PENURUNAN KADAR AMMONIA (NH4
+-N) DALAM LINDI DENGAN PROSES
STRIPPING MENGGUNAKAN PACKED COLUMN SEBAGAI BAHAN BAKU BIOGAS
Gega Grandeza (2305100068) dan Retno Anggun Pramita (237100103) Pembimbing: Dr. Ir. Rahmania Juliastuti, M.Eng dan Ir. Nuniek Hendrianie, MT.
Laboratorium Pengolahan Limbah Industri Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Kata kunci: Lindi, proses stripping, biogas, recycle ratio
Abstrak
Lindi (Leachate) adalah cairan yang merembes melalui tumpukan sampah dengan membawa materi terlarut atau tersuspensi terutama hasil proses dekomposisi materi sampah. Saat ini pemanfaatan lindi belum maksimal, pemanfaatan lindi saat ini yang ada hanya berupa treatment secara fisika, kimia, biologi yang bertujuan agar sesuai dengan batasan dapat dibuang di sungai atau dimasukan ke dalam tanah. Tujuan dari penelitian ini adalah menurunkan kadar NH4+-N pada lindi sebagai bahan baku biogas, mencari rasio terbaik antara rate umpan terhadap rate udara untuk pengolahan lindi, dan mempelajari karakteristik dari berbagai jenis packing dalam mereduksi kadar ammonia dalam lindi dan mendapatkan konstanta mass transfernya. Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah lindi (limbah cair sampah) yang nantinya akan diolah menjadi biogas dengan proses stripping menggunakan packed column. Dengan ketinggian packing 1.5 m, variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah perbandingan antara rate lindi (L/min) : tekanan udara (bar) dengan perbandingan 1:2 dan 1:4. Jenis packing menggunakan Ball Packing dan Rascing ring. Recycle ratio sebesar 0,5 dan 0. Analisa yang dilakukan antara lain pH, kandungan ammonia, COD. Dari hasil penelitian ini variable dengan jenis packing Ball Packing, rate lindi (L/min) : tekanan udara (bar) 1:4 dan recycle ratio 0.5 adalah hasil yang menunjukkan penurunan kadar ammonia yang paling baik hingga 185.045 ppm (82,99 %) dengan waktu 4 kali stripping selama 480 menit.
1. Pendahuluan
Kenaikan dan kelangkaan Bahan Bakar Minyak (BBM) yang sedang melanda Indonesia sangat membebani masyarakat. Penyebabnya adalah permintaan konsumen terhadap BBM di tingkat dunia yang semakin meningkat sehingga harga minyak di pasar internasional melambung tinggi. Dalam kondisi seperti ini, ketika terjadi kelangkaan BBM dimana-mana, tidak ada salahnya kita mengusahakan biogas sebagai bahan bakar alternative limbah cair yang terbentuk dari air yang melewati timbunan sampah dimana terjadi dekomposisi sampah secara biologis. Keberadaan lindi ini sangat berbahaya jika sampai mencemari badan air penerima maupun air tanah karena mengandung polutan yang sangat tinggi, sehingga perlu pengolahan sebelum lindi dibuang ke lingkungan. Polutan nitrogen yang juga terdapat pada lindi bersifat toksik pada organisme air dan menyebabkan pertumbuhan dan produksi ikan terhambat jika konsentrasinya berlebih, (Miron et al., 2008). Sedangkan sifat dari ammonia jika terlepas bebas di lingkungan secara berlebihan (diatas ambang batas) dapat menimbulkan hal-hal antara lain: korosi, bersifat racun, menyerap oksigen didalam air, terjadinya eutrofikasi dan lain-lain. (Bitton, G., 2005). Walaupun lindi merupakan hasil dari penimbunan sampah, tetapi lindi juga dapat
dimanfaatkan sebagai salah satu sumber energi alternatif terbaharukan yakni sebagai biogas. Lindi yang merupakan biomassa, sebagai bahan baku
biogas tentu saja terdiri dari bermacam-macam senyawa dan kaya akan zat-zat organik. Zat organik tersebut yang nantinya mampu diolah oleh mikroorganisme untuk dibentuk sebagai senyawa-senyawa seperti metana dan nitrogen. Metana merupakan kandungan utama dari biogas sedangkan nitrogen merupakan hasil samping dari proses pembentukan biogas. Dengan terbentuknya nitrogen dalam proses pembuatan atau pembentukan biogas
jelas akan mengurangi prosentase pembentukan metana sebagai senyawa utama pada biogas. Oleh karena hal itu diperlukan pengolahan senyawa ammonia pada lindi sebagai bahan baku biogas untuk diubah menjadi gas nitrogen supaya pembentukan nitrogen yang terjadi dalam proses pembentukan
biogas dapat ditekan. Adapun pengolahan ammonia yang merupakan salah satu zat organik dapat diolah dengan menggunakan stripping.
2. Metodologi
Lindi sebagai bahan baku diperoleh dari TPA Benowo (Dinas Kebersihan dan Pertamanan Pemerintah Kota Surabaya). Kondisi operasi pada pH 10-12, temperature 25oC, ketinggian packed 1,5 meter. Variabel penelitian menggunakan Recycle ratio 0 dan 0,5, Rate Lindi (L/min) : Tekanan Udara
(bar) yaitu 1:2 dan 1:4, Jenis packing yaitu Raschig Ring dan Ball Packing.
P 10 5 2 1 4 3 7 8 6 F I FI 9
Gambar 1: Skema Peralatan Keterangan Gambar:
1. Kompressor udara 6. Kolom stripping 2. Pressure Gauge 7. Flowmeter feed 3. Tangki penampung 8. Flowmeter recycle 4. Tangki fresh feed 9. Pompa feed 5. Pompa recycle 10. Udara keluar
Lindi yang diperoleh dari TPA Benowo dianalisa COD, T, dan NH4+-N, mengukur pH limbah dalam range 10-12. Kemudian mengalirkan limbah melalui kolom bagian atas sementara udara dari kompresor yang akan dikontakkan dialirkan dari bawah kolom, laju alir limbah dan udara diatur hingga stabil sesuai variabel hingga 120 menit untuk 1 kali strip. Setelah melalui kolom stripper limbah ditampung dan dianalisa, yaitu dengan mengambil sampel NH4+-N yang ada pada limbah setiap 15 menit untuk dianalisa, COD awal dan akhir, mengukur per sen removal ammonia. Hal tersebut diulangi tiap variabel yang berbeda.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Berdasarkan Pengaruh Packing
Gambar 3.1 Removal Ammonia Pada Lindi Menggunakan Packing Raschig Rings
Gambar 3.2 Removal Ammonia Pada Lindi Berdasarkan Packing Ball Packing
Dari grafik removal ammonia cenderung naik setelah dilakukan proses stripping. Removal ammonia dalam lindi menurut grafik 4.2 membuktikan bahwa menggunakan jenis packing
Ball Packing lebih menunjukkan hasil yang lebih baik, hal ini di tunjukkan oleh waktu yang dibutuhkan untuk proses stripping yang lebih singkat yaitu, paling sedikit 480 menit (4 kali stripping) dan 960 menit (8 kali stripping) paling banyak dibandingkan menggunakan packing Raschig Rings
(Gambar 3.1) yaitu 600 menit (5 kali stripping) hingga 1200 menit (10 kali stripping).
3.2 Pengaruh recycle
Gambar 3.3 Removal Ammonia Pada Lindi pada system tanpa Recycle
Gambar 3.4 Removal Ammonia Pada Lindi pada system Recycle 0,5
Dari grafik diatas terlihat bahwa penggunaan system recycle dapat menambah efisiensi kinerja kolom yang di tunjukkan dengan semakin sedikit
waktu yang di butuhkan untuk peningkatan removal ammonia. Untuk operasi tanpa menggunakan recycle dapat dilihat membutuhkan waktu paling sedikit 760 menit (6 kali stripping) dan 1200 menit (10 kali stripping) paling banyak.
Sedangkan jika di bandingkan dengan proses menggunakan recycle hanya membutuhkan waktu paling sedikit 480 menit (4 kali stripping) dan 840 menit (7 kali stripping) paling banyak. Penggunaan system recycle dapat meningkatkan efektifitas kolom dalam melakukan reduksi ammonia dalam lindi, karena setengah dari bottom produk di kembalikan lagi ke bagian atas kolom. Rate lindi dan rate udara sangat berpengaruh terhadap reduksi ammonia. Rate udara dan rate lindi harus saling berhubungan, sehingga tidak ada floading karena rate lindi terlalu besar ataupun sebaliknya. Jika sampai tidak seimbang maka reduksi ammonia tidak dapat menghasilkan hasil yang baik, yaitu limbah cair (lindi) dan udara tidak sempat terkontakkan sehingga ammonia tidak tereduksi.
3.3 Pengaruh tekanan udara masuk
Gambar 3.5 Removal Ammonia Pada Lindi dengan variabel tekanan udara 4 bar
Gambar 3.6 Removal Ammonia Pada Lindi dengan variabel tekanan udara 2 bar
Dari kedua gambar diatas menunjukkan tekanan udara yang masuk sangat mempengaruhi kinerja dari kolom, karena semakin banyak udara yang masuk maka semakin banyak udara yang berkontak dengan lindi, sehingga perpindahan massa ammonia dalam lindi ke udara lebih banyak akan tetapi tidak mengabaikan keseimbangan antara rate udara dengan rate limbah (lindi) yang digunakan dan ditunjukkan dengan semakin sedikit waktu yang di butuhkan
untuk penurunan kadar ammonia Untuk operasi yang menggunakan tekanan udara 2 bar, penurunan kadar ammonia cenderung membutuhkan waktu yang lebih lama dalam proses strippingnya, dapat dilihat membutuhkan waktu paling sedikit 760 menit (6 kali stripping) dan 1200 menit (10 kali stripping) paling banyak. Sedangkan jika di bandingkan dengan proses menggunakan tekanan 4 bar membutuhkan waktu yang relatif lebih singkat dalam proses strippingnya yang hanya membutuhkan waktu paling sedikit 480 menit (4 kali stripping) dan 840 menit (7 kali stripping) paling banyak.
Gambar 3.7 % Removal Ammonia untuk tiap Variabel
Reduksi ammonia paling cepat di tunjukkan oleh variable packing ball packing, rate lindi (liter/menit) : tekanan udara (bar) 1 : 4 dengan recycle 0,5 yaitu sebesar 82,99% ammonia yang dapat tereduksi. Kondisi terbaik yang didapatkan nantinya akan di gunakan untuk proses perhitungan dari nilai transfer massa dan koefisien perpindahan massanya.
Gambar 3.8 % Removal COD (mg/l) Dari hasil percobaan di atas dapat disimpulkan bahwa penurunan COD semakin besar karena proses stripping yang dilakukan. Pada variabel (I) dilakukan stripping sebanyak 10 kali sedangkan pada variabel (VIII) sebanyak 4 kali. Penurunan COD dapat terjadi karena aktivitas mikroorganisme (mix culture) dalam lindi itu sendiri yang mendegradasi karbon organik, karena proses stripping yang semakin lama maka mikroorganisme juga dapat mereduksi karbon organik yang semakin banyak pula ditambah lagi dengan supply oksigen dari udara yang digunakan untuk proses stripping yang mengakibatkan mikroba semakin cepat mereduksi karbon organik.
Hasil penurunan COD tidak terlalu signifikan yaitu berkisar antara 1,19% - 8,97% COD removal, sehingga ratio perbandingan C/N untuk standar baku biogas yaitu sebesar 16,6 – 25 masih dapat terpenuhi.
Gambar 3.9 Grafik NTU tiap strip pada Variable VIII
Number of Transfer Unit adalah bilangan yang menunjukkan jumlah stage imaginer yang dibutuhkan secara teoritis yang merupakan bilangan tak berdimensi (tidak bersatuan). Dapat dilihat bahwa semakin rendah konsentrasi yang akan diturunkan, maka nilai dari NTU semakin naik. Dengan kondisi operasi yang sama tetapi konsentrasi ammonia semakin turun pada tiap stripnya sehingga beban kolom dalam mereduksi ammonia berkurang pada tiap stripnya.
Gambar 3.10 Perbandingan Ketinggian Kolom Teoritis dan Ketinggian Kolom Experimen Dari gambar 3.10 di atas dapat dilihat adanya perbedaan antara tinggi kolom teoritis dan kolom secara experimen, hal ini terjadi karena pada ketinggian kolom teoritis HTU (height of transfer unit) dihitung berdasarkan kondisi ideal:
HTU = α Gyβ
Gxγ Nsc0,5
(Geankoplis, edisi 3) Sehingga akan diperoleh perbedaan antara ketinggian packed coloumn teoritis dengan ketinggian packed coloumn pada kondisi nyata.
Gambar 3.11 Effisiensi Ketinggian Kolom pada tiap Stripnya
Effisiensi yang dihasilkan adalah berdasarkan perbandingan ketinggian kolom secara teoritis dan secara experiment.
Apabila ketinggian packed coloumn dinaikan, maka akan terdampak pada beberapa faktor, diantaranya :
1. Konsentrasi ammonia yang dapat diadsorb semakin besar.
2. Number of transfer unit akan semakin besar, dalam hal ini jika ketinggian kolom dinaikkan maka akan diperlukan lebih banyak stage imaginer.
3. Koefisien perpindahan massa overall akan semakin kecil, karena ketinggian unit perpindaham massa semakin besar.
(Geankoplis, edisi 3) Koefisien perpindahan massa overall adalah laju alir (rate) dari suatu komponen yang di transfer dari satu fase ke fase yang lain. Nilai dari mass transfer coefficient (kmol/m3.detik) sangatlah penting, mengingat mass transfer coefficient mengatur laju perpindahan massa yang akan dicapai dalam suatu kondisi kesetimbangan. Keberadaan packing juga sangat berpengaruh, yaitu menambah luas permukaan kontak dari kedua fluida. Nilai dari koefisien perpindahan massa dari hasil experimen bervariasi dan berbeda untuk tiap-tiap variabel.
Pada experimen ini diperoleh harga koefisien perpindahan massa variable terbaik yaitu Ball Packing, Rate lindi(L/menit) : Tekanan Udara (bar) 1:4 dan Recycle 0,5 dengan k’xa sebesar 0,471 dan k’ya sebesar 0,098.
Daftar Pustaka
Adams, Carl E., dan Eckenfelder, W Wesley., 1974. “Process Design Techniques for Industrial Water Treatment”. Enviro Press, Inc., Tennesse. Amaru, Kharistya.2005.”Metana Sebagai Hasil Dari
Dekomposisi Bahan Organic Di Tpa Dan Lindi Sebagai Sumber Pencemar Air Tanah”.
Bitton, Gabriel. 2005. “WastewaterMicrobiology 3rd edition”. John Wiley & Sons, Inc., New Jersey. Garnasih,I. 2009.” Studi Pendahuluan Potensi
C.J., 1983, “Transport Process and Unit Operations”, 3rd ed
Kaltwasser. Wilhelm. 1980. ”Xenobiotics Removal From Poluted Water”. Koeln,German.
Kusuma, Ferdyan Hijrah. 2008. Penelitian Penurunan Amonia (NH3) pada Limbah Buatan dengan Teknologi Stripping Udara.
Lettinga, G Koster. 1988. “Biological Wastes Anaerobic Digestion at Extreme Ammonia Concentrations I. Wageningen Agricultural University.
Lui T. (1998), ”Anaerobic Digestion of Solid Substates in an Innovative Two Phase Plug-Flow Reactor (TPPFR) and a Conventional Single-Phase Continuous Flow Stirred Tank Reactor”,
Water Science Technology.
Metcalf & Eddy, Inc (2003), Wastewater Engineering : Treatment and Disposal Reuse, Tata Mcgraw-Hill, New York.
Miron Denise dos S., Moraes Bibiana, Becker Alexssandro G., Crestani Márcia, Spanevello Rosélia, Loro Vania L. and Baldisserotto Bernardo, (2008), ”Ammonia and pH Effects on Some Metabolic Parameters and Gill Histology of Silver Catfish, Rhamdia quelen
(Heptapteridae)“, Jurnal ofAquaculture.
Rahman, Aditya dan Ahmed Tessario, E. 2010 . “Reduksi Ammonium Nitrogen (NH3-N) pada Industri Bumbu Masak Dengan Metode Stipping Udara”.
Sahidu, S. 1983 . “Kotoran Sebagai Sumber Energi”. Dewa Ruci Press bekerja sama dengan PEMDA DKI Jakarta. Jakarta.
Sediawan dan Prasetya. 1997. “Koefisien Transfer Massa Volumetris Ekstraksi Zat Warna di Dalam Tangki Berpengaduk”. Surakarta – Jawa Tengah Stratful I, Scrimshaw M D, Lester J N. (2004),
“Removal of Struvite to Prevent Problems Associated with its Accumulation in Wastewater treatment work”, Water Environment Research. Thcobanoglous. G.. Theisen. H.. dan Vigil. S.A.
(1993), Integrated solid Waste Management. Engineering Principles and Management Issues. McGraw-Hill International Edition., New York. Tonni, Agustiono Kurniawan, dkk. (2008)
Application of Ammonia Stripping Followed by Ozonated GAC Adsorption for Threatment of High-Strength Stabilized Landfill Leachate. Uygur Ahmet., Kargi, Fikret. (2004), “Biological
Nutrient Removal from Pretreated Landfill Leachate in a Sequencing Batch Reactor”.
Jounal ofEnvironmental Management.
Zhang, X.J, Wang, J., Burken, J.G. and Surampalli, R. (2005), “Engineering Struvite Precipitation: Impact of Component-Ion Molar Rations and pH”, Journal of Environmental Engineering. Warmadewanthi dan Slamet Agus. (2008), “Using
Chemical Equilibrium for Prediction of Struvite from Landfill Leachate”, Proceeding of
International Conference on Sustainable
Environmental Technology and Sanitation for Tropical Region, Departmen of Environmental Engineering, Faculty of Engineering and Planning, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya.
http://www.en.wikipedia.org/ammonia http://www.gasbio.wordpress.com http
