STUDI PERBANDINGAN KINERJA MEMBRAN BIOREAKTOR (MBR) DAN SUBMERGED MEMBRAN BIOREAKTOR (SMBR) PADA PENGOLAHAN LIMBAH CAIR

Transkripsi

1 STUDI PERBANDINGAN KINERJA MEMBRAN BIOREAKTOR (MBR) DAN SUBMERGED MEMBRAN BIOREAKTOR (SMBR) PADA PENGOLAHAN LIMBAH CAIR Candra Pramita Sari ( ) dan Eva Rista Sirait ( ) Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja M.Eng dan Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kata kunci : MBR, SMBR, activated sludge, flux Abstrak Dalam pengolahan limbah cair industri, senyawa organik menjadi parameter penting untuk menentukan tingkat pencemaran terhadap lingkungan. Terdapat teknologi terbaru yaitu dengan menggunakan Submerged Membran BioReaktor (SMBR) dan Membran BioReaktor (MBR). Pengolahan SMBR yaitu membran dicelupkan langsung pada tangki aerasi, sedangkan MBR yaitu membran dicelupkan di tangki overflow sedimentasi.tujuan dari penelitian ini adalah untuk meneliti kinerja pada sistem MBR dan SMBR terhadap perubahan fluks, serta meneliti kinerja membran dalam mendegradasi bahan organik dan memisahkan suspended solid dari air limbah industri. Pengolahan secara biologis ini menggunakan lumpur aktif yang berasal dari tangki aerasi pengolahan limbah pada Surabaya Industrial Estate Rungkut (SIER) dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap pendahuluan dan tahap percobaan utama. Dengan variabel, konsentrasi Chemical Oxygen Demand () 900 mg/l, Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS) 2500 dan 5000 mg/l, Hydraulic Retention Time (HRT) 12 dan 24 jam, Sludge Retention Time (SRT) 10 hari. Dilakukan pengamatan terhadap parameter Dissolved Oxygen (DO),, MLSS, MLVSS, Turbiditas, %Sludge Volume (%SV) pengamatan mikroorganisme, dan flux. Hasil yang didapatkan dari penelitian ini yaitu % removal pada MBR 93% sedangkan MBR 90%. Permeat dari MBR lebih jernih daripada SMBR, hal ini dapat dilihat dari %turbidity untuk MBR 99% sedangkan SMBR 90%. Flux permeat pada MBR 34,8 L/m 2 jam lebih banyak daripada SMBR 15,36 L/m 2.jam. 1. Pendahuluan Dalam pengolahan limbah cair industri, senyawa organik menjadi parameter penting untuk menentukan tingkat pencemaran terhadap lingkungan. Pengolahan limbah cair dengan menggunakan proses biologis dapat dilakukan dengan sistem aerob dengan menggunakan lumpur aktif. Kelemahan proses ini terletak pada sering terjadinya bulking sludge yang mengakibatkan gagalnya proses pemisahan lumpur, dan keperluan luasan lahan untuk tangki sedimentasi. Untuk mengatasi kelemahan dari sistem lumpur aktif konvensional, maka dicoba suatu proses lumpur aktif yang dilengkapi dengan Submerged Membrane Bioreactor (SMBR). Konsep SMBR secara teknis hampir sama dengan pengolahan limbah biologis konvensional, kecuali proses pemisahan activated sludge dengan effluent yang dilakukan menggunakan membran filtrasi sebagai pengganti sedimentasi. Penggunaan Submerged Membrane Bioreactor (SMBR) di antaranya mampu mengolah bahan organik dengan konsentrasi yang tinggi dan beban yang berfluktuasi. Kualitas air effluent akan meningkat, yang ditandai dengan minimnya kandungan padatan tersuspensi, virus, dan bakteri didalamnya (Chang et al, 2002). Persoalan fouling pada membran akibat hadirnya mikroorganisme yang terkait dengan produk mikrobial, konsentrasi, dan ukuran partikel merupakan kendala operasi SMBR. Teknologi Membrane Bioreactor (MBR) menjadi salah satu alternatif yang sedang ditawarkan. Sistem MBR merupakan unit pengolahan limbah cair industri yang terdiri dari proses biologis dan filtrasi membran. Pemakaian teknologi ini di dalam proses lumpur aktif sangat membantu untuk mengatasi kelemahan yang ada dalam proses lumpur aktif konvensional. Penggunaan membran bioreaktor dapat mengatasi fluktuasi yang berlebih pada kualitas influent dan effluent dapat langsung digunakan serta, konsentrasi biomassa (MLSS) dan konsentrasi umpan yang terlalu tinggi tidak lagi menjadi masalah. (Chang et al, 2002). Adanya kelemahan-kelemahan di sistem lumpur aktif konvensional, SMBR dan MBR, mendorong dilakukannya penelitian perbandingan kinerja antara SMBR dan MBR. 2. Metodologi Variabel Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan variabel sebagai berikut : 1. MLSS : 2500 mg/l dan 5000 mg/l 2. SRT : 10 hari 3. HRT : 12 jam dan 24 jam Analisa Pendahuluan Analisa pendahuluan terhadap air limbah dilakukan untuk mengetahui konsentrasi MLSS, MLVSS, DO,, % Volume endapan, SVI, dan pengamatan mikroorganisme. Data ini digunakan selanjutnya untuk menghitung jenis dan jumlah nutrisi yang perlu ditambahkan dan pengkondisian tahap aklimatisasi mikroba. Untuk keperluan analisa

2 konsentrasi BOD/ dan MLSS, MLVSS, dan DO ditentukan berdasarkan Standart Method for Examination of Waste and Wastewater (APHA,1992). Tahap pembibitan dan aklimatisasi o Mengambil Lumpur aktif dari P.T. SIER Rungkut Surabaya o Membiarkan lumpur aktif sampai mengendap dan mengambil lumpur aktif yang telah mengendap. o Menganalisa awal lumpur aktif untuk mengetahui MLSS, MLVSS, % volume endapan, Pengamatan mikroorganisme. o Melakukan tahap aklimatisasi dengan menambahkan limbah sintetis di tangki aerasi. o Menganalisa MLSS, MLVSS,, DO, dan pengamatan mikroorganisme setiap hari. o Menghentikan tahap pembibitan apabila dari hasil pengamatan MLSS telah mencapai variabel yang ditentukan dan hasil pengamatan dan MLSS menunjukan kondisi yang stabil. o Melanjutkan ke tahap percobaan. Tahap percobaan MBR o Mengalirkan influen dengan konsentrasi BOD 600 mg/lt ke tangki aerasi dengan rate 31,5l/hari dan melakukan aerasi. o Membiarkan tangki aerasi mencapai overflow ke ruang membran. o Melakukan pengamatan mikroorganisme dan menganalisa MLSS, MLVSS, dan DO pada tangki aerasi. o Pompa membran ultrafiltrasi (hollow fiber) dijalankan. o Melakukan analisa, serta mengukur turbidity pada hasil filtrasi membran. o Melakukan pencucian (backwashing) setelah membran beroperasi dalam waktu tertentu dan fluks permeat yang dihasilkan tidak efisien lagi maka dilakukan pencucian dan kran pengeluaran sludge dibuka. o Melakukan operasi seperti langkah-langkah diatas dengan mengganti variabel yang telah ditetapkan. Tahap percobaan SMBR o Mengalirkan influen dengan rate 31,5 l/hari ke tangki aerasi yang sekaligus sebagai SMBR dengan membran hollow fiber. o Menambahkan limbah sintetis ke dalam tangki aerasi o Melakukan pengamatan mikroorganisme dan menganalisa MLSS, MLVSS, DO dan pada tangki aerasi o Pompa membran ultrafiltrasi (hollow fiber) dijalankan. o Melakukan analisa serta mengukur turbidity pada permeat (hasil filtrasi membran). o Melakukan pencucian (backwashing) setelah membran beroperasi dalam waktu tertentu dan fluks permeat yang dihasilkan tidak efisien lagi. o Melakukan operasi seperti langkah-langkah diatas dengan mengganti variabel yang telah ditetapkan. Hasil dan Pembahasan Karakteristik limbah ditunjukkan pada Tabel 1 sebagai berikut : Tabel 1 Komposisi Lumpur Aktif PT. SIER No Parameter Lumpur Aktif Konsentrasi 1, mg/l BOD, mg/l 156,7 3 MLSS, mg/l MLVSS, mg/l DO 3,8 6 SV, ml/l 700 Tahap Pendahuluan Aklimatisasi dan Pembibitan 3000 MLSS dan (mg/l) Waktu(hari) Gambar 1. Pengamatan MLSS dan (mg/l) terhadap waktu (hari) Pada Gambar 1. menunjukkan kurva pengamatan dan MLSS pada tahap pembibitan dan aklimatisasi membutuhkan waktu selama 12 hari. Dimana terjadi kenaikan MLSS secara signifikan, namun pada hari ke-3 konsentrasi MLSS mengalami penurunan. Hal ini terjadi karena adanya penyesuaian mikroorganisme terhadap kondisi lingkungan dan adanya mikroorganisme didalam lumpur aktif tersebut ada yang mati, namun setelah itu terjadi kenaikan, yang berarti terjadi pertumbuhan mikroorganisme relative baik. Kenaikan ini terjadi secara bertahap dan dihentikan bila MLSS relatif konstan yaitu pada hari ke 12. Sedangkan untuk pengamatan pada grafik menunjukkan selama waktu 12 hari terjadi penurunan nilai. Tahap pembibitan dan aklimatisasi terus dilakukan seiring dengan meningkatnya konsentrasi MLSS dan menurunnya konsentrasi. Penurunan konsentrasi terjadi karena adanya mikroorganisme yang dapat beradaptasi dengan limbah sintetis tersebut dan mampu mendegradasi bahan organik secara baik. Tahap Percobaan Berikut ini hasil pengolahan limbah cair sintesa : MLSS

3 Chemical Oxygen Demand () (mg/l) Gambar 2. (mg/l) terhadap waktu (hari) pada MLSS 5000 % Removal menggunakan membran % Removal Waktu (hari) Gambar 3. % Removal terhadap waktu (hari) pada tangki aerobik Untuk mengetahui adanya pengaruh konsentrasi dapat dilihat pada gambar 2 dan 3, yang menunjukkan hubungan antara konsentrasi terhadap waktu untuk mendegradasi limbah organik pada umpan 900 mg/l. Pada grafik diatas dari hari ke-1 sampai hari ke-14 mengalami penurunan. Pada activated sludge sebesar 393,6 86,4 mg/l dengan % removal 56,27 90,4 %, pada SMBR sebesar mg/l dengan % removal %, pada overflow sebesar 307,2 67,2 mg/l dengan % removal 65,87 92,53% dan pada MBR sebesar 283,2 57,6 mg/l dengan %removal 68,53 93,6%. Unjuk Kerja Membran Peristiwa fouling menyebabkan peningkatan tahanan membran sehingga menghambat transfer massa melewati membran. Tahanan yang terjadi selama filtrasi dapat disebabkan oleh adanya polarisasi konsentrasi, pembentukan gel, penyumbatan pori, dan peristiwa adsorpsi. Pengoperasian bioreaktor secara 13 Activa ted sludge SMBR overfl ow MBR overf MBR SMB activ sludg kontinyu, serta beban limbah dan konsentrasi biomassa lumpur yang tinggi juga dapat menyebabkan dihasilkannya sejumlah substansi yang menyebabkan penurunan fluks. Penurunann kinerja membran dapat diketahui dengan melakukan pengamatan fluks setiap hari selama operasi dan dilakukan backwashing selama 30 menit. Sehingga penurunan fluks dapat teramati secara kontinyu. Tingkat fouling bioreaktor membran ditentukan terutama oleh terlarut, konsentrasi biomassa (MLSS), dan viskositas lumpur aktif. Konsentrasi lumpur diperkirakan sangat berpengaruh terhadap kinerja bioreaktor membran karena mempengaruhi terhadap ketebalan lapisan dinamis maupun viskositas campuran [Stephenson, 2000]. Pada SMBR, membran terletak di dalam bioreaktor sehingga proses filtrasi langsung dilakukan di dalam reaktor. Namun penggunaan SMBR ini menunjukkan adanya beberapa kelemahan, antara lain yaitu terjadinya fouling sehingga pemisahan biomassa dari effluent semakin sulit dilakukan. Adanya fouling ini dapat mempengaruhi kinerja membran baik dari segi cost, usia pemakaian membran yang tidak dapat bertahan lama, dan dari segi perawatan membran. Sedangkan pada penelitian membran yang dipisahkan dari tangki aerobik dan diletakkan setelah tangki sedimentasi (MBR), usaha ini dilakukan untuk memperingan kerja membran dan memperpanjang waktu backwashing, karena kualitas air limbah setelah sedimentasi sudah baik.unjuk kerja membran dapat diketahui dari pengamatan fluks terhadap waktu. Untuk kinerja membran pada sistem SMBR, terjadi penurunan fluks dan memerlukan waktu backwasing dengan jarak yang relatif singkat. Sedangkan untuk kinerja membran pada sistem MBR, penurunan fluks dan memerlukan waktu backwashing dengann jarak yang agak lama seperti hasil uji berikut ini : Flux (L/m2.jam) b b a a c c k k w w a a s s h h i i 0 n 50 n 100 g g Waktu (menit) Gambar 4 Flux (L/m 2.jam) terhadap waktu (menit) pada MLSS 5000 dan HRT 24 jam Dari gambar diketahui bahwa fluks sistem SMBR untuk 900 mg/l adalah 14,7-5,4 L/m 2.jam lebih kecil dari sistem MBR yang mempunyai fluks 29,6 23,1 L/m 2.jam, artinya dalam waktu 1 jam membrane pada sistem MBR dapat menghasilkan permeat sebanyak 29,6 L. Flux semakin turun disebabkan adanya penyumbatan akibat partikel-partikel yang terakumulasi pada lapisan permukaan membran. Dapat dilihat bahwa dengan adanya backwashing dapat menaikkan flux membran meskipun tidak sampai pada kondisi awal. Kenaikan flux tidak dapat kembali Flux MBR Flux SMBR

4 seperti kondisi awal dikarenakann masih ada penyumbatan yang tidak bisa hilang dengan cara backwashing. Turbidity Turbidity dengan satuan NTU menunjukkan kekeruhan dari suatu sampel air, dimana pada penelitian ini air limbah dalam tangki aerobik dan air permeat di analisa kekeruhannya dengan alat Turbiditymeter MBR dengan MLSS SMBR dengan MLSS MBR dengan MLSS 5000 SMBR dengan Waktu (hari) MLSS 5000 Gambar 5.% removal turbidity terhadap waktu (hari) % Removal Turbidity Gambar di atas menunjukkan bahwa dengan pengolahan limbah menggunakan lumpur aktif dan membran ultrafiltrasi pada MLSS 2500 dan 5000 dapat mengurangi kekeruhan air limbah yaitu 99,026 % hingga 99,845 % dan 98,924% hingga 98,957%. Sedangkan dengan pengolahan limbah menggunakan lumpur aktif dan membran ultrafiltrasi terendam pada MLSS 2500 dan 5000 dapat mengurangi kekeruhan air limbah yaitu 89,072% hingga 90,675 % dan 88,029 hingga 89,601%. Semakin tinggi MLSS maka turbidity nya juga semakin tinggi karena kekeruhannya juga semakin pekat. Jika dibandingkan turbiditas pada SMBR dan MBR, hasil permeat dari MBR jauh lebih jernih dibandingkan dengan SMBR. Hal ini dikarenakan pada MBR sudah mengalami proses sedimentasi dan terjadi overflow, sehingga mikroorganisme pada hasil overflow hampir tidak ada, sedangkan pada SMBR dimana masih terdapat banyak mikroorganisme dibandingkan overflow, sehingga hasil permeat dari SMBR agak keruh dibandingkan dengan permeat MBR. Identifikasi Mikroorganisme Identifikasi mikroorganisme merupakan salah satu parameter yang penting dalam pengolahan limbah secara biologis untuk mengetahui kualitas dari lumpur aktif tersebut. Semakin banyak mikroorganisme mengindikasikan bahwa pengolahan limbah akan semakin bagus dan efisien karena kemampuan untuk mendegradasi bahan organik akan semakin tinggi juga. Pada umumnya kehidupan mikroorganisme dalam proses lumpur aktif sangat sensitif terhadap lingkungan mereka misalnya ph, suhu, dissolved oxygen (DO) dan bahan-bahan inhibitor atau beracun. Secara umum, kegiatan mikroorganisme dalam proses biologis akan menurun saat suhu turun, yang akibatnya akan mengakibatkan penurunan efisiensi penyisihan. Dengan menjaga kondisi lingkungan pertumbuhan mikroorganisme maka biomassa yang sehat dan effektif untuk kondisi yang steady state atau optimum dapat diperoleh. Sehingga mikroorganisme dapat bekerja dengan baik untuk mendegradasi limbah organik. (William, 1999). Salah satu alternatif pengolahan yang dapat diaplikasikan dalam mengolah limbah adalah pengolahan secara biologi. Pengolahan limbah yang umum dilakukan adalah menggunakan lumpur aktif, yang didefinisikan sebagai suatu proses pertumbuhan mikroba tersuspensi. Proses ini pada dasarnya merupakan pengolahan secara aerobik yang mengoksidasi material organik menjadi CO 2, H 2 O, NH 4, dan sel biomassa baru. Proses ini menggunakan udara yang disalurkan melalui pompa blower (diffuser) atau melalui aerasi mekanik. Sel mikroba membentuk flok yang akan mengendap di tangki penjernihan. Kemampuan bakteri dalam membentuk flok menentukan keberhasilan pengolahan limbah secara biologi. (Reynold, 1982). Mikroorganisme dalam lumpur aktif terdiri dari bakteri yang merupakan komponenn utama dari flok lumpur aktif. Flok lumpur aktif juga merupakan tempat berkumpulnya bakteri autotrofik seperti bakteri nitrosomonas dan nitrobacter yang dapat merubah ammonia menjadi nitrat. Lebih dari 300 jenis bakteri hidup dalam sistem lumpur aktif. Bakteri-bakteri tersebut mendegradasi bahan-bahan organik dan mentransformasi nutrient.. Penambahan nutrien bertujuan sebagai penunjang pertumbuhan mikroba. Jenis umum yang sering ditemukan dalam lumpur aktif yaitu zooglea, fungi, protozoa, dan rotifera. (Metcalf dan Eddy, 1991). Gambar 6. Mikroorganisme Lumpur Aktif Gambar 6. menunjukan mikroorganisme yang terdapat dalam tangki aerobik merupakan bakteri dan protozoa. Protozoa adalah signifikan predator dalam lumpur aktif yang dapat mereduksi toksikan. Umumnya identifikasi dilakukan pada saat biomassa masih muda atau sedang berkembang biak. Bakteri sebagai mikroorganisme yang paling dominan dengann ukuran mikron. Protozoa dapat digunakan sebagai indikator biologi kondisi lumpur aktif dengan sistem aerobik. Protozoa dapat digunakan untuk indikator lingkungan beracun. Untuk memperoleh kondisi operasi yang baik dengan sistem lumpur aktif yang stabil diharapkan jumlah perkembangan dari mikroorganisme tinggi pada biomassa yang diukur dengan menganalisa konsentrasi biomassa. Pada proses pengolahan air limbah bahan organik semakin menurun sedangkan komposisi biomassa akan berubah. Keadaan ini digunakan sebagai patokan efisien tidaknya pengolahan air limbah organik

5 secara biologis, dengan memeriksa lumpur aktif yang dihasilkan pada unit pengolahan. Daftar Pustaka B.Marrot, A. Barrios-martinez, P. Moulin dann.roche Industrial Wastewater Treatment in a membrane Bioreactor. Environmental Progress, Vol.23, No.1. Chang, I., Clech, Le P., Jefferson, Bruce., dan Judd, S Membrane Fouling in Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment. Journal of Environmental Engineering, Vol.128, No. 11. Côté, P., Buisson H., Pound C., dan Arakaki G Immersed Membrane Activated Sludge For The Reuse Of Municipal Waster. Elsevier Science. Desalination, 113 : Fane, A dan Chang, S Membrane Bioreactors: Design and Operational Options, Sundstrom, D.W. dan Klei, H.E Wastewater Treatment. London : Prentice-Hall International, Inc. Widjaja, T Kinerja Kombinasi Proses Activated Sludge Dengan Bioreaktor Membran Terendam (BRMt) Sebagai Pengolahan Limbah Cair. Thesis S2 Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS, Wisuda Juli Williams, J Cost Effective Effluent Treatment in Paper and Board Mills. Environmental Technology Basic Practice Progra

6