Pengolahan Limbah Cair Industri secara Aerobic dan Anoxic dengan Membrane Bioreaktor (MBR)

Transkripsi

1 Pengolahan Limbah Cair Industri secara Aerobic dan Anoxic dengan Membrane Bioreaktor (MBR) Oleh : Beauty S.D. Dewanti Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Tontowi Ismail MS Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja M.Eng LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2 LATAR BELAKANG SISTEM KONVENSIONAL Tangki Aerasi Influen Limbah Organik + Lumpur Aktif + O2 terdegradasi menjadi CO2, H2O, NO3, SO4, PO4 Tangki Pengendapan efluen Udara Lumpur Aktif Balik Limbah Lumpur Parameter pada proses lumpur aktif : 1. Rasio F/M, normal beroperasi pada 0,2-0,6 kg BOD/kg MLSS.hari 2. DO (Dissolved Oxygen 3. Sludge Age (SRT) : 3-14 hari 4. Batasan konsentrasi lumpur (MLSS Masalah pada tangki sedimentasi dan membutuhkan lahan sedimentasi yang luas

3 LATAR BELAKANG Sistem SMBR Udara 1. Membran dapat menggantikan peran bak sedimentasi sekunder dan menempatkan dalam proses degradasi biologis sehingga merupakan sistem yang kompak. 2. Dapat digunakan untuk konsentrasi lumpur yang tinggi. 3. Di dalam proses SMBR terdapat 2 proses yang saling berhubungan yaitu biologis dan filtrasi. 4. Degradasi biologis SMP filtrasi fouling.

4 LATAR BELAKANG 1. Fouling (Blocking partikel padat, produk metabolit terlarut, sisa influent yang belum terdegradasi) 2. Kinerja membran menurun (penurunan fluks) 3. Intensitas backwashing lebih sering

5 LATAR BELAKANG Sistem MBR BLOWER (2) 3 INFLUEN (6) (9) 2 1 MEMBRAN ULTRAFILTRASI POMPA EFLUEN (1) 4 5 (5) (8) TANGKI ANOXIC (3) (7) (10) (2) BLOWER TANGKI AEROBIK (4) TANGKI BACKWASH 1. Untuk menangani limbah dengan kandungan amonia tinggi (fungsi proses anoxic) 2. Menyempurnakan kinerja SMBR akibat potensi terjadinya fouling 3. Menyempurnakan sistem konvensional dimana lahan sedimentasi lebih kecil 4. Memperkecil intensitas proses backwasing

6 RUMUSAN MASALAH Kelemahan aerobic activated sludge ini terletak pada sering terjadinya bulking sludge Komposisi polutan organik, N dan P perlu dikondisikan menurut komposisi limbah yang ada Hambatan SMBR terjadi pada seringnya pembersihan membran yang harus dilakukan. Diperlukan suatu pengembangan lanjut untuk pemisahan lumpur dalam proses activated sludge

7 TUJUAN PENELITIAN Meneliti kinerja MBR dalam memisahkan suspended solid dari air limbah industri Meneliti pengaruh kondisi anoxic terhadap pengurangan kandungan N dalam air limbah industri.

8 PENELITIAN TERDAHULU Yustisia & Tri W (2007) Tian & Liang(2009) Kusworo, dkk (2009) SMBR mampu menyisihkan konsentrasi COD 85-99% SMBR dapat mengurangi kadar limbah ammonia dalam limbah domestik hingga 89,4 % SMBR dapat menyisihkan N-NH3 pada limbah sintetik 92 % dan penyisihan turbiditas 83,9 % SMBR dapat menyisihkan kandungan N-NH3 dalam limbah sintetik hingga 99% Thamer & Ahmad (2008) SMBR dapat menyisihkan kandungan COD sebesar 91 % Yu-Lan & Shui Li(2009) Pengolahan Limbah Cair Industri secara Aerobic dan Anoxic dengan Membran Bioreaktor (MBR) Beauty (2011)

9 METODOLOGI PENELITIAN SELANG UDARA BLOWER (2) (6) Air limbah (1) (4) (3) BLOWER (2) (7) (8) Diagram Skematik MBR Catatan : (1) Tangki Anoxic; (2) Blower; (3) Air diffuser; (4) Tangki Aerobic; (5) membran ultrafiltrasi; (6) Pipa recycle; (7) dan (8)Saluran Pengeluaran Sludge; (9) Pompa; (10) Tangki Backwash; (11) Valve Pengatur(1, 2, 3, 4, 5)

10 METODOLOGI PENELITIAN Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah : COD : 1800, 2800 dan 3600 mg/l MLSS : mg/l SRT : 5, 10 dan 20 hari pada COD 1800 mg/l Membran terpisah dan menyatu di dalam tangki aerobic

11 METODOLOGI PENELITIAN Kondisi Penelitian Suhu operasi : 30 o C ph : 7,5 8,5 Volume reaktor anoxic : 10,8 L Volume reaktor aerobic : 31,5 L DO > 2 pada tangki aerobik DO < 2 pada tangki anoxic Rate influent : 31,5 L/day Rate recycle : 50,4 L/day

12 HASIL PENELITIAN Data-data Pembibitan dan Aklimatasi Hari ke DO(mg/L) MLSS(mg/L) MLVSS(mg/L) COD(mg/L) % SV 0 5, , , , , , , , , , , , , , , ,

13 HASIL PENELITIAN Pembibitan dan Aklimatasi

14 HASIL PENELITIAN temperatur kamar, ph netral dan DO (Dissoveld Oxygen) yang cukup yaitu > 2 mg/l. Kondisi lumpur aktif dengan pertumbuhan mikroorganisme yang baik juga diketahui dengan bioassay, yaitu melihat protozoa sebagai predator (rotifera) pemakan bakteri yang sehat dengan bantuan mikroskop. Penurunan konsentrasi COD dan kenaikan MLSS menandakan bahwa pertumbuhan mikroorganisme relative baik. Tahap Pendahuluan

15 PERCOBAAN UTAMA Gambar 4.3 (a) Penurunan COD (mg/l) dan (b) %Removal COD terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada tangki aerobik.

16 PERCOBAAN UTAMA Gambar 4.4 (a) Penurunan COD (mg/l) dan (b)%removal COD terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada permeat.

17 HASIL PENELITIAN Pada COD 1800 mg/l pada hari ke-15 MLSS 3216 mg/l, memiliki F/M ratio 0,22. Pada COD 2800 mg/l pada hari ke-15 MLSS 3245 mg/l, memiliki F/M ratio 0,36. Pada COD 3600 mg/l pada hari ke-15 MLSS 3166 mg/l, memiliki F/M ratio 0,42. Dari perbandingan antara COD di aerobik dan permeat disini menunjukan bahwa removal COD di aerobik dipengaruhi oleh F/M ratio, hal ini dapat mempengaruhi removal COD permeat. Jika proses di tangki aerobik kurang baik karena ketidakseimbangan F/M ratio maka proses filtrasi berfungsi untuk mengurangi padatan tersuspensi.

18 VARIASI SRT Gambar 4.6 (a) Penurunan COD (mg/l) dan (b) %Removal COD terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada SRT 5 hari.

19 VARIASI SRT Gambar 4.7 (a) Penurunan COD (mg/l) dan (b) %Removal COD terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada SRT 10 hari.

20 VARIASI SRT Gambar 4.8 (a) Penurunan COD (mg/l) dan (b) %Removal COD terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada SRT 20 hari.

21 HASIL PENELITIAN Semakin besar SRT, maka waktu tinggal mikroorganisme di dalam tangki aerobik juga semakin lama, akibatnya proses degradasi senyawa organik semakin baik, namun biasanya antara 3-14 hari agar menghasilkan flok biologis yang mana dapat ditangani dengan mudah. Dari data tersebut juga diketahui bahwa tidak terjadi perbedaan yang significant antara effluent tanpa membran dan menggunakan membran. Membran yang digunakan adalah membran ultrafiltrasi yang mempunyai keterbatasan dalam pemisahan COD. Membran ultrafiltrasi berkemampuan untuk memisahkan koloid dan partikel padat misalnya protein, pati, antibiotik, virus, koloidal silika, gelatin, bahan organik, bakteri, lemak, dan padatan.

22 REMOVAL AMONIA SRT 5 hari SRT 10 hari SRT 20 hari

23 HASIL PENELITIAN SRT 5 Hari SRT 10 Hari Dari grafik Amoniak dapat dilihat bahwa pada SRT 10 hari memberikan penurunan ammonia yang lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari. Hal ini berkaitan dengan F/M ratio yang merupakan jumlah substrat sebagai sumber energi untuk pertumbuhan mikroorganisme yang ditambahkan ke dalam bioreaktor. SRT 20 Hari Hal ini menunjukkan dengan semakin tingginya removal amoniak yang dihasilkan, sehingga dapat diperoleh kesimpulan bahwa proses aerobik dan anoxic berjalan baik.

24 REMOVAL NITRAT SRT 5 hari SRT 10 hari SRT 20 hari

25 HASIL PENELITIAN SRT 5,10,dan 20 Hari SRT 10 hari memberikan penurunan nitrat yang lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari. Proses denitrifikasi di tangki anoxic cukup berhasil, karena sisa nitrat di dalam permeat relatif sedikit dimana ditunjukkan dengan removal nitrat hingga 90,48 % Konsentrasi nitrat yang tersisa sedikit, ini menandakan bahwa N- NH3 influent sebagian untuk membentuk cell baru dan sebagian lagi menjadi produk (CO2, H2O) Jika jumlah N total keluar lebih kecil 0,5 dari jumlah N total masuk, maka proses denitrifikasi dikatakan berhasil. Tetapi jika jumlah N yang keluar lebih besar daripada jumlah N yang masuk maka proses denitrifikasi tidak berjalan dengan baik di tangki anoxic

26 FLUX MEMBRAN b a c k w a s h i n g b a c k w a s h i n g b a c k w a s h i n g b a c k w a s h i n g b a c k w a s h i n g b a c k w a s h i n g COD 1800 mg/l COD 2800 mg/l COD 3600 mg/l

27 HASIL PENELITIAN Pada sistem SMBR, terjadi penurunan fluks yang sangat tajam pada 5 menit pertama. Sedangkan pada sistem MBR, penurunan fluks terjadi bertahap dan relatif kecil. 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 seperti kondisi awal dikarenakan masih ada penyumbatan yang tidak bisa hilang dengan cara backwashing air namun menggunakan chemical cleaning.

28 HASIL PENELITIAN Pada gambar, terlihat adanya fouling pada membran sistem SMBR. Peristiwa fouling ini memperberat kinerja membran yang akan berpengaruh pada proses pemisahan dan juga perawatan membran maupun umur membran SMBR Dilakukan pengembangan terhadap sistem SMBR menjadi sistem MBR. Dengan penambahan ruang sedimentasi yang lebih kecil daripada ruang sedimentasi pada sistem konvensional.

29 HASIL PENELITIAN Penurunan kinerja membran dapat juga dikarenakan oleh soluble microbial product (SMP) yang akan mempengaruhi fluks permeat membran terkait dengan terjadinya fouling membran. Hal-hal yang dimungkinkan dapat menyebabkan terjadinya fouling yaitu : partikel padatan yang menyumbat pori-pori membran, protein, karbohidrat, dan lemak yang larut di dalam air hasil dari produk metabolisme mikroorganisme (SMP), dan yang berasal dari sisa influent (glukosa).

30 HASIL PENELITIAN Dari analisa menunjukkan bahwa kandungan protein tidak terdeteksi sedangkan kandungan karbohidrat menunjukkan bahwa semakin lama SRT maka semakin banyak karbohidrat yang menempel pada membran yang akan menyumbat dan mempengaruhi fluks permeat. Hasil analisa karbohidrat adalah sebagai berikut : SRT Karbohidrat (g/l) Removal Karbohidrat (hari) Sebelum Membran Sesudah membran 5 0,358 0,349 0, ,406 0,392 0, ,436 0,423 0,013

31 HASIL PENELITIAN Gambar 4.14 % Removal turbidity (NTU) terhadap waktu (hari) pada COD umpan 3600, 2800, dan 1800 mg/l

32 HASIL PENELITIAN Gambar disamping menunjukan mikroorganisme yang terdapat dalam tangki aerobik merupakan bakteri dan protozoa Spesies mikrobiologi merupakan kunci dasar sebagai efisiensi proses dan pemeliharaan berbagai rancangan pengolahan secara biologis pada proses lumpur aktif Keberadaan rotifer mengindikasikan air limbah yang diolah secara biologis berlangsung dengan baik.

33 KESIMPULAN Removal COD dipengaruhi oleh konsentrasi MLSS dari mg/l dan konsentrasi DO > 2 mg/l sedangkan removal amonia dan nitrat dipengaruhi oleh kondisi anoxic. Pada removal COD tidak terjadi perbedaan yang significant antara effluent tanpa membran dan menggunakan membran. Hal ini disebabkan membran ultrafiltrasi mempunyai keterbatasan dalam pemisahan COD. Pada SRT 10 hari memberikan removal COD, ammonia dan nitrat yang lebih baik. Hal ini berkaitan dengan F/M ratio Jumlah N total permeat lebih kecil dari 0,5 jumlah N total influent atau % removal > 50 %, maka proses denitrifikasi dapat dikatakan berhasil. Pada percobaan MBR dari flux 30 L/m 2.jam turun menjadi 12,9 L/m 2.jam dalam waktu 30 menit, dibandingkan SMBR dari flux 24 L/m 2 jam turun menjadi 5,1 L/m 2.jam dalam waktu 30 menit. Untuk removal turbidity mencapai 98,47 hingga 98,85%.