Pengaruh Pengaturan pH Limbah Cair Tapioka Terhadap Pertumbuhan Mikroorganisme Dalam Bioreaktor ABR
Happy Mulyani*1, Setia Budi Sasongko2, Danny Soetrisnanto3
1Universitas Setia Budi Surakarta; Jl Letjend Sutoyo, Mojosongo, Surakarta, (0271) 852518 2,3Program Studi Magister Teknik Kimia, Universitas Diponegoro, Semarang
e-mail: *1cahtekim@yahoo.com
Abstrak
Karakter limbah cair tapioka yang bersifat asam ditengarai dapat menghambat pengolahan biologi. Kajian mengenai pengaruh pengaturan pH influen terhadap pertumbuhan mikroorganisme pada bioreaktor Anaerobic Baffled Reactor (ABR) perlu dilakukan. Penelitian ini dilakukan dengan mengoperasikan ABR 2 baffle pada berbagai variasi pH limbah cair tapioka sampai tercapai kadar COD efluen stabil. Kadar BOD, pH, sianida dan MLVSS dalam kompartemen ABR tiap interval 1 hari operasi selanjutnya diolah untuk mengestimasi nilai parameter kinetika reaksi. Hasil kalkulasi menunjukkan bahwa peningkatan pH terbukti mampu meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme dalam bioreaktor ABR. Ini diindikasikan dari peningkatan nilai laju pertumbuhan maksimum mikroorganisme (μmax) dan penurunan nilai konstanta inhibisi (KI). pH 8 merupakan kondisi influen yang menghasilkan pertumbuhan mikroorganisme terbaik dengan nilai parameter kinetika reaksi antara lain μmax 1,697/hari, Ks 237,978 mg/L BOD, KI 3,236 mg/L CN- , yield 0,438 mg VSS/mg BOD, and k 0,43/hari.
Kata kunci— Limbah cair tapioka, pH, pertumbuhan mikroorganisme, ABR, COD,
Abstract
Acidic nature in cassava root was suspected could inhibit biological tretament. It is important to study about influence of infuent pH adjustment to microorganism growth in Anaerobic Baffled Reactor (ABR).This research was done by operating ABR 2 baffles in many tapioca wastewater pH variation until stabil COD concentration effluent reached. BOD, pH, cyanide, and MLVSS concentration in ABR compartements each 1 operation day then calculated for reaction kinetic parameter values estimation. Calculation result shows that pH incerase could increase microorganism growth in bioreactor ABR. This indicated from microorganism maximum growth rate (μmax) increase and inhibition constanta(KI) decrease. pH 8 is the best influen pH which results best bacterial growth performance with parameter kinetic values such μmax 1,697/day, Ks 237,978 mg/L BOD, KI 3,236 mg/L CN- , Y 0,458 mg VSS/mg BOD, and k 0,43/day.
Keywords—Tapioca wastewater, pH, microorganism growth, ABR, COD,
1. PENDAHULUAN
Industri tapioka dapat menghasilkan 12 m3 air limbah tiap produksi 1 ton tapioka [1]
bersifat asam. Hal tersebut disebabkan adanya pelepasan HCN oleh akar tapioka dan penambahan H2SO4 pada proses ekstraksi [3]
Karakter tersebut dapat menyulitkan performa pengolahan reaktor anaerob. Aktivitas mikroba penghasil CH4 (methanogen) yang berperan menghasilkan
penurunan nilai COD hingga lebih dari 70 % total reduksi COD sistem anaerobic digestion akan terhambat pada kondisi pH di luar kisaran 6,5-8,2 [4].
Sistem Anaerobic Baffled Reactor (ABR) merupakan suatu metode anaerob laju tinggi yang efektif digunakan sebagai pengolahan pendahuluan air limbah berkadar BOD dan COD tinggi dengan adanya rangkaian baffle vertikal yang dapat memaksa terjadinya kontak antara limbah dan biomass aktif dan mengurangi kemungkinan wash out [5,6]. Namun, lamanya start up dan tingginya sensitivitas bakteri terhadap pH dan toksik masih dapat ditemui dalam sistem ini [7] Start up anaerobic digester pada pH dan konsentrasi awal mikroorganisme rendah dapat mengakibatkan tidak tercapainya fase stasioner [4] dan melambatnya penguraian organik [9]. Laju pertumbuhan dan kematian mikroorganisme juga merupakan fungsi pH [10].
Penelitian ini bertujuan membahas pengaruh pH terhadap proses start up. Tinjauan start up dititikberatkan pada kajian terhadap pertumbuhan mikroorganisme yang dalam penelitian ini diestimasi dari nilai-nilai parameter kinetika reaksi.
2. METODE PENELITIAN
Sampel limbah cair sintesis dipilih digunakan dalam penelitian ini untuk menghindari terjadinya perubahan kualitas akibat proses transportasi limbah dari industri tapioka ke laboratorium penelitian. Limbah cair penelitian diambil dari cairan di atas pasta pati hasil pengendapan 12 jam campuran bubur ubi kayu dan air dengan perbandingan rasio 25 liter air per kg ubi kayu. Ubi kayu bahan baku limbah sintesis merupakan bahan baku industri kecil tapioka di Pati, Jawa Tengah yang dibeli langsung dari produsen tapioka industri tapioka di mana sampel limbahnya diambil untuk disesuaikan kadarnya dengan limbah cair sintesis.
Karakteristik limbah cair tapioka sintesis dan kesesuaiannya dengan limbah cair tapioka eksisting yang dihasilkan salah satu industri tapioka berkapasitas 3 ton ubi kayu/hari di Pati, Jawa Tengah dapat dilihat dalam Tabel 1.
Tabel 1. Karakteristik limbah cair tapioka sintesis Karakter Limbah cair Limbah cair tapioka
industri tapioka sintesis COD 7867 mg/L 8000 mg/L BOD 3870 mg/L 3976 mg/L TSS 1200 mg/L 1330 mg/L pH 4,76 4,84 Sianida 51,2 mg/L 56,7 mg/L
Secara garis besar, penelitian terdiri dari tahapan preparasi bahan, pengaturan pH influen, inokulasi dan start up batch sampai diperoleh kondisi steady state. Proses start up batch dilakukan sampai tercapai steady state yang ditandai dengan stabilnya nilai COD dan MLSS efluen [11].
Bioreaktor yang digunakan dalam penelitian ini merupakan bak ABR plexy glass 2 baffle dengan ukuran 80 cm x 40 cm x 25 cm seperti terlihat di Gambar 1.
Gambar 1. Bak ABR
Selanjutnya, inokulasi dilakukan dengan memasukkan lumpur IPAL industri tahu sistem ABR di daerah Lamper, Semarang sampai 1/3 volume kerja ABR. Karaktersitik benih lumpur tersaji dalam Tabel 2.
Tabel 2. Karakteristik benih lumpur Karakter Nilai
VSS 9450 mg/L
TSS 14530 mg/L
Influen limbah cair tapioka yang akan diolah menggunakan sistem ABR diatur pada variasi kondisi meliputi fresh feed limbah cair tapioka sintesis, fresh feed yang diatur pH-nya pada nilai 7 dan 8. Proses start up dilakukan secara batch dengan
penambahan influen limbah cair tapioka pada berbagai variasi kondisi pH hingga mencapai 80 L.
Selama proses start up, dilakukan pengamatan operasi pengolahan yang secara ringkas tersaji dalam Tabel 3. Untuk mencapai keakuratan hasil analisa, total sampel yang diambil tidak boleh melebihi 5 % volume kerja reaktor.
Sampel untuk analisa COD, BOD, TSS, pH dan sianida merupakan cairan yang terdapat dalam reaktor yang diambil dari tiap kompartemen dengan volume sama. Sementara hasil pengadukan campuran cairan-lumpur pada tiap kompartemen dengan motor pengaduk sampai diperoleh suspensi yang tercampur sermpurna akan diambil dari tiap kompartemen ABR dengan volume yang sama untuk sampel MLSS.
Tabel 3. Rekapitulasi pengamatan operasi Parameter diukur Lokasi pengukuran Waktu pengukuran pH, COD, BOD, TSS, sianida Influen proses start up awal proses pH, COD, sianida, MLSS Tiap kompartemen selama start up interval 1 hari BOD, MLVSS Tiap kompartemen selama start up interval 3 hari
Nilai parameter kinetika reaksi diperoleh dengan melakukan pengolahan data secara simultan dengan menggunakan Program MatLab 7.1 sampai didapatkan nilai MLVSS (X), BOD (S), pH dan sianida (I) hasil kalkulasi model kinetika reaksi dalam Tabel 4 yang mendekati data eksperimen.
Tabel 4. Penentuan nilai parameter kinetika reaksi Parameter Model kinetika reaksi
BOD
= μ.X
MLVSS, BOD
-CN = -pH μ (pH) = a.pH2+ b.pH + c BOD, CN Keterangan: μ = μ(pH) x μ (S,I)
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa mengenai fenomena pertumbuhan mikroorganisme dan pemanfaatan substrat yang terjadi dengan mempertimbangkan adanya pengaruh inhibisi substrat, pH dan kadar toksik yang dalam hal ini diwakili oleh CN- digunakan dalam penelitian ini untuk mendapatkan nilai parameter kinetika yang dapat berguna dalam perancangan bioreaktor. Parameter kinetrika reaksi yang dianalisa dalam penelitian ini meliputi laju pertumbuhan mikroorganisme (μmax), konstanta setengah jenuh (Ks), yield (Y), konstanta inhibisi (KI), laju penurunan kadar CN- (k) serta nilai konstanta parameter
laju pertumbuhan mikroorganisme akibat inhibisi pH (a, b dan c).
Perbandingan nilai parameter kinetika tiap variasi run secara ringkas disajikan dalam Tabel 5.
Tabel 5.Nilai parameter kinetika reaksi Paramete r Kontrol pH 7 pH 8 μmax (hari-1) 0,966 1,068 1,477 Ks (mg/L BOD) 33,903 90,735 56,816 KI (mg/L BOD) 337,451 304 188,072
Y (mg VSS/mg BOD) 1,113 0,592 1,537 k (hari-1) 0,152 0,496 0,4304
Tabel 7 menunjukkan bahwa laju pertumbuhan maksimum mikroorganisme (μmax)
dalam bioreaktor ABR menjadi meningkat dengan adanya peningkatan pH inflluen. Ini sesuai dengan hasil penelitian Olafadehan and Alabi [8] yang menyebutkan bahwa laju pertumbuhan mikroorganisme dapat menjadi meningkat dengan adanya kenaikan pH.
Dengan semakin besarnya nilai μmax, maka akan makin kecil pula volume
bioreaktor diperlukan [8]. Peningkatan nilai μmax ini menguntungkan karena mengindikasikan air limbah semakin mudah dibiodegradasi [12] dan volume bioreaktor yang diperlukan menjadi makin kecil [12].
Terjadinya peningkatan nilai μmax juga diiringi dengan penurunan nilai konstanta
inhibisi substrat (KI). Hal tersebut mengindikasikan bahwa pada pH rendah, efek inhibisi yang kemungkinan disebabkan oleh tingginya konsentrasi asam asetat yang tak terionisasi akan semakin terasa [8].
Efek inhibisi terendah didapatkan pada variasi pengolahan limbah cair tapioka sistem ABR dengan pengaturan pH influen pada kondisi basa. Fenomena tersebut dapat terjadi disebabkan rendahnya potensi akumulasi asam lemak volatil karena kondisi pH basa sehingga tidak terjadi hambatan metabolisme mikroorganisme yang dapat berakibat lanjut ke terhalangnya proses pembentukan metana dari asam asetat. Hal tersebut dapat dilihat dari μmax tertinggi dan KI terendah. Produksi lumpur terendah
diindikasikan dengan kecilnya nilai Y dan Ks terendah yang diketahui berbanding lurus dengan konsentrasi efluen [12] juga didapatkan pada variasi run ini.
Produksi lumpur terlihat dalam penelitian ini menjadi makin kecil dengan adanya peningkatan pH yang diindikasikan dengan kecilnya nilai Y (yield). Ini diduga terjadi karena kadar senyawa tersuspensi influen menjadi turun dengan adanya peningkatan pH limbah. Hal tersebut diinginkan dalam pengolahan biologi karena semakin kecil nilai Y, maka frekuensi pembuangan lumpur juga menjadi semakin kecil [13].
4. KESIMPULAN
Peningkatan pH akan meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme dalam bioreaktor ABR.
pH 8 merupakan kondisi influen yang menghasilkan pertumbuhan mikroorganisme terbaik dengan nilai parameter kinetika reaksi antara lain μmax 1,697/hari, Ks 237,978 mg/L BOD, KI 3,236 mg/L CN- , yield 0,438 mg VSS/mg BOD, and k 0,43/hari.
5. SARAN
Aplikasi proses pengaturan pH limbah cair tapioka influen pengolahan sistem ABR sebaiknya diujicobakan dalam skala lapangan sebagai salah satu alternatif rekomendasi desain untuk menghemat biaya pengolahan yang diperlukan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Mai, H.N.P., 2006, Integrated Treatment of Tapioca Processing Industrial Wastewater, Dissertation, Wageningen University, Wageningen.
[2] Setyawati R., K.K. Hirayama, H. Kaneko and K. Hirayama, 2011, Current Tapioca Starch Management in Indonesia, World Applied Science Journal No. 14 Vol. 5, 658-665, www.idosi.org/wasj/wasj14(5)11/2.pdf.
[3] Seejuhn, R., 2002, Waste Audit in a Starch Tapioca Milk Processing Factory, Thesis, Asian Institute of Technology, Thailand.
[4] Hudson, K, 2010, Operational Performance of the Anaerobic Baffled Reactor Used to Treat Wastewater from a Peri-Urban Community, Thesis, University of the Witwatersrand, Johannesburg.
[5] Movahedyan, H., A. Assadi and A. Parvaresh, 2007, Performance Evaluation of ABR Treating Wheat Flour Starch Industry Wastewater, Iran J. Environ. Health
Sci. Eng. No. 4 Vol. 2, 77-84,
ijehse.tums.ac.ir/index.php/ijehse/article/view/114.pdf.
[6] Seejuhn, R., 2002, Waste Audit in a Tapioca Starch Milk Processing Factory, Thesis, Asian Instititute of Technology, Bangkok.
[7] Seghezzo, L., 2004, Anaerobic Treatment of Domestic Wastewater in Subtropical Regions, Dissertation, Wageningen University, Wageningen.
[8] Olafadehan, O.A. and A.T., Alabi, 2009, Modelling and Simulation of Methanogenic Phase of an Anaerobic Digester. Journal of Engineering Research No. 13 Vol. 2, No.1-16, www.unilag.edu.ng/opendoc.php?sno=17072&doctype=doc.
[9] Foxon, K.M. C.J. Brouckaert and C.A. Buckley, 2007, Anaerobic Digestion of Domestic Wastewater: The Role of Microbial Selection Pressure in the Rate and
Extent of Digestion. www.ewisa.co.za/literature/files/253_202%20Foxon.pdf. Diakses tanggal 19 Maret 2011.
[10] Sundstrom, D.W. and H.E. Klei, 1979, Wastewater Treatment, Prentince-Hall Inc, Englewood Cliffs.
[11] Bagus, I.N,2008, Start Up dan Perancangan Bioreaktor Anaerobik untuk Pengolahan Limbah Cair dengan Konsentrasi Garam Tinggi, Skripsi, Institut Pertanian Bogor.
[12] Haydar, S. and J.A. Azis, 2009, Kinetic Coefficients for the Biological Treatment of Tannery Wastewater Using Activated Sludge Process. Pak. J. Engg. & Appl. Sci. Vol. 5, 39-43, www.uet.edu.pk/export/sites/UETWebPortal/.../6-KINITIC.pdf. [13] Aiyuk, S., I. Forrez, D.K. Lieven, A.V. Haandel and W. Verstraete, 2006, Anaerobic
and Complementary Treatment of Domestic Sewage in Regions with Hot Climates—A Review, Bioresource Technology No. 97 Vol. 1, 2225–2241, www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16055328.
