KAJIAN PENGARUH PENAMBAHAN BAKTERI TERHADAP KINERJA HIGH RATE ALGAE REACTOR (HRAR) UNTUK MENGOLAH AIR LIMBAH DOMESTIK

Transkripsi

1 KAJIAN PENGARUH PENAMBAHAN BAKTERI TERHADAP KINERJA HIGH RATE ALGAE REACTOR (HRAR) UNTUK MENGOLAH AIR LIMBAH DOMESTIK Ratna Gumilang 1 ) dan Joni Hermana 2) 1) Jurusan Teknik Lingkungan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2) Jurusan Teknik Lingkungan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 60111, Indonesia 1) rg.ratnagumilang@yahoo.com ABSTRAK Pengaruh penambahan bakteri terhadap kinerja High Rate Algae Reactor (HRAR) untuk mengolah air limbah domestik telah dikaji dalam penelitian ini. Penelitian difokuskan pada besarnya efisiensi removal bahan pencemar organik terlarut (sebagai Soluble Permanganate Value) dari sampel air limbah domestik, serta laju biodegradasinya di dalam HRAR. Reaktor penelitian memiliki volume 30 L, dijalankan secara semi-kontinyu dengan waktu kontak selama 24 jam, dan pengamatan dilakukan selama 8 hari. Hasil penelitian menunjukkan nilai efisiensi removal bahan pencemar organik terlarut setelah 8 hari pada reaktor dengan penambahan 0 ml, 200 ml, dan 400 ml ekstrak bakteri berturut-turut adalah sebesar 44,7%, 66,82%, dan 84,2%, dengan laju biodegradasi dari sampel air limbah yang diolah pada semua reaktor adalah sama yaitu sebesar 0,0003 per hari. Besarnya penambahan ekstrak bakteri ke dalam reaktor menjadikan nilai rasio alga/bakteri semakin besar. Dari hasil analisa dapat disimpulkan bahwa semakin besar rasio alga/bakteri maka efisiensi removal bahan pencemar organik juga semakin besar, namun rasio alga/bakteri tidak mempengaruhi basarnya laju biodegradasi air limbah. Kata kunci: Alga, Bahan Pencemar Organik, HRAR, Bakteri, Rasio Alga/Bakteri. PENDAHULUAN Peningkatan jumlah penduduk di perkotaan memiliki andil yang cukup besar terhadap meningkatnya volume air limbah, terutama yang berasal dari limbah domestik. Tidak seimbangnya laju pertumbuhan penduduk dengan peningkatan pelayanan sanitasi yang memadai mengakibatkan sebagian besar air limbah domestik perkotaan dibuang langsung ke saluran drainase atau badan air permukaan. Hal ini mengakibatkan banyaknya badan air permukaan di perkotaan yang tercemar berat oleh limbah domestik. Pengolahan terhadap kualitas badan air tercemar tersebut sangatlah diperlukan agar badan air dapat berfungsi sesuai peruntukannya. Salah satu alternatif pengolahan yang cukup efektif digunakan di negara tropis seperti Indonesia adalah dengan memanfaatkan alga untuk mengolah pencemar dalam air limbah. Alga merupakan organisme yang signifikan dalam purifikasi biologis air limbah dikarenakan kemampuannya dalam mengakumulasi nutrien, logam berat, pestisida, bahanbahan organik dan anorganik toksik, bahkan bahan radioaktif di dalam tubuhnya (Kalesh dan Nair, 2005). Dalam 50 tahun terakhir telah diakui secara luas bahwa sistem pengolahan air limbah biologis menggunakan alga dapat bekerja secara efektif sebagaimana sistem pengolahan konvensional, terutama dalam pengolahan air limbah perkotaan. (Tahir Alp et al., 2013). Sistem pengolahan air limbah berbasis alga ini memiliki keuntungan antara lain lebih rendah biaya, lebih rendah energi, menghasilkan lumpur yang lebih sedikit, dapat mereduksi D-1-1

2 gas rumah kaca, serta memproduksi biomassa alga yang memiliki berbagai manfaat (Park et al., 2011). Salah satu sistem pengolahan air limbah berbasis alga yaitu High Rate Algae Pond (HRAP) pertama kali diusulkan untuk digunakan dalam pengolahan air limbah perkotaan oleh Oswald dan Golueke (1965). HRAP selanjunya menjadi alternatif yang populer dalam pengolahan air limbah di berbagai belahan dunia (Shelef et al., 1975). Salah satu contoh aplikasinya adalah penggunaan HRAP dalam pengolahan tingkat lanjut untuk mengolah 2000 m 3 /hari air limbah domestik di Christchurch, New Zealand (Craggs et al., 2004). HRAP merupakan kombinasi dari kolam oksidasi dan reaktor alga yang didesain untuk mencapai dua tujuan yaitu pengolahan sekunder air limbah dan produksi biomassa alga. Sistem ini bekerja dengan memanfaatkan simbiosis mutualisme antara alga dengan bakteri aerob, dimana alga menyediakan oksigen yang dibutuhkan oleh bakteri untuk mendegradasi bahan organik, dan bakteri menghasilkan karbondioksida dan senyawa mineral yang merupakan nutrisi bagi alga (Araki et al., 2001). Pendekatan termodinamika mengindikasikan bahwa diperlukan hampir 300 unit bakteri untuk memenuhi kebutuhan karbondioksida per unit alga, nilai ini terjadi pada kondisi ideal. Sedangkan pada prakteknya rasio antara alga dan bakteri pada sistem HRAP adalah 1:250, dan sumber karbondioksida alternatif mungkin diperlukan untuk menjaga sistem termodinamikanya tetap seimbang (Oron et al., 1979). Berbagai penelitian sebelumnya juga menunjukkan bahwa kinerja simbiosis alga-bakteri pada sistem HRAP dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti kadar oksigen terlarut, intensitas cahaya, toksisitas substrat, waktu retensi, kedalaman penetrasi cahaya dan kekeruhan air limbah (Garcia et al., 2000). Dalam rangka menguji dan mengembangkan pengetahuan mengenai HRAP lebih jauh, maka pada penelitian ini dilakukan kajian mengenai pengaruh penambahan bakteri terhadap kinerja HRAP dalam mengolah air limbah perkotaan. Yang dimaksud dengan kinerja HRAP yang akan dibahas dalam penelitian ini adalah besarnya efisiensi removal terhadap bahan organik terlarut (sebagai Soluble Permanganate Value) dari sampel air limbah perkotaan dan laju biodegradasinya. Dalam penelitian ini akan digunakan reaktor yang merupakan replika sederhana dari sistem HRAP. Reaktor ini selanjutnya akan disebut dengan High Rate Algae Reactor (HRAR). METODE HRAP merupakan suatu bioreaktor fotosintesis yang berbentuk saluran (raceway) dangkal yang dilengkapi dengan aerator-mixer untuk resirkulasi kandungan substrat dan nutrien di dalamnya. Rasio luas area terhadap volume dirancang lebih besar dari 1,0 dengan kedalaman berkisar antara 0,2-0,6 meter agar sinar matahari mampu menembus hingga bagian kolam terdalam. Untuk meminimalisir kemungkinan terjadinya arus pendek maka digunakan sistem baffle pada kolam untuk membuat rasio panjang dan lebar kolam lebih besar dari 2:1. Berdasarkan mode operasionalnya, air limbah dapat dimasukkan ke dalam kolam secara kontinyu maupun intermitten, misalkan setiap 12 jam per hari selama periode penyinaran matahari (Polprasert, 1996). Pada penelitian ini digunakan reaktor penelitian berupa bak transparan dengan volume sebesar 30 L dan waktu retensi 24 jam yang selanjutnya disebut HRAR. Untuk lebih jelasnya reaktor penelitian ditampilkan pada Gambar 1. D-1-2

3 Gambar 1 (a) Foto Reaktor Penelitian (HRAR); (b) Layout Reaktor; (c) Potongan A-A Variasi yang diterapkan dalam penelitian ini adalah volume bakteri yang ditambahkan ke dalam HRAR yaitu sebesar 0 ml, 200 ml, dan 400 ml. Bakteri tersebut didapatkan dari biakan bakteri yang di-centrifuge, dan diambil ekstraknya hingga diperoleh ekstrak bakteri sesuai dengan volume yang diinginkan. Sampel air limbah perkotaan yang diolah berasal dari Boezem Morokrembangan dengan karakteristik awal konsentrasi bahan organik terlarut (sebagai PV terlarut) sebesar 100 mg/l. Penelitian dilakukan dengan sistem aliran semikontinyu selama 8 hari berturut-turut. Analisa laboratorium dilakukan setiap hari untuk memperoleh data parameter penelitian yaitu konsentrasi PV terlarut pada efluen HRAR dan MLVSS pada reaktor. Dari data yang didapatkan, akan dilakukan perhitungan besarnya laju biodegradasi (K) bahan organik terlarut dari sampel air limbah sesuai dengan turunan persamaan reaksi orde satu konsep Michaelis-Menten yaitu: Ln St = Ln S0 K.Xt (Reynolds dan Richards, 1996). HASIL DAN PEMBAHASAN berikut: Reaktor 1: Reaktor 2: Reaktor 3: Penelitian dilaksanakan dengan kondisi awal masing-masing reaktor penelitian sebagai - Volume ekstrak bakteri yang ditambahkan dalam reaktor = 0 ml - Konsentrasi klorofil a dalam reaktor = 0,342 mg/l - Konsentrasi PV terlarut pada sampel = 100 mg/l - Volume ekstrak bakteri yang ditambahkan dalam reaktor = 200 ml - Konsentrasi klorofil a dalam reaktor = 0,342 mg/l - Konsentrasi PV terlarut pada sampel = 100 mg/l - Volume ekstrak bakteri yang ditambahkan dalam reaktor = 400 ml - Konsentrasi klorofil a dalam reaktor = 0,256 mg/l - Konsentrasi PV terlarut pada sampel = 100 mg/l Dari hasil analisis konsentrasi PV terlarut pada efluen HRAR setiap harinya, didapatkan hasil seperti disajikan pada Tabel 1. D-1-3

4 Tabel 1 Hasil Analisis Konsentrasi PV terlarut pada Efluen HRAR Hasil Analisa Permanganate Value (mg/l) Reaktor Hari keke ,48 83,74 94,8 71,1 77,42 50,56 42,66 55, ,44 90,06 88,48 80,58 52,14 45,82 37,92 33, ,7 72,68 58,46 50,56 45,82 39,5 42,66 15,8 Tabel di atas menunjukkan bahwa pada semua reaktor terjadi penurunan konsentrasi PV terlarut, dimana reaktor 3 menghasilkan efluen dengan konsentrasi PV terlarut paling kecil. Efisiensi removal PV terlarut reaktor 1, 2, dan 3 pada hari ke 8 berturut-turut adalah sebesar 44,7%, 66,82%, dan 84,2%. Reaksi biokimia yang berkaitan dengan terjadinya penyisihan bahan organik pada HRAR adalah reaksi biodegradasi aerobik (Garcia et al, 2006). Reaksi biodegradasi aerobik terjadi pada kondisi lingkungan kaya oksigen (O2), dimana O2 akan dimanfaatkan oleh mikroorganisme untuk mengoksidasi sebagian senyawa karbon (organik) yang ada pada kontaminan menjadi karbondioksida (CO2), dan sisanya akan digunakan untuk menghasilkan sel baru. Pada sistem HRAR, terjadi simbiosis mutualisme antara alga dan bakteri, dimana CO2 yang dihasilkan oleh bakteri dari hasil penguraian senyawa organik akan dimanfaatkan oleh alga untuk melakukan fotosintesis yang menghasilkan O2. Namun demikian proses ini hanya akan berjalan sempurna ketika kebutuhan nutrien terpenuhi dan kondisi lingkungan seperti ph dan temperatur sesuai untuk kehidupan alga dan bakteri. Besarnya efisiensi removal PV terlarut pada penelitian ini menunjukkan bahwa semakin besar jumlah volume ekstrak bakteri yang ditambahkan pada HRAR akan menjadikan efisiensi removalnya semakin tinggi. Hal ini terjadi karena dengan penambahan bakteri maka jumlah mikroorganisme yang menguraikan senyawa organik juga semakin banyak. Besarnya laju biodegradasi bahan organik terlarut dapat dihitung dari persamaan reaksi orde satu konsep Michaelis-Menten yaitu: Ln St = Ln S0 K.Xt (Reynolds dan Richards, 1996). Untuk dapat melakukan perhitungan ini, maka harus diketahui besarnya substrat (S) dan biomassa (X) selama proses biodegradasi. Besarnya substrat diketahui dari hasil analisis konsentrasi PV terlarut di atas, sedangkan banyaknya biomassa diketahui dari hasil analisis MLVSS pada reaktor. Hasil analisis MLVSS selengkapnya disajikan pada Tabel 2 di bawah ini. Tabel 2 Hasil Analisis MLVSS pada HRAR Hasil Analisa MLVSS (mg/l) Reaktor Hari keke Setelah diketahui besarnya S dan X, selanjutnya dibuat grafik hubungan antara Ln St terhadap Xrerata.t. Dari grafik tersebut akan diperoleh persamaan regresi untuk menghitung D-1-4

5 besarnya laju biodegradasi (K). Grafik hubungan antara Ln St terhadap Xrerata.t untuk masing-masing reaktor disajikan pada Gambar 1 berikut R1 R2 Ln St 3 y = x R² 2= R3 Linear (R1) 1 0 y = -0,0003x + 4,7794 R² = 0,9085 Linear (R2) y = -0,0003x + 4,6260 Linear (R3) R² = 0, Xrerata. t Gambar 1 Grafik Hubungan antara Ln St dan Xrerata.t Dari grafik di atas, dapat dihitung besarnya laju biodegradasi bahan organik terlarut. Hasil perhitungan selengkapnya disajikan pada Tabel 3 berikut. Tabel 3 Hasil Perhitungan Laju Biodegradasi (K) Bahan Organik Terlarut pada HRAR Reaktor Persamaan Regresi K (/hari) 1 y = -0,0003+4,6260 0, y = -0,0003+4,7794 0, y = -0,0003+4,6268 0,0003 Hasil perhitungan laju biodegradasi (K) bahan organik terlarut dari sampel air limbah pada yang diolah pada semua reaktor adalah sama yaitu sebesar 0,0003 per hari. Nilai ini menunjukkan besarnya unit substrat yang dapat diuraikan oleh tiap unit mikroorganisme setiap harinya (Metcalf dan Eddy, 2003). KESIMPULAN DAN SARAN Hasil penelitian menunjukkan nilai efisiensi removal bahan pencemar organik terlarut setelah 8 hari pada reaktor dengan penambahan 0 ml, 200 ml, dan 400 ml ekstrak bakteri berturut-turut adalah sebesar 44,7%, 66,82%, dan 84,2%, dengan laju biodegradasi dari sampel air limbah yang diolah pada semua reaktor adalah sama yaitu sebesar 0,0003 per hari. Besarnya penambahan ekstrak bakteri ke dalam reaktor menjadikan nilai rasio alga/bakteri semakin besar. Dari hasil analisa dapat disimpulkan bahwa semakin besar rasio alga/bakteri maka efisiensi removal bahan pencemar organik juga semakin besar, namun rasio alga/bakteri tidak mempengaruhi basarnya laju biodegradasi air limbah. D-1-5

6 DAFTAR PUSTAKA Araki, S, Martin-Gomez, S., Becares, E., DeLuis-Calabuig, E., dan Rojo-Vazquez, F., (2001), Effect of HRAPs on Viability of Cryptosporidium parvum Oocyst, Appl. Environ. Microbiol., Vol. 67, No. 7, hal Craggs, R. J., Sukias, J. P., Tanner, C. T., dan Davies-Colley, R. J., (2004), Advanced Pond System for Diary-farm Effluent Treatment, New Zealand Journal of Agricultural Research, Vol. 47, No. 4, hal Doemel, W. N., dan Brooks, A. E., (1975), Detergent phosphorus and algal growth, Water Res., Vol. 9, hal Garcia, M.T., Campos, E., Dalmau, M., Illán, P., dan Sánchez-Leal, J., (2006), Inhibition of Biogas Production by Alkyl Benzene Sulfonates (LAS) in a Screening Test for Anaerobic Biodegradability, Biodegradation, Vol. 17, hal, Hicks, C. E., dan Neuhold, J. M., (1966), Alkyl Benzene Sulfonate Effects on Stream Algae Communities, Bull. Environ.Contam. Toxicol, Vol. 1, hal Kalesh, N. S., Nair, S. M., (2005), The Accumulation Levels of Heavy Metals (Ni, Cr, Sr, & Ag) in Marine Algae from Southwest Coast of İndia, Toxicological & Environmental Chemistry, Vol. 87, No. 2, hal Metcalf dan Eddy, (2003), Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4 th Edition, McGraw-Hill, New York. Oron, G., Shelef, G., Levi, A., Meydan, A., dan Azov, Y., (1979), Algae/Bacteria Ratio in High Rate Algae PondsUsed for Waste Treatment, Applied and Environmental Microbiology, Vol. 38, No. 4, hal Park, J. B. K., Craggs, R. J., dan Shilton, A.N., (2011), Wastewater Treatment High Rate Algal Ponds for Biofuel Production, Bioresource Technology, Vol. 102, hal Reynolds, T. D., dan Richards, P. A., (1996), Unit Operation and Process in Environmental Engineering, 2 nd Edition, PWS Publishing Company, Boston. Shelef, G., Meydan, A., Moraine, R., Sandbank, A., Levi, A., dan Assi, J., (1975), Combined System for Algal Wastewater Treatment and Reclamation and Protein Production, Sherman Environmental Engineering Research Center, Haifa, Israel. Tahir Alp, M., Sonmez, F., Sen, B., Kocer, M. A. T., dan Canpolat, O., (2013), Relationship of Algae to Water Pollution and Waste Water Treatment, Water Treatment, Dr. Walid Elshorbagy (Ed.), InTech. Available from: D-1-6