BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Air merupakan zat yang paling penting dalam kehidupan setelah udara. Sekitar tiga per empat bagian dari tubuh kita terdiri dari air dan tidak seorangpun dapat bertahan hidup lebih dari 4-5 hari tanpa minum air. Selain itu, air juga dipergunakan untuk memasak, mencuci, mandi, dan membersihkan kotoran yang ada di sekitar rumah. Air juga digunakan untuk keperluan industri, pertanian, pemadam kebakaran, tempat rekreasi, transportasi, dan lain-lain (Andersson dkk., 2009). Dari pemanfaatan air ini, maka kualitas air bagi kehidupan menjadi berkurang. Untuk mengatasi masalah berkurangnya kualitas air ini maka para akademisi dan pemerintah saling bekerja sama untuk mengembangkan teknologi pengolahan air limbah, diantaranya dengan menggunakan teknologi pengolahan limbah secara biologi. Pengolahan limbah secara biologi ini merupakan proses pengolahan air limbah dengan memanfaatkan aktivitas pertumbuhan mikroorganisme yang berkontak dengan air limbah, sehingga mikroorganisme tersebut dapat menggunakan zat organik pencemar yang ada sebagai bahan makanan dalam kondisi lingkungan tertentu dan mendegradasi atau menstabilisasinya menjadi bentuk yang lebih sederhana (Copithorn dkk., 2010).
Pengolahan limbah secara bologi dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu pengolahan limbah secara anaerob (dalam kondisi tanpa oksigen) dan pengolahan limbah secara aerob (dalam kondisi diaerasi dengan udara) (Chan dkk., 2009) Pengolahan limbah secara aerob adalah pengolahan limbah yang memanfaatkan kinerja mikroorganisme untuk mendegradasi zat organik yang terdapat didalam air limbah dan mikroorganisme ini membutuhkan oksigen untuk membantu metabolismenya. Salah satu metode yang diterapkan dalam pengolahan limbah secara aerob adalah dengan metode activated sludge yang mana metode ini sudah banyak diterapkan di negara-negara maju (Terasaka dkk., 2011). Biasanya pengolahan activated sludge menggunakan lahan untuk pengolahan limbah yang cukup besar. Hal ini dikarenakan waktu tinggal yang diperlukan relatif lama yaitu bisa mencapai beberapa hari. Oleh karena itu diperlukan penelitian lebih lanjut dalam memaksimalkan waktu tinggal yang digunakan sehingga dapat meminimalka lahan yang digunakan (Liu dkk., 2011). Dalam proses aerob, jumlah oksigen yang terlarut dalam cairan sangat menentukan keberhasilan penguraian senyawa organik oleh mikroorganisme. Berbagai tipe aerator telah tersedia di pasaran dan biasanya komponen ini merupakan unsur dominan dalam digester aerobik, baik dalam hal harga alat maupun biaya operasionalnya (kebutuhan energinya). Oleh karena itu, sangat
penting dikembangkan inovasi baru untuk meningkatkan efisiensi sistem suplai oksigen ke dalam kolam-kolam pengolahan limbah secara aerob (Liu dkk., 2009).. Salah satu teknologi yang baru untuk mensuplai udara adalah dengan menggunakan teknologi microbubble generator (MBG). Teknologi MBG dapat menghasilkan gelembung-gelembung udara berukuran mikro. Gelembung-gelembung mikro ini memiliki luas permukaan total yang sangat besar sehingga kecepatan transfer oksigen ke cairan jauh lebih tinggi daripada gelembung yang dihasilkan oleh aerator konvensional (Liu dkk., 2009). Dengan adanya bantuan MBG maka konsumsi zat organik oleh mikroorganisme diharapkan dapat berlangsung dengan cepat. Kinerja MBG dipengaruhi oleh pengaturan kecepatan aliran cairan dan kecepatan aliran udara yang bertujuan untuk memaksimalkan efisiensi digester aerobik (Iriawan dkk., 2013). Permasalahan dalam aplikasi MBG adalah kemungkinan mikroorganisme tersedot bersama cairan yang disirkulasikan ke MBG untuk menarik udara luar masuk (Liu dkk., 2012). Oleh karena itu, dalam penelitian ini dicoba sistem digester aerobik dengan mikroorganisme yang diimobilisasi agar penggunaan MBG tidak merusak populasi mikroorganisme. Penelitian ini dilakukan untuk menganalisis pengaruh variabel-variabel yang menentukan kinerja MBG, yaitu kecepatan sirkulasi aliran cairan sirkulasi dan kecepatan sirkulasi aliran udara terhadap peruraian bahan
organik dalam limbah yang dinyatakan sebagai penurunan chemical oxygen demand (COD). Analisis dilakukan dengan model matematis untuk menghemat jumlah sampel mengingat analisis COD memerlukan biaya cukup mahal. Selain dapat memberikan informasi tentang karakteristik proses pengolahan limbah secara aerob dengan MBG, teknik analisis dengan model matematis yang digunakan dalam penelitian ini juga dapat diterapkan pada proses scale-up untuk aplikasi teknologi MBG pada skala industri yang sesungguhnya, berdasarkan data-data yang diperoleh di laboratorium. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini dapat diringkas menjadi 3 point, yaitu: 1. Seperti yang disampaikan oleh Liu dkk (2009), suplai udara adalah faktor penting untuk kesuksesan pengolahan limbah secara aerob. Kebanyakan aerator yang tersedia saat ini memerlukan energi besar untuk mencapai efisiensi transfer oksigen yang memadai ke dalam cairan. 2. Salah satu teknologi yang menjanjikan efisiensi tinggi dengan biaya operasional lebih murah adalah MBG (Terasaka dkk., 2011). Sebagai sebuah teknologi baru, perlu dikembangkan teknik evaluasi kinerja MBG secara lebih sistematis. Diperlukan model matematis yang dapat merepresentasikan fenomena dalam aplikasi MBG untuk pengolahan limbah aerobik dengan akurasi yang cukup baik.
3. Pengembangan MBG untuk aplikasi di lapangan memerlukan prosedur scale-up yang baik agar tidak terjadi penyimpangan yang terlalu besar pada skala aktualnya (Irawan dkk., 2013). Proses scale-up ini memerlukan model matematis yang tidak terlalu rumit dengan akurasi memadai, sehingga mudah digunakan untuk merancang digester aerobik. 1.3 Keaslihan Penelitian Penggunakan teknologi microbubble sudah banyak dipublikasikan untuk pengolahan limbah terutama terfokus pada proses fisika-kimia dan peningkatan transfer masa gas-cairan dengan pemberian aerasi microbubble. Liu dkk. (2011) menemukan bahwa microbubble dapat meningkatkan laju oksigen transfer dan penghilangan kontaminan dalam proses coagulation floatation dari dyeing wastewater. Bahkan, prosess pengolahan limbah secara aerob dapat berfungsi dengan baik bila ada ketersediaan cukup oksigen yang terlarut (DO) dan konsentrasi DO yang tinggi bisa mempercepat penghapusan polutan organik. Penelitian lain yang dilakukan oleh Fayolle dkk (2011) menyebutkan bahwa transfer oksigen selalu berada pada laju yang terbatas dikarena kelarutan oksigen yang rendah. Penggunaan teknologi microbubble akan memberikan keuntungan potensial untuk meningkatkan degradasi pada polutan organik dengan meningkatkan transfer oksigen. Selain itu, transfer oksigen yang efisien pada aerasi akan bermanfaat bagi penghematan energi, mengingat besarnya konsumsi energi dalam proses instalasi aerasi pengolahan air limbah.
Dalam penelitian lain, Liu dkk (2012) menyatakan bahwa microbubble dapat menyebabkan sludge floatation yang disebabkan oleh melekatnya microbubbles pada sludge flocs dan akan membuat sludge flocs hancur karena turbulensi. Dari penjelasan diatas, maka pengaruh intensitas aerasi menggunakan microbubble generator pada kondisi microorganisme yang melekat pada media (biofilm) dalam penguraian bahan organik belum pernah dievaluasi dalam penelitian-penelitian terdahulu. Perbedaan lainnya dalam penelitian ini terletak pada analisis data. Sebagian besar penelitian-penelitian terdahulu melakukan analisis data secara grafis dan dengan analisis perubahan kecepatan aliran gas. Pada penelitian ini, data akan dibahas dengan membandingkan parameter-parameter pada model matematis yang disusun untuk merepresentasikan fenomena degradasi senyawa organik pada imobilisasi bakteri aerobik. 1.4 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini sebagai sumber informasi bagi penelitian selanjutnya yang berupa: 1. Memberikan informasi tentang model kinetika konsumsi zat organik dan kinetika konsumsi oksigen oleh mikroorganisme. 2. Dari hasil penelitian ini, dapat dimanfaatkan sebagai salah satu data bagi pencegahan permasalahan air limbah kususnya dengan cara memanfaatkan bakteri dalam proses pengolahannya dan dengan bantuan MBG.
1.5 Tujuan Penelitian Tujuan dilakukan penelitian ini berupa: 1. Membuat korelasi model kinetika konsumsi subtrat dalam proses peruraian limbah organik secara aerobik dengan memanfaatkan imobilisasi mikroorganisme dan MBG. 2. Menganalisis efek perubahan kondisi operasi MBG (kombinasi kecepatan aliran cairan dan kecepatan aliran gas) terhadap proses peruraian limbah secara aerobik menggunakan model matematis, dengan menggunakan data laboratorium yang diperoleh dari miniatur kolam aerobik dengan limbah artifisial.