1

PENGOLAHAN LIMBAH PENGOLAHAN LIMBAH SECARA BIOLOGIS SECARA BIOLOGIS –– Bag. IBag. I

AgusAgus PrasetyaPrasetya, PhD., PhD.MTPPLMTPPL

JurusanJurusan TeknikTeknik KimiaKimia FTFT--UGMUGMApril 2005April 2005

Sources of Waste Sources of Waste (in Chemical Industries)(in Chemical Industries)

Waste fromWaste fromthe Process the Process

Waste from Waste from UtilityUtility

Furnace

Steam BoilerGas Turbine

Diesel Engines

Stack

in Reactorin Reactor

in Separation in Separation and Recycling and Recycling systemssystems

in Processin ProcessOperationsOperations

2

PENGKATEGORIAN KONSTITUEN DALAM AIR LIMBAH

Estimasi Kandungan Organik dalam Limbah

Parameter pengukuran kualitas limbah berdasar kandungan senyawa organik:

(a). BOD (Biological Oxygen Demand)• Mengukur jumlah O2 dibutuhkan untuk menguraikan senyawa organik

secara biologis (biodegradasi)• Dapat juga digunakan untuk mengukur:

- karbon organik yang dapat terbiodegradasi- senyawa-senyawa nitrogen yang dapat teroksidasi.

• Umumnya diukur pada masa inkubasi 5 hari pada 20oC.

(b). COD (Chemically Oxygen Demand)• Mengukur total karbon organik dalam limbah yang dapat teroksidasi secara

kimiawi (senyawa karbon selain bahan-bahan aromatik, misalnya: benzene)• Dapat juga untuk mengukur senyawa lain yang dapat tereduksi (e.g. sulfida,

sulfit, besi ferro)

(c). TOC (Total Organic Carbon)• Mengukur total karbon organik yang ada dalam limbah, sebagai CO2.

(d). TOD (Total Oxygen Demand)• Mengukur total karbon organik; dan juga• Nitrogen dan Sulfur (N dan S) yang tidak teroksidasi.

3

Proses Umum Pengolahan Air Limbah

Primary Treatment• Menyiapkan air limbah untuk pengolahan secara biologis.• Hanya melibatkan proses-proses fisis (screening, sedimentasi, flotasi untuk

mengeluarkan minyak, oli dan padatan tersuspensi) dan sedikit proses kimia(e.g. netralisasi)

Secondary Treatment• Proses degradasi biologis senyawa organik terlarut (dinyatakan dalam BOD)• Biodegradasi:

- Aerobik : dilakukan dalam ruang terbuka (Kolam dengan aerator)- Anaerobik : dilakukan dalam tangki tertutup, Kolam Anaerobik- Kombinasi Aerobik-Anaerobik

Tertiary Treatment• Untuk mengeluarkan residu-residu tertentu, e.g. padatan koloidal, trace

senyawa organik non-biodegradable.• Melibatkan proses fisis dan kimiawi (e.g. adsorpsi, ion-exchange, stripping,

distilasi), dan kadang2 proses biologis.

Wastewater Treatment SystemsWastewater Treatment Systems

PRIMARYAda banyak

pilihanteknologi/

proses

SECONDARY(BIOLOGICAL TREATMENT)• Ada banyak

pilihan teknologi/ proses

TERTIARYAda banyakpilihanteknologi/ proses

Discharge toenvironment

4

Pemilihan Proses

Pemilihan teknologi proses tergantung pada :

Karakteristik air limbah• Bentuk polutan: padatan tersuspensi, koloid, larut• Biodegradability senyawa organik yang ada dalam limbah• Toksisitas dari senyawa organik dan/atau anorganik dalam limbah.

Kualitas Effluent yang diinginkan• Mempertimbangkan batasan baku mutu yang diijinkan• Mempertimbangkan dampaknya dimasa depan

Harga dan Ketersediaan Bahan/Lahan• Satu atau lebih kombinasi proses dapat digunakan, jika lahan untuk

pengolahan air limbah sangat terbatas dan atau mahal.

5

Prosedur evaluasi sederhana untuk pemilihanteknologi pengolahan air limbah industri

Kualitas maksimum effluent air limbah yang dapat dicapaipada berbagai proses pengolahan limbah

6

Proses-proses yang terjadi selama limbah cair berkontakdengan kumpulan mikrobia/mikroorganisme:

Mekanisme Penghilangan LimbahSecara Biologis

• Sorpsi

• Stripping

• Biodegradasi

Sorpsi

• Peristiwa terjerapnya (adsorption) senyawa-senyawa organikdan logam berat dalam limbah secara fisis pada dinding sel-sel mikrobia.

• Biasanya kuantitasnya terbatas kuantitasnya (dan dalamproses biologis penguraian senyawa organik bukan merupakanmekanisme utama).

• Mungkin cukup signifikan untuk toxic organic. • Merupakan mekanisme utama penghilangan logam-logam

berat dalam limbah. Pada proses sorpsi, logam berat akan membentuk senyawa kompleks dengan dinding-dinding sel mikroorganisme.

7

Stripping

• Yaitu peristiwa keluarnya/terpisahnya senyawa karbonorganik volatil dari senyawa non-volatil dalam limbah olehsel-sel mikroorganisme

• Merupakan Mekanisme yang cukup signifikan untuk senyawakarbon organik yang volatil (VOC= Volatile Organic Carbon).

• Biasanya terjadi secara simultan dengan proses biodegradasi.

Biodegradasi/bio-dekomposisi

• Yaitu peristiwa penguraian senyawa-senyawa organik dalamlimbah oleh mikroorganisme pengurai.

• Merupakan mekanisme yang paling signifikan pada pengolahan limbah secara biologis.

FOKUS PEMBAHASAN: PROSES BIODEGRADASI

Perbandingan mekanisme removal (penghilangan) berbagai jenispolutan oleh lumpur aktif (activated sludge)

8

SEKILAS TENTANG PROSES PERURAIAN SECARA BIOLOGIS

Oksidasi Biologis/Bio-oksidasi:

Penguraian bahan-bahan organik dalam limbah dengan proses oksidasi yang dilakukan oleh dan dalam mikrobia secara biologis.

Biodegradasi:

• Peristiwa penguraian senyawa-senyawa organik dalam limbah olehmikroorganisme pengurai.

• Merupakan mekanisme yang paling signifikan pada pengolahan limbah secara biologis.

• Dapat terjadi secara:- Aerob : perlu oksigen- An-aerob : tidak perlu oksigen- An-oxic : gabungan aerob dan an-aerob.

Ada 2 langkah proses, yaitu:

• Proses pembentukan sel-sel baru (sintesis):

• Proses penguraian sel-sel mikroorganisme karena reaksi auto-oksidasi (respirasi/endogenesis).

senyawa2 + a’O2 +N+P + Energyorganik

a (sel-sel baru) + CO2 + H2O+ residu2 terlarut

non-biodegradablesel-sel

mikro organisme

sel-sel mikro + b’O2organisme

CO2 + H2O + N + P + residu2 seluler + Energy

non-biodegradable

Konsumsi O2 diperlukan untuk:• Suplai untuk sintesis/pembentukan sel-sel baru• Respirasi endogenesis (auto-oksidasi), dimana sel-sel mikroorganisme

terurai untuk menghasilkan energi.

Biodegradasi AEROB

9

Oksidasi Biologis/Bio-oksidasi – Diagram Skematis:

Biodegradasi An-aerob

Dekomposisi An-aerobAdalah proses terurainya senyawa-senyawa organik oleh mikrobiatanpa adanya oksigen.

Ada dua proses biologis yang terjadi dalam peristiwa ini, yaitu:

• Peruraian senyawa-senyawa organik menjadi asam-asamorganik oleh mikrobia fakultatif.

• Peruraian asam-asam organik oleh bakteri-bakteri anaerob(misalnya: bakteri pembentuk metan) menjadi metan dan padatanstabil.

CH4 + padatan stabilasam-asam organik+ CO2 + H2S

Senyawa2

organik mikrobiafakultatif

mikrobiapembentuk

metan

10

Biodegradasi An-aerob – Diagram Skematis:

Adalah sebuah proses biologisdimana mikroorganisme tertentumengambil oksigen yang terdapat dalam senyawa-senyawa tertentu (misalnyanitrit dan nitrat) dan nutrienuntuk aktivitas biologisnya.

Senyawa-senyawa yang teruraiakan menghasilkan gas nitrogen, CO2, padatan stabil danmikroorganisme dalam jumlahyang lebih banyak.

Dekomposisi Anoxic

Nitrifikasi : senyawa2 nitrogen senyawa2 nitrit + nitrat

De-nitrifikasi: senyawa2 nitrit + nitrat N2, N2O dll.

11

Mekanisme BOD Removal dengan Bio-Oksidasi

Removal BOD oleh lumpur biologis (lumpur aktif= biological sludge= activated sludge) terjadi dalam 2 fasa:

1. Pengurangan BOD secara CEPAT akibat removal dari suspended, colloidal and soluble BOD, karena:- enmeshment (terperangkapnya) padatan tersuspensi dalam

floc lumpur aktif.- removal partikel-partikel koloid karena adsorpsi fisis dan/atau

kimia pada permukaan floc lumpur aktif.- Biosorpsi (adsorpsi biologis) dari senyawa organik terlarut oleh

sel-sel mikroorganisme.

Ketiga mekanisme diatas terjadi secara bersamaan.

2. Pengurangan sisa BOD secara LAMBAT tetapi konstan, karenaperuraian senyawa organik terlarut oleh mikroorganisme.

S0

Biosorption

A B C D

Organic substratremaining

Oxygen uptakerate

Beratsel total

X0

Linearremoval

Decliningremoval

Endogeneousphase

Syn

thesis o

fsto

red B

OD

Kurva skematik proses Bio-oksidasi

Besarnya kecepatan penurunan BOD pada tahap ini akan sangat tergantung pada:• Sifat-sifat dari senyawa-senyawa organik yang ada• Konsentrasi lumpur aktif (active sludge)

12

Proses perombakan senyawa-senyawa organik olehmikroorganisme pada lumpur aktif

Beberapa jenis mikroorganisme (mikrobia) yang banyak terdapat dalamlumpur aktif adalah: paramecium, berbagai jenis bacteria dan amoeba.

Paramecium Bacteriaagen pengurai utama pada limbah.

Amoeba

13

Variabel-variabel yang berpengaruhterhadap Bio-oksidasi

• Temperatur

• pH

• Toksisitas senyawa dalam limbah(biasanya: fenol, logam berat, garam-garamanorganik, amoniak)

• Kualitas lumpur aktif

• Temperatur

Ada 3 daerah suhu untuk proses biodegradasi:- Mesofilik : 4 – 39oC- Termofilik : 40 – 55oC- Psikrofilik : dibawah 4oC

Kebanyakan proses biodegradasi berlangsung pada zone mesofilik. - Suhu ideal: ≈ 31oC (reaksi biologis paling cepat)- Pada suhu > 36oC, floc-floc mikrobia akan mulai rusak

penurunan kecepatan pengendapan secara signifikan. - Suhu dalam proses aerobik dijaga ≤ 35,5oC.

• pH- Kisaran pH: 5 – 9. - Kecepatan reaksi optimum: pH ≈ 6,5 – 8,5.

14

Logam berat. Logam berat yang teradsorpsi pada permukaan dinding selmikroorganisme akan menghalangi jalannya reaksi bio-oksidasi. Batasan konsentrasi toksik dari logam berat sangat tergantung pada kondisi operasinya. Pada sistem lumpur aktif, konsentrasi logam berat yang rendahpun dapat meracuni.

• Toksisitas

Toksisitas (sifat meracuni) limbah dalam proses bio-oksidasi dapatterjadi karena adanya senyawa-senyawa organik tertentudengan konsentrasi tinggi misalnya:

Fenol. Adanya fenol dengan konsentrasi tinggi dapat meracuni mikrobia, sehingga menghalangi (inhibit) proses bio-oksidasi. Tetapi fenoldalam konsentrasi rendah adalah biodegradable (dapat diuraikan olehmikrobia)

Garam-garam anorganik dan amoniak.Garam-garam anorganik pada konsentrasi cukup tinggi dapat menunjukan retardasi terhadap reaksi bio-oksidasi (menghalangi reaksi dan menurunkan kecepatan penghilangan BOD (BOD-removal)).

Kandungan garam anorganik yang tinggi juga dapat menyebabkan meningkatnya padatan tersuspensi (suspended solid) dalam arus effluent (arus limbah meninggalkan sistem).

Untuk mengatasi/menghindari kondisi toksik, maka limbah yang baru masuk ke sistem (misalnya: kolam limbah) diusahakan tercampur sesempurna mungkin dengan limbah yang sudah ada dalam sistem sehingga terjadi efek pengenceran!

• Kualitas Lumpur Aktif (Active Sludge Quality)Salah satu faktor penting yang mempengaruhi kinerja (performance) lumpuraktif adalah kemampuan lumpur tsb berflokulasi secara efektif. Kecepatanpengendapan dan kompaksi (kemampuan memadat) akan sangat terpengaruholeh ukuran floc-floc biologis yang ada. Semakin besar ukuran floc, semakinmudah lumpur tsb dipisahkan (dengan sedimentator/thickener/clarifier ataucentrifuge).

15

Koloni bakteri pada berbagai umur floc lumpur aktif.

Ukuran floc, selain dipengaruhi oleh kondisi operasi (pH, suhu) dankeadaan limbah (e.g. toksisitas), juga dipengaruhi oleh umurlumpur aktif tersebut.

Penggolongan floc lumpur aktif berdasarkan ukuran floc dan panjangfilamen (rambut-rambut mikrobia):

Filamentous bulking: • Mikrobia tumbuh terlalu cepat (overgrowth).• Biasanya merupakan hasil complete mixed processes atau karena

kurang nutrien dan konsentrasi substrat biodegradable organicsterlalu tinggi; disertai kelarutan O2 yang tinggi dalam limbah.

• Paling umum dijumpai pada lumpur aktif

Non-bulking:• Jumlah nutrient dan substrat cukup.• Biasanya dijumpai pada sistim ‘mixed flow’.

Pin-point:• Hasil dari kekurangan makanan (baik substrat maupun nutrien). • Rasio makanan dan massa lumpur organik (F/M) sangat rendah, atau• Hasil penggunaan lumpur aktif yang terlalu lama (long sludge age

operation).

16

‘Filamentous Bulking’

‘Nonbulking’‘Pin Point’

ExtendedFilament

FilamentBackbone

Dispersedparticles

Nitrifikasi

• Yaitu proses oksidasibiologis NH3 menjadi nitrat, dengan nitrit sebagai hasilantara.

• Dapat terjadi bersamaandengan BOD-removal.

• Jauh lebih lambatdibandingkan dengan BOD-removal.

NITRIFIKASI & DENITRIFIKASI

Denitrifikasi

Yaitu reaksi peruraian NO3menjadi N2 dan gas-gas lain oleh mikrobia.

17

Mikrorganisme yang terlibat dalam NITRIFIKASI:

Nitrosomonas: 2NH4+ + 3O2 → 2NO2

- + 4H+ + 2H2O • Reaksi pembentukan nitrit• Reaksi berjalan lambat, sehingga menjadi pengontrol kecepatan nitrifikasi

keseluruhan.

Nitrobacter: 2NO2

-+ O2 → 2NO3- (pembentukan nitrat)

• Suhu: 5 – 45oC, suhu optimum: 25 – 35oC• Pada umumnya akan meningkatkan keasaman limbah (karena munculnya

nitrit dan nitrat). • Untuk menjaga pH, maka perlu dimasukkan larutan alkali (biasanya dalam

bentuk larutan Ca(OH)2/lime solution).

Beberapasenyawa

organik yang menghambat

reaksiNitrifikasi

dengan Lumpur Aktif.

18

DENITRIFIKASI

Merupakan proses yang sangat sensitif dan sulit, oleh karena itu kontrolterhadap parameter-parameter proses harus dilakukan dengan ketat.

Mikrobia denitrifikasi sangat sensitif terhadap perubahan suhu dan pH. pH optimum ≈ 6.0-8.0.

Terjadi pada kondisi anoxic (tidak ada oksigen terlarut dalam limbah), olehmikrobia heterotropik yang mampu mengubah nitrat sebagai sumber energi.

Biasanya perlu ditambahkan sumber karbon dari luar (misal: metanol, diperlukan sebanyak ≈ 3-4 g methanol/g nitrat yang harus di-removed ).

Dapat juga terjadi pada keadaan aerobik jika:(1). Tersedianya fraksi anoxic pada floc-floc biologis.(2). Adanya karbon (C) sebagai substrate.

Meskipun demikian, denitrifikasi sebaiknya dilakukan pada kondisi anoxic yang ketat.