Oleh : Abubakar Tuhuloula ( ) Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M.Eng

Transkripsi

1 SIDANG THESIS BIOREMEDIASI LAHAN TERKONTAMINASI MINYAK BUMI DENGAN MENGGUNAKAN BAKTERI BACILLUS CEREUS PADA SLURRY BIOREACTOR Oleh : Abubakar Tuhuloula ( ) Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M.Eng

2 PENDAHULUAN

3 LATAR BELAKANG Eksplorasi dan produksi minyak bumi sering menimbulkan pencemaran dan terganggunya pelestarian lingkungan Dalam UU No. 23/1997 dan PP No. 18/1999 disebutkan bahwa limbah minyak bumi termasuk limbah B3 Teknologi bioremediasi menggunakan bakteri yang dalam aktivitasnya mampu memanfaatkan hidrokarbon minyak bumi sebagai sumber karbon dan energi Haryama (1995) dari segi biaya dan kelestarian, bioremediasi lebih murah dan berwawasan lingkungan dibandingkan dengan metode pemulihan lingkungan lainnya baik secara fisik maupun kimiawi. 1

4 RUMUSAN MASALAH 1. Eksplorasi, produksi dan transportasi minyak bumi berpotensi menyebabkan pencemaran. Biasanya, akibat tumpahan, dan ini sangat berisiko bagi kualitas air tanah. 2. Teknologi bioremdesia diharapkan efektif dalam merombak hidrokarbon dari sludge oil pada fase slurry. 2

5 BATASAN MASALAH 1. Teknologi bioremediasi yang digunakan adalah slurry bioreaktor 2. Jenis mikroba yang digunakan adalah Bacillus Cereus 3. Pengaruh aktivitas bakteri bacillus cereus terhadap kadar TPH (Total Petroleum Hidrokarbon) dan BTEX sebagai kontaminan yang terkandung dalam tanah tercemar minyak bumi. 4. Parameter kinetika bakteri Bacillus cereus (Y, k o, k d, K m ). 3

6 TUJUAN PENELITIAN 1. Pngaruh konsentrasi bakteri Bacillus cereus terhadap penurunan kadar TPH (Total Petroleum Hydrocarbon) pada proses bioremediasi lahan terkontaminasi minyak bumi. 2. Menghitung parameter kinetika bakteri bacillus cereus pada proses bioremediasi lahan terkontaminasi minyak bumi. 4

7 MANFAAT PENELITIAN Berdasarkan hasil penelitian ini diharapkan dapat diperoleh : 1. Alternatif teknologi pengolahan limbah dengan sistim bioreaktor yang memanfaatkan mikroba sebagai pereduksi bahan berbahaya dalam minyak bumi sehingga dapat mengatasi pencemaran lingkungan akibat tumpahan minyak bumi 2. Informasi dasar tentang pemanfaatan bakteri bacillus cereus sebagai pemecah minyak dalam proses bioremediasi dan diharapkan dapat diaplikasikan di lapangan dalam proses bioremediasi 3. Data-data kinetika yang selanjutnya bisa digunakan untuk merancang bioreaktor 5

8 TINJAUAN PUSTAKA

9 MINYAK BUMI Dessy, Y (2002), mengatakan SELULOSA minyak bumi merupakan senyawa hidrokarbon yang terdiri atas dua golongan yaitu : HEMISELULOSA 1. Bitumina, yaitu hidrokarbon yang larut dalam karbondisulfida : Bitumina yang bersifat cair disebut minyak bumi, terdiri dari semua minyak mentah yang diperoleh dari sumur pengeboran atau yang keluar sendiri pada permukaan sebagai rembesan. Bitumina yang bersifat padat terdiri atas yang mudah melumer (seperti lilin mineral dan aspal) dan yang sukar melumer (seperti asphaltit). 6

10 MINYAK BUMI 2. Non-Bitumina, yaitu hidrokarbon yang tidak larut dalam karbondisulfida : a. Non-bitumina yang dapat lumer b. Non-bitumina yang tidak lumer disebut piro-bitumina terdiri dari : Bersifat aspal Non-aspal, misalnya batubara muda dan batubara Kerogen, yaitu zat organik yang tidak larut, terdapat dalam batuan sedimen dan secara pirolisa dengan temperatur tinggi menghasilkan hidrokarbon. 7

11 MINYAK BUMI Tabel Hasil pengolahan minyak bumi dan kegunaannya Crude fraction Boiling Point, o F (melting poin) Hydrocarbon gas < 68 to 100 Approx. chemical composition C 1 C 2 C 3 C 6 Uses Fuel gas Bottled fuel gas, solvent Gasolene C 5 C 10 Motor fuel, solvent Kerosene C 11 C 12 Jet fuel, cracking stock Light gas oil C 13 C 17 Diesel fuel, furnace fuel Heavy gas oil C 18 C 25 Lubricating oil, bunker fuel Lubricants and waxes C 26 C 33 Lubricating oil, paraffin wax, petroleum jelly Residuum (200+) C 38 + Tars, roofing compounds, paving asphalts, coke, wood preservatives Sumber : William D. McCain, The Properties of Petroleum Fluids 8

12 MINYAK BUMI Komposisi minyak bumi Minyak bumi mengandung 50-98% komponen hidrokarbon dan nonhidrokarbon. Kandungannya bervariasi tergantung pada sumber minyak. Minyak bumi mengandung : Karbon : 83,9 86,8% Hidrogen : 11,4 14% Belerang : 0,06 8,0& Nitrogen : 0,11 1,7% Oksigen : 0,05% dan Logam (Fe, Cu, Ni) : 0,03% (Pertamina, 2009) 8

13 PENCEMARAN LINGKUNGAN Menurut Bossert & Bartha (1984) jenis dan asal pencemaran minyak bumi di tanah dapat terjadi melalui beberapa hal berikut : 1. Rembesan limbah alam 2. Rembesan dan tumpahan minyak bumi akibat kecelakaan 3. Pembuangan limbah minyak bumi 9

14 PENCEMARAN LINGKUNGAN Sumber Pencemaran : Kegiatan Produksi Transportasi Pasca produksi (sampai di konsumen dan hasil kegiatan konsumen) 10

15 BIOREMEDIASI Bioremediasi : Proses penguraian limbah organik/anorganik yang berbahaya menjadi tidak berbahaya dengan menggunakan aktifitas biologi. Aplikasi : Tidak hanya pada lingkungan yang tercemar minyak bumi, tetapi dapat juga mengendalikan pencemaran yang diakibatkan oleh pestisida dan senyawa xenobiotik lainnya. Teknik ini lebih ekonomis, dibanding remediasi thermal dan physico-chemical seperti incenerator (Ireri V.R., et al., 2008). 12

16 BIOREMEDIASI Kelebihan dan kelemahan bioremediasi Kelebihan Dapat dilakukan dilokasi/diluar lokasi Sistim biologi adalah sistim yang murah Masyarakat dapat menerima dengan baik Ramah lingkungan Menghilangkan resiko jangka panjang Kekurangan Tidak semua bahan kimia dapat di olah secara bioremediasi Membutuhkan pemantauan yang intensif Membutuhkan lokasi tertentu Berpotensi menghasilkan produk yang tidak dikenal Sumber : wisnjnuprapto.,

17 BIOREMEDIASI Bioremediasi dapat dilakukan dengan cara : In situ : Proses bioremediasi yang mengandalkan kemampuan mikroorganisme yang telah ada di lingkungan tercemar untuk mendegradasinya. Ex situ : Proses bioremediasi yang memindahkan kontaminan ke suatu tempat untuk memberikan beberapa perlakuan 14

18 SLURRY-PHASE BIOREACTOR Slurry Phase : Bejana besar digunakan sebagai bio-reactor yang mengandung tanah, air, nutrisi dan udara untuk membuat mikroba aktif guna mendegradasi senyawa pencemar. Slurry phase dapat diperoleh dari limbah padat/tanah yang dicampurkan air sehingga slurry memiliki tingkat kepadatan 10-30% dari tanah (w/v) yang sebelumnya dihancurkan atau pecahkan menjadi partikel halus µm. Di dalam slurry reaktor, pengadukan dan aerasi dapat meningkatkan laju transfer massa dan kontak antara mikroorganisme dan partikel padat. (Robles-Gonzalez et. al., 2008) 15

19 KINETIKA MIKROBA Secara umum, neraca massa di sekitar reaktor adalah : Laju akumulasi dalam reaktor = laju masuk laju keluar + laju reaksi (2.1) Neraca massa biomassa dan substrat adalah, Neraca massa biomassa, dx dt ( ) f o o o V = QX QX+ V r b (2.2) Neraca massa substrat, ds dt = + ( ) f o o o V QS QS V r s (2.3) 17

20 KINETIKA MIKROBA Jika substrat dikonsumsi, laju pembetukan substrat adalah inherently negative. Pada kondisi steady-state, neraca massa persamaan 2.2 menjadi : o o Q o S S ( Laju pembentukan substrat) = ( S S ) = V θ (2.4) Untuk kasus kinetika Monod atau Michaelis-Menten dalam suatu reaktor yang tercampur sempurna, maka : Laju reaksi biomassa k XS = o ( K + S) m k X ds ko XS Laju reaksi substrat = = dt Y K S d ( + ) m (2.5) (2.6) 18

21 KINETIKA MIKROBA sehingga k o XS ( Laju pembentukan substrat) = Y Km + S (2.7) Setelah substitusi persamaan (2.4) ke dalam (2.7), hasilnya dapat ditulis sebagai : θ X KY m 1 Y = o + S S ko S ko Karena, k = (S o S)Y/θX untuk raktor alir pada steady state dan dengan asumsi tidak ada biomassa dalam umpan, maka : 1 K m 1 1 = + k ko S ko (2.8) (2.9) 19

22 KINETIKA MIKROBA K m dan k o ditentukan dari nilai slope dan intersep seperti ditunjukkan dalam gambar 2.2, yang mana biasanya mangacu pada Lineweaver-Burk plot. 1 k Uninhibited slope = K k m o 1 k o - 1 K m 1 S Gambar 2.2. Plot Lineweaver-Burk (Soundstrom, 1979) 20

23 KINETIKA MIKROBA Jika mengkombinasikan persamaan (2.5), (2.3),(2.4) dan (2.7) untuk reaktor steady state dengan tanpa biomassa masuk, diperoleh bentuk linier berikut yang cocok untuk menghitung k d dan Y, S o S k d θ 1 = + X Y Y (2.10) Dengan plot (S o S)/X versus θ, slope dan intersep masing-masing adalah k d /Y dan 1/Y. Nilai Y ini dapat digunakan untuk evaluasi slope dan intersep dari persamaan (2.8) seperti halnya nilai k dalam persamaan (2.9). (Sundstroms dan Klei, 1979). 21

24 MIKROORGANISME Proses bioremediasi sangat dipengaruhi oleh aktivitas mikroorganisme. Mikroorganisme pengurai minyak bumi dapat ditemukan di tanah dan air. Mikroorganisme dapat berupa alga, bakteri, ataupun fungi 22

25 MIKROORGANISME Bakteri pendegradasi hidrokarbon yang efektif di lingkungan alami : Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas putida Bacillus subtilis Bacillus cereus Bacillus laterospor 23

26 MIKROORGANISME Berdasarkan suhu optimum pertumbuhannya, mikroorganisme Dapat dikelompokkan menjadi 3, yaitu 1. Psikrofilik : 5 15 o C 2. Mesofilik : o C 3. Termofilik : o C. Pada umumnya, bioremediasi limbah minyak menggunakan mikroorganisme mesofilik 24

27 MIKROORGANISME (BACILLUS CEREUS) Beberapa karakteristik bakteri B. cereus (Duaa S.A, 2005) : Organisme sel tunggal berbentuk batang pendek (biasanya rantai panjang) Ukuran : - lebar : 1,0 1,2 μm - panjang : 3 5 μm Gram positif Aerob Suhu pertumbuhan : max.: o C min. : 5 20 o C ph pertumbuhan : 4,3 9,3 25

28 MIKROORGANISME Gambar Bacteria cereus dengan berbagai ukuran dan tampak 26

29 PENELITIAN SEBELUMNYA No Nama Judul Jurnal Hasil Kinetics of Indigenous Isolated American-Eurasian Konstanta kinetika orde satu Bassim E. Bacteria used for ex situ Journal Agric. & Env. untuk bioreactor yang berbeda 1. Abbassi and Bioremediation of Petroleum Science, 2007 berubah-ubah antara & Walid D.S Contaminated Soil /day Bambang Yudono; M.Said; Pol Hakstege and F.X. Suryadi Tabari Khashayar and Tabari Mahsa Wuxing Liu; Yongming Luo, Ying Teng, Zhengao Li and Lena Q. Ma Kinetics of Indigenous Isolated Bacteria Bacillus mycoides used for Ex-Situ Bioremediation of Petroleum Contaminated Soil in PT Pertamina Sungai Lilin South Sumatera Biodegradation Potential of Petroleum Hydrocarbons by Bacterial Diversity in Soil Bioremediation of Oily Sludge- Contaminated Soil by Stimulating Indigenous Microbes Journal of Sustainable Development Vol. 2, No.3, 2009 World Applied Science Journal 8 (6), 2010 Environmental Geochemical 2010 Health, Bacillus mycoides dapat mendegradasi 99,32% komponen C 19 H 40, C 21 H 44, C 24 H 50, dan C 28 H 58 dalam 31 hari Kultur campuran individu murni (hexadecane) diuji pada konsentrasi manapun mampu removal lebih dari 80% jumlah awal. Setelah bioremediation 360 hari, kandungan Total Petroleum Hydrocarbon berkurang menjadi 58.2%. 27

30 METODOLOGI PENELITIAN

31 METODOLOGI PENELITIAN KONDISI OPERASI Temperatur : 26 o C 35 o C ph : Rasio C : N : P : (100 : 10 : 1 ) molar Agitasi : 100 rpm Aerasi : Memenuhi DO ( 2 mg/l) Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah : Komposisi campuran : 10% tanah, 90% air Konsentrasi mikroba : (5%, 10%, 15%)(v/v) dengan populasi bakteri ( sel/ml) tanah tercemar 28

32 METODOLOGI PENELITIAN Tahapan Penelitian Tanah Tercemar Bakteri (5%, 10%, 15% v/v). Populasi bakteri, sel/ml Screening 8 mesh Mixing (rasio air tanah = 1:9) Air Analisa ph, suhu, DO, TPH, MLSS, MLVSS Bioremediasi (7 minggu) DO > 2 ppm Nutrien, udara Separasi dengan vacum filter Analisa Akhir Ukur TPH 29

33 METODOLOGI PENELITIAN Rangakaian Peralatan Proses Keterangan : 1. Motor pengaduk 2. Bioreaktor 3. Sparger 4. Aerator 5. Statip and Klem 6. Tangki Umpan Air-Tanah 7. Tangki Nutrien 8. Sumber listrik A B 2 C 2 D Keterangan: 1. Motor Pengaduk 2. Drum Bioreaktor (A, B, C, dan D) 3. Sumber Listrik 4. Aerator 5. Sparger Peralatan Slurry Bioreactor 30

34 METODOLOGI PENELITIAN BESARAN YANG DIUKUR Besaran yang Diukur Temperatur ph DO (dissolved oxygen) MLSS dan MLVSS TPH BTEX Waktu Pengukuran Sehari sekali Sehari sekali Sehari sekali Awal operasi dan tiap 3 hari sekali Awal operasi dan tiap 7 hari sekali Awal dan akhir 31

35 PEMBAHASAN

36 PEMBAHASAN 4.1 Pengaruh konsentrasi bakteri terhadap penurunan konsentrasi TPH. 4.2 Degradasi Hidrokarbon TPH vs Waktu % Degradasi vs Waktu TPH (µg/g) 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10, Waktu (hari) % Biodegradasi Tanpa BC BC 5 % (v/v) BC 10 % (v/v) BC 15 % (v/v) Waktu (hari) Tanpa BC 5% (v/v) 10% (v/v) 15% (v/v) Gambar 4.1 Hubungan antara %TPH dengan waktu pengamatan Gambar 4.2. Hubungan antara % Biodegradasi dengan waktu pengamatan. 36

37 PEMBAHASAN 4.3 Pengaruh MLVSS dengan penambahan bakteri 5%(v/v) terhadap TPH 4.4 Pengaruh MLVSS dengan Penambahan bakteri 10%(v/v) terhadap konsentrasi TPH TPH vs Waktu vs MLVSS TPH vs Waktu vs MLVSS 60, , TPH (µg/g) 50,000 40,000 30,000 20,000 10, MLVSS (mg/l) 50,000 40,000 TPH (µg/g) 30,000 20,000 10, MLVSS (mg/l) Waktu (hari) % TPH BC 5 % (v/v) Waktu (hari) TPH BC 10 % (v/v) Gambar 4.3. Hubungan TPH, MLVSS dengan waktu untuk bakteri 5% (v/v) Gambar 4.4. Hubungan TPH, MLVSS dengan waktu untuk bakteri 10% (v/v) 37

38 PEMBAHASAN 4.5 Pengaruh MLVSS dengan Penambahan bakteri 10%(v/v) terhadap konsentrasi TPH TPH vs Waktu vs MLVSS TPH (µg/g) 50,000 45,000 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5, Waktu (hari) MLVSS (mg/l) TPH BC 15 % (v/v) Gambar 4.4. Hubungan TPH, MLVSS dengan waktu untuk bakteri 15% (v/v) 38

39 PEMBAHASAN 4.6 BTEX (Benzene, Toluene, Ethyl Benzene, Xylene) Compound R.Time Height[uV] Area[uV*S] Area% Conc.(%) Type N-Hexane BV Benzene VB Toluene BB Ethyl Benzene BB Xylene BB Gambar 4.6 Hasil analisa GC BTEX awal 39

40 PEMBAHASAN Compound R. Time Height[uV] Area[uV*S] Area% Conc.(%) Type N-Heksane BV Benzena VB Toluene BB Toluene BB Ethyl Benzena BB Ethyl Benzena BB Xylene BB Gambar 4.7 Hasil analisa GC BTEX untuk bioreaktor B dengan penambahan bakteri bacillus cereus 5% (v/v) 40

41 PEMBAHASAN Compound R. Time Height[uV] Area[uV*S] Area% Conc.(%) Type N-Heksane BV Benzena VB Ethyl Benzena BB Xylene BB Gambar 4.8 Hasil analisa GC BTEX untuk bioreaktor C dengan penambahan bakteri bacillus cereus 10% (v/v) 41

42 PEMBAHASAN Compound R. Time Height[uV] Area[uV*S] Area% Conc.(%) Type N-Heksane BV Benzene VB Xylene BB Gambar 4.9 Hasil analisa GC BTEX untuk bioreaktor D dengan penambahan bakteri bacillus cereus 15% (v/v) 42

43 PEMBAHASAN 4.6 Kinetika Mikroba (So-S)/X y = 0.016x R² = θ (hari) θx/(so-s) y = 1E+06x R² = /S Gambar 4.10 Hubungan (S o S)/X vs θ untuk mendapatkan nilai Y dan k d, pada penambahan bakteri bacillus cereus 5% (v/v) Gambar 4.11 Hubungan θx/(s o S) vs 1/S untuk mendapatkan nilai k o dan K m, pada penambahan bakteri bacillus cereus 5% (v/v) θ (hari) S (µg/gr) S (mg/l) X (mg MLVSS/L) (So-S)/X θx/(so-s) 1/S Y kd ko Km E E E E E E E-05 43

44 PEMBAHASAN (So-S)/X y = 0.024x R² = θ (hari) θx/(so-s) y = 28359x R² = /S Gambar 4.12 Hubungan (S o S)/X vs θ untuk mendapatkan nilai Y dan k d, pada penambahan bakteri bacillus cereus 10% (v/v) Gambar 4.13 Hubungan θx/(s o S) vs 1/S untuk mendapatkan nilai k o dan K m, pada penambahan bakteri bacillus cereus 10% (v/v) θ (hari) S (µg/g) S (mg/l) X (mg MLVSS/L) (So-S)/X θx/(so-s) 1/S Y kd ko Km E E E E E

45 PEMBAHASAN (So-S)/X y = 0.018x R² = θ (hari) θx/(so-s) y = 40600x R² = /S Gambar 4.12 Hubungan (S o S)/X vs θ untuk mendapatkan nilai Y dan k d, pada penambahan bakteri bacillus cereus 15% (v/v) Gambar 4.13 Hubungan θx/(s o S) vs 1/S untuk mendapatkan nilai k o dan K m, pada penambahan bakteri bacillus cereus 15% (v/v) θ (hari) S (µg/g) S (mg/l) X (mg MLVSS/L) (So-S)/X θx/(so-s) 1/S Y kd ko Km E E E E E

46 KESIMPULAN

47 KESIMPULAN 1. Metode slurry bioreaktor dapat digunakan untuk proses bioremediasi dalam mendegradasi hidrokarbon minyak bumi. 2. Penurunan konsentrasi TPH terjadi pada setiap bioreaktor, baik yang tanpa penambahan bakteri maupun dengan penambahan bakteri. Penurunan konsentrasi TPH yang paling baik terjadi pada bioreaktor dengan penambahan bakteri 10% (v/v) dimana TPH akhir sebesar 7000 µg/g. 3. Bakteri bacillus cereus mampu mendegradasi limbah minyak bumi dengan konsentrasi TPH awal adalah µg/g, µg/g, µg/g, dan µg/g menjadi µg/g, µg/g, 7000 µg/g dan 7000 µg/g pada hari ke-49 proses bioremediasi, dengan % biodegradasi akhirnya berturut-turut adalah 47,06%; 69,39%; 86% dan 84,78%. 46

48 KESIMPULAN 4. Konsentrasi BTEX akhir untuk penambahan bakteri 5% (v/v), benzen yang terdegradasi adalah 0,635 mg/l, toluen adalah 20,067 mg/l, ethylbenzen adalah 1,428 mg/l dan xylen adalah 0,469 mg/l, dengan % biodegradasinya untuk benzen 98,09%; toluen 49,56%; ethylbenzen 84,15%; dan xylen 96,14%. Pada penambahan bakteri 10% (v/v), degradasi benzene adalah 0,565 mg/l, ethylbenzene adalah 0,649 mg/l dan xylene adalah 0,459 mg/l, dengan % biodegradasinya untuk benzen 98,29%; ethylbenzen 92,79% dan xylen 96,22%. Serta pada penambahan bakteri 15% (v/v), dapat mendegradasi benzene sampai 0,496 mg/l, dan xylene adalah 0,444 mg/l, dengan % biodegradasinya untuk benzen 98,51% dan xylen 96,34%. 5. Model kinetika biodegradasi oleh bakteri, untuk bioreaktor 5% (v/v) didapat Y = 1,745 mg biomass/mg substrate, k d = 0,028 hari -1 ; k o = -0,128 hari -1 dan K m = mg/l. Untuk bioreaktor 10% (v/v) nilai Y = 1,634 mg biomass/mg substrate, k d = 0,041 hari -1 ; k o = 0,318 hari -1 dan K m = 44501,6 mg/l. Sedangkan untuk bioreaktor 15% diperoleh nilai Y = 2 mg biomass/mg substrate, k d = 0,032 hari -1 ; k o = 0,941 hari -1 dan K m = mg/l. 47

49