. Rheological properties of activated sludge in a sMBR. Biochemical Engineering Journal, 20 (2004) 1-6. G. Laeraa, A. Polliceb, D. Saturnob, C. Giordanob, R. Sandullia. Influence of sludge retention time on biomass characteristics and cleaning requirements in a membrane bioreactor for municipal wastewater treatment. Desalination, 236 (2009) 104-110. T. Kornboonraksa, S.H. Lee. Factors affecting the performance of membrane bioreactor for piggery wastewater treatment. Bioresource Technology, 100 (2009) 2926-2932. T. Jiang, M.D. Kennedy, W.G.J. van der Meer, P.A. Vanrolleghem, J.C. Schippers. The role of blocking and cake filtration in MBR fouling. Desalination, 157 (2003) 335-343. H. Lin, W. Peng, M. Zhang, J. Chen, H. Hong, Y. Zhang. A review on anaerobic membrane bioreactors: Applications, membrane fouling and future perspectives. Desalinations, 231 (2013) 71-81. P. Le Clech, V. Chen, A.G. Fane. Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment. Journal of membrane science, 284 (2006) 15-53. A.L. Smith, L.B. Stadler, N.G. Love, S.J. Skerlos, L. Raskin. Perspectives on anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater: A critical review. Bioresource Technology, 122 (2012) 149-159. T.Y. Cath, A.E. Childress, M. Elimlech. Forward Osmosis: Principles, applications, and recent developments. Journal of Membrane Sciences, 281 (2006) 70-87. A. Achili, T.Y. Cath, E.A. Marchand, A.E. Childress. The forward osmosis membrane bioreactor: A low fouling alternative to MBR processes. Desalination, 239 (2009) 10-21 L. Chen, Y. Gu, C. Cao, J. Zhang, J.W. Ng, C. Tang. Performance of a submerged anaerobic membrane bioreactor with forward osmosis membrane for low strength wastewater treatment. Water research, 50 (2014) 114-123. A. Khursheed, A.A. Kazmi. Retrospective of ecological approaches to excess sludge reduction. Water Res 45 (2011) 4287-310.
[21] M.C.M. Van Loosdrechr, M. Henze. Maintenance, endogeneous respiration, lysis, decay, and predation. Water Sci Technol, 39 (1999) 107-17 [22] Y.S. Wei, R.T. Van Houten, D.H. Eikelboom. Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment. Water Res, 37 (2003) 4453-67. [23] S.B. He, L. Wang, Y.F. Jiang. A novel approach to treat combined domestic wastewater and excess sludge in MBR. J Environ Sci, 15 (2003) 674-9. [24] B.K. Huang, H.S. Son, J.H. Kim, C.H. Ahn, C.H. Lee. Decomposition of excess sludge in a membrane bioreactor using turbulent jet flow ozone contactor. J Ind Eng Chem, 16 (2010) 6028 [25] Y.F. Liang, L. Wang, B.Z. Wang, S.B. He, S. Liu. Sludge ozonization and its effect on performance of submerged membrane bioreactor. J Harbin Inst Technol, 14 (2007) 807-11. [26] S.H. Yoon. Important operational parameters of membrane bioreactor sludge disintegration (MBR-SD) system for zero excess sludge production. Water Res, 37 (2003) 1921-1931. [27] M.H. He, C.H. Wei. Performance of membrane bioreactor (MBR) system with sludge Fenton oxidation process for minimization of excess sludge production. J Hazard Mater, 176 (2010) 597-601. [28] K.R. Lee, I.T. Yeom. Evaluation of a membrane bioreactor system coupled with sludge pretreatment for aerobic sludge digestion. Environ Technol, 28(7), (2007) 723-30. [29] J.R. Banu, D.K. Uan, I.T. Yeom. Nutrient removal in an A29-MBR reactor with sludge reduction. Bioresour Technol, 100 (2009) 38203824 [30] J.C. Senez. Some considerations on the energetic of bacterial growth. Bacteriol Rev, 26 (1962) 95107. [31] J. Kopp, N. Dichtl. Influence of the free water content on the dewaterability of sewage sludge. Water Sci Technol, 44 (2001) 177-183. [32] Z.W. Wang, Z.C. Wu, J. Hua, X.H. Wang, X.Z. Du, H. Hua. Application of flate sheet membrane to thickening and digestion of waste activated sludge (WAS). J Hazard Mater, 154 (2008) 535542. [33] J. Schaller, W. Heine, A. Drews, M. Kraume. Investigation of the sludge thickening potential of waste activated sludge using membranes Desalin Water Treat, 42 (2012) 37-42. [34] Z.C. Wu, X.H. Wang, Z.W. Wang, X.Z. Du. Identification of sustainable flux in the process of using flat sheet membrane for simultaneous thickening and digestion of waste activated sludge. J Hazard Mater, 162 (2009) 1397-1403. [35] A. Tiehm, K. Nickel, M. Zelhom, U. Neis.
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
[41]
[42]
[43]
[44]
[45]
[46]
[47]
[48]
7
Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization. Water Res, 35 (2001) 2003-9. Z.Y. Yu, X.H. Wen, M.L. Xu, X. Huang. Characteristics of extracellular polymeric susbtances and bacterial communities in an anaerobic membrane bioreactor coupled with online ultrasound equipment. Bioresour Technol, 117 (2012) 333-40. B.Q. Liao, J.T. Kraemer, D.M. Bagley. Anaerobic membrane bioreactors: applications and research directions. Crit Rev Environ Sci Technol, 36(6), (2006) 489-530. V.T. Kuberhar, R.H. Davis. Modeling of fouling reduction by secondary membrane. J Membr Sci, 168 (2000) 243-258. B.S. Luxmi, F. Nakajima, K. Yamamoto. Predator grazing effect on bacterial size distribution and floc size variation in membrane separation activated sludge. Water Sci Technol, 42 (2000) 211-217. M.X. Guo, M.S. Zhu, J.Q. Lou. The effects of environmental factors on sludge reduction by tubificidae. Acta Scien Circum, 31 (2011) 26572662. P. Liang, X. Huang, Y. Qian, G.J. Ding. Research progress on sludge reduction technologies. Tech Equip Environ Pollut Control, 4 (2003) 44-52. S. Saby, M. Djafer, G.H. Chen. Effect of low ORP in anoxic sludge zone on excess sludge production in oxic sttling anoxic activated sludge process. Water Res, 37(1), (2003) 11-20. J.X. Ma, Z.W. Wang, Y. Yang. Correlating microbial community structure and composition with aeration intensity in submerged membrane bioreactor by 454 high throughout pyrosequencing. Water Res, 47 (2013) 859-69. I. Jackvicz, A. Pierkiel, J. Lanting. Membrane coupled anaerobic digestion of sewarge sludge; a pilot study. Procedings of the water Environment Federation. WEF/A&WMA Industrial Wastes. (2004) 144-50. H. Wu, X. Huang. Improvement of membrane filterability of the mixed liquor in a membrane bioreactor by ozonation. J Membr Sci, 318 (2008) 210-216. N.R. Khalili, E. Chaib, S.J. Parulekar, D. Nykiel. Performance enhancement of batch aerobic digesters via addition of digested sludge. J Hazard Mater, 76(1), (2000) 91-102. R.C. Eusebio, H.G. Kim, T.H. Chung, H.S. Kim. Enhancing filterability of flat sheet membrane by addition of cationic polymer for sludge thickening system. Desalin water treat, 34 (2010) 10-8. T.Y. Cath, A.E. Childress, M. Elimelech. Forward osmosis: principle, applications, and recent developments. J Membr Sci, 281 (2006) 70-87.
