KINERJA BIOREAKTOR PACT PENGOLAH LIMBAH CAIR
3-BROMOPHENOL DAN PEMODELANNYA
Tri Widjaja
1)dan Ali Altway
2)1)
Laboratorium Teknologi Biokimia
2)
Laboratorium Pepindahan Massa dan Panas Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya, 60111 Telp: 031-5946240, Fax: 031-5999282
Email: papatri2003@yahoo.com/kajur_tkimia@its.ac.id
Abstrak
Proses pengolahan limbah cair sistem activated sludge konvensional memiliki kemampuan yang terbatas untuk mengatasi kenaikan beban organik secara shock loading, juga pengaruh kandungan bahan beracun seperti phenol. Sebagai solusi menambahkan karbon aktif langsung ke tangki aerasi suatu unit pengolah limbah lumpur aktif, yang selanjutnya disebut dengan PACT. Untuk mengetahui mekanisme proses adsorpsi dan biodegradasi di PACT yang terjadi sewaktu terdapat bahan kimia toksik, dikaji sifat adsorpsi dan desorpsi bahan kimia (3-BP sebagai target substance) terhadap respon proses di bioreaktor PACT.
Penelitian dilakukan dengan pendekatan eksperimen dan pemodelan. Pada eksperimen digunakan limbah sintetik dengan komposisi utama polypepton, dengan laju alir influen 7 l jam-1, range pH 6,5-7,5 dan oksigen terlarut dijaga minimal 2 mg l-1. MLSS pada bioreaktor dipertahankan pada konsentrasi 3000 mg l-1 dan konsentrasi karbon aktif 1500 mg l-1 serta SRT pada 15 hari. Pendekatan pemodelan dilakukan terhadap hasil eksperimen yang telah didapatkan, selajutnya dicari konstanta adsorpsi dan biokinetika dengan membuat dinamika proses dan model matematik, memperhitungkan partisi untuk lumpur aktif dan karbon aktif.
Penelitian dilakukan dengan melakukan fitting dari data hasil eksperimen dengan model untuk dicari parameter-parameter µm, Ks, Kp dan YBr/BP menggunakan EXCEL Solver, simulasi menggunakan software MATLAB 7 metode Runge Kutta orde 4. Dari pemodelan yang telah dilakukan dengan mempertimbangkan model partisi didapatkan hasil pada reaktor kontrol μm =0,000015 kg/g.hr, Kp =1,7 l/g MLSS dan Ks =0,04 mg/ml, error function =18,95 % . Percobaan pada reaktorPACT μm = 0.0004 kg/g.hr, Kp =1.7 l/g MLSS dan Ks= 0,14 mg/ml, error function=13,16%. Percobaan pada reaktor kontrol untuk biodegradasi dengan partisi μm = 0,000015 kg/g.hr , YBr/BP =0,14,Ks = 0,04 mg/ml dan Kp= 1,7 l/g MLSS, error function = 4,35%. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa kombinasi proses adsorpsi bahan toksik oleh karbon aktif dan biodegradasi oleh lumpur aktif menghasilkan pengurangan konsentrasi bahan toksik yang cukup baik untuk proses pengolahan limbah cair.
Kata Kunci: Biodegradasi, bioreaktor PACT, shock loading , adsorpsi, desorpsi, non-biodegradable
PENDAHULUAN
Proses biorektor PACT merupakan kombinasi proses adsorpsi dan biodegradasi sebagai alternatif penyelesaian masalah pemakaian proses lumpur aktif untuk mengolah kandungan substabsi beracun, yang prosesnya disebut dengan powdered activated carbon treatment (PACT). Proses PACT ini diketahui telah menunjukkan kinerja yang lebih stabil karena karbon aktif yang ditambahkan ke dalam kolam aerasi diharapkan dapat mengambil bahan beracun secara adsorpsi, setelah itu diikuti dengan kenaikan kemampuan biodegradasi dari lumpur aktif (Sublette et al., 1982).
Untuk mengetahui secara mendalam mekanisme proses adsorpsi-desorpsi dan biodegradasi di PACT yang terjadi sewaktu shock loading bahan kimia diberikan, perlu dikaji perbedaan sifat adsorpsi dan desorpsi bahan kimia terhadap respon proses PACT berkaitan dengan sifat toksisitas dan kemampuan biodegradasi mikroorganisme terhadap bahan kimia tersebut. Data hasil dari target substances (3- Bromophenol/3-BP) yang didapat dengan berbagai sifat adsorpsi-desorpsi dan biodegradasi akan diumpankan secara shock loading ke dalam bioreaktor untuk dilihat kinerja PACT dan dicari konstanta adsorpsi dan biokinetika dengan membuat dinamika proses dan model matematikanya.
Dari penelusuran literature tentang pemodelan PACT diawali oleh Namkung, E. dan Rittman, B.E. (1987) telah mengembangkan model untuk estimasi removal Volatile Organic Compound (VOC) pada
Publicy Owned Treatment Works (POTWs). Model memprediksi penghilangan pollutan melalui mekanisme-mekanisme: biodegradasi menggunakan Model Monod, adsorpsi oleh mikroorganisme menggunakan Model Linear dan Volatilasi process dengan menganggap Quasi equilibrium process. Sedangkan O’Brian, G. J. (1992) telah mengestimasi penyisihan bahan organik prioritas didalam PACT process. Koefisien kinetik untuk penghilangan secara biodegradasi dan adsorpsi dengan karbon aktif bubuk maupun secara stripping (oleh udara) diperoleh dari data pilot-plant. Digunakan steady state model untuk prediksi penghilangan polutan prioritas. Ternyata model ini cukup cocok dengan data eksperimen.
Dalam penelitian ini, pemodelan sistem bioreaktor PACT dilakukan studi selain dengan eksperimen, yang bertujuan untuk menganalisis teoritis menyeluruh, dengan cara membuat model matematis dan melakukan validasi sehingga kekompleksan sistem yang terkait dengan proses biologis dan transfer massa dalam bioreaktor akan dapat diklarifikasi dengan baik.
METODOLOGI PENELITIAN
Dalam penelitian ini dilakukan pendekatan secara eksperimen dan pemodelan. Pada tahap eksperimen dilakukan dimulai dengan mengobservasi kemampuan adsorpsi-desorpsi karbon aktif terhadap 3-BP dan kemampuan biodegradasi sludge terhadap 3-3-BP secara batch. Kemudian dilanjutkan dengan eksperimen secara shock loading, melalui penambahan 3-BP kedalam bioreaktor lumpur aktif baik dengan maupun tanpa penambahan karbon aktif. Untuk lebih detailnya dirinci penjelasan bioreaktor PACT dan kondisi operasi untuk eksperimen shock-loading sbb.:
Penelitian tentang kinerja proses PACT direncanakan dilakukan dengan menggunakan reaktor biologis lumpur aktif yang terdiri dari tangki aerasi dan sedimentasi, yang terbuat dari bahan polyacrylate. Dari kedua bagian ini dipisahkan oleh dinding yang pada bagian bawah terbuka (berlubang), yang memungkinkan adanya aliran effluent dari tangki aerasi ke tangi sedimentasi. Lumpur aktif diaklimasikan dengan limbah sintetik sampai stabil effluennya sebelum dimulai shock loading. Sedangkan komposisi limbah sintetik yang akan digunakan dapat dilihat pada Tabel 1 sebagai berikut;
Tabel I Komposisi limbah sintetik*)
Komponen Konsentrasi (mg l-1) Polypepton 446 KH2PO4 17.40 NaHCO3 111 MgSO4.7H2O 5.2 CaSO4.5H2O 2.11 FeSO4.7H2O 0.06 TOC 200 *) Nishijima et al. (1993)
Limbah sintetik tersebut dimasukkan ke dalam tangki aerasi dengan laju alir 7 l h-1 sedangkan 3-BP ditambahkan dengan konsentrasi 50 mg l-1 pH dipertahankan pada kisaran 6,5-7,5. Karbon aktif dievaluasi kinerjanya berdasarkan bahan karbon aktif dari arang tempurung kelapa. Karbon aktif berupa serbuk dengan ukuran diameter antara 53 sampai 75 m digunakan dalam penelitian ini. Karbon aktif dimasukkan ke dalam lumpur aktif dengan konsentrasi 1500 mg l-1 pada masing-masing tangki aerasi. Mixed liquor suspended solid (MLSS) di masing-masing tangki aerasi lumpur aktif dipertahankan pada 3000 mg l-1. Sludge retention time (SRT) dipertahankan pada 15 hari. Peralatan eksperimen dapat dilihat pada Gambar 1 sebagai berikut:
P
The activated sludge reactor P P Air compressor Effluent Influent Influent control unit Concentrated synthetic wastewater Pure water Aeration tank Sedimentation tank P P
The activated sludge reactor P P Air compressor Effluent Influent Influent control unit Concentrated synthetic wastewater Pure water Aeration tank Sedimentation tank
Gambar 1. Peralatan penelitian bioreaktor PACT
Sedangkan tahapan pemodelan matematik dilakukan dengan membuat pengembangan persamaan model matematik yang mengandung beberapa parameter seperti maximum specific growth rate ( max), half saturation constant (KS), partation constant (Kp), adsorption-desorption constant (Kd)dan faktor konversi
reaksi (YBr/BP), kemudian harga parameter yang ada dilakukan fitting dengan data percobaan menggunakan
software Microsoft EXCEL dan disimulasikan dengan MATLAB. Fenomena yang terjadi didalam tangki bioreaktor pada kondisi shock loading dapat dideskripsikan dengan pemodalan matematik. Ditinnjau dua keadaan yaitu tanpa karbon aktif dan dengan karbon aktif, serta dengan mempertimbangkan pengaruh partisi. Pemakaian target substance 3-BP untuk pemodelan ini karena mempunyai mekanisme proses yang lengkap yaitu adsorpsi-desorpsi dan biodegradasi.
Didalam tangki, reaksi yang terjadi adalah laju penguraian/biodegradasi 3Bp ataupun pembentukan ion Br- dan adsorpsi oleh karbon aktif, serta adsorpsi oleh lumpur aktif karena lumpur aktif juga memiliki sifat sebagai adsorbent. Kemampuan ini lebih dikenal dengan partisi. Untuk adsorpsi digunakan persamaaan Freunlich, sedangkan untuk biodegradasi digunakan persamaan Monod. Untuk keadaan tanpa karbon aktif, dianggap tak terjadi adsorpsi pada biomass. Karena terjadinya proses adsorpsi-desorpsi dan biodegradasi secara lengkap hanya terjadi sewaktu reaktor PACT diberi influen substance 3-BP, maka untuk pemodelan hanya ditinjau reaktor yang diberi influen 3-BP saja.Proses yang terjadi di dalam tangki aerasi hanyalah biodegradasi bromothial menjadi bromine.
HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Kemapuan adsorpsi dan desorpsi karbon aktif baru terhadap 3-BP
Kemampuan adsorpsi dari karbon aktif baru terhadap 3-BP yang menggunakan perhitungan dengan cara Freundlich adsorption isotherm. Kemampuan adsorpsi daripada bahan lumpur aktif sangat rendah dibandingkan daripada karbon aktif terhadap3-BP, sehingga bisa diabaikan. Dari Isotherm berdasarkan Freundlich diperoleh hasil nilai konstanta K yang setara dengan kemampuan adsorpsi untuk bahan karbon aktif baru terhadap 3-BP adalah 203,6 mg g-1. Sedangkan kemampuan desorpsi dari powedered activated carbon (PAC) terhadap 3-BP adalah sekitar 15-20 %.
3.2 Kemapuan biodegradasi lumpur aktif terhadap target substances
Kemampuan biodegradasi lumpur aktif terhadap terhadap 3-BP secara batch dapat dilihat pada
Gambar 2. Dari batch test, biodegradasi 3-BP didalam lumpur aktif dilakukan pada reaktor dengan volume 2
l yang mempunyai konsentrasi solid sebagai MLSS 2000 mg l-1. Konsentrasi awal 3-BP adalah 50 mg l-1, sedangkan akhir dari biodegradasi ditandai dengan diperoleh konsentrasi Br- yang tidak berubah sebesar 27,8 mg l-1, yang sesuai dengan perhitungan secara teoritis.
0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 Waktu (hari) K o ns en tr as i (m g l -1 ) 15 Br ion 3-BP
Gambar 2. Batch test biodegradasi 3-BP didalam lumpur aktif
3.3 Percobaan Shock Loading
Pada lumpur aktif setelah diaklimasi dengan limbah sintetik polypepton dan telah menunjukkan kinerja yang stabil, selanjutnya dilakukan penambahan substansi 3-BP secara terpisah baik untuk reaktor PACT maupun reaktor kontrol (lumpur aktif tanpa penambahan PAC) secara shock loading. Dari reaktor kontrol dengan penambahan secara shock loading 3-BP menunjukkan bahwa lumpur aktif masih mampu mengolah 3-BP baik secara adsorpsi maupun biodegradasi, hal ini karena toksisitas 3-BP terhadap lumpur aktif tidak begitu tinggi. Selain itu juga ditunjukkan bahwa proses pengolah dengan lumpur aktif telah mampu melakukan proses biodegradasi terhadap substansi 3-BP dengan ditandai adanya perubahankonsentrasi Br- pada efluen setiap waktu.
Berdasarkan hal tersebut diatas, selanjutnya dilakukan klarifikasi dengan perhitungan secara mass balance daripada komponen 3-BP baik di reaktor kontrol maupun di reaktor PACT, diperoleh hasil seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 sebagai berikut;
13 50 25 37 0 20 40 60 80 100 Control [3-BP] PACT [3-BP]
%Discharge
%Adsorpsi
%Biodegradasi
Gambar 3. Perbandingan jumlah dari substansi 3-BP yang teradsorpsi dan terbiodegradasi pada
reaktor PACT maupun reaktor kontrol
Dari Gambar 3 terlihat bahwa proses PACT untuk mengambil 3-BP melalui proses adsorpsi (50% removal) dan proses biodegradasi (37% removal). Disamping itu juga terlihat bahwa pengambilan 3-BP di reaktor PACT dengan biodegradasi bertambah tinggi dibandingkan dengan biodegradasi di reaktor kontrol (kemampuan biodegradasi di reaktor PACT adalah 1,4 kali lebih baik dibandingkan dengan di reaktor kontrol). Dengan demikian stabilatas di PACT akan bertambah baik oleh adanya kombinasi adsorpsi dan biodegradasi, hal ini sesuai dengan pendapat De Walle and Chian (1977), Sundstrom dkk.(1979) dan Okada dkk (2000).
). 0 1 2 3 4 5 0 24 48 72 96 120 144 168 192 Time (hours) C o n c. o f B r - (m g l -1 ) Control PACT
Gambar 4. Proses Adsorpsi, Biodegradasi dan Desorpsi substansi 3-BP
Dari Gambar 4 telah ditunjukkan bahwa setelah proses adsorpsi sampai 24 jam kemudian terjadi proses biodegradasi yang diakhiri pada 78 jam (pada Reactor Control), sedangkan pada reactor PACT terjadinya proses biodegradasi diikuti oleh proses desorpsi secara perlahan yang akhiri pada jam ke 168.
3.4 Pemodelan Matematik
Pemodelan matematik ditinjau dahulu untuk keadaan tanpa karbon aktif dan dianggap tak terjadi adeskripsi pada biomass. Karena terjadinya proses adsorrpsi-desorpsi dan biodegradasi secara lengkap hanya terjadi sewaktu reaktor PACT diberi influen substansi 3-BP. Proses yang terjadi di dalam tangki aerasi hanyalah biodegradasi bromothial menjadi bromine. Proses ini bisa di deskripsikan secara matematik sebagai berikut: BP BP m BP in BP BP
C
Ks
XC
FC
FC
dt
dC
+
−
−
=
μ
…………..….(1) BP BP m BP BrC
Ks
XC
Y
FBr
dt
dBr
+
+
−
=
/μ
……….…...(2)Persamaan (1) dan (2) diselesaikan secara matematik dengan metode Runge Kutta orde empat dengan kondisi awal, pada t = 0, CBr = 0 dan C BP= 0. Parameter model, seperti m, Ks, dan YBr/BP
ditentukanagar jumlah dari penyimpangan kuadrat antara prediksi model dan data eksperimen seminimal mungkin. Penyelesaian Persamaan Differensial dengan metoda Runge Kutta dan fitting parameter dilaksanakan menggunakan software Microsoft EXCEL Solver.
Pemodelan matematik ditinjau untuk PACT dimana pada bioreaktor lumpur aktif berisi juga karbon aktif. Pada pemodelan ini ditinjau dua kasus, yaitu sifat adsorpsi activated sludge diperhitungkan (model Partition) dan tidak diperhitungkan. Bila kemampuan adsorpsi activated sludge diperhitungkan, maka model yang berlaku ditunjukkan pada Persamaan (3), sedang bila kemampuan adsorpsinya tidak diperhitungkan, maka modelnya ditunjukkan pada Persamaan (4), dengan KP adalah konstanta partisi. Persamaan dan kurva
disajikan pada Gambar 5 dan 6 untuk perubahan konsentrasi BP di bioreaktor kontrol dan PACT sebagai berikut: ...(3)
)
1
(
1
)
(
)
1
)(
(
)
1
(
/ 1 infXKp
C
Q
C
K
XKp
C
k
CX
V
F
C
XKp
V
F
C
dt
dC
n o mt s m+
−
−
+
+
−
−
+
=
μ
...(4)dC
=
C
F
−
C
F
−
−
K
(
C
−
C
1/)
inf n o d mt s mK
Q
C
k
CX
V
V
dt
+
μ
Gambar 5. Hubungan konsentrasi 3-BP terhadap waktu hasil fitting dengan partisi bioreaktor kontrol
Gambar 6. Hubungan konsentrasi 3-BP terhadap waktu hasil fitting dengan partisi bioreaktor PACT
Reaktor lumpur aktif tanpa penambahan karbon aktif dioperasikan dengan laju alir 0,2917 l/hr. Influen 3-BP dengan konsentrasi 50 mg/l dimasukkan kedalam reaktor selama 24 jam. Didalam reaktor konsentrasi 3-BP pada saat awal adalah nol, reaktor terdiri dari activated sludge sistem dengan kadar MLSS 3000 mg/l. Dari percobaan sampling dilakukan setiap 2 jam sekali diukur konsentrasi 3-BP dan Bromine (Br -). Untuk pemodelan ditetapkan setiap 0.5 jam sekali konsentrasi 3-BP dan Br-.
Hasil pemodelan kontinyu reaktor kontrol dengan partisi sesuai dengan Gambar 5 telah memberikan hasil yang cukup baik, ditunjukkan dengan nilai error yang cukup kecil yakni sebesar 18.95 %. Hal ini menunjukkan bahwa pemodelan dengan kontinyu sudah menunjukkan hasil yang mendekati hasil yang sebenarnya pada eksperimen. Hasil fitting parameter yang diperoleh untuk reaktor kontrol mempertimbangkan partisi adalah μm = 0,000015 kg/g.hr, Ks = 0,04 mg/ml dan Kp = 1.7 l/g MLSS. Sedangkan pada reaktor PACT dengan partisi menghasilkan error function sebesar 13.16%, yang disajikan pada Gambar 6. Dari hasil fitting parameter diperoleh untuk percobaan kontinyu pada reaktor PACT dengan mempertimbangkan partisi adalah μm = 0,0004 kg/g.hr, Ks=0,14 mg/ml dan Kp = 1.7 l/g.MLSS.
Gambar 7. Hubungan konsentrasi Br-terhadap waktu hasil fitting dengan partisi bioreaktor kontrol
Percobaan pada reaktor kontrol untuk proses biodegradasi di Bioreaktor diperoleh fitting sesuai disajikan Gambar 5, diperoleh harga m = 0,000015 kg/g.hr dan Ks=0.04 mg/ml, Kp = 1.7 l/gram MLSS dan diperoleh faktor konversi (YBr/BP) pembentukan bromine sebesar = 0,14, dengan error function sangat
kecil sebesar 4,35%. Sedangkan proses biodegradasi pada bioreaktor PACT diperoleh nilai konstanta: µm = 0.0004 kg/g.hr ,YBr/BP = 0.46, Kp = 1.7 l/gram MLSS dan Ks = 0,14 mg/ml. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan aktifitas mikroorganisme bisa dibuktikan nilai µm,,YBr/BP dan Ks pada pemodelan di bioreaktor PACT lebih besar dibandingkan pada pemodelan bioreaktor kontrol (tanpa penambahan karbon aktif), sesuai yang ditunjukkan oleh Okada dkk (2000) bahwa karbon aktif sebagai suatu habitat yang lebih baik untuk mikroorganisme pengolah limbah, hal ini menjadikan aktifitas mikroorganisme didalam proses PACT lebih baik daripada didalam pengolah limbah lumpur aktif konvensional.
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan telah diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Reaktor PACT telah menunjukkan kinerja yang sangat baik untuk target substansi yang digunakan 3-BP.
2. Reaktor PACT dapat menyisihkan 3-BP melalui mekanisme adsorpsi (50%) dan biodegradasi (37%) serta diikuti dengan kemampuan desorpsi, dengan desorpsi terjadi setelah proses adsorpsi selesai yang secara perlahan dilanjutkan dengan proses biodegradasi.
3. Pemodelan bioreaktor PACT influen 3-BP kondisi shock loading mempertimbangkan model partisi digunakan proses fitting software Microsoft EXCEL Solver dan disimulasi MATLAB telah diperoleh:
μm = 0.0004 kg/g.hr, Kp =1.7 l/g MLSS dan Ks= 0,14 mg/ml, error function=13,16%, sedangkan untuk biodegradasi dengan partisi μm = 0,000015 kg/g.hr , YBr/BP =0,14,Ks = 0,04 mg/ml dan Kp= 1,7 l/g MLSS , error function = 4,35%.
UCAPAN TARIMA KASIH
Pada kesempatan ini peneliti mengucapkan terima kasih kepada DP2M DIKTI yang telah mendanai penelitian Hibah Fundamental tahun ke-2 periode 2008/2009. Ucapan terimakasih juga saya sampaikan kepada bimbingan skripsi saya sekaligus sebagai pelaksana penelitian, yakni: sdr Agung Nugroho dan sdri Ninik Sri Utami.
DAFTAR PUSTAKA
1. De Walle, F.B., Chian, E.S.K. (1977) Biological regeneration of powdered activated carbon added to activated sludge units. Water Research 11, p. 439-446.
2. Namkung, E. and Rittmann B.E Estimating volatile organic compound emissions from publicly
owned treatment works. Journal WPCF 59, p. 670-678.
3. Nishijima, W., Itoh, H., Okada, M., Murakami, A. (1993) Simultaneous removal of phenol and ammonium nitrogen by activated process added with biological support media and fixed-bed process. J. of Japan Society on Water Environment 16, p. 284-290.
4. Okada, M., Morinaga, H. And Nishijima, W. (2000) Activated carbon as a better habitat for water and wastewater treatment microorganisms. Water Science and Technology, 42, p.149-154.
5. O’Brian, G. J. (1992) Estimation of the removal of organic priority pollutans by the powdered activated carbon treatment process. Water Environment Research 64, p.877-883.
6. O’Brian, G. J. A dynamic model for predicting effluent concentrations of organic priority pollutans from an industrial wastewater treatment plant. Water Environment Research 67, 1995.
