PENGOLAHAN AIR ASAM TAMBANG MENGGUNAKAN BIOFILM BAKTERI PEREDUKSI SULFAT
MUCHAMAD YUSRON
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Pengolahan Air Asam Tambang Menggunakan Biofilm Bakteri Pereduksi Sulfat adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis yang telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Oktober 2009
Muchamad Yusron NRP P062050211
ii
ABSTRACT MUCHAMAD YUSRON. Treatment of Acid Mine Drainage using Biofilm of Sulfate Reducing Bacteria. Under supervision of DWI ANDREAS SANTOSA, BIBIANA W. LAY and ANAS MIFTAH FAUZI. Many mining and mineral processing industries discharge sulfate and metal containing wastewater, which is called acid mine drainage. The formation of acid mine drainage is generally the result of uncontrolled oxidation of the sulfide minerals present in the terrain in which the drainage flows with concomitant leaching of the metals. The high sulfate content in acid mine drainage can be reduced through chemical neutralization or biological treatment. Active biological treatment has been widely applied by using sulfate reducing microorganisms. These microorganisms can sustain life in acid environment. The aims of the research were: (i) to isolate and identify sulfate reducing bacteria collected from acid environment, (ii) to study environmental factors that influence growth of sulfate reducing bacteria, (iii) to treat acid mine drainage using suspended cell reactor system of sulfate reducing bacteria, and (iv) to evaluate the effectiveness of biofilm of sulfate reducing bacteria reactor for acid mine drainage treatment. The research consists of several stages which started with exploration and identification of sulfate reducing bacteria. On the final stage, the effectiveness of biofilm of sulfate reducing bacteria for acid mine drainage treatment was studied. Four promising isolates of sulfate reducing bacteria which can sustain in acid environment were obtained from coal mining area at Muara Enim, South Sumatra. The bacteria are classified as Desulfovibrio sp., which is characterized as straight rods, motile, non spore- forming and able to grow in simple organic carbon. The activity of bacteria depends on environmental conditions. The optimum pH of Desulfovibrio sp. range between 5-7, and able to reduce sulfate content of about 82-90%. Rice straw can be used as a carbon organic source for bacterial growth. The application of freely suspended sulfate reducing bacteria cell reactor efficiently reduce sulfate and metal content of wastewaters, however operation still need long residence time. With 30 days residence time, 89% of sulfate content was reduced, 97% of dissolved Fe and Mn were reduced and pH increased to 7.5. The application of biofilm of sulfate reducing bacteria cell system reactor was found more efficient in reducing sulfate and metal content of acid mine drainage. With 144 hours residence time, 77.16% of sulfate content was reduced, 88.72% of dissolved Mn and 69.72% of dissolved Fe were reduced, and pH increased up to 7. By using biofilm of sulfate reducing bacteria cell system, sulfate and metal content can be reduced to a value that meet standard quality of industrial wastewaters within 68-80 hours residence time. Keywords : Acid mine drainage, biofilm, sulfate reducing bacteria
iii
RINGKASAN MUCHAMAD YUSRON. Pengolahan Air Asam Tambang Menggunakan Biofilm Bakteri Pereduksi Sulfat. Dibawah bimbingan : DWI ANDREAS SANTOSA, BIBIANA W. LAY dan ANAS MIFTAH FAUZI. Air asam tambang merupakan limbah pencemar lingkungan yang terjadi akibat aktifitas pertambangan. Limbah ini terjadi karena adanya proses oksidasi bahan mineral pirit (FeS2 ) dan bahan mineral sulfida lainnya yang tersingkap ke permukaan tanah dalam proses pengambilan bahan mineral tambang. Proses kimia dan biologi dari bahan-bahan mineral tersebut menghasilkan sulfat dengan tingkat kemasaman yang tinggi. Secara langsung maupun tidak langsung tingkat kemasaman yang tinggi mempengaruhi kualitas lingkungan dan kehidupan organisme. Upaya untuk mengurangi dampak negatif air asam tambang ini telah dilakukan, baik melalui penggunaan bahan kimia maupun secara biologi. Penambahan bahan alkalin akan meningkatkan nilai pH, mempercepat laju oksidasi ion fero (Fe2+), serta mengendapkan logam terlarut dalam bentuk hidroksida dan karbonat. Teknologi lain adalah pembuatan lahan basah (wetland), baik yang aerob maupun anaerob. Adanya tanaman pada sistem lahan basah ini memberikan kontribusi dalam peningkatan kandungan bahan organik melalui zatzat hasil sekresi dan dekomposisi sisa tanaman. Cara lain yang diharapkan bisa memberikan keuntungan lebih besar adalah dengan memanfaatkan bakteri pereduksi untuk meningkatkan alkalinitas dan mengimobilisasi logam- logam berbahaya. Untuk meningkatkan daya kerja bakteri pereduksi sulfat dalam reaktor adalah dengan mengimobilisasi sel-sel bakteri pada suatu permukaan partikel padatan, sehingga terbentuk biofilm. Dengan adanya biofilm tersebut diharapkan akan meningkatkan efektivitas bakteri dalam meningkatkan pH dan mengendapkan logam berbahaya dalam limbah air asam tambang. Penelitian ini dilaksanakan dengan tujuan : (i) mengisolasi dan mengidentifikasi bakteri pereduksi sulfat yang mampu tumbuh dan beraktivitas pada kondisi masam, (ii) mengetahui faktor- faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat, (iii) mengolah air asam tambang dengan menggunakan bakteri pereduksi sulfat dalam reaktor sistem tersuspensi, dan (iv) mengetahui kinerja reaktor biofilm bakteri pereduksi sulfat untuk mereduksi air asam tambang. Penelitian ini terdiri dari 4 kegiatan, yaitu (1) Eksplorasi dan identifikasi bakteri pereduksi sulfat, (2) Pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat pada berbagai kondisi lingkungan, (3) Pengolahan air asam tambang dengan reaktor anaerob bakteri pereduksi sulfat tersuspensi, dan (4) Pengolahan air asam tambang dengan reaktor biofilm bakteri pereduksi sulfat. Kegiatan 1 dilaksanakan dengan menggunakan metode deskriptif, kegiatan 2 sampai 4 menggunakan metode eksperimen di laboratorium. Bakteri pereduksi sulfat diisolasi dari kolam penampungan air asam tambang pertambangan batu bara PT Bukit Asam, Sumatera Selatan. Isolasi dilakukan menggunakan media cair Postgate B yang disederhanakan. Hasil isolasi tersebut kemudian dimurnikan dengan metode pengenceran. Selanjutnya dilakukan seleksi untuk mendapatkan isolat yang mampu tumbuh pada pH rendah dengan kemampuan mereduksi sulfat dan meningkatkan pH media yang tinggi. iv
Identifikasi dilakukan hanya pada isolat yang dianggap unggul dengan media padat maupun media cair. Penentuan tipe morfologi, pewarnaan Gram dan pewarnaan spora dilakukan dari biakan media padat. Kegiatan kedua dilakukan untuk mempelajari faktor- faktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat, antara lain pH, konsentrasi (kandungan) sulfat, dan sumber karbon. Pada kegiatan ketiga, pengolahan air asam tambang dilakukan dengan menggunakan kolom pengolahan pada kondisi anaerob bakteri pereduksi sulfat tersuspensi. Kolom dibuat dari kaca dengan ukuran diameter panjang 10 cm, lebar 15, dan tinggi 20 cm, sehingga total volume kolom 3000 cm3 . Limbah asam tambang dimasukkan ke dalam kolom dengan ditambahkan nutrisi starter berupa asam laktat sebanyak 10 mL/L limbah dan isolat bakteri pereduksi sulfat yang telah ditumbuhkan. Tiga isolat yang digunakan pada tahap ini adalah ICBB 8815, ICBB 8816, dan ICBB 8818. Pada kegiatan keempat, unit pengolahan air asam tambang menggunakan biofilm bakteri pereduksi sulfat terdiri dari 3 bak yang terbuat dari kaca, yakni bak pengisi, bak pengolah dan bak penampung. Bak pengolah yang merupakan reaktor anaerob dibuat dengan volume 6000 mL dan dimensi dengan ukuran panjang 20 cm, lebar 15 cm dan tinggi 20 cm. Pada bak pengolah ini diisi 1500 g limbah jerami dan 4000 g batu vulkan (sebagai media tumbuh biofilm), sehingga volume efektif reaktor adalah 3000 mL. Pengolahan limbah dilakukan secara anaerob dengan menggunakan sistem curah (batch). Imobilisasi bakteri pereduksi sulfat dilakukan dengan membiarkan kolom dalam kondisi anaerob selama 14 hari sehingga terbentuk biofilm. Pengamatan pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat yang menempel pada permukaan batu vulkan dilakukan dengan menggunakan metode Scanning Electron Microscopy (SEM). Pengolahan limbah secara anaerob dilakukan dengan 3 perlakuan, yaitu (1) jerami padi (sebagai kontrol), (2) jerami padi dan ICBB 8815, dan (3) jerami padi dan ICBB 8818. Dari penelitian ini diperoleh bahwa kondisi kolam penampungan yang banyak mengandung sulfat dan pH rendah merupakan habitat yang sesuai untuk pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat. Namun demikian kelompok bakteri tersebut mempunyai karakteristik yang berbeda, dilihat dari waktu tumbuh dan kemampuan mereduksi sulfat. Dari kegiatan isolasi ini diperoleh empat si olat unggul bakteri pereduksi sulfat yang mampu tumbuh pada pH 3. Keempat isolat tersebut tergolong dalam kelompok Desulfovibrio sp., bakteri yang berbentuk batang, motil, tidak membentuk spora dan menggunakan laktat sebagai sumber organik. Aktivitas bakteri dalam mereduksi sulfat sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Bakteri Desulfovibrio sp. dapat tumbuh pada pH rendah, namun pH optimum untuk pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat adalah 5-7, dan mampu mereduksi sulfat dengan tingkat efisiensi 82-90%. Kebutuhan laktat sebagai sumber organik untuk aktivitas bakteri dapat dipenuhi dari bahan organik yang mudah terlapuk. Penggunaan reaktor bakteri pereduksi sulfat tersuspensi mampu mengurangi kandungan sulfat dan logam terlarut limbah air asam tambang, namun diperlukan waktu yang lama. Dalam waktu 30 hari kandungan sulfat berkurang sebesar 89%, kandungan logam terlarut berkurang 97% dan pH meningkat menjadi 7. Pengolahan limbah air asam tambang menggunakan reaktor biofilm bakteri pereduksi sulfat lebih efisien dibandingkan dengan reaktor bakteri pereduksi sulfat v
tersuspensi. Pengolahan limbah dengan reaktor biofilm bakteri pereduksi sulfat selama 144 jam mampu menurunkan kandungan sulfat sebesar 77,16%; Mn terlarut berkurang sebesar 88,72% dan Fe terlarut berkurang sebesar 69,72%. Dengan kandungan sulfat awal sekitar 950 mg/L, untuk menurunkan kandungan sulfat dalam limbah air asam tambang sesuai dengan peraturan pemerintah diperlukan waktu sekitar 68-80 jam.
vi
© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2009 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh kara tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepenttingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar bagi Institut Pertanian Bogor 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagaian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa ijin Institut Pertanian Bogor
vii
PENGOLAHAN AIR ASAM TAMBANG MENGGUNAKAN BIOFILM BAKTERI PEREDUKSI SULFAT
MUCHAMAD YUSRON
Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009 viii
Judul Disertasi
:
Pengolahan Air Asam Tambang Menggunakan Biofilm Bakteri Pereduksi Sulfat
Nama
:
Muchamad Yusron
NRP
:
P062050211
Program Studi
:
Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan
Disetujui : Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Dwi Andreas Santosa Ketua
Prof. Dr. drh. Bibiana W. Lay, M.Sc. Anggota
Dr. Ir. Anas Miftah Fauzi, M.Eng Anggota
Diketahui : Ketua Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan
Dekan Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Surjono H. Sutjahjo, MS.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.
Tanggal Ujian : 16 Oktober 2009
Tanggal Lulus :
ix
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan keha dirat Allah Yang Maha Kuasa yang telah melimpahkan rahmat dan kasih sayang Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan disertasi dengan judul “Pengolahan Air Asam Tambang Menggunakan Biofilm Bakteri Pereduksi Sulfat”. Disertasi ini merupakan salah satu syarat penyelesaian pendidikan program Doktor (S3) pada Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Dr. Ir. Dwi Andreas Santosa, Prof. Dr. drh. Bibiana W. Lay, M.Sc. dan Dr. Ir. Anas Miftah Fauzi, M.Eng. selaku ketua dan anggota komisi pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan sejak penyusunan proposal, pelaksanan penelitian hingga selesainya penyusunan disertasi ini. 2. Ketua Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan yang telah banyak memberikan arahan, dorongan dan motivasi selama masa studi sampai penyusunan disertasi ini. 3. Ucapan terima kasih penulis sampaikan secara khusus kepada Dr. Ir. Dwi Andreas Santosa yang telah menyediakan bahan penelitian dan peralatan laboratorium sehingga penulis dapat menyelesaikan keseluruhan tahapan penelitian. 4. Perusahaan tambang batu bara PT. Bukit Asam, Muara Enim yang telah mengijinkan penulis melakukan penelitian selama di lapang dan menyediakan limbah air asam tambang. 5. Kepala Balai Penelitian Tanaman Obat dan Aromatik, Departemen Pertanian, yang telah memberikan kesempatan dan ijin kepada penulis untuk melanjutkan studi pada Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. 6. Seluruh staf dan teknisi pada Laboratorium Bioteknologi Lingkungan, Indonesian Center for Biodiversity and Biotechnology (ICBB), Bogor yang telah banyak membantu penulis selama pelaksanaan penelitian. x
