LIMBAH SECARA BIOLOGIS: AEROBIC PENGANTAR PENGOLAHAN LIMBAH SECARA BIOLOGIS: AEROBIC “ACTIVATED SLUDGE/LUMPUR AKTIF“ Disampaikan oleh : Prof.Dr.Ir. Tri Widjaja, M.Eng. JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS

Primer Sekunder Tersier Screen Grit removal Settling tank Aeration tank Settling tank Khlorinasi Sludge Aerator Sludge digester Sludge drying bed

Prinsip pengolahan biologis: Mengikuti proses di alam (sungai) dimana bahan organik seperti biota air yang mati, daun, dll akan diuraikan oleh mikroorgansime (mo) dalam sungai Untuk kehidupannya, mikroorganisme pengurai membutuhkan : oksigen >> diperoleh dari oksigen terlarut karbon sebagai sumber energi >>> diperoleh dari bahan organik terlarut - N dan P sebagai nutrient

Dalam pengolahan Limbah tahap sekunder, dilakukan dengan menumbuhkan mikroorganisme dalam bak aerasi yang akan bertugas untuk menguraikan bahan organik carboneous organic (C,H,O) - nitrogenous organic (C,H,O dan N) Dibutuhkan : jumlah oksigen, Nutrient N dan P serta unsur karbon C yang sesuai dengan yang “diinginkan”oleh mikroorganisme tersebut

laju pertumbuhan mikroorganisme Untuk mendapatkan pertumbuhan mikroorganisme sesuai dengan konsentrasi bahan organik yang akan diuraikan, harus diketahui : laju pertumbuhan mikroorganisme laju peruraian substrat (bahan organik) Reaksi pada proses : cell Organik + O2 +N +P cell baru + CO2 + H2O + SMP Cell + O2 CO2+ H2O +P + N +sisa cell +SMP

BIOLOGIS ORGANIK C, H, O DAN N OKSIGEN N DAN P (UDARA) (NUTRIENT) (AEROBIK) N DAN P (NUTRIENT) CELL + 1 O2 + 1 C CELL BARU + CO2 + H2O Dengan “diambilnya” unsur C dari bahan organik, menyebabkan bahan organik tersebut akan terurai & tingkat polutan tereduksi 6

Biological Oxygen Demand Untuk “mengambil” 1 mole C , biologis membutuhkan 1 mole O2 Atau : untuk 12 mg C dari bahan organik dibutuhkan 32 mg O2 Banyaknya oksigen (O2) yang dihabiskan oleh mikroorganisme merupakan gambaran tingginya kandungan bahan organik Dianalisa sebagai BOD5 Biological Oxygen Demand

Koloid dan Suspended Solid Cell baru Organik terlarut O2 Absorbsi Nutrient N, P CELL CO2 H2O Adsorpsi Catatan Pada proses anaerobik yang keluar dari cell berupa CH4 , CO2 (untuk bakteri2 methan) berupa CO2, H2, asam2 organik (untuk bakteri2 acetogenik) Koloid dan Suspended Solid

Mekanisme Biodegradasi

Activated Sludge Merupakan kolam ber-aerasi dan berpengaduk, yang memungkinkan dekomposisi material organik oleh mikroorganisme yang diinokulasikan sehingga dapat mengendap. Bakteri dalam “activated sludge” diresirkulasi secara kontinu ke kolam aerasi utk meningkatkan rate dekomposisi organik. Pada Tahap ini mikroorganisme memproses dg merubah bahan organik dari non-settleable solids menjadi settleable solids.

DASAR-DASAR PENGENDALIAN LUMPUR AKTIF

Beberapa parameter penting dalam pengontrolan plant lumpur aktif a.l.: Food:mass ratio (F/M ratio) Sludge age Dissolved oxygen

Food:Mass Ratio Salah satu dari parameter kontrol utama pada lumpur aktif adalah Food:Mass Ratio atau Sludge loading Rate. Dapat dihitung dengan persamaan berikut: Besar F:M ratio yang optimum berkisar antara 0,2-0,6 kg BOD/kg MLSS (sludge yang terbentuk mudah mengendap/good settling)

F/M Ratio Pada grafik tersebut jika F/M ratio antara 0.2-0.6 maka zone settling velocity (ZSV) akan mudah mengendap, dengan sludge age sekitar 3-14 hari. Efisiensi dari penurunan BOD removal sangat kecil pada range tersebut, biasanya diatas 95% dalam sistem yang konvensional

F/M Ratio Apabila F:M ratio terlalu rendah maka dapat menimbulkan tumbuhnya filamen bakteri atau kondisi bulking. Pengendapan di tangki sedimentasi terganggu/sulit. Jika F:M Ratio terlalu tinggi maka dapat menyebabkan kenaikan kebutuhan oksigen dan menaikan clarifier loading.

Sludge Age Sludge age atau solids retention time (θc) adalah waktu tinggal rata-rata solid di dalam sistem reaktor. Dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Sludge age biasanya antara 3-14 hari untuk menghasilkan biological floc. Jika θc<3 hari maka biomassnya kurang cukup tebal, sehingga terbentuk “bulking sludge”. Jika θc>14 hari maka flok partikel yang terbentuk akan terlalu kecil.

Hubungan antara sludge age dan efisiensi BOD removal ditunjukan oleh gambar di bawah ini : Dibawah sludge age minimum, biomass dipindahkan lebih cepat di tangki aerasi daripada digantikan oleh pertumbuhan sel baru. Proses ini dimaksudkan sebagai Washout Ada juga sludge age maximum atau critical. Diatas age ini, semua peningkatan performa diabaikan Ada periode antara washout dan critical sludge age dimana aktivitas biomass mungkin naik atau turun secara teratur

Sludge Volume Index Merupakan ukuran yang menyatakan berat endapan per satuan volume (mg/l) larutan setelah 30 menit proses pengendapan. SVI biasanya digunakan untuk mengetahui karakteristik pengendapan sludge dan sangat berguna dalam proses kontrol pengendapan. Dimana : V = Volume dari settled solids setelah 30 menit V0 = Initial volume dari sludged tested (liters) X = Konsentrasi MLSS dari lumpur sebelum tes (gm/liter)

Sludge Volume Index (SVI) SVI = Sludge Volume Index. SV = Sludge Volume. SS = Suspended Solid

Sludge Volume Index (SVI) Settleable solid merupakan partikel padat yang yang akan mengendap setelah satu jam karena pengaruh gaya gravitasi bumi. Biasanya pengukuran dilakukan menggunakan “Imholf Cone” dan data yang dihasilkan berupa volume padatan (ml) per liter larutan limbah.Untuk mengetahui total solid yang mengendap, salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan penyaringan menggunakan membran yang memiliki ukuran lubang sampai 0.45 micron. Untuk kemudian diperoleh data berat kering endapan limbah (mg/l).

Sludge Volume Index (SVI) Dalam treatment kedua, Sludge yang dihasilkan biasa disebut Biological Sludge atau MLSS (Mixed Liquor Suspended Solid), MLSS ini terdiri dari inert material dan biological material. MLVSS setara 0,8 MLSS atau dikatakan sebagai bahwa komposisi terbesar pada sludge sebagai biological material sebesar 80%. Kisaran ukuran bacteria bervariasi antara 0.5 – 3 mm, untuk mikroba dengan bentuk spiral biasamya berukuran 15 mm. Oleh sebab itu dalam dalam analisa MLSS dilakukan penyaringan dg membran yang memiliki ukuran lubang lebih kecil, digunakan kertas saring GF/C (GF/B) dengan ukuran lubang 0.45 mm.

Hubungan antara solids concentration dengan SVI

Dari gambar di atas untuk typical sludge Dari gambar di atas untuk typical sludge. Di bawah poin (a) SVI relatif tidak tergantung pada konsentrasi solid Di atas poin (a) dan di bawah poin (b) SVI sangat tergantung pada konsentrasi solid karena kegagalan sludge untuk menggumpal menjadi coarse open lattice Di atas poin (b) SVI turun ke parallel kurva maximum attainable SVI bisa digunakan sebagai alat operasional untuk in-plant control dari laju recycle solid. Jika konsentrasi solid meninggalkan settler diasumsikan 1/SVI, maka solids balance disekitar reaktor (mengabaikan sintesa solid di dalam reaktor) bisa dipetakan Sebagai contoh: Untuk menjaga konsentrasi solid pada 3.000 mg/L & ketika SVI 75 ml/gm, maka laju recycle solid diperoleh 29%.

Indikator lingkungan air: 1. Rotifera Organisme multiseluler aerobic. Memakan Protozoa, bakteri terdispersi dan terflokulasi, dan partikel organik yang lebih kecil Mempunyai dua set cilia untuk bergerak dan menangkap mangsa. Membutuhkan kandungan oksigen terlarut yang relatif tinggi sekitar >2 mg/liter. Relatif lambat untuk menggandakan diri

Rotifer adalah metazoa (organisme multicellular) dengan ukuran bervariasi antara 100 m – 500 m. Tubuhnya merupakan “jangkar” pada partikel flok, dan kadangkala memotong keluar permukaan flok. Keberadaannya mengindikasikan air limbah yang diolah secara biologis berlangsung baik. Rotifer ditemukan dalam air limbah meliputi dua golongan, yaitu : Monogononta (seperti Lecane spp, Notommata sp) Bdelloidea (seperti Philodina spp, Habrotrocha spp)

LECANE SP. Sama halnya dengan protozoa, mikroorganisme ini juga sangat aerob dan lebih sensitip terhadap kondisi toksik dibanding bakteria. Lecane spp dijumpai hanya pada lingkungan activated sludge yang sangat stabil. ( Water Environment Society,1987) . Lecane spp juga mampu mengkonsumsi (predator) mikroba serta partikulat.

2. Fungi Activated sludge tidak selalu bagus untuk pertumbuhan fungi, walaupun beberapa fungal filament dijumpai pada flok activated sludge. Fungi dapat tumbuh pada pH yang rendah , toksik, limbah dengan kandungan nitrogen sangat rendah. Spesies yang umum dijumpai dalam activated sludge, antara lain : Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium, Cladosporium, dan Alternaria. Terjadinya bulking dari sludge pada bak sedimentasi skunder dapat disebabkan karena pertumbuhan Geotrichum candidum, yang terjadi pada pH rendah dari limbah asam.

Fungi

Problem pada Activated Sludge Dispersed Growth Non-filamentous bulking Rising sludge Terbentuknya foam dan scum Filamentous bulking Pinpoint-floc

Dispersed Growth Mikroorganisme tidak dapat membentuk flok dan tetap terurai (hanya membentuk rumpun kecil atau sel tunggal.) Bakteri yang tidak membentuk flok umumnya dikonsumsi oleh protozoa. akibatnya antara lain effluent tetap keruh, tidak terbentuk daerah pengendapan sludge.

Non-filamentous bulking Disebut juga “zoogleal bulking” dan disebabkan oleh pembentukan exopolysaccharida yang berlebihan oleh Zooglea dalam activated sludge. Akibat yang terjadi antara lain menurunkan kemampuan pengendapan dan flok kurang padat. Bulking tipe ini agak jarang ditemui dan dikoreksi oleh khlorinasi. (Chudoba, 1989)

Rising Sludge Sludge naik ke permukaan sebagai akibat dari denitrifikasi berlebihan, sebagai hasil dari kondisi anoxic dalam tangki sedimentasi. Partikel sludge mengikat gelembung nitrogen dan membentuk sludge blanket di permukaan clarifier. Sludge lolos ke effluent sehingga menjadi keruh dan meningkatkan kembali kadar BOD5. Salah satu solusi problem ini adalah mengurangi waktu tinggal sludge seperti dengan menaikkan kapasitas sirkulasi sludge.

Terbentuknya foam dan scum Problem ini disebabkan oleh tidak terurainya surfactan serta adanya mikroorganisme Nocardia sp dan kadang-kadang juga disebabkan oleh adanya Microthhrix parvicella. Solusi : 1. Menggunakan antifoam 2. Menghilangkan busa secara mekanis sebelum masuk Clarifier

Filamentous bulking Bulking merupakan problem berupa lambatnya pengendapan dan tidak kompaknya padatan di clarifier. Filamentous bulking umumnya disebabkan oleh pertumbuhan yang berlebihan dari mikroorganisme filamentous seperti Thiothrix sp Thiothrix sp.

Pinpoint-floc Adalah suatu keadaan dimana flok yang dihasilkan sangat tipis Hal ini disebabkan karena kurangnya bakteri filamentous yang berfungsi ibaratnya sebagai “tulang belakang” dalam proses pembentukan flok sehingga flok kehilangan strukturnya, serta mempunyai kemampuan pengendapan yang rendah, akibatnya effluent tetap keruh.

Efek Pertumbuhan Filamentous Bakteri Ideal, non bulking floc Pinpoint Floc Filament Floc

Pinpoint- floc small, weak flocs flocs contining filamentous organisms d) flocs containing filamentous organism “network" or “backbone."

Parameter panjang filamen dengan SVI

Pengendalian Filamentous Bakteri Group I - Zona Aerobik dengan Konsentrasi DO rendah Terjadi pada substrat yang mudah termetabolasi Terjadi pada substrat dengan konsentrasi DO yang rendah Terjadi pada rentang waktu tinggal sludge yang lebar Organisme yang berpengaruh : Sphaerotilus natans Type 1701 H.hydrossis

Pengendalian : Menggunakan aerobik, anoxic, atau anaerobik selektor Meningkatkan waktu tinggal sludge Meningkatkan konsentrasi DO pada tangki aerasi

Group II - Zona Mixotropic dan Aerobic Terjadi pada substrat yang mudah termetabolasi, terutama pada substrat dengan asam-asam organik dengan berat molekul yang rendah Sulfida teroksidasi menjadi butiran-butiran sulfur Terjadi pada waktu tinggal sludge dari sedang hingga tinggi Tingkat penyerapan nutrisi yang yang cepat Organisme yang berpengaruh : Type 021 N Thiotrix Sp.

Pengendalian : Menggunakan aerobik, anoxic, atau anaerobik selektor Menambahkan jumlah nutrien Menghilangkan sulfida dengan menggunkan asam organik konsentrasi tinggi

Group III - Zona Aerobik lainnya Terjadi pada substrat yang mudah termetabolasi Terjadi pada waktu tinggal sludge dari sedang hingga tinggi Organisme yang berpengaruh : N.Limicola Sp. Type 1851

Pengendalian : Menggunakan aerobik, anoxic, atau anaerobik selektor Mengurangi waktu tinggal sludge

Group IV - Zona Aerobik, Anoxic, dan Anaerobik Terjadi pada sistem yang aerobik, anoxic, atau anaerobik Terjadi pada waktu tinggal sludge yang lama Memungkinkan terjadinya pertumbuhan pada partikulat produk hidrolisis Organisme yang berpengaruh : M.Parvicella Type 0041 Type 0092

Pengendalian : Menjaga keseragaman konsentrasi DO yang cukup pada zona aerobik

Kelebihan dan kekurangan Oksidasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi dapat tercapai. Nitrifikasi biologis tanpa penambahan bahan kimia. Dapat menghilangkan senyawa fosfor secara biologis Stabilisasi dari sludge. Penghilangan SS dari air limbah dapat mencapai 97%. Kekurangan Tidak dapat menghilangkan pewarna dalam air limbah. Untuk mendapatkan sludge yang terendapkan secara baik, diperlukan kontrol kondisi yang akurat dan baik Tidak dapat menghilangkan nutrien (membutuhkan pengolahan tersier) TERIMA KASIH