REVIEW: MEMBRAN BIOREAKTOR DAN APLIKASINYA DALAM REKLAMASI AIR

REVIEW: MEMBRAN BIOREAKTOR DAN APLIKASINYA DALAM REKLAMASI AIR Nadhira Afina Wardhani Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Jalan Ganeca no. 10 Bandung [email protected] ABSTRAK Krisis air bersih telah dirasakan oleh hampir seluruh penduduk dunia karena perubahan iklim dan pertumbuhan penduduk yang sangat tinggi. Jumlah air bersih menurun sehingga air tawar yang tersedia kini tidak layak untuk dijadikan air minum. Kini telah terbit banyak penelitian mengenai Membrane Bioreactor (MBR) sebagai pengolah air limbah yang menggunakan teknologi membran karena fungsinya yang dapat melebihi kinerja pengolahan konvensional. Proses MBR meliputi lumpur aktif dan penyaringan sehingga padatan tersuspensi tidak terikut dalam permeat membran. Kualitas efluen MBR sangat baik, sehingga MBR sangat berpotensi untuk digunakan dalam reklamasi air. Beberapa perusahaan, seperti General Electric dan Siemens telah menggunakan MBR dalam instalasi pengolahan air limbah untuk mendaur ulang air limbah menjadi air bersih untuk flush toilet, menyiram tanaman, dan lain-lain. Kata kunci: Membrane bioreactor, reklamasi air, pengolahan biologis 1.! PENDAHULUAN Penelitian Membrane Bioreactor (MBR) dimulai pada awal tahun 1960-an. Penggunaan membran secara komersial dalam pengolahan limbah cair masih sangat terbatas karena fluks membran rendah, permeabilitas rendah, hidup membran yang singkat dan biaya yang tinggi. Pada awal tahun 1990-an penelitian MBR kini aktif kembali di bidang teknologi membran, generasi baru membran yang berubah secara dramatis mengatasi berbagai hambatan dan biaya membran mulai menurun. Hal ini menarik perhatian untuk penggunaan membran dalam pengolahan limbah cair. Setelah itu, penggunaan membran di berbagai aplikasi industri, termasuk pengolahan air menjadi umum dan berbagai pengalaman telah didapatkan. Dalam selang waktu yang bersamaan dengan pengingkatan kesadaran melestarikan lingkungan, peraturan air buangan diperketat di berbagai negara.

Hambatan proses biologis konvensional dalam pengolahan limbah industri untuk mencapai baku mutu menjadi sangat terasa. Hal ini menyebabkan peningkatan jumlah penelitian mengenai teknologi alternative dan peningkatan teknologi yang sudah ada. Akibatnya, penelitian MBR menjadi marak dan penelitianpenelitian ini didanai oleh pihak industri. 2.! OVERVIEW Membrane bioreactor adalah proses pengolahan yang mengintegrasikan membran semipermeable dengan proses biologis (JUDD, 2011). Membrane bioreactor merupakan kombinasi proses membran seperti mikrofiltrasi atau ultrafiltrasi dengan bioreactor pertumbuhan tersuspensi dan kini banyak digunakan untuk pengolahan limbah industri dan domestic dengan instalasi untuk 80.000 orang. Teknologi-teknologi ini biasa digunakan untuk melakukan pengolahan sekunder limbah domestic yang bergantung pada

mikrooganisme tersuspensi. Meskipun teknologi ini bekerja dengan baik pada segala situasi, teknologi ini memiliki beberapa hambatan, seperti kesulitan untuk menumbuhkan jenis mikroorganisme yang tepat dan syarat desain fisik bangunan. Penggunaan membran bioreactor telah mengatasi berbagai batasan sistem konvensional. Sistem MBR memiliki keuntungan untuk mengombinasikan pertumbuhan mikroorganisme tersuspensi dengan penyisihan padatan melalui filtrasi. Membran dapat didesain untuk beroperasi di lahan yang kecil dengan efisiensi penyisihan kontaminan yang tinggi, seperti nitrogen, fosfor, bakteri, Biochemical Oxygen Demand (BOD) dan Total Suspended Solid (TSS). Membran filtrasi dapat mengganti fungsi bak pengendap sekunder dan saringan pasir dalam sistem lumpur aktif. Membran filtrasi mampu menahan konsentrasi biomassa lebih tinggi dengan menggunakan bioreaktor berukuran lebih kecil. Dengan mengganti fungsi bak pengendap sekunder, hal-hal berikut dapat dicapai. •!

•!

•!

•! •!

•! •!

Efisiensi pemisahan padatan dan cairan meningkat karena efisiensi filtrasi membran lebih tinggi dibanding pemisahan dengan gravitasi. Pengaruh aspek internal dan eksternal dapat dikurangi sehingga meningkatkan keandalan sistem. Beberapa parameter control proses dapat ditingkatkan, contohnya Sludge Retention Time (SRT), organik loading, sludge volume dan karakteristik lumpur yang mampu meningkatkan efisiensi proses reaksi biokimia. Penyisihan nutrient dan refractory dapat ditingkatkan Dapat melakukan penyisihan mikroorganisme dan pathogen dari efluen sehingga mengurangi penggunaan desinfeksi. Kontrol operasi selama kondisi steady state dapat dikurangi. Footprint instalasi pengolahan limbah cair dapat dikurangi dengan mengganti bak pengendap dengan modul membran.

•!

Kualitas efluen dari MBR yang lebih baik dapat dimanfaatkan untuk reklamasi dan daur ulang limbah cair.

Secara umum, membran filtrasi dilalui aliran air yang mengandung polutan menembus membran. Air yang tersaring menembus membran menuju saluran berbeda untuk jalur recovery. Karena adanya aliran cross-flow air dan limbah, material yang tertinggal tidak terakumulasi di permukaan membran tetapi terbawa dalam sistem reject. Air yang dapat menembus membran disebut permeat,, sedangkan air yang memiliki konsentrasi limbah lebih tinggi disebut konsentrat atau retentate. Membran terbuat dari selulosa atau polimer lainnya dengan ukuran pori maksimum selama proses manufaktur. Membran mampu mencegah partikel yang seukuran dengan mikroorganisme atau sekitar 1 mikron (0,001 mm) sehingga tertahan dalam sistem. Hal ini menunjukkan bahwa sistem MBR baik untuk menyisihkan padatan, akan tetapi perlu ada pengolahan limbah terlarut dengan menggunakan proses pengolahan lainnya. Membran dapat disusun pada konfigurasi tertentu. Untuk kasus MBR, terdapat dua konfigurasi umum yang biasa digunakan, yaitu hollow fibre dalam satu ikatan atau sebagai pelat datar. Kumpulan hollow fiber terhubung dengan manifold dalam suatu unit yang didesain untuk kemudahan penggantian dan perawatan. Para desainer MBR membutuhkan informasi dasar mengenai karakteristik limbah, seperti karakteristik influen, baku mutu efluen, dan debit untuk mendesain sistem MBR. Berdasarkan baku mutu efluen, beberapa pilihan yang mendukung termasuk ke dalam sistem MBR. Contohnya, penambahan senyawa kimia (pada berbagai tempat dalam suatu rangkaian pengolahan, termasuk bak pengendapan primer, bak pengendapan sekunder, atau sebelum MBR atau saringan terakhir) untuk penyisihan fosfor untuk menurunkan konsentrasi fosfor dalam efluen limbah. Sistem MBR telah digunakan untuk pengolahan limbah skala kecil ketika sistem pengolahan utama sedang berhenti

dan limbah di-bypass selama waktu perawatan. Akan tetapi, sistem MBR kini banyak digunakan untuk pengolahan secara keseluruhan. Instalasi MBR direkomendasikan untuk selalu menambah satu unit membran lebih dari desain awal. Konsep ini merupakan perpaduan antara lumpur aktif konvensional dan proses membran. Hal ini penting untuk mempertimbangkan kebutuhan operasi dan perawatan ketika menentukan jumlah unit MBR. Penambahan jumlah unit memberikan operator fleksibilitas dan memastikan kapasitas mengoperasikan yang sesuai. Contohnya, ukuran bioreactor biasanya ditentukan oleh transger oksigen, dibandingkan volume yang dibutuhkan untuk mencapai Sludge Retention Time (SRT), yaitu faktor yang memengaruhi ukuran dan jumlah bioreactor (Crawford, 2000). Meskipun sistem MBR menyediakan fleksibilitas operasional dengan menentukan debit sebaik kemampuan menambah unit sesuai kondisi, tetapi fleksbilitas tersebut memiliki batas. Membran pada umumnya membutuhkan permukaan air dijaga di atas elevasi minimum sehingga membran tetap dalam keadaan basah. Selutuh batasan ditentukan oleh karakteristik fisik membran dan hasil menunjukkan bahwa debit desain puncak tidak boleh lebih dari 1,5 hingga 2 kali debit desain rata-rata. Apabila debit puncak melebihi batas, membran perlu ditambah untuk memroses debit puncak, atau adanya bak ekualisasi pada satu rangkaian proses. Bak ekualisasi

menggunakan bak terpisah atau menjaga air melalui aerasi dan tangki membran berada dalam kedalaman lebih tinggi daripada yang dibutuhkan, sehingga penyisihan dapat dilakukan pada debit tinggi. 3.! DESAIN MBR 3.1! Sistem MBR Kini terdapat berbagai macam sistem MBR. MBR dikembangkan untuk kedua proses, suspended growth dan attached growth. Dengan penelitian dan manufaktur membran berkompetisi dalam pasar, berbagai macam variasi akan terus berkembang. Tipe yang paling umum digunakan yaitu Submerged MBR (sMBR) dan External MBR (eMBR). Submerged MBR merupakan tipe MBR yang paling umum digunakan, di mana modul membran langsung dipasang dalam reactor activated sludge, seperti pada Gambar 1. Permeat ditarik keluar dari modul membran dengan pompa dan padatan yang tersuspensi tertahan oleh membran dan kembali ke dalam bak. Pembentukan lumpur terjadi dalam reactor. SMBR sangat popular karena hemat lahan dan kebutuhan energinya rendah. Akan tetapi, SMBR membutuhkan luas membran yang lebih besar dan baik untuk limbah cair yang dapat disaring. Submerged MBR memiliki kondisi oeprasi sesuai pada Tabel 1.

Gambar 2. Sistem pengolahan limbah menggunakan MBR

Tabel 1. Kondisi operasi submerged MBR Parameter Fluks instan, L/(m2h) Fluks long term, L/(m2h) Transmembrane pressure, kPa Konsentrasi biomassa gMLSS/L Umur lumpur, hari Produksi lumpur, kgSS/(kgCOD) Waktu detensi, jam Food to microorganisms ratio Volumetric load m3hari Air flow rate, Nm3/jam per modul Temperatur operasional OC pH operasional Frekuensi backwash, menit Durasi backwash, detik Konsumsi energi untuk filtrasi, % Konsumsi energi untuk aerasi, % Konsumsi energi untuk pompa permeat, %

External Membrane (sidestream) memiliki modul membran yang berlokasi di luar reactor. Di dalam sistem ini, mixed liquor dari reactor dipompa keluar dari modul membran eksternal. External MBR juga digunakan dalam industri karena membutuhkan luas membran yang lebih kecil dibandingkan sMBR dan bekerja lebih baik untuk limbah yang kurang

Nilai 25-35 15-30 20 5-25 >20 <0,25 1-9 <0,2 0-20 8-12 10-35 7-7,5 5-16 15-30 0,2-0,4 80-90 10-20

mampu disaring. Akan tetapi, MBR tipe ini mengonsumsi energi lebih besar dan membutuhkan lahan dan manifold. Penentuan pemilihan tipe MBR harus disesuaikan dengan karakteristik limbah dan keadaan industri atau instalasi pengolahan tersebut sesuai yang tertera pada Tabel 2.

Tabel 2. Perbedaan antara submerged dan external MBR Submerged MBR External MBR Jenis limbah Good filterability Poor filterability Fluks membran Rendah Tinggi Transmembrane Pressure Rendah Tinggi Kebutuhan daya Rendah Tinggi Sensitivity Rendah Tinggi Kebutuhan luas membran Tinggi Rendah Biaya Lebih murah untuk influent Lebih mahal untuk influent rate yang rendah rate yang rendah Backwash dan Cleaning Lebih sering Jarang Operasi Fleksibilitas rendah Fleksibilitas lebih tinggi Kemampuan extension Sulit Mudah Umur membran 5 tahun 7 tahun untuk mendorong air menembus membran, 3.2! Pre-treatment namun sistem MBR menarik vakum menembus membran sehingga aliran air Untuk menurunkan peluang kerusakan yang keluar berada pada tekanan ambien. membran, limbah harus melakukan Keuntungan vakum yaitu proses penatikan penyisihan sebelum masuk ke dalam lebih aman untuk membran, sedangkan sistem MBR. Pengolahan primer keuntungan tertekan yaitu kualitas efluen dibutuhkan pada instalasi besar dan tidak dapat dikendalikan. Seluruh sistem dibutuhkan. Selain itu, seluruh sistem memiliki teknik pembersihan sistem untuk MBR membutuhkan 1-3 mm saringan menjaga umur membran dan operasional halus sebelum membran, tergantung pada sistem selama mungkin. Seluruh sistem pabrik pembuat MBR. Penyaring ini MBR menggunakan teknik pembersihan membutuhkan pembersihan rutin. air scour untuk menurunkan penumpukan Alternatif lain untuk menurunkan jumlah partikel pada membran. Hal ini dapat material tersaring yaitu menggunakan dua dilakukan dengan memberi udara sekitar tahap penyaringan dan ditempatkan permukaan membran. Beberapa sistem setelah pengendapan primer. menggunakan air scour, seperti backwash Konfigurasi sistem MBR berada di dalam dimana air permeat dipompa balik melalui reactor biologis atau pada wadah terpisah pori membran untuk menjaga pori bersih. sehingga limbah dari reactor biologis Backwashing dapat diatur dengan timer dapat disirkulasi. sekitar 1-5% dari total waktu operasi. Pabrik MBR menggunakan membran pada dua konfigurasi dasar, yaitu hollow fiber bundles dan pelat membran. Hollow fiber 3.3! Proses bundles terhubung oleh manifold ke beberapa unit sehingga dapat dengan Pada tahap biokimia dalam pengolahan mudah diganti. Pelat membran limbah karbon organik dan nutrient menggunakan pelat datar yang terhubung disisihkan oleh mikroorganisme. pada manifold untuk kemudahan Mikroorganisme ini hidup dan tumbuh penggantian membran. Penyaringan pada tersuspensi pada EPS yang mengikat konfigurasi hollow fiber membutuhkan mikrooganisme dalam discrete microlubang 1-2 mm, sedangkan pelat membran colony membentuk struktur mikroba membutuhkan lubang 2-3 mm (Wallisagregat disebut flok. Kemampuan Lage, 2006). mikrooganisme untuk membentuk flok Seluruh sistem MBR membutuhkan penting untuk pengolahan lumpur aktif. pemompaan untuk mendorong aliran air Struktur flok membantu adsorpsi substrat menembus merman. Sistem membran terlarut dan partikel koloidd dan lainnya menggunakan sistem tertekan makromolekul dalam limbah. Perbedaan

jenis mikroorganisme dalam lumpur aktif sangat tinggi karena mengandung prokariot, eukariot, dan virus. Bakteri mendominasi populais mikroorganisme dan memainkan peran penting dalam proses degradasi. Teknologi MBR dengan tahap biokimia dan pemisahan lumpur yang terintegrasi menunjukkan pembentukan lumpur terus menerus melalui konsumsi materi organik, ketika beberapa massa lumpur membusuk akibat respirasi endogenus. Respirasi endogenus menunjukkan seluruh bentuk kehilangan biomassa dan kebutuhan energi tidak berhubungan dengan pertumbuhan melalui pertimbangan respirasi pada kondisi aerob, yaitu pembusukan, stabil, respirasi endogenus, lisis, predasi dan kematian. Proses tersebut dapat berjalan pada kondisi aerob dan anoxic, meskipun pada kondisi anoxic proses berlangsung lebih lama, khususnya protozoa kurang aktif pada kondisi denitrifikasi. Respirasi endogenus mikroorganisme dalam MBR dapat didukung melalui umur lumpur yang tinggi, sehingga konsentrasi lumpur tinggi. Energi mikrooganisme ditentukan oleh suplai substrat. Dengan meningkatkan SRT yang mampu meningkatkan konsentrasi biomassa, kondisi jumlah energi yang terpenuhi sama dengan maintenance energi dapat tercapai. Maintenance energi disebut sebagai jumlah energi biokimia yang sangat dibutuhkan pada respirasi endogenus lumpur. Mikroorganisme memperoleh kebutuhan maintenance energi untuk memroduksi biomassa. Maka dari itu, dalam kondisi suplai nutrient yang rendah, substrat eksternal digunakan untuk menjaga fungsi utama bakteri dan jumlah bakteri tidak berubah. Semakin tinggi konsentrasi biomassa semakin rendah laju pembuangan lumpur, contohnya F/M ratio (food to microoganisms) menurun. Apabila laju pembuangan lumpur cukup rendah, sedikit lumpur akan terproduksi. Produksi lumpur menurun hingga 44% ketika konsentrasi biomassa ditingkatkan dalam MBR dari 1,7 menjadi 10,3 g/L. Hal ini dipengaruhi oleh komposisi umpan limbah yang menentukan pertumbuhan populasi mikroorganisme. Nitrifikasi biologis merupakan proses yang membutuhkan oksigen untuk

mengubah ammonia (NH3) menjadi nitrit (NO2) lalu nitrat (NO3). Setelah nitrifikasi nitrogen dapat disisihkan dari limbah dengan menurunkan nitrat menjadi gas nitrogen N2 melalui proses denitrifikasi anoxic. Laju pertumbuhan bakteri nitrifikasi rendah dan pembentukan sel yang buruk menyebabkan nitrifikasi merupakan tahap penyisihan nitrogen yang lajunya dibatasi. Kunci dari nitrifikasi agar terjadi yaitu laju akumulasi biomassa kurang dari laju pertumbuhan bakteri nitrifikasi. Umur lumpur yang panjang pada MBR mencegah bakteri nitrifikasi untuk terbawa keluar dari bioreactor dan meningkatkan kemampuan nitrifikasi dalam lumpur aktif. Suatu studi menemukan bahwa lebih dari 80% Total Kjeldahl Nitrogen dalam influen dapat melalui proses nitrifikasi dalam MBR. Selain itu, proses denitrifikasi membutuhkan kondisi anoxic. Biasanya tangki anoxic dipasang sebelum tangki aerasi. Kondisi anoxic dapat diperoleh dengan mengubah MBR menjadi dalam mode intermittent aeration yang membutuhkan suplai udara permanen. Dalam MBR intermittent aeration, ammonium diubah menjadi nitrat dan fosfat disisihkan selama kondisi aerob melalui aerasi sehingga nitrat yang terakumulasi diproses pada kondisi anoxic, dan fosfor diambil. Penyisihan fosfor dicapai dengan membuang lumpur setelah kondisi aerob ketika biomassa mengandung polifosfat tinggi. Upaya penyisihan COD untuk mencegah biomassa terbawa dalam lumpur aktif serupa dengan menjaga suspensi dalam membran. Rejeksi jumlah molekul organik terlarut dan koloid menyebabkan penyisihan menjadi lebih efektif karena aktivitas lisis yang lebih tinggi dalam reactor yang disebabkan peningkatan konsentrasi. Umur lumpur yang tinggi yang dicapai dengan SRT tinggi menyebabkan proses mineralisasi organik air baku yang mudah membusuk berlangsung lengkap dan adaptasi mikrooganisme pada senyawa yang lebih sukar terdegradasi oleh mikroorganisme. Maka dari itu, biomassa mampu menyesuaikan diri dengan air limbah tanpa dibatasi oleh mikrooganisme. Efisiensi penyisihan COD dalam MBR meningkat

seiring peningkatan konsentrasi MLSS, tetapi SRT pada COD dalam permeat tidak dipengaruhi oleh konsentrasi MLSS di atas 3 g/L yang menandakan bahwa laju penambahan organik tidak cukup tinggi untuk menunjukkan perbedaan yang jelas pada konsentrasi biomassa yang lebih tinggi. Konsentrasi lumpur dalam MBR berkisar antara 15-25 g/L menyebabkan penyisihan materi organik dan kekeruhan tidak bergantung pada SRT dan penyisihan rata-rata COD dan Suspended Solid (SS) berturut-turut yaitu 90% dan 100%. Aerasi merupakan faktor penting yang memengaruhi penyisihan BOD dan Cod. Jumlah oksigen yang dibutuhkan mikroorganisme bergantung pada: 1.! Carboncaceous BOD (perubahan organik karbon dalam air limbah menjadi jaringan sel dan berbagai end product) 2.! Nitrogenous BOD (nitrifikasi ammonia yang dioksidasi menjadi nitrit dan nitrat) 3.! COD anorganik (oksidasi senyawa anorganik dalam air limbah)

3.4! Parameter Permeate MBR memiliki konsentrasi padatan tersuspensi rendah yang menunjukkan konsentrasi bakteri, BOD, nitrogen dan fosfor pun rendah seperti pada Tabel 3. Desinfeksi mudah dilakukan, akan tetapi bergantung pada kebutuhan. Padatan yang tertahan oleh membran didaur ulang menuju reactor biologis dan meningkat dalam sistem. Pada sistem pengolahan biologis konvensional, pembuangan lumpur secara periodic mengurangi penumpukan lumpur dan menjaga SRT dalam sistem MBR. Lumpur dari MBR kemudian diolah dengan standar penanganan lumpur, seperti thickening, dewatering, dan pembuangan. Hermanowics (2006) menunjukkan bahwa terjadi penurunan kemampuan untuk mengendapkan lumpur dari MBR karena adanya peningkatan partikel koloid dan bakteri filament. Hal ini bisa diatasi dengan penambahan senyawa kimia.

Tabel 3. Efisiensi penyisihan dan kualitas efluen dari MBR Parameter TSS, mg/L Kekeruhan, NTU COD, mg/L BOD, mg/L Doc, mg/L NH3-N, mg/L Ntotal, mg/L Ptotal, mg/L Total coliform, CFU/100 mL Fecal coli, CFU/100mL Bakteriofage, PFU/100mL Desain optimum proses MBR sangat kompleks sehingga banyak faktor perlu dipertimbangkan, seperti performa dan biaya membran, konsumsi energi, dan pengolahan dan pembuangan lumpur. Selain itu, seluruh faktor ini saling berhubungan dan dapat memengaruhi biaya awal dan operasi. Contoh dari berbagai faktor saling memengaruhi adalah efek konsentrasi biomassa pada desain MBR, contohnya

Efisiensi >99 98,8-100 89-98 >97 80-90 36-80 62-97 5-8loh >3,8log

Kualitas <2 <1 10-30 <5 5-10 <5,6 <27 0,3-2,8 <100 <20 -

pada biaya investasi dan operasional seperti pada Gambar 2. Keuntungan MBR yang paling dirasakan yaitu peluang penggunaan konsentrasi biomassa yang tinggi sehingga meningkatkan volumetric load dan menurunkan biaya investasi konstruksi. Akan tetapi, keuntungan ini perlu dilihat dari hubungannya dengan risiko yang muncul akibat konsentrasi biomassa yang tinggi dapat menyebabkan kebutuhan permukaan membran dan

meningkatkan biaya investasi. Konsentrasi padatan yang tinggi dapat memengaruhi

transfer oksigen dan viskositas lumpur dan juga biaya kebutuhan energi.

!

Gambar 3. Pengaruh proses pada MBR terhadap biaya investasi dan operasi 4.! APLIKASI MBR Penelitian mengenai MBR pertama kali dilakukan pada awal tahun 1960-an dan kawasan industri pertama kali dibangun oleh perusahaan dari Amerika, Dorr Oliver pada tahun 1967. Instalasi ini dapat mengolah 14 m3/hari limbah cair domestic dari sebuh pabrik di Connecticut. Setelah itu tidak ada lagi pemasangan MBR hingga 10 tahun kemudiandalam bangunan di Jepang. Proses yang idgunakan ada UBIS, yang dikembangkan Rhone Poulenc. Selama tahun 1980-an, bangunan di Amerika Serikat telah didesain dengan Cycle-let Process. Kini instalasi MBR digunakan untuk mendaur ulang air dalam bangunan,tetapi, lindi dari Tempat Pemrosesan Akhir (TPA) dan aplikasi pengolahan liimbah cair menjadi sangat penting. Aplikasi MBR terbatas karena biaya unit filtrasi yang tinggi, dikembangkan selama 20 tahun yang berdasar dari desain inner skin membran. Dengan menggunakan teknologi ini, proses MBR sangat kompetitif dengan pengolahan

konvensional apabila kondisi ini terpenuhi, yaitu efluen berkualitas baik (pemanfaatan konsentrasi biomassa yang tinggi sehingga membutuhkan bak pengolahan biologis yang kecil dan menurunkan biaya filrasi), kebutuhan desinfeksi untuk air yang telah diolah (penggunaan air daur ulang atau air minum), dan biomassa dari mikroorganisme laju pertumbuhan rendah (xenobiotic degradation, remediasi tanah atau air tanah). Aplikasi MBR adalah sebagai berikut. 1.! Penggunaan bangunan

air

kembali

pada

Sistem MBR yang umum digunakan yaitu UBIS dari Jepang dan Cycle-let dari Amerika Serikat. Di Jepang, MPC mengeluarkan Ultra Biological Sistem (UBIS) untuk diterapkan di Gedung Marunouchi, Tokyo. Limbah berasal dari toilet, dapur, bak cuci beserta mengepel lantai yang disalurkan menuju aerobicactivated sludge reactor. Membran plateand-frame ultrafiltrasi digunakan untuk mengolah air dan menjaga pemisahan

dengan lumpur. Hydraulic retention time sekitar satu jam dan konsentrasi lumpur sebesar 20 g/L. Efluen yang keluar dari MBR <5 mg/L BOD dan tidak mengandung padatan tersuspensi

digunakan kembali sebagai air flush di toilet. Kini UBIS banyak digunakan dan memproduksi mencapai lebih dari 5.000 m3/hari. Skema umum reuse air di suatu bangunan seperti pada Gambar 3.

!

Gambar 4. Skema umum sistem reuse air di bangunan menggunakan MBR 2.! Night-soil treatment plant

4.! Pengolahan lumpur

Night-soil treatment plant digunakan sebagai pengolah limbah cair dan lumpur di Jepang. Night-soil memiliki konsentrasi sekitar 12.000 mg/L BOD, 12.000-20.000 mg/L SS, 3.000 mg/L total N dan 400 mg/L fosfor. Efluen dari night-soil yaitu <10 mg/L BOD, 30 mg/L total N, 5 mg/L fosfor, dan tidak ada SS. Instalasi pengolahan night-soil meliputi proses biologis denitrifikasi yang diikuti pengolahan tersier, meliputi koagulasi, filtrasi, adsorpsi granular activated carbon (GAC).

Anaerobic digestion banyak digunakan pada instalasi pengolahan limbah cair untuk menstabilisasi lumpur primer dan sekunder. Anaerboc digester konvensional merupakan proses satu tahap dengan hydraulic retention time dan solid retention time yang sama, berkisar antara 20 hingga 30 hari. Percobaan dalam pilotscale menggunakan proses MBR menunjukkan peningkatan pada volumetric loading dan konsentrasi lumpur yang menyebabkan penurunan volume digester secara signifikann, konsentrasi lumpur di akhir dan peralatan dewatering.

3.! Urban wastewater treatment plant 5.! Pengolahan limbah cair di industri Beberapa proses menggunakan lapisan luar membran atau membran dalam keramik tubular yang digunakan untuk mengolah limbah cair di perkotaan. Biaya investasi dan operasi membran actual, aplikasi proses MBR terbatas pada instalasi kecil.

Aplikasi MBR di industri terbagi menjadi dua jenis, yaitu proses anaerob dan aerob. Proses anaerob pertama kali dipatenkan oleh Dorr Oliver yang bernama MARS (Membrane Anaerobic Reactor System). MARS terbuat dari membran ultrafiltrasi di dalam reactor anaerob satu tahap. Kini

telah banyak reactor anaerob MBR yang dikembangkan sehingga penyisihan COD mencapai lebih dari 90%. Proses aerob dalam industri dimanfaatkan untuk mengolah air lindi dari TPA dan efluen industri. Industri yang telah menggunakan MBR meliputi industri kosmetik, susu, dan tekstil. Efluen MBR industri tersebut

memiliki kualitas tinggi sehingga dapat digunakan kembali menjadi air bersih dalam gedung, seperti menyiram tanaman, mengepel lantai, dan flushing toilet. Contohnya ada pada Tabel 4. Lumpur yang dihasilkan juga sangat sedikit, sebesar 0,077 kg MLSS/kg COD.

Tabel 4. Aplikasi pengolahan limbah cair di berbagai industri menggunakan MBR Industri

Proses

Kosmetik Susu Tekstil Jus buah Tannery Whey Wheat

Aerob Aerob Aerob Aerob Aerob Anaerob Anaerob

COD 6.500 4.200 10.000 2.250 7.600 58.000 35.000

Influen BOD SS 2.400 1.900 2.600 650

34.000 15.000

5.200 13.000

6.! Produksi air minum Proses reklamasi air limbah menjadi air minum dapati diwujudkan dengan MBR. Proses yang terjadi yaitu denitrifikasi karena limbah yang biasa didapatkan mengandung pestisida dan nitrat. Nitrat dapat disisihkan melalui proses fisikkimiawi, sedangkan pestisida disisihkan melalui adsorpsi oleh granular PAC. Dengan MBR, Lyonnaise des Eaux mengombinasikan proses denitrifikasi, adsorpsi pestisida dan penyisihan kekeruhan dengan membran ultrafiltrasi. Membran ini mampu menahan variasi kualitas umpan dan mengolahnya tetap dalam batas standar nitrat, organik, dan kekeruhan. Sejak instalasi MBR pada tahun 1990-an, jumlah sistem MBR yang terpasang berkembang; keuntungan pasar MBR di Eropa mencapai €40 juta pada tahun 2005 dengan pertumbuhan stabil sebesar 9%. Penggunaan sistem MBR pada 5-10 tahun ke depan yaitu pengolahan air limbah terdesentralisasi dan water reuse. Perbandingan antara berbagai teknologi digunakan untuk daur ulang air limbah menunjukkan bahwa MBR memproduksi konsentrasi residu yang lebih rendah. Distribusi kualitas efluen yang dihasilkan

NTK 40 110

COD <100 40 600 24 190 700 270

Efluen BOD SS 20 <5 <10 <5

300 70

NTK 0,4 4,2

<10 <10

menunjukkan variasi lebih sedikit dalam proses MBR yang dibandingkan dengan teknologi lain. Dalam kasus pengolahan grey water, dibandingkan antara submerged flat plate MBR, membran tubular UF, dan Biologically Aerated Filter (BAF), MBR merupakan teknologi satu-satunya yang memenuhi standar reuse yaitu 10 mg/L BOD sepanjang waktu. BAF juga memenuhi standar pada waktu monitoring, meskipun melebihi batas sepanjang 5% waktu yang dilakukan. Hal ini menurunkan kebutuhan klorinasi karena kebutuhan chlorine sebesar 99,5% ditujukan untuk oksidasi organik, daripada desinfeksi mikrooganisme. Contohnya, fasilitas daur ulang grey water di Gedung Mori, Tokyo. Instalasi ini meliputi side stream Pleiade MBR (Ubis) untuk mengolah air limbah sebesar 500 me/day. Pemilihan MBR dibandingkan pengolahan konvensional menghemat luas sebesar 25 tempat parkir. Grey water yang telah diolah mengandung BOD kurang dari 5,5 mg/L dan di bawah pengukuran SS, colon bacilli, dan n-hexane extract, sehingga hasil olahan grey water dapat digunakan kembali. Peluang water reuse dan recycling menyebabkan teknologi MBR merupakan prospek cerah. Selain itu, meskpun beberapa instalasi MBR kini beroperasi di

hampir seluruh negara Eropa Barat, kualitas efluen tinggi jarang untuk digunakan kembali. Meskipun efluen tidak digunakan kembali, parameter proses mengenai water reuse diperiksa secara rutin setiap dua minggu di tiga tempat yang berbeda, yaitu influen, efluen CAS, dan efluen MBR. Reklamasi dan penggunaan kembali air limbah merupakan hal yang umum dilakukan. Dengan reklamasi air limbah, sirkulasi air pada skilus air alami menjadi short circuit sebagai bentuk kontribusi memenuhi kebutuhan air manusia dan mengurangi dampak lingkungan. Selain itu, produksi air limbah yang direklamasi relatif konstan sepanjang tahun karena sumbernya yang tidak bergantung pada hujan. Air yang telah direklamasi meningkatkan ketergantung suplai air sebagai sumber air bersih. Air yang didaur ulang merupakan sumber air mandiri yang mampu meningkatkan ketergantung suplai air. Reklamasi air yang menggunakan MBR meliputi berbagai sistem, contohnya Siemens Filter dan Zenon. Siemens menawarkan sistem MBR dengan merek dagang Memcor and Memjet. Salah satu sistem MBR yang dipasang yaitu di Calls Creek, Georgia, Amerika Serikat. Sistem ini digunakan untuk mengganti fungsi bak pengendap sekunder dari Orbal oxidation ditch. Sistem ini meliputi filter fine screen (2 mm) untuk penyisihan padatan inert sebelum masuk melalui membran. Fasilitas di Calls Creek memiliki debit rata-rata sebesar 0,35 juta gallon per hari dengan debit desain sebesar 0,67 mgd.

Sistem ini memiliki dua modul, masingmasing modul memiliki 400 unit, dan masing-masing unit terdiri dari kaset yang membrannya memiliki manifold saling terhubung. Penyisihan BOD, TSS, dan Namonia sangat baik; BOD dan TSS dalam efluen berada di bawa baku mutu. Fosfor dapat disisihkan dengan baik dan efluen mengandung kekeruhan sangat rendah. Kualitas efluen memenuhi seluruh baku mutu limbah. Sistem Zenon yang diproduksi oleh General Electric dengan merek dagang ZenoGem dan ZeeWeed. ZeeWeed merupakan membran, sedangkan ZenoGem adalah proses yang menggunakan ZeeWeed. Sistem ZeeWeed yang dipasang di Traverse City, Michigan meningkatkan kapasitas instalasi dan memproduksi efluen dengan kualitas yang lebih baik dibandingkan footprint pada fasilitas eksisting. Debit rata-rata tahunan yaitu 7,1 mgd, debit maksimum bulanan sebesar 8,5 mgd, dan debit puncak jam sebesar 17 mgd. Sistem membran ini meliputi 450.000 tangki gallon dengan delapan kompartemen berukuran yang sama. Lumpur sekunder didistribusikan ke dalam kompartemen-kompartemen. Sistem ini menggunakan blower untuk proses air scouring, yang dipasang dekat bangunan. MLSS selama bulan Januari hingga Agustus rata-rata sebesar 6.400 mg/L. Penggunaan energi untuk blower sebesar 1.800 kWh/million gallon. Kualitas influen dan efluen limbah yang diolah oleh Sistem ZeeWeed ada pada gambar berikut.

!

Gambar 5. Kualitas BOD dan TSS dalam influen dan efluen di Traverse City plant. DAFTAR PUSTAKA Carme Santasmasas, Miquel Rovira, Frederic Clarens, César Valderrama, Grey water reclamation by decentralized MBR prototype, Resources, Conservation and Recycling, Volume 72, March 2013, Pages 102-107, ISSN 0921-3449, http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2013. 01.004. Christelle Wisniewski, Membrane bioreactor for water reuse, Desalination, Volume 203, Issues 1–3, 5 February 2007, Pages 15-19, ISSN 0011-9164, http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2006.05.0 02. Crawford, G., et al. 2000. Membrane Bioreactors: A Designer’s Perspective in Proceedings of the Water Environment Federation 73rd Annual Conference and Exposition on Water Quality and Wastewater Treatment. Anaheim, CA. DeCarolis, James F., and Samer Adham. "Performance investigation of membrane bioreactor systems during municipal wastewater reclamation." Water Environment Research 79.13 (2007): 2536-2550. Du Pisani, Petrus L. "Direct reclamation of potable water at Windhoek's Goreangab reclamation plant." Desalination 188.1 (2006): 79-88. Hermanowicz, S. W., et al. 2006. Effects of Biomass Properties on Submerged

Membrane Bioreactors (SMBR) Performance and Solids Processing. Water Environment Federation. Metcalf & Eddy, 2003. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse. McGraw-Hill: New York. Pierre Côté, Steve Siverns, Sandro Monti, Comparison of Membrane-based Solutions for Water Reclamation and Desalination, Desalination, Volume 182, Issues 1–3, 1 November 2005, Pages 251-257, ISSN 0011-9164, http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2005.04.0 15. Simon Judd, The status of membrane bioreactor technology, Trends in Biotechnology, Volume 26, Issue 2, February 2008, Pages 109-116, ISSN 0167-7799, http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2007.11 .005. T. Melin, B. Jefferson, D. Bixio, C. Thoeye, W. De Wilde, J. De Koning, J. van der Graaf, T. Wintgens, Membrane bioreactor technology for wastewater treatment and reuse, Desalination, Volume 187, Issues 1–3, 5 February 2006, Pages 271-282, ISSN 0011-9164, http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2005.04.0 86. Wintgens, T., et al. The role of membrane processes in municipal wastewater reclamation and reuse. Desalination 178.1 (2005): 1-11.