Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo ISSN 0854-7769 2007 http://www.che.itb.ac.id/stksr PENGARUH KONSENTRASI SLUDGE, BEBAN COD DAN BACK FLUSHING TERHADAP KINERJA PENGOLAH LIMBAH CAIR SISTEM MEMBRAN TERENDAM Tri Widjaja*) dan Kusno Budhikarjono**) Laboratorium Teknologi Biokimia*) Laboratorium Perpindahan Masa dan Panas**) Jurusan Teknik Kimia, FTI-ITS Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya, (60111), Telp. 031-5946240; Email Address: papatri2003@yahoo.com Abstrak: Pengolahan limbah cair industri maupun domestik menggunakan proses lumpur akti memanfaatkan mikroorganisme untuk mendegradasi bahan organik limbah umum digunakan. Proses ini relatif sederhana dan tidak membutuhkan teknologi tinggi, tetapi sayang proses ini memiliki banyak kelemahan, di antaranya memerlukan waktu lama dan lahan yang luas untuk memisahkan lumpur dan cairan di dalam bak sedimentasi. Selain itu, dalam pengoperasiannya memerlukan kondisi yang khusus terutama terhadap beban organik dan konsentrasi mikroorganisme atau sering disebut dengan F/M ratio dan kebutuhan oksigen yang seimbang. Kondisi tersebut bila tidak terkontrol secara baik menyebabkan bulking sludge akan mudah terjadi, dimana fenomena dari mikroorganisme akan sulit mengendap. Sebagai solusi ditawarkan bioreaktor menggunakan teknologi membran terendam, dengan pertimbangan bahwa peranan membran dapat menggantikan tangki sedimentasi dan ditempatkan di dalam proses biologis yang merupakan sistem yang kompak. Keberadaan mikroorganisme di bioreaktor berperan penting terhadap terbentuknya soluble microbial product yang berpengaruh langsung terhadap fluk permeate pada proses filtrasi membran terkait dengan terjadinya fouling. Untuk itu, penelitian bertujuan untuk menguji pengaruh kondisi bulking sludge pada konsentrasi sludge yang tinggi dan black flushing terhadap kinerja pengolah limbah cair sistem kombinasi proses lumpur aktif dan membran terendam. Dalam penelitian ini digunakan limbah domestik dan dilakukan analisis MLSS dan beban COD influen terhadap fluks permeate membran. Modul membran ultrafiltrasi yang digunakan berupa capillary type-duc 108, dari PolyAcryloNitrile, diameter pori 0,1 0,01 µm, luas membran 0,8 m 2, dengan diameter dan panjang modul adalah 1 dan 8 mm. Kondisi operasi percobaan dimana volume bioreaktor membran
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 2 terendam 50 liter; HRT = 5 jam; tekanan (TMP) 10 cmhg dengan tipe aliran membran adalah aliran dead-end, sedangkan peubah percobaan yang dilakukan meliputi: COD influent 500, 750 dan 1000 mg/l; MLSS 3000, 6000 dan 10000 mg/l serta waktu backflushing 5,10 dan 15 menit. Dari hasil penelitian ini menunjukkan bahwa teknologi membran dapat mengatasi keterbatasan penggunaan kondisi operasi pada proses lumpur aktif tanpa perlu bersusah payah mengontrol F/M ratio, sludge age dan dissolved oxygen. Diperoleh hasil bahwa dengan bertambahnya konsentrasi lumpur dari 3000 s.d 10000 mg/l walaupun diperoleh kinerja proses biologis menurun ditunjukkan dengan menurunnya penyisihan COD, tetapi proses filtrasi membran meningkat yang ditunjukkan dengan meningkatnya penyisihan COD, sehingga secara overall kinerja membran terendam meningkat. Hal ini ditunjukkan dengan penyisihan maksimum COD masing-masing adalah 91, 97 dan 99%. Pengaruh waktu backflushing semakin lama berpengaruh terhadap proses filtrasi membran untuk waktu dari 5 menit ke 10 menit, tetapi untuk waktu 15 menit didapatkan perubahan cukup signifikan terhadap penyisihan COD. Perubahan COD influent mempengaruhi kinerja membran terendam baik pada proses biodegradasi maupun filtrasi membran. Kata kunci: bulking sludge, backflushing, fouling, lumpur aktif, membran bioreaktor terendam, dissolved oxygen Pendahuluan Pengolahan limbah cair dengan sistem lumpur aktif, untuk mendapatkan kondisi lumpur yang optimal maka perlu pengontrolan yang cukup ketat. Untuk memperoleh pemisahan lumpur dan cairan yang sempurna, maka diperlukan tangki sedimentasi yang besar dan membutuhkan waktu tinggal lumpur yang lama. Selain itu, dalam pengoperasiannya memerlukan kondisi yang khusus terutama terhadap beban organik dan konsentrasi mikroorganisme atau sering disebut dengan F/M ratio dan kebutuhan oksigen yang seimbang (Williams, 1999). Jika F/M ratio tidak dikontrol secara ketat sehingga tidak seimbang maka kondisi bulking sludge akan mudah terjadi. Kondisi bulking sludge merupakan fenomena dari mikroorganisme yang sulit mengendap. Mikroorganisme yang berperan dalam pembentukan kondisi bulking adalah Zooglea ramigera yang terjadi pada F/M ratio tinggi. Sebenarnya, dapat dilakukan upaya memprovokasi perubahan jenis mikroorganisme penyebab bulking sludge sehingga mikroba wash out dalam sistem lumpur aktif dapat dicegah. Tetapi hal tersebut masih terbentur pada kendala operasional dan pengendalian di skala aplikasi seperti di industri yang lebih sering dikarenakan beban limbah cair yang berfluktuasi atau keterbatasan range pengoperasian konsentrasi lumpur aktif pada pengolahan limbah cair. F/M ratio sangat tergantung pada konsentrasi biomass lumpur aktif serta pemberian substrat/nutrient, dan pengendalian F/M ratio dilakukan dengan mengendalikan laju pembuangan lumpur yang berbanding terbalik dengan Hydraulic Retention Time (HRT).
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 3 Pada proses lumpur aktif F/M ratio beroperasi antara 0,2-0,6 kgbod/kgmlss (Sundstrom, 1979). Selain itu, Witzig. et al, 2002 menyatakan bahwa konsentrasi biomassa yang tinggi dapat menyebabkan pemisahan biomassa dari efluen semakin sulit dilakukan karena pada konsentrasi lumpur tinggi, kecepatan lumpur untuk mengendap menjadi rendah. Begitu juga dengan Van Dijk dan Roncken (1997), menunjukkan bahwa konsentrasi lumpur aktif konvensional maksimum adalah 5000-8000 mg/l. Kemudian dengan sistem pengolahan limbah lumpur aktif untuk limbah perkotaan memiliki konsentrasi MLSS (mixed liquor suspended solid) sebesar 2500 mg/l (umur lumpur 8 hari), sementara pada plant lumpur aktif dengan umur lumpur 35 hari memiliki MLSS 8000 mg/l (Stephenson, dkk., 2000). Dengan adanya beberapa kelemahan yang terdapat pada sistem lumpur aktif yang digunakan sebagai pengolahan limbah cair khususnya limbah domestik tersebut diatas, maka ditawarkan bioreaktor dengan menggunakan teknologi membran atau bioreaktor membran (BRM) untuk mengatasi kelemahan tersebut. Peranan membran dapat menggantikan peran dari tangki/bak sedimentasi. Visvanathan, dkk., 2000, dalam penelitiannya membuktikan bahwa dengan menggunakan Bioreaktor Membran Terendam (BRMt) biomassa seluruhnya dapat dipisahkan dari effluen oleh membran sehingga karakteristik pengendapan lumpur tidak lagiberpengaruh pada kualitas effluen. Disisi lain, Yamamoto, 1989, merupakan orang pertama yang meneliti tentang pemisahan langsung padatan dan cairan dengan menggunakan bioreaktor membran terendam (BRMt) hollow fiber. Dengan metode ini, membran direndam dalam bioreaktor yang dilengkapi dengan difuser udara pada bagian bawahnya. Difuser berfungsi sebagai penghasil gelembung udara untuk aerasi. Permeat dihisap melalui pompa yang terhubung dengan modul membran, sehingga sistem bekerja pada tekanan vacum. Umpan dihisap oleh membran menghasilkan aliran melintas (dead-end) secara intermittent pada tekanan operasi yang rendah tanpa pencucian dapat mengurangi fouling. Desain BRMt (modul flat) yang tepat dapat memberikan hasil yang sangat efektif untuk menurunkan kadar COD dengan konsentrasi tinggi (10.000 s.d 13.000 mg/l) dari senyawa-senyawa organik yang ada di dalam limbah cair (Shim J.K, dkk., 2002). Selain itu jika dilihat dari struktur mikroorganisme, maka perubahan pada struktur lumpur aktif di BRMt bahkan pada kondisi influen konstan dalam jangka waktu yang panjang, flok yang umum dijumpai pada proses lumpur aktif konvensional tidak ditemukan pada BRMt ini. Begitu juga dengan Cicek, dkk., 1999, mengamati pengaruh pencampuran terhadap kinerja bioreaktor, tempat mikroorganisme tumbuh. Dalam penelitiannya, ditemukan sejumlah mikroba berfilamen, nematoda, dan ciliata yang relatif lebih sedikit dibandingkan dengan mikroba pada proses lumpur aktif yang beroperasi pada umur lumpur 20 hari. Hal ini disebabkan oleh variasi kondisi seperti gaya geser, transfer massa, pengadukan, dan tidak adanya bak sedimentasi pada BRMt. Penelitian yang dilakukan oleh Ghyoot dan Verstraete (2000), menunjukkan bahwa konsentrasi yang tinggi pada BRMt menghasilkan protozoa khususnya flagelata dan ciliata yang berperan mengendalikan populasi bakteri dan sangat membantu menurunkan BOD efluent. Pada BRMt, pemisahan biomassa dari efluen dapat menghasilkan kualitas efluent yang tinggi. Sedangkan Pierre Cote, dkk., 1997, dalam penelitiannya menggunakan bioreaktor membran terendam dengan kombinasi lumpur aktif. Membran yang digunakan adalah mikrofiltrasi hollow fiber, menggunakan konsentrasi lumpur tinggi (5000 dan 15000 mg/l), umur lumpur (10 dan 50 hari), SRT (5-10 hari), serta untuk mengatasi fouling yang terjadi pada membran akibat penggunaan konsentrasi lumpur yang tinggi maka backwash dilakukan 5-30 detik/15 menit. Dan Shim, dkk., 2002, dalam
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 4 penelitiannya menunjukkan efek dari beberapa desain dan variabel operasional untuk mengontrol clogging membran pada proses pengolahan membran MBR dan modul membran flat, ukuran pori 0.4 micron, bahan polyethylene, HRT 12-16 jam, SRT 20-30 hari, MLSS 10000 s.d 13000 mg/l, tekanan 20 cmhg, limbah sintetis dengan konsentrasi COD 1600 mg/l, dan untuk mengatasi fouling maka pada membran dilakukan backwash dengan cara pencucian menggunakan bahan kimia. Kendala yang msih dihadapi adalah waktu pencucian yang masih membutuhkan waktu yang lama. Dalam penelitian ini diteliti pengaruh konsentrasi biomassa dan beban COD umpan terhadap kinerja BRMt untuk pengolahan limbah secara proses biologis maupun proses filtrasi, serta dihaharapkan dapat mengetahui pengaruh teknik backflushing terhadap kinerja BRMt. Metode Penelitian Dalam penelitian ini dilaksanakan secara eksperimen dengan bahan dan rangkaian alat yang digunakan, serta peubah percobaan dijelaskan sebagai berikut: Limbah Sintetis Limbah sintetis dibuat dengan mencampurkan air yang berasal dari PDAM yang ditambahkan campuran sesuai komposisinya disajikan pada Tabel 1, yang memiliki COD ±500 mg/l. Tabel 1. Komposisi Limbah Domestik (sintetis) Komponen Konsentrasi (mg/l) Glukosa Asam glutamate CH 3 COONH 4 NaHCO 3 NH 4 Cl KH 2 PO4 K 2 HPO4 MgSO 4.7H 2 O MnSO 4.H 2 O FeCl 3.6H 2 O CaCl 2.2H 2 O NaCl 294,30 132,22 106,91 343,83 43,64 52,26 37,59 20,35 13,57 6,78 37,59 48,05
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 5 Bioreaktor untuk Proses Pembibitan dan Aklimatisasi Tangki aerasi yang dipergunakan untuk melakukan pembibitan dan aklimatisasi meliputi dua buah bak kaca dengan masing-masing memiliki volume 48 L dan 32 L. Kedua bak aerasi tersebut dilengkapi dengan kompresor untuk mengalirkan udara melalui diffuser. Bioreaktor Membran Terendam (BRMt) Sistem bioreaktor yang akan dikembangkan adalah bioreaktor membran terendam (BRMt) hollow fiber yang terdiri dari tangki aerasi, modul membran hollow fiber, dan beberapa pendukung lainnya seperti pompa, valve dan sebagainya. BRMt tersebut dirancang dengan volume operasi 50 L, dengan ukuran panjang, lebar dan tingginya sama yaitu 37 cm. Pada bagian bawahnya dipasang difuser untuk aerasi yang dibantu dengan kompresor melalui pipa untuk memberikan gelembung udara yang disemprotkan dari bagian bawah membran (riser section), yang mana kecepatan aliran udara masuk dikontrol dengan flow-meter. Kemudian didalam BRMt dipasang penyekat yang digunakan untuk menciptakan sirkulasi aliran air antara dinding bioreaktor dan membran (air lift-type reactor). Hal tersebut digunakan untuk menciptakan kecepatan geser (shear rate) yang tinggi pada permukaan membran yang bertujuan melepaskan tumpukan material dan menurunkan tahanan hidroulik pada lapisan fouling. Disamping itu dilengkapi dengan alat pendukung lainnya seperti; ph meter, pompa vakum, dan DO-meter. Bioreaktor membran terendam disajikan pada Gambar 1 sebagai berikut. Pelaksanaan Eksperimen Gambar 1. Set-up Bioreaktor Membran Terendam (BRMt) Dalam penelitian ini dilakukan dua tahap, yaitu tahap pendahuluan dan tahap percobaan utama. Pada tahap pendahuluan terdiri dari analisa COD/BOD limbah cair domestik sintetis, pembibitan, dan aklimatisasi, serta karakterisasi membran. Sedangkan tahap percobaan utama merupakan tahap operasi
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 6 pengolahan limbah proses biologis dan filtrasi membran dalam BRMt dilakukan pada ph dijaga antara 6,8-7,2, volume bioreaktor 50 liter, HRT 5 jam, dan tekanan traspressure membrane (TMP) 10 cmhg dengan tipe aliran membran adalah dead-end flow. Sedangkan peubah eksperimen meliputi; COD: 500, 750 dan 1000 mg/l, MLSS: 3000, 6000 dan 10000 mg/l, dan lama backflushing: 5, 10 dan 15 menit. Hasil dan Pembahasan Dalam penelitian ini, konsentrasi biomassa (MLSS) yang digunakan adalah 3000 mg/l, 6000 mg/l dan 10000 mg/l. Untuk mengetahui pengaruh dari konsentrasi COD umpan, maka dalam penelitian ini menggunakan konsentrasi COD umpan yang berbeda yaitu 500 mg/l, 750 mg/l dan 1000 mg/l. Dengan adanya pengaruh konsentrasi biomassa dan konsentrasi COD umpan, maka dari segi biologis dapat mengetahui kinerja BRMt. Masalah yang sering terjadi pada proses separasi membran adalah timbulnya fouling pada permukaan membran. Peristiwa fouling mengakibatkan menurunnya kinerja membran sehingga berpengaruh pada kualitas effluen. Untuk mengatasinya, teknik backflushing perlu diterapkan dalam proses ini untuk mengembalikan kinerja membran. Dan untuk mengetahui pengaruh tersebut terhadap kinerja BRMt, maka dalam penelitian ini menggunakan peubah eksperimen lama backflushing setiap 5 menit, 10 menit dan 15 menit untuk waktu operasi 30 jam. Hasil eksperimen disjikan pada Tabel 2 sebagai berikut. Tabel 2. Pengaruh MLSS, COD umpan dan Lama Backflusing terhadap Removal COD Lama MLSS 3000 mg/l MLSS 6000 mg/l MLSS 10000 mg/l Backflushing COD umpan (mg/l) COD umpan (mg/l) COD umpan (mg/l) (menit) 500 750 1000 500 750 1000 500 750 1000 96.4 94.6 5 86.46 88.70 88.13 92.30 98.15 98.91 97.87 1 0 91.7 92.5 10 86.03 89.81 87.68 93.42 98.15 98.91 97.87 4 4 93.6 93.6 15 85.22 91.96 86.02 97.87 99.29 99.00 97.61 0 0 Berdasarkan hasil penelitian dari Tabel 2, lama backflushing cenderung tidak mempengaruhi proses biologis tetapi berpengaruh pada efektifitas proses filtrasi membran. Konsentrasi MLSS antara 3000 s.d 6000 mg/l pada COD umpan 500 mg/l dan 750 mg/l cenderungan mengalami penurunan. Namun untuk konsentrasi COD umpan 1000 mg/l cenderung mengalami peningkatan pada setiap lama backflushing. Dan untuk konsentrasi MLSS 10000 mg/l dengan konsentrasi COD umpan 500, 750 dan 1000 mg/l cenderung mengalami peningkatan. Hal ini dikarenakan adanya backflushing yang baik sehingga dapat meningkatkan fluks yang akan mempengaruhi removal COD. Untuk lebih jelasnya disajikan dalam Gambar 2, 3 dan 4 berikut.
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 7 Gambar 2. Hubungan antara MLSS terhadap Removal COD pada lama backflushing 5 menit Dari Gambar 2 menunjukkan perbedaan removal COD pada proses biologis dan filtrasi membran pada berbagai macam konsentrasi MLSS. Dari gambar tersebut diketahui bahwa untuk konsentrasi MLSS 3000 mg/l dan 6000 mg/l dengan konsentrasi COD umpan 500 mg/l dan 750 mg/l menunjukkan bahwa proses biologis lebih dominan. Hal tersebut diakibatkan karena perbandingan F/M ratio yang diberikan untuk mikroorganisme yang berkembang biak dalam lumpur aktif menunjukkan seimbang atau dapat dikatakan sesuai dengan F/M ratio yang biasanya beroperasi pada proses lumpur aktif antara 0,2-0,6 kgbod/kg MLSS.hari. Pada konsentrasi COD umpan 500 mg/l dengan konsentrasi MLSS 10000 mg/l, F/M ratio dibawah range yang ditentukan sehingga mikroorganisme tidak dapat berkembang biak dengan baik. Sehingga SVI untuk konsentrasi MLSS diatas 5000 mg/l akan menunjukkan pengukuran SVI yang rendah, hal tersebut mengakibatkan mikroorganisme yang sesuai dengan lumpur aktif tidak terjadi yang kurang baik untuk proses pengendapan. Namun adanya membran yang menjadi satu unit dengan bioreaktor, hal tersebut tidak menjadi suatu kendala pada sistem pengolahan limbah cair domestik sehingga secara keseluruhan menunjukkan trend removal COD yang meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi MLSS Sedangkan untuk COD umpan 750 mg/l dengan konsentrasi MLSS 3000 mg/l didapatkan F/M ratio sebesar 0,25 kgcod/kgmlss.day, sedangkan konsentrasi MLSS 6000 mg/l didapatkan F/M ratio sebesar 0,125 kgcod/kgmlss.day dan untuk konsentrasi MLSS 10000 mg/l didapatkan F/M ratio sebesar 0.1 kgcod/kgmlss.day. Sehingga untuk konsentrasi COD umpan 750 mg/l dengan konsentrasi MLSS 10000 mg/l, membutuhkan proses filtrasi dengan membran untuk membantu memisahkan padatan lumpur aktif. Dengan F/M ratio yang tidak seimbang maka mikroorganisme yang terdapat dalam lumpur aktif tidak dapat berkembangbiak dengan baik sehingga jika menggunakan
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 28 8 proses lumpur aktif biasa, proses pengendapan tidak dapat berjalan dengan baik. Hal ini diakibatkan jumlah mikroorganisme dengan jumlah oksigen tidak seimbang sehingga dapat diperkirakan banyak mikroorganisme yang mati. Dan untuk COD umpan 1000 mg/l dengan konsentrasi MLSS 3000, 6000 dan 10000 mg/l didapatkan F/M ratio masing-masing sebesar 0.33, 0.2 dan 0.1 kgcod/kgmlss.hari. Untuk konsentrasi COD umpan 1000 mg/l, removal COD lebih banyak dibantu dengan proses filtrasi. Namun secara keseluruhan masih menunjukkan peningkatan removal COD seiring dengan meningkatnya konsentrasi MLSS. Hal ini disebabkan karena tidak seimbangnya jumlah mikroorganisme dengan jumlah oksigen sebagai suplay energi untuk berkembangbiak. Pada MLSS 10000 mg/l, secara keseluruhan menunjukkan kecenderungan hasil yang sama yaitu proses filtrasi lebih banyak berperan, namun secara keseluruhan removal COD total meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi MLSS. Kesimpulan 1. Teknologi membran terendam sangat effektif untuk mengatasi kelemahan-kelemahan yang ditimbulkan pada proses lumpur aktif. 2. Konsentrasi lumpur 3000 mg/l dengan konsentrasi COD umpan 500, 750 dan 1000 mg/l dapat meremoval COD sebesar 85-91%. 3. Konsentrasi 6000 mg/l dengan konsentrasi COD umpan 500, 750 dan 1000 mg/l dapat meremoval COD sebesar 91-97%. 4. Konsentrasi lumpur 10000 mg/l dengan dengan konsentrasi COD umpan 500, 750 dan 1000 mg/l dapat meremoval sebesar 97-99%. 5. Lama backflushing 15 menit dapat meningkatkan fluks membran lebih baik jika dibandingkan dengan backflushing 5 dan 10 menit ditunjukkan dengan removal COD yang lebih baik pada setiap konsentrasi MLSS dan konsentrasi COD umpan, dengan removal COD keseluruhan adalah 85-99 %. Daftar Pustaka 1. Côté, P., Buisson H., Pound C., dan Arakaki G., Immersed Membrane Activated Sludge For The Reuse Of Municipal Wastewater. Desalination. 1997, 113, 189-196. 2. Ghyoot. W dan W. Verstraete, Reduced Sludge Production in a Two-stage Membrane Assisted Bioreactor. Wat. Res. 2000, 34, 205-215 3. Yamamoto, K. Investigation of Microoganism Associated with the Foam of a Submerged Membrane Bioreactor in Japan. Microbial and Environments. 1989, Vol, 18. No.2, 62-68 4. Shim, J.K., Yoo I K., dan Lee Y. M., Design and operation consideration for wastewater treatment using a flat submerged membrane bioreactor. Elsevier Science. Process Biochemistry Journal. 2002, 38, 279-285