BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II. 2. 2 Proses aerob
Menurut (Metcalf and Eddy, 2003), Pengolahan air limbah dengan proses biologi aerob merupakan suatu proses pengolahan air limbah dengan memanfaatkan aktifitas mikroorganisme dalam keadaan aerob, yaitu proses yang berlangsung
dengan hadirnya oksigen. Kotoran akan menjadi senyawa dari campuran kompleks, konsentrasi dari nutrient biasanya ditunjukkan dalam istilah BOD, COD atau beberapa ukuran keseluruhan yang didasarkan pada berat oksigen yang diperlukan untuk mengoksidasi satuan berat dari nutrient dibawah kondisi khusus.
Energi diperlukan untuk oksidasi bagian nutrient ditengah-tengah.dengan kehadiran oksigen mikroba aerobik membusukkan bahan organik menjadi karbondioksida dan air. Reaksi ini sangat eksothermis dan termasuk cepat pada temperatur sekitarnya.
Proses aerobik dapat dilakukan melalui dua mekanisme dasar yaitu : 1. Proses Pembentukan Suspensi.
2. Proses Pelekatan Suspensi
Proses pembentukan suspensi merupakan interaksi antara mikroorganisme dengan limbah sehingga membentuk gumpalan menjadi massa flokulan yang mampu bergerak sesuai dengan arah aliran limbah. Pengadukan (agitasi) campuran limbah dengan miktoorganisme membuat mikroba tetap berada dalam tersuspensi. Hal ini menguntungkan karena mudah membentuk endapan. Proses ini dapat juga berlangsung dalam suasana anaerobik.
Pengambilan zat tercemar yang terkandung didalam air limbah yang merupakan tujuan pengolahan air limbah. Penambahan oksigen adalah salah satu usaha dari pengambilan zat pencemar tersebut, sehingga konsentrasi zat pencemar akan berkurang atau bahkan dapat dihilangkan sama sekali. Zat yang diambil dapat berupa gas, cairan, ion, koloid atau bahan tercampur.
10
Proses pengolahan air lindi secara aerob merupakan proses pengolahan secara biologi untuk mengurangi, bahkan menghilangkan kadar organik dalam air lindi dengan memanfaatkan mikroorganisme yang membutuhkan oksigen. Ini akan dipergunakan oleh mikroorganisme pengolah untuk aktivitas kehidupannya. Proses penguraian bahan organik menggunakan oksigen dan proses penumbuhan bakteri. (Suharfiyah. T., 2006).
Pada organisme aerobik, substrat karbon dioksida menjadi CO2 dengan melepas elektron dan untuk memelihara netralitas elektron, elektron ini diterima oleh O2 yang direduksi manjadi H2O. Reduksi O2 melalui sejumlah jalur biokimia dailakukan oleh satu grup bakteri dan menghasilkan sejumlah besar energi.
Zat Orgaik + O2 H2O+ CO2
Waktu tinggal yang dibutuhkan untuk pengolahan proses biologi secara aerobik kurang dari tiga minggu atau 20 hari.
Kolam aerobik adalah suatu bentuk pengolahan secara biologi yang paling sederhana. Kolam stabilisasi secara biologi akan membutuhkan area yang luas dengan kedalaman yang dangkal. Dengan kolam semacam ini maka kondisi aerobik akan terpelihara dengan adanya algae dan bakteri.
Kolam stabilisasi secara aerobik mengandung bakteri dan algae dalam kondisi aerobik di sepanjang kedalaman. Ada dua tipe pengolahan kolam aerobik, yaitu tipe high rate dengan memaksimalkan produksi algae. Tipe yang kedua biasa disebut sebagai oksidasi atau kolam stabilisasi, dengan cara memaksimalkan konsentrasi
M.O
oksigen yang dihasilkan. Untuk mencapai hasil yang terbaik, kolam diaduk secara periodik dengan pompa atau surface aeration.
Prinsip pengolahan ini adalah bahan organik yang terlarut didalam air dioksidasi oleh bakteri dengan menggunakan oksigen yang dihasilkan oleh algae yang tumbuh disekitar permukaan air. Untuk kelangsungan proses, bakteri membutuhkan oksigen didalam jumlah yang cukup, dan biasanya karena DO didalam air tidak mencukupi, sumber lain didapatkan dengan cara fotosintesis oleh mikro algae.
beberapa perbedaan antara proses anaerobik dengan aerobik :
1. Proses anaerobik dapat menggunakan CO2 dan tidak membutuhkan oksigen.
2. Penguraian anaerobik menghasilkan lebih sedikit lumpur. Energi yang dihasilkan bakteri anaerob relatif rendah. Sebagian besar energi didapat dari pemecahan substrat yang ditemukan dalam hasil akhir, yaitu CH4. 3. Penguraian anaerobik lebih lambat pada umumnya: 40-60 hari maka
untuk mengatasinya adalah melakukan pengolahan aerobik, juga sensitif terhadap senyawa toksik. Start up membutuhkan waktu yang lama.
II.3 Pertumbuhan Bakteri Aerob
Bakteri merupakan unsur utama dalam flok lumpur aktif. Lebih dari 300 jenis baktri yang dapat ditemukan dalam lumpur aktif. Bakteri tersebut bertanggung jawab
12
terhadap oksidasi material organik dan tranformasi nutrien, dan bakteri menghasilkan polisakarida dan material polimer yang membantu flokulasi biomassa mikrobiologi.
Karena tingkat oksigen dalam difusi terbatas, jumlah bakteri aktif aerobik menurun karena ukuran flok meningkat. Bagian dalam flok yang relatif besar membuat kondisi berkembangnya bakteri anaerobik seperti metanogen, kehadiran metanogen dapat dijelaskan dengan pembentukan beberapa kantong anaerobik didalam flok atau dengan metanogen tertentu terhadap oksigen. Oleh karena itu lumpur aktif cukup baik dan cocok untuk material bibit bagi pengoperasian awal reaktor anaerobik.
Tabel 2. II. Distribusi Bakteri Heterobik dalam Lumpur Aktif Standard GENUS
KELOMPOK
PERSENTASI DARI TOTAL ISOLAT
Comamonas - Pseudomonas Alkaligenes
Pseudomonas (Kelompok Florescent) Paracoccus
Unidentified (gram negative rods) Aeromomas Flavobacterium – Cytophaga Bacillus Micrococcus Coryneform Arthrobacter Aureobacterium – Microbacterium 50 5,8 1,9 11,5 1,9 1,9 13,5 1,9 1,9 5,8 1,9 1,9
1. Pertumbuhan Bakteri Tersuspensi / Tercampur (Suspended Growth)
Proses pengolahan biologis dengan menggunakan bakteri tercampur bertujuan untuk menurunkan kandungan organic atau kandungan lain dari air buangan menjadi gas dan partikel tersuspensi.
Proses pertumbuhan bakteri tersuspensi telah banyak dioperasikan di industri dengan menggunakan metode pemisahan konsentrasi oksigen (aerasi). Pereaksi yang digunakan adalah bahan organic dan lumpur – lumpur organik. Proses pertumbuhan bakteri tersuspensi yang paling umum digunakan dalam pengolahan air buangan adalah Lumpur aktif, aerated lagoon dan aerobic digestion.
2. Pertumbuhan Bakteri Lekat (Attached Growth)
Proses pengolahan biologis dengan menggunakan bakteri lekat digunakan pada suatu media untuk mengubah kandungan organik atau kandungan lain dalam air buangan. Bakteri ini menggabungkan diri pada beberapa perantara padat diantaranya bebatuan (karang), arang atau bahan – bahan yang didesain khusus sebagai media tumbuh seperti keramik atau plastik. Pada proses penggabungan dalam suatu media, bakteri akan berkembang untuk mendegradasi air buangan sehingga membentuk suatu lapisan tebal (lendir) yang disebut biofilm (Wardhani, 2005).
Bakteri diperlukan untuk menguraikan bahan organik yang ada dalam air limbah. Oleh karena itu diperlukan jumlah bakteri yang cukup untuk menguraikan bahan – bahan tersebut. Bakteri itu sendiri akan berkembang baik apabila jumlah
14
makanan yang terkandung didalamnya cukup tersedia, sehingga pertumbuhan bakteri dapat dipertahankan secara konstan. Proses pertumbuhan bakteri dibagi dalam 6 fase yaitu (Reynold,1996) :
1). Fase Lag (Lag Phase)
Pada permulaannya bakteri berbiak secara konstan dan agak lambat pertumbuhannya karena adanya suasana baru pada air limbah tersebut.
2). Fase Akselerasi (Acceleration Phase)
Setelah beberapa jam berjalan maka bakteri mulai tumbuh berlipat ganda. 3). Fase Log (Log Phase)
Setelah fase akselerasi berakhir maka terdapat bakteri yang tepat dan bakteri yang terus meningkat jumlahnya dan sangat cepat. Selama log phase diperlukan banyak persediaan makanan, sehingga pada suatu saat terdapat pertemuan antara pertumbuhan bakteri yang meninggkat dan penurunan jumlah makanan yang terkandung didalamnya.
4). Declining Growth Phase
Setelah fase log berjalan terus, maka akan terjadi keadaan dimana jumlah bakteri dan makanan tidak seimbang. Pada akhirnya makanan akan habis dan kematian bakteri akan terus meningkat.
5). Statinary Phase
6). Endogenous Phase
Setelah jumlah makanan habis dipergunakan, maka jumlah kematian akan lebih besar dari jumlah pertumbuhannya dan pada saat ini bakteri menggunakan energi simpanan ATP untuk pernafasanya sampai ATP habis yang kemudian akan mati
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik prtumbuhan bakteri pada reaktor. `
penurunan
adaptasi percepatan pertumbuhan seimbang pertumbuhan kematian
Log
Time
Gambar 2.6. Kurva Pertumbuhan Bakteri (Reynold,1996)
II.4. Landasan Teori
Teori yang melandasi penelitian ini didasari atas pengolahan air lindi (leachate) TPA Benowo dengan proses biologi menggunakan sistem aerob dengan cara Step Aeration.
16
II.4.1 Proses Lumpur Aktif ( Activated Sludge )
Salah satu proses biologi yang banyak digunakan adalah lumpur aktif. Pengolahan lumpur aktif adalah sistem pengolahan dengan menggunakan bakteri aerobik yang dibiakkan dalam tangki aerasi yang bertujuan untuk menurunkan organik karbon atau organik nitrogen. Bakteri yang tumbuh merupakan bakteri tersuspensi / tercampur. Dalam hal menurunkan organik karbon bakteri yang berperan adalah heterotropik. Sumber energi berasal dari oksidasi senyawa oeranik dan sumber karbon adalah organik karbon. BOD atau COD dipakai sebagai ukuran atau satuan yang menyatakan konsentrasi organik karbon dan selanjutnya disebut sebagai substrat. 4 proses penting dalam proses lumpur aktif yaitu :
1. Proses Stabilisasi
Zat dan kebutuhan nutrisi diuraikan secara perlahan melalui metabolisme mikroorganisme.
2. Proses mineralisasi
Saat proses stabilisasi sebagian nutrient dioksidasi menjadi materi/zat yang sederhana berupa karbondioksida.
3. Proses Asimilasi
Merubah sampai terjadi mikroba baru 4. Proses respirasi Endogenous
Proses oksidasi melengkapi energi yang didapat untuk proses operasi adsobsi dan asimilasi. Persamaan biokimia untuk proses resipilasi dan sintesis dalam proses lumpur aktif
Bakteri
Bahan organik + O2 Sel baru + CO2 + H2O + energi + Produk akhir
Beberapa produk akhir seperti NH4 , NO2 , NO3 , PO4 serta produk lain berupa lumpur. Bakteri melakukan repirasi dan melakukan sintesa untuk kelangsungan hidupnya.
Proses lumpur aktif dirancang untuk mendapatkan kualitas air limbah hasil pengolahan (effluent) yang spesifik sedangkan tujuan dalam mengatur dan mengendalikan kondisi operasional adalah untuk memastikan bahwa kualitas effluent terjaga dengan biaya operasional yang minimal (Wardhani, 2005).
Kualitas effluent pada proses lumpur aktif dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah :
a. Variasi Laju Alir
BOD, COD dan padatan tersuspensi pada air limbah yang diolah besar kecilnya laju alir limbah mempengaruhi waktu detensi dalam proses pengolahan yang akan berpengaruh terhadap kualitas effluent limbah.
b. Flokulasi dalam Parameter Operasional yaitu Umur Lumpur
Umur lumpur dalam proses pengolahan sangat mempengaruhi kualitas effluent sehingga pada umumnya umur lumpur ditetapkan antara 3 – 15 hari untuk mendapatkan hasil yang effektif.
18
c. Perbandingan Jumlah Substrat dengan Masa Mikroba (F/M ratio)
Rasio F/M umumnya digunakan sebagai konsentrasi substrat yang masuk dalam proses per unit biomassa dalam tangki aerasi per waktu.beberapa literatur menyebutkan bahwa besarnya nilai F/M bervariasi mulai 0,05 – 1 untuk umur lumpur aktif konvensional. Kriteria F/M 0.2 – 0.5 dan umur lumpur 6 – 15 hari akan menghasilkan kondisi stabil, effluent yang bagus dan pengendapan biosollid yang cepat(Wardhani, 2005).
d. Kondisi Umur Lumpur
Merupakan salah satu faktor penting karena dalam lumpur aktif tersebut terdapat mikroorganisme yang membantu proses pengolahan lumpur aktif.
e. Perbandingan Umpan Balik (recyle ratio)
Umpan balik digunakan untuk membantu memperpanjang waktu detensi. f. Kebutuhan / Suplai Oksigen
Jika effisiensi oksigen trasfer sistem aerasi diketahui maka kebutuhan udara dapat ditentukan. Supply udara dalam tangki aerasi harus mencukupi untuk besarnya BOD dalam air buangan, respirasi endogeneous mikroorganisme, menghasilkan pencampuran yang memadai serta menjaga kebutuhan oksigen dalam tangki aerasi (Wardhani, 2005).
Proses lumpur aktif (activated sludge) mampu mengubah hampir semua bahan organik terlarut dan koloid tersisa dimetabolisme oleh mikroorganisme menjadi karbondioksida dan air. Dan fraksi terbesar diubah menjadi massa selular yang dapat
dipisahkan dari aliran air melalui pengendapan secara gravitasi. Pemanfaatan bahan organik oleh mikroorganisme melalui tiga proses, yaitu :
1. Molekul substrat berkontak dengan dinding sel
2. Molekul substrat ditransport ke dalam sel
3. Metabolisme molekul substrat oleh sel
Untuk menghasilkan effluen yang berkualitas tinggi, biomassa harus dapat dipisahkan dari aliran liquid melalui secondary clarifier, dan setelah itu biomassa dikembalikan lagi ke tangki aerasi.Secara garis besar, proses-proses yang berlangsung dalam activated sludge ialah:
1. Aerasi air limbah untuk menghadirkan suspensi mikrobial.
2. Pemisahan solid-liquid setelah aerasi.
3. Discharge effluen ke clarifier.
4. Membuang exess biomassa dan mengembalikan yang tersisa ke dalam tangki aerasi
Adapun beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam proses activated sludge adalah:
20
b. Faktor kimia : pH (6.5 – 9), kehadiran asam atau basa tertentu, adanya oksidator, adanya ion atau garam dari logam berat, adanya bahan kima tertentu
Kebutuhan oksigen dapat dipenuhi dengan cara mengalirkan udara atau oksigen murni ke dalam reaktor sehingga jumlah oksigen terlarut dalam reaktor lebih besar dari 2 mg/l. Jumlah ini merupakan kebutuhan minimum yang diperlukan mikroorganisme di dalam lumpur aktif (Fahamsyah, 2004).
Mikroorganisme yang hidup dalam sistem ini akan membentuk koloni-koloni ini berupa flok-flok yang mudah terendapkan. Dalam keadaan tersuspensi. Koloni ini menyerupai lumpur sehingga disebut lumpur aktif (Fahamsyah, 2004).
Reaktor lumpur aktif terdiri dari dua kompartemen. Kompartemen pertama untuk proses aerasi sedangkan kompartemen kedua untuk sedimentasi lumpur. Lumpur terkonsentrasi sebagian diresirkulasi ke kompartemen pertama dan sebagaian lagi dibuang.
Penguraian bahan-bahan pencemar dalam proses ini berlangsung menurut reaksi berikut :
(CH2O)n + O2 + Nutrien CO2 + H2O + Sel baru
Influent Efluent
Resirkulasi Pembuangan Lumpur Gambar II.2. Diagram Lumpur Aktif
Tangki Aerasi
Dalam sistem lumpur aktif terdapat dua aliran :
a. Air buangan : Konsentrasinya tergantung karakteristik air buangan dan pengolahan sebelumnya.
b. Lumpur terkonsentrasi yang mengandung mikroorganisme dari pengendap, konsentrasinya tergantung konsentrasi air yang masuk pengendap rate resirkulasi. Dalam reaktor mikroorganisme menghilangkan substrat terlarut dengan asimilasi sehingga tersedia karbon dan energi untuk pertumbuhan mikroorganisme. Partikel organik ditangkap dalam flokulen biomassa dan dicapai oleh enzim eksoseluler sehingga terlarut dan bisa diasimilasi mikroorganisme. Campuran mikroorganisme dan partikel organik yang terdegradasi tersebut Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS).
Mikroorganisme yang berperan pada degradasi organik secara aerob adalah bakteri aerob yang berada dalam bentuk flok. Protozoa yang berada dalam bentuk lumpur sering memakan bakteri sebagai sumber tenaga. Bakteri nitrifier autrotoph juga ada jika kondisi baik. Tetapi bakteri tersebut mengoksidasi amonia sehingga penting dalam kualitas effluent. Suplai oksigen harus mencukupi kebutuhan kedua tipe bakteri tersebut.
Menurut (Grady,1980) Karakteristik Lumpur aktif (Fahamsyah, 2004): 1). Umur Lumpur 5 – 15 hari
2). Waktu detensi reaktor 4 – 8 jam 3). Resirkulasi 10 – 30%
22
Ada beberapa keuntungan yang diperoleh dari proses Lumpur aktif adalah : 1). Pada proses Lumpur aktif dapat menghasilkan effluet yang baik.
2). Menurut (Grady & Lim, 1980) Sistem terkontrol melalui penyesuaian jumlah lumpur yang dibuang operator bisa mengontrol umur lumpur untuk mencapai kualitas effluent yang diinginkan (Fahamsyah, 2004).
II.4.2. Faktor-faktor Yang Berpengaruh Pada Proses Lumpur Aktif
a. Waktu Detensi
Waktu detensi adalah lamanya waktu kontak antara air lindi yang diolah dengan mikroorganisme didalam reaktor. Tujuannya untuk meningkatkan kapasitas pengolahan yang sesuai dengan kebutuhan saat ini agar dapat mengatasi debit air buangan yang besar.
b. Debit Resirkulasi
Resirkulasi lumpur bertujuan untuk mengembalikan lumpur yang berada dalam bak pengendap reaktor. Besar debit resirkulasi ditetapkan berkisar 10% - 30%.
c. Umur Lumpur
Menurut penelitian yang dilakukan oleh Salpanich (1978), pada umur lumpur lumpur antara 5 sampai dengan 10 hari mikroorganisme berada dalam keadaan superior atau paling baik (Fahamsyah, 2004).
Konsentrasi oksigen terlarut mempunyai pengaruh penting pada proses activated sludge. Hal ini berkaitan dengan laju pertumbuhan bakteri yang diperlukan pada proses activated sludge. Untuk mengoptimalkan proses konsentrasi oksigen terlarut dijaga tidak kurang dari 2 mg/l.
e. Temperatur
Temperatur mempengaruhi produksi lumpur sisa kebutuhan oksigen. Secara umum temperatur akan berjalan dengan sempurna pada temperature 5- 30°C.
f. pH
proses activated sludge dipengaruhi oleh pH yang bekerja, hal ini berkaitan dengan laju pertumbuhan bakteri yang diperlukan pada prosea tersebut. pH antara 6,5 – 7,5 merupakan pH optimal untuk pertumbuhan bakte
II.4.3. Aerasi
Aerasi banyak dilakukan pada proses pengolahan limbah cair. Adapun maksud dari tujuan dari aerasi pada proses pengolahan limbah cair adalah untuk mensuplay oksigen pada mikroorganisme dan memindahkan karbondioksida dan untuk meremoval hidrogen sulfite, metan dan berbagai bahan organik terlarut penyebab rasa dan bau.
Semua hal ini pada akhirnya akan mempercepat proses pengolahan limbah. Aerator baik yang dilengkapi dengan propeller maupun yang tidak menggunakan propeller banyak digunakan sebagaian besar proses pengolahan limbah cair. Prinsip dasar dari aerasi dapat ditinjau dari dua aspek, yaitu:
24
1. Tingkat kebutuhan oksigen dari mikroba yang dipakai
2. Jumlah oksigen yang dapat ditransfer dari gelembung udara dari cairan
Pada cairan yang tidak kental, aerasi dapat dilakukan dengan mudah. Penelitian mengenai aerasi pertama kali dilakukan oleh Cooper (1944), dengan mempublikasikan hasil penelitian mengenai hasil pengukuran absorbs oksigen dalam larutan sulfit pada kolom gelembung. Penelitian ini kemudian dikembangkan oleh beberapa peneliti lainnya. Secara umum kadar oksigen yang terlarut untuk proses aerobik harus dijaga minimum 2 mg/lt.
Akumulasi inhibitor akan memperlambat laju pertumbuhan bakteri, hal ini akan membawa bakteri memasuki fase stasioner. Selama fase ini, laju pertumbuhan bakteri sebanding dengan laju kematian bakteri dan tidak ada peningkatan dalam jumlah bakteri. Pada akhirnya, Penguraian nutrien dan adanya produk toksik yang akan menghentikan pertumbuhan dan jumlah populasi bakteri, serta penurunan aktivitasnya.
Air limbah domestik mempunyai rasio C:N:P sebesar 100 : 5 :1, yang mencukupi untuk kebutuhan sebagian besar mikroorganisme. Bahan organik dalam air limbah terdapat dalam bentuk terlarut, koloid, dan fraksi partikel.bahan organik terlarut sebagai sumber makanan bagi mikroorganisme heterotrophic dalam mixed
liquor. Bahan organic ini cepat hilang oleh adsorpsi dan proses flokulasi, dan juga oleh absorpsi dan oksidasi oleh mikroorganisme. Aerasi dalam beberapa jam dapat membuat perubahan dari BOD terlarut menjadi biomassa mikrobial.
Aerasi mempunyai dua tujuan :
1) Memasok oksigen bagi mikroorganisme aerobik
2) Menjaga Lumpur aktif agar selalu konstan teragitasi untuk melaksanakan kontak yang cukup antara flok dengan air limbah yang baru datang pada system pengolahan limbah.
Konsentrasi yang cukup juga diperlukan untuk aktifitas mikroorganisme
heterotrophic dan autotrophic, khususnya bakteri nitrit. Tingkat oksige terlarut harus antara 0,5 – 0,7 mg/l. proses nitrifikasi berhenti jika oksigen terlarut dibawah 0,2 mg/l.
II.4.4. Step Aerasi
Limbah hasil dari pengolahan masuk ke dalam tangki Aerasi melalui beberapa lubang yang ada di saluran sehingga meningkatkan distribusi dalam tangki Aerasi dan membuat lebih efisien dalam penggunaan oksigen. Proses ini dapat meningkatkan kapasitas sisstem pengolahan. Diagram proses pengolahan air limbah dengan sistem Step Aerasi dapat diamati melalui keterangan berikut :
26
STEP AERASI
- Beban BOD :
- BOD – MLSS Loading : 0,2 – 0,4 (kg/kg.hari) - BOD – Volume Loading : 0,4 – 1,4 (kg/kg.hari)
- MLSS : 2000 – 3000 mg/l
- Sluge Age : 2 – 4 hari
- kebutuhan udara ( Qudara/Qair) : 2 - 6 - Waktu Aerasi (HRT) : 2 – 6 jam - Rasio resirkulasi lumpur : 20 – 30 % ( Q lumpur / Q air limbah)
- efisiensi pengolahan : 90 %
Keterangan : Proses ini dilakukan pada limbah yang beban BOD tinggi
Sumber : Gesaidou Shisetsu Sekkei Shishinto Kaisetsu Nihon Gesoudou ( Japan Sewage work assosiation)