PERBANDINGAN KINERJA SMBR DAN SMAHBR TERHADAP POTENSI PEMBENTUKAN FOULING MEMBRAN PENGOLAH LIMBAH CAIR INDUSTRI

Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia – SNTKI 2009

ISBN 978-979-98300-1-2

Bandung, 19-20 Oktober 2009

PERBANDINGAN KINERJA SMBR DAN SMAHBR TERHADAP POTENSI PEMBENTUKAN FOULING MEMBRAN PENGOLAH LIMBAH CAIR INDUSTRI Tri Widjaja, Ali Altway, Musfil AS Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111

Dahlia Indah Ch., Endah Trisetyaningsih, Sisca Rifia Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111

Abstrak Soluble Microbial Product (SMP) berpengaruh penting pada proses biologis pengolahan limbah cair dengan teknik membran. Akumulasi SMP pada membrane dapat memicu fouling pada Submerged Membrane Bioreactor (SMBR), sehingga menyebabkan penurunan flux permeat proses filtrasi terhadap waktu operasi membrane. Pengendalian fouling tidak cukup dengan backflushing, tetapi proses biologis juga berpengaruh. Untuk itu penambahan karbon aktif pada Submerged Membrane Adsorption Hybrid Bioreactor (SMAHBR) diharapkan dapat mengurangi terjadinya fouling. Limbah SIER dioperasikan pada volume 50 l dan konsentrasi MLSS tinggi (15000 mg/L), COD 2500 mg/L, serta SRT 10, 20, 30 hari. Pengoperasian SMAHBR dilakukan dengan penambahan PAC 10% terhadap konsentrasi sludge. Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui besarnya removal COD, flux permeat, konsentrasi karbohidrat dan protein sebagai indicator pembentukan SMP yang mengakibatkan fouling.Hasil penelitian menunjukkan kinerja SMBR dan SMAHBR relative stabil, walaupun beroperasi pada MLSS tinggi (30 hari). SMP yang ditunjukkan kandungan karbohidrat dan protein penyebab fouling banyak ditemukan pada SRT pendek 10 hari, yaitu 3,9 mg/l protein dan 5,7 mg/l karbohidrat dalam SMBR. Sedangkan pada SMAHBR, SMP menurun menjadi 2,4 mg/l protein dan 4,0 mg/l karbohidrat. Removal COD pada SMBR antara 91,6% sampai 94,6% sedangkan pada SMAHBR removal COD naik 2,4-3,4%. Sehingga penambahan PAC pada sistem membrane telah efektif meningkatkan kinerja SMAHBR. Kata Kunci : SMP, SMAHBR,SMBR Abstract Soluble Microbial Product (SMP) influence biological process of wastewater treatment with membrane technology. SMP in membrane caused fouling in Submerged Membrane Bioreactor (SMBR), then caused permeat flux decreasing during operation of membrane. Backflushing technology not enough to handling fouling because biological process also important. Handling with PAC injection in Submerged Membrane Adsorption Hybrid Bioreactor (SMAHBR) was expected to decrease fouling potential. Wastewater from SIER was operated at 50 l of volume and high MLSS concentration (15000mg/l), COD 2500 mg/l, and SRT 10,20,30 days. PAC was injected in membran bioreactor SMAHBR with amount 10% of sludge concentration. The purpose of this research to known COD removal, permeat flux, carbohydrate and protein as indicated of SMP and fouling potential. The result showed that SMBR and SMAHBR was stable., eventhough was operated at high MLSS (30days). SMP was showed by carbohydrate and protein that found at SRT 10days with 3,9 mg/l of protein and 5,7 mg/l of carbohydrate in SMBR. Whereas in SMAHBR, SMP decreased becomes 2,4 mg/l of protein and 4,0 mg/l of carbohydrate. COD removal in SMBR between 91,6% until 94,6% and in SMAHBR, COD removal increase 2,43,4%. The research showed that PAC addition in membrane system can increase performance of SMAHBR. Keyword : SMP, SMAHBR, SMBR

TPL04-1

Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia – SNTKI 2009

ISBN 978-979-98300-1-2

Bandung, 19-20 Oktober 2009 1. Pendahuluan Salah satu penanganan pengolahan limbah cair industri saat ini dapat dilakukan dengan sistem aerob pada proses lumpur aktif konvensional. Proses ini termasuk proses biologis yang menggunakan mikroorganisme untuk mendegradasi bahan-bahan organik yang terkandung dalam limbah cair. Proses lumpur aktif relatif sederhana namun memiliki banyak kekurangan, diantaranya memerlukan waktu yang lama dan lahan yang luas untuk memisahkan lumpur dan cairan didalam bak sedimentasi sekundernya serta pengoperasiannya dengan kondisi sangat khusus terutama terhadap beban organik dan konsentrasi mikroorganisme atau sering disebut dengan F/M ratio dan kebutuhan oksigen terlarut. Sebagai akibatnya terjadi bulking sludge, berupa fenomena dari mikroorganisme yang sulit/lambat mengendap dikarenakan F/M ratio yang tidak seimbang. Oleh karena itu di dalam bioreaktor harus diawasi dengan ketat agar tidak terjadi kondisi tersebut. Untuk mengatasi kelemahan yang terdapat pada sistem lumpur aktif konvensional, maka ditawarkan solusi teknologi membran dalam proses lumpur aktif dengan menggunakan Submerged Membrane Bioreactor ( SMBR ) yang dapat menggantikan peran bak sedimentasi sekunder dan ditempatkan dalam proses degradasi biologis, sehingga merupakan sistem yang kompak. Namun ada beberapa masalah pada proses pemisahan dengan teknologi membran, salah satunya adalah terjadinya fouling. Fouling merupakan proses terdeposisinya Soluble Microbial Product (SMP), yaitu produk metabolisme mikroorganisme dalam bioreaktor, bahan organik dan biomassa yang menyumbat pori membran dan menyebabkan menurunnya flux permeat terhadap waktu operasi tertentu. SMP dapat berupa humic substance, karbohidrat, protein, lemak dan garam mineral lainnya Kombinasi SMBR dan Powder Activated Carbon (PAC) yang disebut dengan Submerged Membrane Adsorption Hybrid Bioreactor (SMAHBR) diharapkan mampu menyisihkan bahan organik dengan baik walaupun konsentrasi biomassa cukup tinggi, karena PAC dapat mengikat mikroba substances dan bahan organik yang terkandung dalam limbah cair sehingga dapat memberikan removal mikrobiologi dan organik yang baik. Pada SMAHBR, proses adsorpsi/biodegradasi, pemisahan solid-liquid, akumulasi dan pembuangan lumpur dapat dilakukan dalam satu unit. Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan kinerja SMBR dan SMAHBR

terhadap removal COD dengan pengaruh dari terjadinya fouling. Serta melakukan analisa terhadap pengaruh SRT pada konsentrasi MLSS tinggi terhadap potensi terjadinya fouling pada membrane. 2. Teori Dasar Sistem pengolahan limbah dengan sistem membrane memiliki keunggulan dapat menghilangkan senyawa nitrogen, meminimalkan fouling, dan mereduksi produksi sludge hingga 50% dibandingkan dengan cara konvensional,( Côté dkk (1997). Fouling merupakan proses terdeposisinya suspensi atau zat terlarut pada permukaan eksternal, pori atau jaringan berpori membran. Proses ini mengakibatkan berkurangnya unjuk kerja membran yang menyebabkan menurunnya flux permeat terhadap waktu operasi tertentu. Peristiwa fouling tetap terjadi meskipun parameter yang lain seperti tekanan, laju alir, temperatur, dan konsentrasi umpan dijaga konstan. Hal-hal yang menyebabkan terjadinya fouling bisa berupa faktor psiko-kimia maupun faktor yang berupa parameter proses. Parameter psiko-kimia berupa interaksi antara membran dan variasi solute pada aliran umpan dan antara solute yang teradsorbsi dengan solut lain dalam aliran umpan. Solute tersebut bisa berupa garam-garam mineral, protein, lemak atau solute lainnya. Interaksi yang terjadi antara solute tersebut juga sangat dipengaruhi oleh pH dan perlakuan panas. Dan parameter proses yang mempengaruhi fouling diantaranya adalah temperatur, kecepatan alir dan turbulensi, tekanan dan konsentrasi umpan. Untuk mengatasi masalah fouling yang sering terjadi pada permukaan membran yang mengakibatkan penurunan permeabilitas membran dan mempengaruhi kualitas effluent pada umumnya digunakan teknik backflushing untuk mengembalikan kinerja membran. Teknik backflushing yang biasa dilakukan didalam bioreaktor yaitu dengan menggunakan udara dan air. Dengan air aliran permeat yang terkumpul pada tangki permeat secara langsung diumpan balik pada membran. Proses penambahan PAC pada pengolah limbah dengan sistem membran terendam mampu mempertahankan proses biodegradasi, mengurangi produksi sludge karena adanya penurunan konsentrasi protein dan karbohidrat di dalam supernatant sehingga mengurangi terjadinya fouling pada membran, (Nicolas, 2007) Penerapan teknologi PAC dapat dilakukan dalam pengolahan limbah cair industri dengan memperhatikan aspek mekanisme

TPL04-2

Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia – SNTKI 2009

ISBN 978-979-98300-1-2

Bandung, 19-20 Oktober 2009 kombinasi proses adsorpsi dan biologis yang melibatkan sifat-sifat adsorpsi-desorpsi target substances terhadap karbon aktif, dan juga memperhatikan aspek kondisi proses operasi yang meliputi; konsentrasi sludge sebagai mixed liquor suspended solid (MLSS) dengan komposisinya (sludge dan karbon aktif), dan sludge retention time (SRT). Adanya penambahan PAC dengan SRT yang tetap pada kondisi MLSS, konsentrasi umpan, dan lama backflushing yang sama terjadi peningkatan organic removal pada effluent yang diperoleh pada proses filtrasi dan menjadikannya lebih baik. Hal ini karena dengan adanya PAC, organic substance dapat terikat pada permukaan PAC sehingga organic substance yang harus didegradasi mikroorganisme menjadi lebih sedikit. Mekanisme pengikatan organic substance oleh PAC ditunjukkan oleh Gambar 1. Separasi Membran

Biodegradasi

Beban Organik

Adsorpsi

Gambar 1. Mekanisme Pengikatan PAC terhadap Organic Substance (Nicolas L., et al, 2007) Dari aspek microbial removal menunjukkan bahwa penghilangan bakteri Escherichia coli sangat efektif terlebih bila ditambahkan serbuk karbon aktif. Hal ini karena PAC dapat mengikat microbial substance berukuran kecil (lebih kecil dari diameter pori membran) pada solid surfaces di dalam suatu liquid phase sehingga terbentuk gel layer pada permukaan PAC. Selanjutnya akan terjadi penggabungan solid sehingga menyebabkan peningkatan ukuran mikroba, dengan demikian ukuran mikroba bertambah menjadikan tidak dapat melewati/penetrasi melalui pori membran sehingga diperoleh effluent yang lebih jernih dan tidak mengandung mikroba,(Ujang,2002).. Kecepatan umum maupun tegangan geser (shear stress) pada permukaan membran merupakan faktor penting yang sangat mempengaruhi flux dan fouling. Kecepatan geser (shear rate) yang tinggi pada permukaan membran cenderung melepaskan tumpukan material dan menurunkan tahanan hidrolik dari lapisan fouling. Metoda umum untuk membangkitkan kecepatan geser maupun

turbulensi yang tinggi diperlukan untuk memperkecil lapisan fouling adalah dengan menaikkan kecepatan fluida, kecepatan resirkulasi maupun memperkecil ukuran saluran dari aliran fluida. . 3. Metodologi Air Limbah Sintetis Umpan yang digunakan adalah limbah sintetik yang konsentrasi COD ±2500 mg/l. Tabel 1. Komposisi Limbah Sintetik Komponen Konsentrasi(mg/L) Glukosa* 1472 Asam glutamate* 661,1 CH3COONH4* 534,6 NaHCO3 343,83 NH4Cl* 218,2 KH2PO4 52,26 K2HPO4 37,59 MgSO4.7H2O 20,35 MnSO4.H2O 13,57 FeCl3.6H2O 6,78 CaCl2.2H2O 37,59 NaCl 48,05 Set-up SMBR dan SMAHBR SMBR dan SMAHBR dioperasikan pada flux permeat konstan dengan hydraulic retention time (HRT) 3,1 jam. Masing-masing MBR terdiri atas lumpur aktif dengan volume bioreactor sebesar 50 liter. Lumpur aktif diperoleh dari pengolahan limbah Surabaya Industrial Estate Rungkut (SIER). Kemudian dilakukan tahap pembibitan dan aklimatisasi selama 14 hari, dilanjutkan dengan operasi dengan membrane pada SRT 10,20,dan 30 hari. Konsentrasi MLSS 15000 mg/l. Limbah sintetis ditambahkan secara bertahap selama tahap aklimatisasi untuk mendukung pertumbuhan mikroorganisme di kedua sistem MBR. Pada reactor SMAHBR, ditambahkan PAC 10% pada tahap aklimatisasi. Karakteristik karbon aktif pada penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 2. Membran polisulfone hollow fiber yang digunakan memiliki ukuran pori 0,01m dan luas 1 m2. Skema gambar submerged hollow fiber mikrofiltrasi ditunjukkan di gambar 2. Limbah sintetis di pompa menuju reactor. Digunakan aerator yang berfungsi sebagai pembersih permukaan membrane, pencampur PAC di SMAHBR dan penyuplai oksigen untuk mendukung proses degradasi biologis untuk operasi MBR.

TPL04-3

Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia – SNTKI 2009

ISBN 978-979-98300-1-2

Bandung, 19-20 Oktober 2009 Analisa COD dan mixed liquor suspended solid/suspended solid (MLVSS/SS) diukur berdasarkan Standard Methods (APHA-AWWAWPCF, 1998). Metode refraktometer digunakan untuk mengukur kandungan karbohidrat di SMP dengan glukosa sebagai standard, sedangkan metode kjedal digunakan untuk menentukan protein dengan nitrogen sebagai referensi standard.

Tabel 2. Karakteristik PAC dari Batu Bara Parameter

Ukuran

Total Luas Permukaan Bulk Density Dry External Void Fraction Particle Size Range pH Total ash (%)

1047 m2/g 470 kg/m3 50 - 55 % 50 μm 7,0 8,3

Gambar 2. Removal COD (%) pada MLSS15000 mg/L

(F. Julien dkk, 1998)

1

on-off contr ol

c b

2

1

a ke at as

Pengaruh Penambahan PAC terhadap Flux Permeat pada reaktor SMBR dan SMAHBR Terjadinya fouling pada membran dapat diketahui dengan mengamati flux permeat. Saat laju flux permeat menurun mengindikasikan bahwa telah terjadi penyumbatan pada pori membran sehingga dapat dikatakan bahwa fouling terjadi pada saat flux permeat menurun.Terjadinya penurunan flux pada SMBR dan SMAHBR dijelaskan pada gambar 3.

2 P G

3

Dari gambar 2. terlihat bahwa efisiensi removal COD sebelum penambahan PAC antara 91,6% sampai dengan 94,6% dan setelah penambahan 10% PAC, removal COD meningkat sebesar 2,4% sampai dengan 3,4%. Hal ini disebabkan karena di dalam SMAHBR, PAC mengadsorb bahan organik sehingga proses biologis berlangsung dengan baik dalam removal bahan organik dibandingkan tanpa penambahan PAC(SMBR).

5

4

Ket: (1) Tangki umpan limbah sintetis, (2) Baffle,(3) SMBR, (4)Aerator, (5)Tangki Permeat,(a) Arah aliran, (b)Effluent, (c) Arah aliran Backflushing

Gambar 2. Skema Set-up Bioreaktor Membran Terendam (SMBR) 4. Hasil dan Pembahasan Pengaruh Penambahan PAC terhadap Removal COD Gambar 2. menunjukkan pengaruh penambahan PAC terhadap removal COD pada SRT 10, 20, dan 30 hari pada reactor SMBR dan SMAHBR dengan konsentrasi MLSS 15000 mg/L

Gambar 3. Perbandingan flux permeat pada SMBR dan SMAHBR Pada SMAHBR(dengan penambahan 10% PAC) dapat memperkecil penurunan fluks permeat sebesar 18-44% dibandingkan tanpa penambahan 10% PAC (SMBR). Hal ini disebabkan oleh jumlah SMP yang semakin kecil setelah penambahan 10% PAC. Sehingga dapat dikatakan bahwa jumlah SMP(Soluble Microbial Product) berkurang akibat adsorbsi oleh PAC.

TPL04-4

Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia – SNTKI 2009

ISBN 978-979-98300-1-2

Bandung, 19-20 Oktober 2009 SMP dapat mempengaruhi penutrunan fluks permeat yang mengindikasikan adanya fouling. Semakin bertambahnya SMP akibat tingginya MLSS dan pendeknya SRT, maka penurunan fluks akan semakin besar, atau fouling berpotensi terjadi pada SRT yang pendek. Pengaruh Penambahan PAC Terhadap Pembentukan SMP di SMBR dan SMAHBR Untuk mengetahui lebih rinci mengenai komposisi SMP maka konsentrasi karbohidrat dan protein sebagai komponen utama dalam SMP diuji pada berbagai variabel SRT ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Perbandingan SMP pada SMBR dan SMAHBR Pada gambar diatas dapat diketahui bahwa jumlah SMP berkurang seiring dengan meningkatnya SRT karena pada SRT yang panjang, waktu tinggal mikroorganisme dalam bioreaktor juga panjang dan proses biodegradasi akan berjalan dengan baik. Akibatnya produk metabolisme mikroorganisme juga semakin berkurang. SMP yang menunjukkan kandungan karbohidrat dan protein sebagai penyebab fouling lebih banyak ditemukan di SRT pendek 10 hari yaitu 3,9 mg/l protein dan 5,7 mg/l karbohidrat pada SMBR. Sedangkan pada SMAHBR, kandungan SMP menurun menjadi 2,4 mg/l protein dan 4,0 mg/l karbohidrat. Hal ini terjadi karena di dalam SMAHBR, SMP diadsorp oleh PAC sehingga konsentrasinya semakin berkurang di dalam limbah. 5. Kesimpulan Dari hasil penelitian diketahui bahwa kinerja SMAHBR lebih baik daripada SMBR pada konsentrasi lumpur tinggi . Hal ini dapat dilihat dari removal COD pada SMBR antara 91,6% sampai dengan 94,6% sedangkan pada SMAHBR, removal COD meningkat sebesar 2,4% sampai dengan 3,4%. Potensi terjadinya fouling di SMBR lebih besar daripada di

SMAHBR yang teridentifikasi dari penurunan flux permeat dan akumulasi SMP (Soluble Microbial Product) sebagai penyebab fouling. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didanai oleh Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Penelitian Fundamental Nomor : 10473/I2.7/PM/2009 Daftar Pustaka [1] A. Masse, M. Sperandio, C. Cabassud, Comparison of Sludge Characteristics and Performance of a Submerged Membrane Bioreactor and an Activated Sludge Process at High Solids Retention Time, Water Res. 40 (2006), 2405-2415 [2] Brindle, K., Stephenson, T., 1996. The Application of Membrane Biological Reacrors for the Treatment of Wastewaters. Biotechnol. Bioeng. 49 (6), 601-610. [3] Cho, B.D., Fane, A.G., 2002. Fouling Transients in nominally subcritical flux operation of a membrane bioreactor. J. membr. SCI.209, 391-403. [4] H. S. Kim, H. katayama, S. Takizawa & S. Ohgaki, 2001. Removal of coliphage kibeta & organic matter from synthetic secondary effluent by PAC- NF Process, Proc. IWA specialized conference on membrane Technology, Israel, 211-219. [5] I. –S. Chang, C. –H. Lee, Membrane Filtration Characteristics in Membrane – Coupled Activated Sludge System – The Effect of Physiological States of Activated Sludge on Membrane Fouling, Desalination 120 (1998), 221233. [6] J. Cho, K.-G. Song, K.-H. Ahn, The Activated Sludge and Microbial substances Influents on Membrane Fouling in Submerge Membrane Bioreactor: Unstired Batch Cell Test, Desalination 183 183 (2005), 425-429. [7] Judd, S., 2004. A Review of Fouling of membrane bioreactors in sewage treatment. Water SCI. Technol. 49 (2, 229-235) [8] K. Yamamoto, M. Hiasa, T. Mahmood &. Matsuo, 1989. Direct solid liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge aeration tank, Water SCI. Technol., 21 (4-5).43-54. [9] Le Clech, P., Jefferson, B. Chang, I.S., Judd, S.J., 2003. Critical flux determination by the flux step method

TPL04-5

Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia – SNTKI 2009 Bandung, 19-20 Oktober 2009 in submerged membrane bioreactor. J. membr. SCI.227,81-93. [10] Lesage, Nicolas., S., Sperandio, C. Cabassud., 2007. Study of a hybrid process: Adsorption on activated carbon/ membrane bioreactor for the treatment of an industrial wastewater. Chemical Engineering and Processing 47(2008) 303-307 [11] Lewandowski. Z., Bayenal, H., 2005. Biofilms : Their Structure, activity and effect on membrane filtration. Water SCI. Technol. 51(6-7), 181-192. [12] Liang, Shuang dkk. 2006. “Soluble Microbal Products in Membrane Bioreactor Operation : Behaviors, Characteristics, and Fouling Potential”. Science Direct Water Research, 41 : 95101. [13] Marot, B., Barrios-Martinez, A., Mouline, P., Roche, N., 2004. Industrial Wastewater treatment in a membrane bioreactor : a Review. Nviron. Prog.23, 59-68 [14] Nagaoka, H., Ueda, S. Miya, A., 1996. Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process. Water SCI. Technol. 34 (9, 162-172) [15] S. –S. Han, T. –H. Bae, G. –G. Jang, T. –M. Tak, Influence of Sludge Retention Time on Membrane Fouling and Bioactivities in Membrane Bioreactor System, Process Biochem. 40 (2005), 2393-2400. [16] S. Rosenberger, C. Laabs, B. Lesjean, R. Gnirss, G. Amy, M. Jekel, J. C. Schrotter, Impact of Coloidal and Soluble Organic Material on Membrane Performance in Membrane Bioreactors for Municiple Wastewater Treatment, Water Res. 40 (2006), 710-720.

TPL04-6

ISBN 978-979-98300-1-2