I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Secara umum industri yang berbasis hasil pertanian mempunyai persoalan dengan limbahnya. Hal ini memaksa industriawan yang bergerak dalam agroindustri tersebut untuk melakukan usaha untuk mengelola limbah yang dihasilkannya. Komponen utama Iimbah agroindustri antara lain: BOD, COD, massa padatan teriarut (SS), nitrat, amonium dan fosfor (orto-fosfut). Agro industri yang banyak menghasilkan limbah cair adalah industri karet, perikanan, dan makanan. Nitrogen merupakan pencemar yang banyak terdapat dalam Iimbah industri ini. Contoh lain industri yang menghasilkan limbah cair dengan kandungan nitrogen tinggi adalah industri pupuk. Pabrik pupuk PT Aceh Asean Fertilizer melaporkan bahwa limbah cairnya sebanyak 260 m 3 jam- 1 mengandung 405 mg N-NH/ L- 1. Industri pupuk urea memegang peranan yang penting dalam produktivitas hasil pertanian pada umumnya. Di samping itu, berbagai jenis pupuk umumnya disintesis dengan memanfaatkan urea sebagai komponen utama. Oleh sebab itu keberadaan industri ini perlu dipertahankan dengan mengurangi dampak limbah yang ditimbulkannya. Nitrifikasi dan denitrifikasi, yang pada dasarnya adalah proses-proses oksidasi dan reduksi, telah diketahui sebagai proses untuk menyisihkan komponen yang mengandung nitrogen. Proses-proses ini dapat berlangsung secara kimiawi atau biologis.. Kelebihan proses kimiawi adalah bahwa proses ini merupakan pengolahan lanjut yang memungkinkan pemanfaatan kembali air limbah yang dikeluarkan oleh industri-industri tersebut di atas. Proses nitrifikasi secara kimiawi dapat dilakukan dengan prinsip selektivitas kimiawi (seperti penukar ion) dan potensial kimiawi (seperti reaksi-reaksi redoks). Proses-proses tersebut secara teknis mungkin untuk diterapkan. Hal penting untuk diketahui sebelum menerapkan proses tersebut adalah seberapa cepat proses tersebut dapat berlangsung dan bagaimana proses tersebut berlangsung. Suatu penelitian tentang pemanfaatan zeolit dalam penyisihan komponenkomponen yang mengandung nitrogen pada limbah cair telah diteliti pada disertasi ini. Beberapa hal penting yang terkait dengan penelitian ini adalah sebagai berikut:
2 1 Karakteristik unik dari zeolit adalah fungsinya sebagai penyerap air, penyaringan molekular (molecular sieving), penukar kation dan penjerap (adsorber). Penelitian ini banyak membahas karakteristik zeolit sebagai penukar kation dan penjerap. 2 Amonium adalah kation yang dapat melakukan proses penukaran ion dengan kation yang terdapat pada kerangka zeolit. Kapasitas tukar kation zeolit dapat ditingkatkan dengan memodiftkasi zeolit. 3 Penyisihan amonium dapat juga berlangsung melalui proses oksidasi secara kimia, mirip dengan proses nitriftkasi. Pelapisan zeolit dengan oksidator memungkinkan teljadinya reaksi oksidasi amonium menjadi nitrat. 4 Zat-zat organik merupakan sumber energi yang potensial. Konversi zat organik yang mengandung unsur N menjadi zat lainnya yang lebih aman dapat dilakukan dengan memanfaatkan aktivitas mikro-organisme yang mampu melakukan proses nitrifikasi atau denitrifikasi. 5 Amonium dan nitrat banyak ditemukan sebagai komponen utama limbah. Kedua zat tersebut sangat berbahaya bagi lingkungan jika dibuang tanpa kendali.
3 1.2. Identifikasi Masalah Senyawa nitrogen yang terkandung dalam limbah cair menyebabkan penurunan kualitas lingkungan karena sifat reduksi dan oksidasi yang ditimbulkannya. Zayed dan Winter (1998) melaporkan bahwa tingginya senyawa nitrogen pada sungai mengakibatkan penurunan konsentrasi oksigen terlarut dan tumbuhnya algae dan berbagai tumbuhan air lainnya. Jika air ini dikonsumsi akan mengakibatkan teijadinya methaemoglobinaemia pada bayi dan gangguan fungsi jantung. Oleh sebab itu, senyawa nitrogen dalam limbah cair harus diturunkan serendah-rendahnya dengan melakukan pengolahan limbah dengan teknologi yang sesuai sehingga konsentrasi senyawa nitrogen tidak membahayakan. Pengolahan limbah utama (primary treatment) tidak dapat menurunkan senyawa nitrogen. Konsentrasi amonium pada limbah cair dapat diturunkan secara biologis pada pengolahan limbah sekunder. Meskipun demikian, penurunan ini tidak efektif jika larutan masukannya mempunyai konsentrasi arnonium yang terlalu tinggi. Suatu kombinasi proses nitrifikasi-denitrifikasi secara biologis diperlukan, dan biasanya senyawa nitrogen masih tersisa pada keluaran pengolahan Iimbah ini. Dengan demikian, suatu pengolahan Iimbah tersier diperlukan untuk mengatasi limbah cair dengan konsentrasi senyawa nitrogen yang relatif tinggi. Lebih dari itu, keluaran air yang dihasilkan pada pengolahan tersier dapat dirancang sedemikian rupa sehingga memenuhi persyaratan untuk digunakan kembali. Dengan memanfaatkan sifat zeolit, yaitu sebagai penukar kation, penjerap dan pendukung bagi biomassa, suatu perlakuan khusus terhadap zeolit diperlukan untuk memungkinkan teijadinya proses penyisihan senyawa nitrogen. Percobaan dan simulasi kinetika proses nitrifikasi kimiawi dan denitrifikasi biologis diarahkan untuk mendapatkan dasar rancangan suatu pengolahan Iimbah tersier. Parameter kinetika proses-proses tersebut bermanfaat dalam aplikasinya pada skala teknis jika fenomena proses dapat diketahui atau diprediksi. Clay secara kimiawi memiliki komposisi yang hampir sarna dengan zeolit. Perbedaannya adalah bahwa zeolit tidak mengembang dan tidak terdispersi dalarn air. Clay tidak diteliti pada pekerj aan ini.
4 Pada prinsipnya penyisihan zat-zat yang mengandung nitrogen (misalnya NH/ atau N0 3 ) dapat dilakukan secara biologis, fisik dan kimiawi. Teknologi membran yang memanfaatkan perbedaan ukuran molekul adalah contoh pengunaan proses fisiko Proses kimiawi memanfaatkan selektivitas (misalnya penukar ion) dan/atau aktivitas elektron yang terkait dalam reaksi reduksi dan oksidasi. Dengan perbedaan eksploitasi pemisahan tersebut, pendekatan yang dilakukan dalam proses fisik sangat berbeda dibandingkan dengan proses kimiawi dan biologis. Proses kimiawi dan biologis memiliki fenomena yang hampir sarna, yaitu reduksi dan oksidasi. Perbedaannya adalah bahwa proses biologis menggunakan mikro-organisme sebagai biokatalis yang mengharnskan ketersediaan molekul karbon sebagai substrat. Perbandingan jumlah sumber karbon terhadap jumlah biomassa dalam proses biologis merupakan salah satu faktor penentu keberhasilannya. Sumber karbon misalnya glukosa, metanol atau etanol harns ditambahkan pada proses biologis ini. Energi reaksi redoks dimanfaatkan oleh mikro-organisme untuk melakukan sintesis sel-sel barn dan perawatan sel-sel yang sudah terbentuk.
5 1.3. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan rancang bangun pengolahan limbah cair yang mengandung amonium dan/atau nitrat re1atif tinggi dengan zeolit sebagai material penunjang. Secara spesifik, rancangan pengolahan limbah dilakukan melalui kajian kinetika proses: I Nitrifikasi kimiawi, yang dapat dilakukan dengan cara pertukaran kation atau oksidasi kimia, dengan menentukan kapasitas penyisihan amonium dan parameter yang mengendalikan laju perpindahan massa. Kedua proses tersebut tercakup pada penelitian ini. 2 Denitrifikasi biologis, dengan mengembangkan model laju reaksi bioproses dengan dua substrat, yaitu COD dan N-N03-. 3 Integrasi kedua proses tersebut untuk mendapatkan suatu proses pengolahan limbah cair dengan kandungan amonium dan/atau nitrat relatif tinggi secara sinambung. 1.4. Ruang Lingkup Penelitian 1 Penelitian proses nitrifikasi kimiawi dan denitrifikasi biologis dengan zeolit sebagai material penunj ang dilakukan secara terpisah. 2 Perlakuan khusus terhadap zeolit (pengaktifan dan pengecilan ukuran) untuk memperbaiki proses penyisihan amonium pada limbah cairo 3 Pengembangan proses pengolahan limbah cair lanjut (tersier) dengan memanfaatkan karakteristik unik zeolit dengan menggunakan limbah cair tiruan (sintetik). 4 Penelitian proses curah terhadap penyisihan amonium dan denitrifikasi dipelajari untuk menjelaskan fenomena yang tidak tercakup pada proses sinambung. 5 Pengembangan model denitrifikasi secara biologis dengan 2 substrat (N-N03- dan COD) sebagai pembatas pertumbuhan (limiting growth) secara simultan. 6 Simulasi proses denitrifikasi sinambung secara biologis dengan zeolit sebagai material pendukung untuk memprediksi konsentrasi substrat pada ke1uaran. 7 Perancangan proses berdasarkan pada hasil perhitungan kinetika.
6 1.5. Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan memberi informasi rinci tentang: 1 Kapasitas atau kemampuan proses nitrifikasi kimiawi pada penyisihan amonium, melalui pertukaran kation atau oksidasi kimia dengan zeolit sebagai material penunjang. Pada proses pertukaran kation, amonium terikat pada zeolit, sedangkan pada proses oksidasi kimia sebagian besar amonium terkonversi menjadi nitrat karena proses oksidasi yang teijadi pada permukaan zeolit yang dilapisi permanganat. Proses oksidasi secara kimia harus diikuti dengan denitrifikasi biologis untuk mereduksi nitrat menjadi komponen nitrogen yang tidak berbahaya. Kinerja proses pertukaran kation dan oksidasi secara kimia masing-masing dinyatakan sebagai kapasitas tukar kation (KTK) dan kapasitas oksidasi amonium (KOA). 2 Kinerja proses denitrifikasi dinyatakan dengan hubungan antara waktu tinggal hidrolik (t) dengan persen penyisihan nitrat. 3 Kinetika dan fenomena yang melandasi proses nitrifikasi kimiawi, yaitu pertukaran kation atau oksidasi kimia, dan denitrifikasi biologis dengan zeolit sebagai material penunjang. Kedua informasi tersebut di atas dapat diterapkan untuk merancang sistem pengolahan limbah tersier (penyisihan nitrogen) untuk tujuan penggunaan kembali (reuse) air yang dihasilkan sebagai limbah suatu proses. Dari sisi zeolit sebagai suatu sumber alam, pengaktifan atau modifikasi zeolit diharapkan dapat meningkatkan nilai tambahnya. Dengan meningkatnya pemanfaatan sumber alam tersebut, ekonomi regional terutama di daerah penghasil zeolit diharapkan dapat ditingkatkan.