BAB I PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Limbah cair merupakan salah satu masalah yang perlu diperhatikan dalam pengelolaan tata kota. Mengingat limbah mengandung banyak zatzat pencemar yang merugikan bahkan dalam suatu konsentrasi tertentu bisa menjadi zat yang berbahaya bagi lingkungan sekitarnya. Oleh karena itu, effluent limbah yang dibuang perlu dikontrol, dipastikan telah memenuhi persyaratan baku mutu yang telah dikeluarkan oleh Pemerintah. Berkaitan dengan hal tersebut, dewasa ini telah banyak bermunculan berbagai alternatif teknologi pengolahah limbah cair yang bertujuan untuk meminimalkan volume, konsentrasi dan sifat toksisitas limbah sebagai bahan pencemar. Akan tetapi, perlu ditentukan teknologi manakah yang benar-benar tepat diaplikasikan terhadap limbah demi mendapatkan hasil yang efektif dan efisien. Salah satu dari alternatif teknologi yang biasa diterapkan oleh industri-industri di Indonesia adalah teknologi pengolahan limbah dengan lumpur aktif (active slugdge). Secara prinsip, sistem ini memanfaatkan mikroorganisme untuk mengkonsumsi komponen-komponen limbah sebagai sumber makanan atau energi. Karena jumlah mikroorganisme di dalam sistem akan terus bertambah, perlu dijaga agar konsentrasinya tetap sesuai dengan desain yang direncanakan semula. Ketika terjadi fluktuasi limbah cair baik dari segi kuantitas maupun kualitas, penggunaan sistem lumpur aktif ini menjadi tidak efektif. Hal ini dikarenakan terbentuknya bioflok yang tidak sempurna akibat pengaruh shockloading pada sistem lumpur aktif sehingga pengendapan bioflok pun menjadi tidak optimal. Untuk mengatasi kelemahan dari sistem lumpur aktif konvensional,dicoba suatu proses lumpur aktif yang dilengkapi dengan 1
sistem membran atau biasa dikenal dengan Sistem Membran Bioreaktor (BRM). Konsep MBR 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 sistem ini mampu mengolah bahan organik dengan konsentrasi yang tinggi dan beban yang berfluktuasi, serta kualitas effluent yang lebih baik. Memang, satu masalah utama mengapa sistem yang termodifikasi ini masih belum banyak diterapkan di Indonesia disebabkan karena memiliki kelemahan dari segi harga, serta kebutuhan operator yang handal dan terlatih. Meskipun begitu, sistem ini memiliki satu kelebihan lain yaitu pemanfaatan lahan yang lebih efisien (Karena tidak membutuhkan clarifier sebagai bak pengendap). Hal ini akan menjadi pertimbangan penting saat terjadi kendala keterbatasan lahan dan sumber air. B. BATASAN MASALAH Makalah ini hanya terbatas membahas tentang cara pengolahan limbah cair dengan menggunakan sistem Bioreaktor Membran. C. TUJUAN PENULISAN Makalah ini bertujuan untuk mengetahui prinsip kerja, potensi, serta aplikasi dari teknologi dengan sistem Bioreaktor Membran. D. METODE PENULISAN Metode penulisan adalah dengan mengacu kepada jurnal ilmiah. Didukung dengan jurnal pendukung serta artikel-artikel dari media internet. 2
BAB II PEMBAHASAN A. DEFINISI Bioreaktor membran (BRM) merupakan teknologi pengolahan limbah yang mengintegrasikan proses biodegradasi limbah dengan proses membran sebagai pemisah biomassa. Dalam proses ini, membran berperan menggantikan clarifier untuk memisahkan padatan dan cairan pada teknologi lumpur aktif konvensional. Membran difungsikan sebagai reaktor dan pemisah, dimana reaksi yang berlangsung biasanya dikatalisis oleh enzim yang dimobilisasi pada matriks membran (Yustia Wulandari, 2010). Dengan membran, kinerja pemisahan akan menjadi lebih efektif karena tidak dibatasi oleh kondisi hidrodinamik lumpur seperti waktu tinggal lumpur (SRT, sludge retention time), waktu tinggal cairan (HRT, hydraulic retention time) serta laju pembuangan lumpur. Berdasarkan susunannya, Bioreaktor membran dibagi menjadi dua jenis, yaitu: 1. Bioreaktor membran eksternal (External membran bioreaktor). Membran yang berfungsi untuk memisahkan air yang telah diolah dari bioflok diletakkan di luar reaktor. 2. Bioreaktor membran terendam (Submerged membran bioreaktor). Membran dapat diletakkan tenggelam baik berada di dalam bioreaktor utama maupun pada tangki terpisah. Membran berupa lembaran dengan B. MEKANISME KERJA Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, prinsip kerja dari bioreaktor membran pada umumnya sama dengan sistem lumpur aktif, hanya saja diintegrasikan dengan membran sebagai bahan pemisah. Jadi 3
dapat dikatakan, sistem bioreaktor membran merupakan kombinasi sistem biodegradasi aerobik/anaerobic dan sistem membran. Gbr.2.1 Skema Pengolahan Limbah dengan Sistem Lumpur Aktif Konvensional Gbr.2.2 Prinsip Kerja Teknologi BRM 1. Proses biodegradasi aerobik dan anaerobik Mikroorganisme merupakan faktor penting dalam menentukan keberhasilan proses pengolahan limbah pada proses biodegradasi. Mikroorganisme yang ada dalam instalasi limbah akan menguraikan senyawa organik sehingga menghasilkan energi yang selanjutnya digunakan untuk proses pertumbuhan mikroorganisme tersebut. 2. Sistem Membran Membran adalah lapisan tipis, semi permeable dengan ketebalan sekitar 0,1-0,5 mm (Yustia Wulandari 2010). Membran berfungsi sebagai penghalang dan pemisah terhadap aliran molekul yang melewatinya. Setelah aliran melewati sistem membran, partikelpartikel yang berukuran sangat kecil dapat tertahan sehingga sistem ini sangat efektif untuk menghambat partikel polutan yang berukuran sangat kecil. Kemampuan ini tergantung dari ukuran dan energi yang digunakan dalam mengalirkan aliran. Kelemahan dari sistem membran adalah penyumbatan. Semakin lama dioperasikan, partikel yang tertahan akan semakin menumpuk dan dapat 4
menyumbat jalannya aliran. Oleh karena itu, perlu dilakukan backwashing (pencucian) secara berkala. Gbr.2.3 Pola Membran Dalam pembahasan sebelumnya, diketahui bahwa sistem Bioreaktor Mebran digolongkan ke dalam dua jenis berdasarkan susunan atau konfigurasi membrannya. Mekanisme kerja masing-masing sistem Bioreaktor Membran adalah sebagai berikut : 1. Bioreaktor membran eksternal (External membran bioreaktor) Pada Bioreaktor dengan membran yang terpisah, biomassa dipompa dan dialirkan secara crossflow ke membran untuk dilakukan pemisahan padat cair. Kelebihan cairan diresirkulasi lagi ke dalam bioreaktor, sedangkan effluent dibuang untuk mengendalikan konsentrasi lumpur. Karena dalam sistem ini dibutuhkan adanya bantuan tekanan yang dihasilkan pompa, kebutuhan energi operasinya menjadi lebih besar. Energi dan tekanan yang tinggi pun dapat memicu laju penyumbatan yang tinggi pula. Hal ini dikarenakan terjadinya stress pada mikroorganisme, flok dapat terpecah sehingga mengakibatkan ukuran flok berkurang dan membentuk material penyumbat. Untuk mengatasinya, dilakukan aerasi pada bioreaktor dan pada membran. Gbr.2.4 Cross-Flow pada membrane 5
Gbr.2.5.Skema Instalasi BRM Eksternal 2. Bioreaktor membran terendam (Submerged membran bioreaktor). Karena membran tergabung menjadi satu pada instalasi bioreaktor, pada sistem ini tidak diperlukan adanya resirkulasi konsentrat. Konsentrat akan diproses secara dead-end. Gbr.2.6 Dead-end pada membran Pada tipe ini, sistem aerasi juga sering ditambahkan dengan tujuan menyediakan oksigen untuk metabolisme lumpur aktif, mengaduk supensi lumpur dan mengendalikan penyumbatan. Sistem ini memiliki kemudahan dalam pencucian membran karena tidak perlu mengeluarkan membran dari dalam tangkinya (cleaning in place). Kelemahan dari sistem ini dimana proses filtrasi membran langsung dilakukan di dalam reaktor adalah terjadinya fouling yang dapat mempengaruhi kinerja membran baik dari segi cost, usia pemakaian membran, dan dari segi perawatan membran. Bioreaktor tipe ini merupakan yang paling disukai dan banyak digunakan pada instalasi pengolahan air limbah. Hal ini disebabkan oleh faktor-faktor sebagai berikut (Thanh, 2002): o Ukuran unit lebih kecil dan instalasi Instalasi unit lebih mudah dan sederhana karena tidak memerlukan pompa 6
o Penggunaan energi lebih efisien o Lebih ekonomis karena tidak menggunakan housing membran. Hal ini terjadi karena dialirkan secara deadend dan dari luar ke dalam. Gbr.2.7.Skema Instalasi BRM Terendam C. Parameter Desain 1. Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) MLSS merupakan metode pengukuran biomassa untuk mengontrol proses pengolahan yang terjadi.nilai MLSS berkisar antara 800 1.500 mg/l untuk extended aeration dan low rate systems, sedangkan pada high-rate sistem sekitar 8.000 mg/l atau lebih. MLSS yang tinggi menunjukkan semakin tinggi efisiensi pengolahan, karena semakin banyak mikrooranisme dalam mixed liquor, proses penyisihan BOD semakin cepat. Meskipun begitu, konsentrasi MLSS yang tinggi dapat menyebabkan masalah pada aerasi dan pengendapan lumpur dalam clarifier. 2. Hydraulic Retention Time (HRT) atau Beban volumetrik HRT menunjukkan waktu rata-rata influen berada pada sebuah insatalasi. Dapat dihitung dengan persamaan : Dengan, V = Volume tangki/instalasi (m 3 ) Q = Debit Influent (m 3 /s) 7
Semakin tinggi debit influen, semakin cepat aliran influen menuju outlet yang berarti semakin rendah waktu tinggal (recidence time) atau hydraulic retention. Diupayakan lama waktu HRT efektif untuk memungkinkan penyisihan BOD. 3. Sludge Residence Time atau Sludge Age Sludge Age adalah waktu tinggal rata-rata mikrooragnisme dalam sistem. Dapat dihitung dengan persamaan : Dengan Vr = volume tangki (m 3 ) X = MLSS dalam tangki (mg/l) Qw = Debit lumpur yang dibuang (m 3 /hari) Xw = MLSS yang dibuang (mg/l) Qe = debit effluent (m 3 /hari) Xe = partikel dalam efluen (mg/l) Pada pengolahan konvensional, SRT umumnya memiliki nilai 3 4 hari. 4. Sludge Loading atau Rasio F/M Laju pertumbuhan biomassa dan laju respirasi meningkat seiring dengan peningkatan Konsentrasi BOD pada limbah. Semakin banyak biomassa, semakin tinggi laju penyisihan BOD. Peningkatan F/M meningkatkan laju penyisihan BOD, laju pertumbuhan dan laju respirasi. Persamaannya adalah : Dengan, BOD = konsentrasi material organic (mg/l) Q = Debit (m 3 /l) X = MLSS (gr/l) V = Volume tangki (m 3 ) 8
D. Kelebihan dan Kelemahan Teknologi pengolahan limbah dengan sistem Bioreaktor Membran (BRM) memiliki berbagai kelebihan antara lain : 1. Memerlukan lahan yang sedikit sehingga dapat menjadi solusi dalam permasalahan keterbatasan lahan 2. Proses pemisahan partikel padatan dengan cairan tidak dibatasi oleh faktor waktu tinggal (dapat diterapkan pada waktu tinggal yang sedikit) sehingga lebih efektif 3. Meningkatkan efisisensi biodegradasi yang seringkali menjadi permasalahan dalam sistem lumpur aktif konvensional akibat adanya fluktuasi beban influent 4. Adanya tambahan sistem membran meningkatkan kinerja pemisahan padatan partikel, khususnya untuk partikel yang berukuran sangat kecil sehingga pengurangan BOD dan COD effluent optimal Bagaimana pun juga sistem ini, tetap memiliki kelemahan, yaitu : 1. Resiko terjadinya fouling besar. Proses penyaringan oleh membran terbatasi oleh umur ketika fouling itu terjadi. Untuk mengatasi hal ini, perlu dilakukan aerasi pada instalasi untuk menciptakan shear stress pada permukaan membran sehingga dapat menghambat penyumbatan membran oleh partikel. Maintenance seperti backwashing secara berkala juga perlu dilakukan untuk memperpanjang umur instalasi serta untuk mempertahankan kerja sistem yang optimal. 2. Memerlukan biaya yang lebih besar jika dibandingkan dengan penggunaan sistem lumpur aktif konvensional. Hal ini dipengaruhi oleh biaya pengadaan membran yang masih relatif mahal di Indonesia, faktor penggunaan energi yang cukup besar pada operasi, serta diperlukannya operator terlatih yang memiliki kecakapan khusus dalam mengoperasikan sistem. 9
BAB III PENUTUP A. KESIMPULAN 1. Bioreaktor membran (BRM) merupakan teknologi pengolahan limbah yang mengintegrasikan proses biodegradasi limbah dengan proses membran sebagai pemisah biomassa. 2. Berdasarkan susunannya, Bioreaktor membran digolongkan menjadi dua yaitu BRM Eksternal dan BRM Terendam 3. Sistem Bioreaktor Membran sangat rentan terhadap fouling 4. Sistem Bioreaktor Membran efektif dalam meningkatkan efisiensi biodegradasi yang menjadi permasalahan dalam sistem lumpur aktif konvensional B. SARAN 1. Dalam penerapan sistem BRM, maintenance sangat ditekankan untuk menghidari resiko fouling sehingga dapat mempertahankan umur membrane dan kinerja instalasi yang optimal. 2. Perlu dilakukan penelitian untuk menentukan tingkat efisiensi dan efektivitas pengolahan limbah untuk memutuskan teknologi yang tepat, baik dari segi output, karakteristik limbah, maupun biaya. 10
DAFTAR PUSTAKA Yustia Wulandari, Agung Rasmito, Jenny Caroline. 2010. MSG WASTE BIOMASS CONCENTRATION ON MEMBRANE BIOREACTOR SUBMERGED. Jurnal : Teknik Kimia Vol.5 No.1 Suprihatin, dan Muhammad Romli. 2010. MEMBRANE BIOREACTOR FOR TREATMENT OF RECALCITRANT WASTEWATERS. Jurnal : Reaktor, Vol. 13 No. 1, Juni 2010, Hal. 1-9 Srie Gustiani. 2009. Teknologi Biorekator Membran pada Pengolahan Limbah Cair. Arena Tekstil Vol.24 No.1 http://bumiridho.wordpress.com/ http://www.airlimbah.com/ http://roilbilad.wordpress.com/ http://ncose.blogspot.com/ http://en.wikipedia.org/wiki/membrane_bioreactor 11