ANAEROBIC-AEROBIC TREATMENT OF PAPERMAKING WASTEWATER AND POTENTIAL OF BIOGAS AS AN ALTERNATIVE ENERGY
BAHAN DAN METODA
Air limbah yang digunakan pada percobaan ini adalah air limbah dari suatu industri kertas kasar yang berlokasi di Provinsi Banten. Reaktor UASB yang digunakan dalam percobaan terbuat dari “iber glass” transfaran berdiameter dalam 10 cm, tinggi 1,9 m bervolume 15 L yang dileng- kapi dengan alat pengukur biogas.
Ke dalam reaktor UASB dimasukan bibit lumpur “locculent” sebanyak 40% volume reak- tor yang mengandung MLSS = 7.040 mg/L dan MLVSS = 6.380 mg/L. Bibit lumpur tersebut di- ambil dari return sludge bak aerasi IPAL yang mengolah air limbah industri pulp dan kertas. Pada permulaan percobaan, reaktor UASB diope- rasikan dengan waktu tinggal 2 hari atau 48 jam dengan beban organik 0,4 – 0,8 kg COD/m3.hari
selama 22 hari. Setelah itu reaktor UASB diope- rasikan dengan waktu tinggal 24 jam dan beban organik 0,8 – 1,6 kg COD/m3.hari sampai hari
ke 57. Selanjutnya reaktor UASB dioperasikan dengan waktu tinggal 12 jam sampai hari ke 119 dengan beban organik 1,5 – 7,6 kgCOD/m3.hari.
Ke dalam tangki umpan ditambahkan juga mak- ronutrisi yaitu urea sebagai sumber N dan H3PO3 sebagai sumber P dengan perbandingan COD : N : P = 350 : 7 : 1. Mikronutrisi sebanyak 1 mL/L yang mengandung FeCl2.4H2O, MnCl2.4H2O, CuCl2.2H2O, ZnCl2 L, CoCl2.6H2O, NiCl2.6H2O, (NH4)6Mo7O24 dan H3BO3 juga ditambahkan ke dalam tangki umpan reaktor UASB yang bertu- juan untuk mempercepat pertumbuhan lumpur granul. NaHCO3 sebagai buffer dengan konsen- trasi 1.000 – 2.500 mg/L dicampurkan juga de- ngan air limbah dalam tangki umpan. pH umpan
reaktor UASB dipertahankan pada pH antara 6,5 – 7,0. Pompa peristaltik digunakan untuk men- galirkan umpan air limbah dari tangki umpan ke
reaktor UASB. Efluen reaktor UASB ditampung
dan dianalisa. Biogas yang terbentuk diukur de- ngan alat pengukur biogas.
Reaktor proses lumpur aktif konvensional yang digunakan dalam percobaan ini terbuat dari
“iber glass” transfaran mempunyai volume 15
L digunakan sebagai pengolahan lanjutan. Bibit lumpur aktif dimasukan ke tangki aerasi sehingga konsentrasi MLVSS di dalam tangki aerasi berk- isar antara 2.500 – 3.000 mg/L. Ke dalam tangki aerasi dialiran udara dengan kompressor melalui
diffuser supaya kadar oksigen terlarut didalam
reaktor > 2 mg/L. Pada permulaan percobaan, reaktor lumpur aktif dioperasikan dengan waktu tinggal 48 jam kemudian diturunkan sampai 12 jam.
Kadar parameter COD, BOD, TSS, pH, MLSS dan MLVSS dianalisa berdasarkan Stand-
ard Methods for Examination of Water and Waste
Water (APHA).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Air Limbah
Hasil analisa karakteristik air limbah pembua- tan kertas kasar yang digunakan dalam percobaan adalah seperti pada Tabel 1. Berdasarkan hasil analisa, karakteristik air limbah tersebut me- ngandung bahan cemaran organik terlarut yang sangat tinggi. Hal ini terlihat dari parameter BOD dan COD nya yang tinggi tetapi kadar zat padat tersuspensi (TSS) nya relatif rendah. Bila diban- dingkan dengan baku mutu, hanya parameter pH saja yang memenuhi baku mutu, sedangkan pa- rameter lainnya berada jauh di atas baku mutu.
Karakteristik air limbah seperti tersebut diatas harus diolah melalui tahapan proses yang diawali dengan proses anaerobik. Dasar dari pemilihan proses ini adalah karena mikroorganisme anaero- bik memiliki kemampuan melakukan degradasi senyawa organik kompleks yang berlangsung pada kondisi beban tinggi.
Pengolahan UASB
Rangkaian percobaan pengolahan air limbah industri kertas kasar dengan reaktor UASB dan lumpur aktif seperti terlihat pada Gambar 1. Bibit lumpur yang digunakan dalam reaktor UASB me-
miliki perbandingan MLVSS/MLSS = 0,91, yang berarti lumpur aktif ini sangat baik karena men- gandung 90% mikroorganisme. Hal ini didukung dari hasil uji SEM pada Gambar 2 bahwa lumpur aktif tersebut mengandung mikrooganisme peng-
gumpal dan mikroorganisme ilament.
Adapun selain mengandung organik karbon, lumpur aktif tersebut juga sudah mengandung mineral didalamnya seperti Ca, Fe, K, Mg dan Na seperti ditunjukkan Gambar 3
Tabel 1. Karakteristik Air Limbah Pembuatan Kertas Kasar dan Baku Mutu
No. Parameter Satuan Konsentrasi Baku Mutu Limbah Cair
(Kep.No.51/MENLH/10/1995)
1. pH - 6,5 – 7,2 6 - 9
2. TSS mg/L 136 – 825 80
3. COD mg/L 1.246 – 1.936 175
4. BOD5 mg/L 373 – 1.223 90
Gambar 1. Foto Rangkaian Percobaan Pengola- han Air Limbah
Gambar 2. Uji SEM Bibit Lumpur Aktif
Gambar 3. Komposisi Organik dan Mineral dalam Lumpur Aktif
Pada awal percobaan, proses pengolahan an- aerobik dengan sistem up-low anaerobic sludge
blanket (UASB) dilakukan dengan waktu ting-
gal, Hydraulic Residence Time (HRT), air limbah dalam reaktor 2 hari dengan beban organik ren- dah atau Organic Loading Rate (OLR) = 0,4 – 0,8 kg COD/m3.hari selama 22 hari. Kondisi pH
terutama inluen UASB dijaga jangan < 6.5 agar
proses metanasi berjalan dengan baik. Hasil pe-
ngukuran pH inluen dan eluen reaktor UASB
Gambar 4. pH Air Limbah Sebelum dan Sesudah Pengolahan
Pada kondisi operasi tersebut reaktor UASB baru dapat mereduksi COD sampai 40%, BOD5 sampai 83% dan TSS sampai 29%. Konsentrasi
eluen UASB yang dihasilkan adalah COD = 353
– 796 mg/L, BOD5 = 38 – 236 mg/L dan TSS = 76 – 200 mg/L. Bila dibandingkan dengan baku mutu, terlihat bahwa untuk semua parameter umumnya masih diatas baku mutu. Konsentrasi
inluen, kualitas eluen dan reduksi untuk para-
meter COD, BOD5 dan TSS masing-masing da- pat dilihat pada Gambar 5, 6 dan 7.
Gambar 5. Konsentrasi dan Reduksi COD Reak- tor UASB
Pada hari ke 23 waktu tinggal diturunkan menjadi 1 hari dengan beban organik OLR = 0,8 – 1,6 kg COD/m3.hari yang dioperasikan selama
35 hari sampai hari ke 56. Pada kondisi operasi tersebut, terlihat seperti pada Gambar 5 bahwa reaktor UASB dapat meningkatkan reduksi COD sampai 56%. Adapun untuk parameter BOD5 ada penurunan reduksi seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Akan tetapi untuk parameter TSS, reduksinya meningkat sampai 70%. Adapun
konsentrasi eluen yang dapat dihasilkan pada
kondisi operasi UASB tersebut adalah COD = 90
– 245 mg/L, BOD5 = 13 – 81 mg/L dan TSS = 22 – 72 mg/L seperti ditunjukkan pada Gambar 5, 6 dan 7. Bila dibandingkan dengan baku mutu, terlihat bahwa untuk parameter COD, BOD5 dan TSS umumnya sudah dibawah baku mutu.
Gambar 6. Konsentrasi dan Reduksi BOD5 Reaktor UASB
Gambar 7. Konsentrasi dan Reduksi TSS Reak- tor UASB
Mulai hari ke 57, waktu tinggal air limbah dalam reaktor UASB diturunkan lagi sampai 12 jam dengan beban organik dipertinggi mencapai OLR = 1,5 – 7,6 kg COD/m3.hari. Pada kondisi
operasi tersebut, terlihat seperti pada Gambar 5 bahwa reaktor UASB dapat meningkatkan reduksi COD sampai 68%, BOD5 sampai 90%
dan TSS sampai 72%. Adapun konsentrasi eluen
yang dapat dihasilkan pada kodisi operasi UASB tersebut adalah COD = 254 – 845 mg/L, BOD5 = 54 – 679 mg/L dan TSS = 18 – 160 mg/L seperti ditunjukkan pada Gambar 5, 6 dan 7. Bila dili- hat dari hasil nilai reduksinya, ada peningkatan reduksi yang dihasilkan reaktor UASB untuk se- mua parameter. Akan tetapi bila dilihat dari kua-
litas eluen yang dihasilkannya lebih tinggi dari
yang dioperasikan dengan waktu tinggal 24 jam.
yang diolah masuk ke dalam reaktor UASB jauh lebih tinggi kadar polutannya. Bila dibandingkan dengan baku mutu, terlihat bahwa untuk parame- ter COD, BOD5 dan TSS umumnya masih sedikit diatas baku mutu yang memerlukan pengolahan lanjutan dengan proses biologi lumpur aktif.
Produksi Biogas
Dalam proses dekomposisi zat organik oleh mikroorganime di dalam reaktor UASB dihasil biogas. Banyaknya biogas yang dihasilkan se- lama percobaan dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Biogas yang dihasilkan Reaktor UASB
Banyaknya produksi biogas selama berlang- sung operasi reaktor UASB adalah berkisar anta- ra 0,11 – 0,53 L/Hari atau 0,30 – 4,61 L/gr COD
Removed.hari. Komposisi biogas terdiri dari 60
- 65% CH4 dan 35 - 40% CO2 yang berarti ban- yaknya gas metan (CH4) yang bisa digunakan se- bagai energi alternatif adalah 0,07 – 0,32 L CH4/ hari 0,18 – 2,77 L CH4/gr COD Removed.hari. Gas metan bisa digunakan sebagai bahan bakar untuk menjalankan boiler menghasilkan uap atau menggerakan genset untuk menghasilkan listrik (Chazaro, 2004). Bila dihubungkan dengan ba- han bakar yang tidak dapat diperbaharui (Non-
renewable fuel), 1 m3 biogas ekivalen dengan
0,4 kg minyak diesel atau 0,6 kg bensin atau 0,8 kg batubara (Polprasert, 1989; Ros, 2003; Elliot, 2007). Seperti diketahui bahwa industri kertas merupakan suatu industri skala menengah kea- tas dan berdasarkan dari hasil survey lapangan bahwa industri kertas skala menengah mengelu- arkan air limbah yang harus diolah minimal 60 m3/jam atau 1.440 m3/hari. Bila menggunakan
data hasil percobaan diatas memerlukan reaktor UASB bervolume 720 m3 yang akan menghasil-
kan gas metan (CH) sekitar 3,2 – 15,26 m3/hari
yang ekivalen dengan 1,28 – 6,10 kg minyak die- sel/hari atau 1,92 – 9,16 kg bensin/hari atau 2,56 – 12,21 kg batubara/hari yang dapat digunakan untuk mengurangi kebutuhan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui (Non-renewable fuel). Selain penggunaan gas metan sebagai energi al- ternatif juga dapat mengurangi emisi Gas Rumah Kaca (GRK) ke lingkungan.
Pengolahan Lumpur Aktif
Eluen dari proses anaerobik selanjutnya di- olah dengan proses aerobik, proses lumpur aktif konvensional dengan kondisi operasi diatur pada konsentrasi MLVSS = 2.500 - 3.000 mg/L. Waktu tinggal (Hydraulic Residence Time, HRT) dalam reaktor divariasiasikan melalui pengaturan debit secara kontinyu, dimulai dari waktu tinggal 2 hari, 1 hari dan 12 jam. Pada HRT = 2 hari, proses pen- golahan aerobik, lumpur aktif konvensional dapat mereduksi COD sampai 71,5 %, BOD5 sampai 95,7 % dan TSS sampai 95,5% dengan konsen-
trasi eluennya masing-masing COD = 141 - 711
mg/L, BOD5 = 10 – 89 mg/L, dan TSS = 9 – 95 mg/L seperti terlihat masing-masing pada Gam- bar 9, 10 dan 11. Pada pada waktu tinggal terse-
but konsentrasi eluen dari pengolahan aerobik
ini terutama parameter BOD5 dan TSS sudah me- menuhi baku mutu kecuali parameter COD. Pada waktu tinggal 1 hari, proses pengolahan aerobik, lumpur aktif konvensional dapat mereduksi COD sampai 68,5 %, BOD5 sampai 76,6 % dan TSS
sampai 95,1% dengan konsentrasi eluennya
masing-masing COD = 47 - 119 mg/L, BOD5 = 9 – 50 mg/L, dan TSS = 4 – 34 mg/L seperti terlihat masing-masing pada Gambar 9, 10 dan 11. Pada pada waktu tinggal tersebut konsentrasi
eluen dari pengolahan aerobik ini untuk semua
parameter sudah memenuhi baku mutu.
Gambar 9. Konsentrasi dan Reduksi COD Reak- tor Lumpur Aktif
Gambar 10. Konsentrasi dan Reduksi BOD5 Reaktor Lumpur Aktif
Pada waktu tinggal 12 jam, proses pengola- han aerobik, lumpur aktif konvensional dapat mereduksi COD sampai 75 %, BOD5 sampai 90 % dan TSS sampai 70% dengan konsentrasi
eluennya masing-masing COD = 96 - 169 mg/L,
BOD5 = 14 – 69 mg/L, dan TSS = 12 – 34 mg/L seperti terlihat masing-masing pada Gambar 9, 10 dan 11. Pada pada waktu tinggal tersebut kon-
sentrasi eluen dari pengolahan aerobik ini bisa
memenuhi baku mutu untuk semua parameter.
Gambar 11. Konsentrasi dan Reduksi TSS Reak- tor lumpur aktif
Pengolahan Gabungan UASB - Lumpur Aktif
Hasil pengolahan air limbah dari proses ga- bungan UASB - lumpur aktif ditunjukkan pada Gambar 12, 13 dan 14. Pada waktu tinggal 2 hari, proses pengolahan air limbah gabungan UASB - lumpur aktif dapat mereduksi COD = 17 - 83 %, BOD5 = 41 - 98 % dan TSS = 28 - 96% dengan kualitas belum memenuhi baku mutu. Pada wak- tu tinggal 24 jam, proses pengolahan air limbah gabungan UASB - lumpur aktif dapat mereduksi COD = 61 - 82 %, BOD5 = 24 - 79 % dan TSS = 50 - 98% dengan kualitas telah memenuhi baku mutu.
Gambar 12. Konsentrasi dan Reduksi COD Reaktor UASB + Lumpur aktif
Pada waktu tinggal 12 jam, proses pengolahan air limbah gabungan UASB - lumpur aktif dapat mereduksi COD = 62 - 91 %, BOD5 = 91 - 98 % dan TSS = 41 - 85% dengan kualitas belum semua parameter memenuhi baku mutu.
Gambar 13. Konsentrasi dan Reduksi BOD5 Reaktor UASB + Lumpur Aktif
Gambar 14. Konsentrasi dan Reduksi TSS Reaktor Anaerobik + Lumpur Aktif
Namun demikian nilai reduksi semua para- meter tersebut lebih tinggi dari pada yang dica- pai pada pengoperasian proses pengolahan air limbah gabungan UASB - lumpur aktif dengan waktu tinggal 2 hari dan 1 hari.
KESIMPULAN
Karakteristik air limbah industri kertas kasar meKarakteristik air limbah industri kertas kasar mengandung bahan cemaran organik terlarut yang sangat tinggi yang memerlukan pengola- han air limbah dengan proses anaerobik (UASB) – aerobik (lumpur aktif). Pengolahan air limbah dengan sistem gabungan UASB - lumpur aktif dapat mereduksi COD sampai 91%, BOD5 sam- pai 98% dan TSS sampai 85% dengan kualitas
eluen yang memenuhi baku mutu. Penggunaan
UASB dalam pengolahan air limbah industri ker- tas kasar menghasilkan biogas yang mengandung gas metan (CH4) yang berpotensi digunakan se- bagai energi alternatif untuk mengurangi kebutuh bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui (Non-
renewable fuel) serta mengurangi emisi Gas Ru-
mah Kaca (GRK) ke lingkungan.
DAFTAR PUSTAKA
Ayati, B., Ganjidoust, H.(2006), Comparing the Eficiency of UAFF And UASB with Hybrid
Reactor in Treating Wood Fiber Wastewater,
Iran. J. Environ. Health. Sci. Eng., Vol. 3, No. 1, pp. 39-44.
Azimi, A. A., Zamanzadeh, M. (2004), Determi- nation of design criteria for UASB reactors as a wastewater pretreatment system in tropical small communities, International Journal of Environmental Science & Technology Vol. 1,
No. 1, pp. 51- 57, Spring.
Chinnaraj. S., Rao, G. V. (2005). Implementation of an UASB anaerobic digester at bagasse-
based pulp and paper industry, Elsevier Ltd.
Elliot, Allan and Mahmood Talat (2007), Review, Pretreatment Technologies for Advancing An- aerobic Digestion of Pulp and Paper Biotreat-
ment Residues, Water Research 41; 4273 –
4286.
Garner, J.W. (1991). Environmental Solutions for
the Pulp and Paper Industry. Miller Freeman,
San Francisco, 105-106.
Ghangrekar, M. M., Kahalekar, U. J.(2003), Per- formance and Cost Eficacy of Two-stage An-
aerobic Sewage Treatment, IE (I) Journal Vol
84, September 2003.
Indonesian Pulp and Paper Industry Directory (2007), Indonesian Pulp and Paper Associa- tion, PT. Gramedia Jakarta.
Kep.No. 51/MENLH/10/1995, Lampiran B.V, Baku Mutu Limbah Cair Industri Pulp dan Kertas.
Kumar,G.S., et al. (2007). Anaerobic Hybrid Re- actor - A Promising Technology for the Treat- ment of Distillery Spent Wash, Journal of In-
dian School of Mines, Vol.11, No.1, 25-38.
Natpinit, S., et al. (2004). Development of Gran- ule in UASB Reactor for Wastewater from Fishery-based Industry, The Joint Interna- tional Conference on “Sustainable Energy
and Environment (SEE)”, Hua Hin, Thailand.
Polprasert, Chongkrak (1989), Organic Waste
Recycling, New York, John Willey & Son,
Hal. 105 – 144.
Chazaro Gerbang Internasional, PT.,(2004), Uti-
lization of Biogas Generated from the An-
aerobic Treatment of Palm Oil Mills Efluent
(POME) as Indigenous Energy Source for Ru-
ral Energy Supply and Electriication, A Pre-
Feasibility Sudy Report.
Ros, Milenko and Zupancic, Gregor Drago (2003), Thermophilic Anaerobic Digestion of
Waste Activated Sludge, Acta Chim.Slov: 50,
35 – 374.
Shanmugam, A. S., Akunna, J. C., (2008). Com-
paring the performance of UASB and GRAB-
BR treating low strength wastewaters, Water
Science & Technology—WST, 58.1, 2008.
Sperling, M.von, et al. (2001). Performance eval- uation of a UASB – activated sludge system treating municipal wastewater, Water Science