PENGOLAHAN LIMBAH CAIR DENGAN KANDUNGAN AMONIAK TINGGI SECARA BIOLOGI MENGGUNAKAN MEMBRANE BIOREACTOR (MBR) Marry Fusfita (2309105001), Umi Rofiqah (2309105012) Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng dan Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kata kunci: Pengolahan Limbah Cair dengan Kandungan Ammonia Tinggi, Membrane Bioreactor (MBR), Sludge Retention Time (SRT), Removal ammonia. Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah untuk meneliti kinerja MBR dalam mendegradasi polutan organik dalam air limbah industri dan pemisahan lumpur yang terjadi, meneliti pengaruh kondisi anoxic terhadap pengurangan kandungan N dalam air limbah industry, meneliti kinerja MBR dan SMBR terhadap perubahan fluks, dan meneliti pengaruh SRT terhadap MLSS, COD, dan DO. Penelitian ini mengenai pengolahan limbah cair sintesa dengan kandungan ammonia tinggi secara biologis menggunakan Membrane Bio Reactor (MBR). Pengolahan secara biologis ini menggunakan lumpur aktif yang berasal dari tangki aerasi pengolahan limbah pada Surabaya Industrial Estate Rungkut (SIER) dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap pendahuluan dan tahap percobaan utama. konsentrasi BOD yang digunakan adalah 1200 mg/L, konsentrasi biomassa (MLSS) 4000 – 6000 mg/L, dan Sludge Retention Time (SRT) 5 hari, 10 hari, dan 20 hari. Pengamatan terhadap oksigen terlarut (DO), SV, dan bioassay juga dilakukan. MBR (Membrane Bioreactor) pada SRT 5 hari mampu menurunkan COD 1800 mg/L menjadi 570 mg/L dengan, pada SRT 10 hari mampu menurunkan COD 1800 mg/L menjadi 200 mg/L dan pada SRT 20 hari mampu menurunkan COD 1800 mg/L menjadi 255 mg/L pada tangki aerobik. Dan dengan menggunakan membran dapat diturunkan lagi menjadi 550, 180, dan 230 mg/L. % removal COD pada SRT 5 hari sebesar 69,44 %, pada SRT 10 hari sebesar 90,11 %, dan pada SRT 20 hari sebesar 87,22 %. MBR (Membrane Bioreactor) dapat menurunkan konsentrasi NH3 dari 294,413 mg/L pada SRT 5 hari menjadi 86,822 mg/lt dengan % removal sebesar 70,51 %, pada SRT 10 hari sebesar 27 mg/lt dengan % removal sebesar 90,69 %, dan pada SRT 20 hari menjadi 69 mg/L dengan % removal sebesar 76,72 %. MBR (Membrane Bioreactor) dapat menurunkan turbidity pada SRT 5 hari sebesar 61,765 %, pada SRT 10 hari sebesar 68,75 %, dan pada SRT 20 hari sebesar 76,26 %. Dengan menggunakan membran ultrafiltrasi didapatkan flux membran pada sistem MBR sebesar 12,6 – 30 L/m2 jam dan pada sistem SMBR sebesar 5,4 - 27 L/m2jam.
1. Pendahuluan Pengolahan limbah secara biologi adalah pengolahan limbah yang menggunakan bakteri dan mikroorganisme lainnya untuk menghilangkan kontaminan dengan mengasimilasi bakteri dan mikroorganisme yaitu sepanjang aliran utama pengolahan limbah dalam industri proses kima. Ketika mempertimbangkan pengolahan limbah secara biologi untuk aplikasi tertentu adalah penting untuk mengetahui sumber air limbah yang dihasilkan, biasanya komposisi air limbah, kejadian dan praktik dalam sebuah fasilitas yang dapat mempengaruhi kuantitas dan kualitas air limbah, dan percabangan pretreatment (Thomas E. Schultz, 2005) Pengolahan limbah dengan aerobic activated sludge (lumpur aktif) merupakan proses biologis menggunakan mikroorganisme untuk mendegradasi bahan-bahan organik yang terkandung dalam limbah cair.. Kualitas effluent tergantung pada karakter mikroorganisme pembentuk lumpur aktif antara lain sifat pengendapannya dan kondisi bak sedimentasi (William, 1999). Untuk mengatasi kelemahan dari sistem lumpur aktif konvensional, maka dicoba suatu proses lumpur aktif yang dilengkapi dengan menggunakan
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR). Konsep SMBR secara teknis hampir sama dengan pengolahan limbah biologis konvensional, kecuali proses pemisahan activated sludge dengan effluent yang dilakukan menggunakan membran filtrasi sebagai pengganti sedimentasi. Penggunaan Membrane Bioreactor (MBR) di antaranya mampu mengolah bahan organik dengan konsentrasi yang tinggi dan beban yang berfluktuasi. Kualitas air effluent akan meningkat, yang ditandai dengan minimnya kandungan padatan tersuspensi, virus, dan bakteri didalamnya (Chang et al, 2002). Beberapa tahun belakangan ini, integrasi dari proses activated sludge dan SMBR dikenal sebagai salah satu proses pengolah limbah inovatif yang berpotensi untuk mendapatkan produk air ulang (reused) didalam industri (Katanyon, 2004). Namun, proses pengolahan di SMBR ini sangat dipengaruhi oleh konsentrasi biomassa yang akan mengendalikan perpindahan massa reaktan dalam bioreaktor dan derajat pemisahan di membran. Akibatnya, diperlukan pemahaman yang baik akan faktor-faktor yang menentukan transfer masa reaktan dan cara mengukur besarannya. Berbagai strategi penbersihan membran telah diusulkan dan dicoba dengan cara mencuci (washing)
atau backwashing untuk menjaga agar flux permeat didalam system MBR terjaga baik. (B. Marrot, 2004).
Pada SRT 5 hari diperoleh % removal COD 61,22 - 68,33 % untuk effluent tanpa membran dan % removal COD 62,33 - 69,44 % untuk effluent menggunakan membran.
2. Metodologi Dalam penelitian ini dilakukan dua tahap, yaitu tahap pendahuluan dan tahap percobaan utama. Pada tahap pendahuluan terdiri dari analisa BOD/COD; N ; P limbah cair industri sintetis, pembibitan, dan aklimatisasi. Sedangkan tahap percobaan utama merupakan tahap operasi pengolahan limbah dengan variabel-variabel yang ditentukan pada MBR.
% Removal COD
% Removal COD pada SRT 10 Hari
3. Hasil dan Pembahasan Penelitian ini mengenai pengolahan limbah cair sintesa dengan kandungan ammonia tinggi secara biologis menggunakan Membrane Bio Reactor (MBR). Pengolahan secara biologis ini menggunakan lumpur aktif yang berasal dari tangki aerasi pengolahan limbah pada Surabaya Industrial Estate Rungkut (SIER) dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap pendahuluan dan tahap percobaan utama. 3.1 Tahap Pendahuluan
Komponen Glukosa
1125
KH2PO4
53,03
(NH2)2CO
325,714
Tanpa membran Menggunakan membran 1 4 7 10 Waktu (Hari)
Gambar 3.2 % Removal COD pada SRT 10 Hari pada SRT 10 hari % removal COD 63,83 – 88,89 % untuk effluent tanpa membran dan % removal COD 65,11– 90,00 % untuk effluent menggunakan membran.
Tahap pendahuluan terdiri dari proses pembibitan dan aklimatisasi lumpur aktif yang berasal dari tangki aerasi pengolahan limbah pada Surabaya Industrial Estate Rungkut (SIER) dengan kondisi limbah sintesa yang digunakan. Lumpur aktif yang digunakan terdiri dari mikroorganisme yang dapat mendegradasi bahan organik pada limbah. Limbah sintetis dibuat dengan mencampurkan air yang berasal dari PDAM yang ditambahkan campuran sesuai komposisinya disajikan pada Tabel 4.2, yang memiliki COD 1800 mg/l. Tabel 3.1 Kompisisi limbah sintesa Konsentrasi (mg/L)
100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
% Removal COD
% Removal COD pada SRT 20 Hari 100,00 50,00
Tanpa membran
0,00 1 5 9 13 17
Menggunakan membran
Waktu (Hari)
Gambar 3.3 % Removal COD pada SRT 20 Hari Dan pada SRT 20 hari % removal COD 68,17 – 85,83 % untuk effluent tanpa membran dan % removal COD 68,89 – 87,22 % untuk effluent menggunakan membran. 3.2.2
AMMONIA % Removal Ammonia pada SRT 5 Hari
3.2 Tahap Percobaan Utama 3.2.1
Chemical Oxygen Demand (COD, mg/l
% Removal COD
% Removal COD pada SRT 5 Hari 80,00 70,00 60,00 50,00
Tanpa membran 1 3 5 7 9 11 Waktu (Hari)
Menggunakan membran
Gambar 3.1 % Removal COD pada SRT 5 Hari
% Removal Ammonia
100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Waktu (Hari)
Gambar 3.4 % Removal NH3 pada SRT 5 Hari Gambar 4.10 menunjukkan bahwa pada SRT 5 hari berkemampuan untuk mengilangkan amonia
% Removal Ammoniak pada SRT 10 hari
% Removal Nitrat pada SRT 10 hari
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 Waktu (Hari)
Gambar 3.5 % Removal NH3 pada SRT 10 Hari Dan gambar 4.11 menunjukkan bahwa pada SRT 10 hari berkemampuan untuk mengilangkan amonia hingga 90,69 %. Kondisi ini dicapai pada hari ke-12 setelah kondisi relatif konstan.
% Removal amonia
% Removal Amoniak pada SRT 20 hari 100,00 50,00
0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Waktu (Hari)
% Removal Nitrat pada SRT 20 hari 100,00 50,00 0,00 1
1
3
5
7
Waktu (Hari)
NITRAT % Removal Nitrat pada SRT 5 Hari 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
3
5
7
9 11 13 15 17
waktu (Hari)
9 11 13 15 17
Sedangkan pada gambar 3.6 menunjukkan bahwa pada SRT 20 hari berkemampuan untuk mengilangkan amonia hingga 76,72 %. Kondisi ini dicapai pada hari ke-17 setelah kondisi relatif konstan. Dapat disimpulkan bahwa pada SRT 10 hari memberikan penurunan ammonia yang lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari.
% Removal Nitrat
50,00
Dan gambar 3.8 menunjukkan bahwa pada SRT 10 hari berkemampuan untuk mengilangkan nitrat hingga 90,48 %. Kondisi ini dicapai pada hari ke-12 setelah kondisi relatif konstan.
0,00
Gambar 3.6 % Removal NH3 pada SRT 20 Hari
3.2.3
100,00
Gambar 3.8 % Removal Nitrat pada SRT 10 Hari
% Removal
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
% Removal Nitrat
69,05 %. Kondisi ini dicapai pada hari ke-12 setelah kondisi relatif konstan.
% Removal amonia
hingga 70,51 %. Kondisi ini dicapai pada hari ke-12 setelah kondisi relatif konstan.
Gambar 3.9 % Removal Nitrat pada SRT 20 Hari Sedangkan pada gambar 3.9 menunjukkan bahwa pada SRT 20 hari berkemampuan untuk mengilangkan amonia hingga 80,95 %. Kondisi ini dicapai pada hari ke-17 setelah kondisi relatif konstan. Dari data di atas diketahui bahwa pada SRT 10 hari memberikan penurunan nitrat yang lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari. Ini menunjukkan bahwa proses denitrifikasi di tangki anoxic cukup berhasil, karena sisa nitrat di dalam permeat relatif sedikit dimana ditunjukkan dengan removal nitrat hingga 90,48 %.. Hal ini ditunjukkan dengan semakin tingginya removal nitrat yang dihasilkan dan produk permeat yang dihasilkan oleh pengolahan limbah mengandung kadar nitrat yang rendah. Jika jumlah N yang keluar lebih kecil dari 0,5 jumlah N yang masuk, maka proses denitrifikasi dikatakan berhasil. Tetapi jika jumlah N yang keluar lebih besar daripada jumlah N yang masuk maka proses denitrifikasi tidak berjalan dengan baik di tangki anoxic.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Waktu (Hari)
Gambar 3.7 % Removal Nitrat pada SRT 5 Hari Gambar 3.7 menunjukkan bahwa pada SRT 5 hari berkemampuan untuk mengilangkan nitrat hingga
3.2.4
Unjuk Kerja Membran Untuk kinerja membran pada sistem SMBR, terjadi penurunan fluks dan memerlukan waktu backwasing dengan jarak yang relatif singkat. Sedangkan untuk kinerja membran pada sistem MBR, penurunan fluks dan memerlukan waktu backwashing
Flux (L/m2.jam)
dengan jarak yang agak lama seperti hasil uji berikut ini : 35 30 25 20 15 10 5 0
Gambar 3.16 di atas menunjukkan bahwa dengan pengolahan limbah menggunakan lumpur aktif dan membran ultrafiltrasi dapat mengurangi kekeruhan air limbah yaitu 62 % pada SRT 5 hari, 69 % pada SRT 10 hari dan 75,789 % pada SRT 20 hari.
MBR SMBR 0
50
100
Waktu (menit) (a) Gambar 3.10 Flux (L/m2.jam) dengan Waktu (menit) Pada MBR dan SMBR Dari gambar 4.20 diketahui bahwa fluks sistem SMBR adalah 5,4-27 L/m2.jam lebih kecil dari sistem MBR yang mempunyai fluks 12,6-30 L/m2 .jam, artinya dalam waktu 1 jam membrane pada sistem MBR dapat menghasilkan permeat sebenyak 30 L. Pada sistem SMBR, terjadi penurunan yang signifikan pada menit ke lima yaitu dari 27 L/m2.jam menjadi 9 L/m2.jam sedangkan pada sistem MBR penurunan terjadi bertahap dan dengan jarak yang relative kecil yaitu dari fluks 30 L/m2.jam menjadi 27,6 L/m2.jam pada menit ke lima. Fluks kembali semula setelah dilakukan backwashing setiap 30 menit sekali untuk mencapai fluks 27 L/m2.jam pada sistem SMBR dan mencapai 30 L/m2.jam pada sistem MBR. Flux semakin turun disebabkan adanya penyumbatan akibat partikel-partikel yang terakumulasi pada lapisan permukaan membran. Dapat dilihat bahwa dengan adanya backwashing dapat menaikkan flux membran meskipun tidak sampai pada kondisi awal. Kenaikan flux tidak dapat kembali seperti kondisi awal dikarenakan masih ada penyumbatan yang tidak bisa hilang dengan cara backwashing. 3.2.5
Turbidity
(b)
(c)
Gambar 3.12 Limbah Cair (a) Setelah Dilakukan Penyaringan Dengan Membran (b) Pada saat berada di ruang membrane (c) Sebelum Dilakukan Penyaringan Dengan Membran Dari gambar 3.12 diketahui perbedaan hasil setelah dilakukan penyaringan dengan membran, pada saat di ruang membran, dan pada saat di tangki aerobik. 3.2.6 dentifikasi Mikroorganisme Pemahaman terhadap spesies mikrobiologi merupakan kunci dasar sebagai efisiensi proses dan pemeliharaan berbagai rancangan pengolahan secara biologis pada proses lumpur aktif. Keberadaan rotifer mengindikasikan air limbah yang diolah secara biologis berlangsung dengan baik. Pada umumnya kehidupan mikroorganisme dalam proses lumpur aktif sangat sensitif terhadap lingkungan mereka misalnya pH, suhu, dissolved oxygen (DO) dan bahan-bahan inhibitor atau beracun. Secara umum, kegiatan mikroorganisme dalam proses biologis akan menurun saat suhu turun, yang akibatnya akan mengakibatkan penurunan efisiensi penyisihan COD. (William, 1999)
% Removal Turbidity
Turbidity dengan satuan NTU (Nephelometric Turbidity Unit) menunjukkan kekeruhan dari suatu sampel air, dimana pada penelitian ini air limbah dalam tangki aerobik dan air permeat di analisa kekeruhannya dengan alat Turbidity meter. 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0,000
Gambar 3.13 Mikroorganisme Lumpur Aktif
SRT 5 Hari SRT 10 Hari 1 4 7 10 13 16
SRT 20 Hari
Waktu (Hari)
Gambar 3.11 %Removal turbidity (NTU) dengan waktu (hari) pada SRT 5, 10, dan 20 hari
Gambar 3.13 menunjukan mikroorganisme yang terdapat dalam tangki aerobik merupakan bakteri dan protozoa. Umumnya identifikasi dilakukan pada saat biomassa masih muda atau sedang berkembang biak. Bakteri sebagai mikroorganisme yang paling dominan dengan ukuran mikron. Protozoa dapat digunakan sebagai indikator biologi kondisi lumpur aktif dengan sistem aerobik.. Pada proses pengolahan air limbah bahan organik semakin menurun sedangkan komposisi biomassa akan berubah.
4. Kesimpulan 1.
2.
3.
4.
% removal COD pada SRT 5 hari sebesar 69,44 %, pada SRT 10 hari sebesar 90,11 %, dan pada SRT 20 hari sebesar 87,22 %. MBR (Membrane Bioreactor) dapat menurunkan konsentrasi NH3 dari 294,413 mg/L pada SRT 5 hari menjadi 86,822 mg/lt dengan % removal sebesar 70,51 %, pada SRT 10 hari sebesar 27 mg/lt dengan % removal sebesar 90,69 %, dan pada SRT 20 hari menjadi 69 mg/L dengan % removal sebesar 76,72 %. MBR (Membrane Bioreactor) dapat menurunkan turbidity pada SRT 5 hari sebesar 61,765 %, pada SRT 10 hari sebesar 68,75 %, dan pada SRT 20 hari sebesar 76,26 %. Dengan menggunakan membran ultrafiltrasi didapatkan flux membran pada sistem MBR sebesar 12,6 – 30 L/m2jam dan pada sistem SMBR sebesar 5,4 - 27 L/m2jam.
Daftar Pustaka Chang, I., Clech, Le P., Jefferson, Bruce., dan Judd, S (2002), “Membrane Fouling in Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment”, Journal of Environmental Engineering, Vol.128, No. 11. Kusworo, T.D., Handayani, N.A., dan Widiasa, I.N (2009), “Aplikasi eksternal membran bioreactor untuk penyisihan ammonia dari limbah-limbah industri”, SNTKI 2009. Liang, Shuang (2006), “Soluble Microbal Products in Membrane Bioreactor Operation : Behaviors,
