II. TINJAUAN PUSTAKA
II.4. Pengolahan Limbah Cair dengan Lumpur aktif
Proses pengolahan limbah secara biologis merupakan metode yang memanfaatkan mikroorganisme untuk menguraikan material yang terkandung didalam air limbah. Mikroorganisme sendiri selain menguraikan dan menghilangkan kandungan material, juga menjadikan material yang terurai tadi sebagai tempat perkembangbiakannya (Tyoso,1991). Salah satu metode pengolahan limbah secara biologis yang sering dipakai adalah sistem lumpur aktif (Eckenfelder,1989;Tyoso,1991).
II.4.1. Sistem Lumpur aktif
Lumpur aktif (activated sludge) adalah gumpalan partikel tersuspensi yang mengandung campuran mikroorganisme aerobik yang dihasilkan melalui proses aerasi (Frobisher,1962 dalam Said, 1994). Adapun jenis Mikrorganisme yang terdapat dalam lumpur aktif diantaranya adalah bakteri, fungi, protozoa serta beberapa metazoa.
Sistem lumpur aktif mampu menstabilkan zat-zat organik terlarut sampai tingkat kadar yang rendah dalam waktu yang relatif singkat, percepatan terjadi karena massa mikroorganisme membentuk flok-flok zat biologis padat pada
konsentrasi tinggi yang relatif tetap. Kestabilan konsentrasi diperoleh dengan mengembalikan sebagian lumpur dari klarifier akhir ke tangki aerasi, selain juga mendorong terjadinya inokulasi lumpur aktif terus menerus agar waktu tinggal lumpur lebih panjang dan mikroorganisme mampu beradaptasi dengan nutrien yang ada (Tyoso,1991).
Tujuan dari proses lumpur aktif sebenarnya adalah untuk memisahkan bahan organik terlarut dan yang tidak terlarut dari limbah dan mengkonversikan material tersebut menjadi suspensi flokulan mikrobial yang siap diendapkan dengan teknik pemisahan padatan cairan secara gravitasi (Eckenfelder,1989). Secara umum proses lumpur aktif dapat dilihat pada Gambar 2.
Pada Gambar 2 dapat dijelaskan bahwa Influen merupakan input limbah cair hasil dari suatu proses, kemudian diintroduksi oksigen atau disebut dengan aerasi dalam suatu tanki untuk mempercepat terjadinya kontak antara limbah organik dan mikroorganisme untuk pembentukan flok (bioflokulasi). Flok yang terbentuk diendapkan secara gravitasi di tanki sedimentasi sehingga dihasilkan supernatan yang keluar melalui effluen dan padatan lumpur di dasar tanki. Sebagian besar padatan lumpur kemudian dikembalikan ke tanki aerasi untuk menjaga kestabilan serta sebagian kecil dibuang (waste disposal) (Tyoso,1991).
Gambar 2 Sistem penanganan limbah cair dengan lumpur aktif (Tyoso,1991).
II.4.2. Proses Koagulasi – Flokulasi
Proses koagulasi – flokulasi banyak dipengaruhi oleh mekanisme fisik dan kimia, dari media airnya maupun partikel-partikel yang menyebabkan kekeruhan. Proses ini merupakan salah satu penanganan primer (Primary treatment) pada limbah cair yang tercemar berat oleh bahan-bahan kimia
EFFLUEN LUMPUR YANG DIBUANG AERASI INFLUEN BIOFLOKULASI LUMPUR YANG DIKEMBALIKAN SEDIMENTASI
berbahaya seperti logam dan lainnya agar memperkecil beban organiknya saat dilakukan proses selanjutnya secara biologis. Proses ini secara umum bertujuan memisahkan partikel-partikel tersuspensi dan koloid yang dengan gravitasi atau secara mekanis biasa tidak mampu mengatasi batas tolak-menolak antara partikel yang bermuatan sama, agar terjadi penggabungan maka gaya tolak menolak harus diperkecil dengan cara penambahan koagulan (Eckenfelder,1989). Koagulan adalah bahan kimia yang mempunyai kemampuan untuk menetralisir muatan partikel koloid dan mampu mengikat partikel-partikel tersebut membentuk gumpalan atau flok (Mas’ud,1995). Dengan cara ini, koagulan digunakan untuk menggumpalkan bahan-bahan yang ada dalam air limbah menjadi flok yang mudah untuk dipisahkan yaitu dengan cara diendapkan, diapungkan dan disaring (www.Forlink,2000).
Flokulasi didefinisikan sebagai suatu proses penggabungan atau penggumpalan partikel-partikel koloid yang telah mengalami destabilisasi pada proses koagulasi sehingga terbentuk flok yang lebih besar dan berat dengan demikian mudah untuk mengendap. Bridgwater dan Mumford (1979) dalam Mas’ud (1995) menambahkan bahwa bentuk kumpulan flok yaitu seperti bunga karang dengan permukaan luas, sehingga mampu mengadsorpsi bahan-bahan halus dari larutan, oleh karena itu kumpulan flok tersebut juga mampu dalam penghilangan warna, kekeruhan, bahan-bahan organik dan bakteri dalam larutan. Flokulan merupakan polimer yang terdiri dari monomer-monomer yang bermuatan listrik atau mengandung gugus yang dapat terionisasi. Flokulan mampu menetralisir muatan, adsorpsi dan pembentukan jembatan antar partikel. Bila molekul flokulan bersentuhan dengan partikel koloid, maka beberapa gugusnya akan terserap pada permukaan partikel dan sisanya tetap berada di dalam larutan. Jika partikel kedua terikat pula pada bagian lain rantai polimer tersebut maka terjadi penggabungan partikel dimana polimernya berfungsi sebagai jembatan. Adapun gradien di dalam cairan akan mengakibatkan kontak antar partikel, dan karena pergerakan partikel akan terjadi saling benturan dan mengakibatkan penggabungan antar mikroflok halus menjadi flok-flok besar.
Secara garis besar tahap pembentukan flok tersebut adalah proses destabilisasi partikel koloid, pembentukan mikroflok, penggabungan mikroflok dan pembentukan makroflok. Tahap destabilisasi dan pembentukan mikroflok terjadi pada proses koagulasi dan tahap penggabungan mikroflok dan pembentukan makroflok terjadi selama proses flokulasi. Proses Koagulasi –
Flokulasi mampu menetralkan kandungan kimiawi yang sangat tinggi menjadi lebih rendah, proses ini sangat berperan dalam menunjang tahap selanjutnya yaitu proses aerasi secara biologis dengan demikian larutan limbah dapat dipisahkan secara lebih mudah.
II.4.3. Proses Sedimentasi Lumpur Aktif
Dalam proses lumpur aktif, polutan organik diserap oleh mikroorganisme dalam tanki aerasi. Mikroorganisme ini secara essensial adalah lumpur aktif itu sendiri. Akan tetapi tanpa sedimentasi atau pemisahan lumpur dari larutannya, proses pengolahan tidak akan efektif sama sekali. Untuk alasan tersebut maka pengendapan gravitasi (sedimentasi) pada tanki kedua (secondary tank) merupakan bagian yang sangat penting dalam sistem pengolahan lumpur aktif (Nathanson,1997; James, 1994).
Sedimentasi adalah proses pemisahan dari air, partikel larutan yang lebih berat dari air dengan pengendapan secara gravitasi, sedimentasi digunakan untuk memisahkan flok biologis dan memproduksi effluen yang lebih jernih (Metcalf and Eddy,1991). Bila lumpur tidak cepat mengendap, beberapa akan terbawa ke efluen dan akan menyebabkan pencemaran pada air supernatan yang diperoleh (Nathanson,1997). Pada beberapa kasus setelah proses sedimentasi dilakukan penambahan koagulan (bahan kimia yang meningkatkan flokulasi dan menyebabkan penggendapan flok (Schoeder,1977).
Dalam beberapa kondisi, proses sedimentasi sering terhambat. Alasan utamanya adalah pesatnya pertumbuhan bakteri berfilamen atau berserabut, secara subur di tanki aerasi dan membuat lumpur menjadi halus dan ringan. Lumpur berfilamen yang tumbuh secara berlebihan seperti ini lambat mengendap, sehingga supernatan yang jernih tidak akan diperoleh di akhir proses, Kondisi ini sering disebut dengan bulking (Nathanson,1997). Kondisi bulking seperti ini bisa dikontrol dan dibatasi dengan melakukan penyesuaian pada konsentrasi MLSS dan rasio F/M.
Penyesuaian akan efektif bila diketahui pola pengendapan lumpur aktif. Pola pengendapan mampu diidentifikasi berdasarkan nilai kualitas pengendapan lumpur yang disebut Sludge Volume Index (SVI) (Metcalf dan Eddy,1991). Penyesuaian diperoleh dengan mengembalikan lumpur dari tanki sedimentasi kedua ke aerasi dan pengaturan konsentrasi MLSS yang mempunyai SVI yang tinggi (Nathanson,1997).
Dalam penangangan limbah cair industri dengan menggunakan sistem lumpur aktif, bila konsentrasi dari larutan padat (suspended solid) sangat tinggi, mencapai > 500 mg/l, partikel limbah tidak mengendap secara independen, flok partikel melekat bersama dan massa partikel mengendap membentuk lapisan yang berbeda antara flok lumpur dan supernatan (Schoeder,1977; Eckenfelder,1989). Dengan asumsi kecepatan pengendapan proporsional dengan konsentrasi padatan limbah dan tidak ada interaksi mekanis antar partikel, secara konseptual pola pengendapan berikut dapat menjelaskan sistem yang terjadi :
Gambar 3 Skema konseptual pola pengendapan lumpur aktif (Eckenfelder,1989; Metcalf and Eddy,1991)
Pada skema konseptual di atas, selama periode pengendapan maka kecepatan mengendap lumpur dalam keadaan yang sama. Daerah A menggambarkan konsentrasi awal dari partikel lumpur yang teraerasi (kondisi I), bersamaan dengan terjadinya pengendapan partikel padatan mengendap di daerah D secara konstan, dan terbentuk daerah C sebagai daerah transisi dan daerah supernatan B (kondisi II). Pada kondisi III terjadi hal yang sama dengan padatan yang mengendap lebih banyak (daerah D) dan supernatan yang meningkat (daerah B) serta penurunan daerah A. Kemudian kecepatan pengendapan akan menurun karena meningkatnya densitas dan viskositas larutan di sekitar partikel dan kondisi IV pun terbentuk dimana partikel lumpur sudah mengendap penuh (daerah D) sehingga antara padatan dan air supernatan (daerah B) terlihat jelas (Eckenfelder,1989;Metcalf dan Eddy,1991).
Fenomena yang ditunjukan pada Gambar 3 menjadi dasar identifikasi kurva fase mengendapnya lumpur yang terflokulasi. Pada konsentrasi awal yang seragam lumpur mengendap dengan kecepatan yang seragam pula. Ada tiga fase pengendapan yang terbentuk yaitu fase zona, fase transisi dan fase
pemadatan (Eckenfelder,1989). Skema umum fase pengendapan lumpur disajikan pada Gambar 4.
Gambar 4 Skema umum fase pengendapan lumpur terflokulasi. (Eckenfelder,1989)
Seperti halnya kondisi yang terjadi di lapangan ada interaksi antar partikel dan konsentrasi biomassa yang tidak mengendap sempurna ke dasar tanki (bulking) yang berpengaruh terhadap turunnya kecepatan mengendap lumpur. Hal ini yang menyebabkan efektifitas dan kualitas effluen menjadi rendah. Diyakini akibat pengaruh di atas proses pengendapan membentuk suatu pola yang kontinyu terhadap waktu. Skema fase pengendapan 4 menjadi dasar pemikiran dilakukan penelitian ini. Asumsi dasar yang dipergunakan adalah pengaruh dari faktor lingkungan seperti pH, suhu dan lainnya dianggap konstan.
II.4.4. Karakteristik Flok
Dalam Sistem lumpur aktif mikroorganisme bersama-sama dengan partikel-partikel terlarut dalam limbah membentuk flok sebagai unit operasional dasar lumpur aktif yang sering disebut dengan proses Bioflokulasi. Dari beberapa penelitian secara fisik didapatkan informasi bahwa dalam pembentukan flok lumpur aktif terdapat dua macam struktur, yaitu mikrostruktur dan makrostruktur (Sezgin, 1978 dalam Sutapa, 2004).
Mikrostruktur dipengaruhi oleh adhesi mikrobiologis, pembentukan agregat, dan bioflokulasi. Hal ini merupakan dasar pembentukan flok lumpur aktif, karena bila suatu mikroorganisma tidak mampu bergabung dengan mikroorganisma lainnya, maka endapan (sedimen) yang terdiri dari kumpulan mikroorganisme tidak akan terbentuk. Pada sistem lumpur aktif yang hanya terdiri dari bakteri pembentuk flok (floc forming bacteria), flok yang terbentuk
Fase pemadatan Fase Transisi Fase zona T ingg i perm u kaa n lum p u r Waktu pengendapan
adalah mikrostruktur. Pembentukan flok makrostruktur pada sistem lumpur aktif dipengaruhi oleh mikroorganisma berfilamen. Mikroorganisma ini membentuk suatu hubungan atau ikatan diantara flok-flok yang terbentuk oleh bakteri pembentuk flok (Sutapa, 2004).
Dalam pembentukan flok tersebut, mikroorganisme yang paling berperan adalah bakteri (hampir 95% dari total biomassa lumpur aktif). Ada dua kelompok bakteri yang paling dominan yaitu bakteri pembentuk flok serta bakteri berfilamen. Jenis bakteri seperti Zooglea ragimera, Flavobacterium, Pseudomonas, Alcaligenes dan Achromobacter merupakan bakteri pembentuk flok, sementara jenis Flavobacterium ferrugenum, Nocardia, Sphaerotilus natans, Haliscomenobacter hydrosis, Microthrix parvicella merupakan bakteri berfilamen (Jenkins et al.,1993). Berdasarkan keberadaan bakteri filamennya terdapat 3 tipe flok yang terbentuk dalam lumpur aktif yaitu :
1. Flok Normal atau flok ideal
Pada flok normal ini pertumbuhan bakteri filamen seimbang dengan bakteri pembentuk flok. Bakteri filamen berada didalam flok, sebagian kecil membentuk juluran keluar dari flok (gambar 5a). Flok yang terbentuk kokoh dan besar sehingga menghasilkan supernatan yang jernih dengan nilai Sludge Volume Index berkisar antara 70- 120 ml/g.
2. Pinpoint flok
Pada tipe flok ini hanya terdapat sedikit atau bahkan tidak terdapat bakteri filamen (Gambar 5b). Floknya berukuran kecil dan rapuh, mudah terpecah oleh adanya turbulensi dalam bak aerasi. Flok sulit untuk mengendap, meghasilkan supernatan yang keruh, nilai SVI rendah yaitu di bawah 70 ml/g.
3. Flok Bulking
Bakteri filamen sangat banyak, tumbuh di dalam dan diluar flok (Gambar 5c). Bakteri filamen menyebabkan struktur flok menjadi difus, atau terjadi ikatan (bridging) antar flok. Flok sukar untuk mengendap, nilai SVI tinggi yaitu di atas 150 ml/g sehingga menghasilkan bulking.
a. flok normal b. Pinpoint flok c. Flok bulking Gambar 5 Tipe Flok Berdasarkan Keberadaan Filamennya.
(Jenkins et al.,1993)
Didalam flok, bakteri filamen berperan sebagai backbone atau kerangka dasar flok. Bakteri filamen memberi bentuk dan kekuatan pada flok. Sezgin dalam Jenkins et al. (1993). Menemukan bentuk flok berubah dari sferis pada saat jumlah bakteri filamen sedikit, menjadi silindris pada saat jumlah bakteri filamen banyak. Hal ini menandakan bahwa pertumbuhan flok searah dengan pertumbuhan bakteri filamen.
Bulking digambarkan sebagai keadaan limbah yang sulit untuk mengendap sehingga pada aliran keluarnya tetap mengandung senyawa organik tinggi. Dilihat dari segi struktur, bulking mengacu pada pertumbuhan flok makrostruktur dengan jumlah bakteri filamen yang sangat banyak (Gray,1995). Bakteri ini menyebabkan partikel-partikel flok sulit untuk bergabung membentuk massa flok yang lebih besar sehingga sulit mengendap. Selain komposisi limbah, kondisi operasional dan design sistem mempengaruhi terjadinya bulking. Sehingga perlu upaya mengoptimalkan performa kondisi operasional dan design sistemnya.
Prediksi terhadap performa tangki sedimentasi kedua sangat sulit dilakukan dikarenakan keheterogenan larutan limbah. Kesulitan tersebut mampu diatasi dengan membuat pemodelan sistem terhadap design dan performa proses yang terjadi pada tanki tersebut. Menurut James (1994), ada dua faktor yang paling berpengaruh terhadap performa proses di tanki sedimentasi yaitu : (1) Konsentrasi dari larutan limbah (2) Bahan yang terflokulasi dari partikel limbah tersebut. Pemodelan sistem mampu mengidentifikasi dengan tepat kedua faktor di atas.
II.5. Prediksi Pola Pengendapan Lumpur