PENGOLAHAN AMMONIUM NITROGEN (NH4
+- N) PADA LINDI
TPA BENOWO DENGAN PRESIPITASI STRUVITE (MAGNESIUM
AMMONIUM PHOSPHAT) MENGGUNAKAN CONTINUOUS
FLOW STIRRED TANK REACTOR
I D A A Warmadewanti, Warsidi Sudarma Pasca Sarjana Teknik Lingkungan ITS
warma@its.ac.id
Abstrak
Pengolahan limbah tidak hanya berorientasi pada removal kandungan polutan yang ada, tetapi sudah mengarah pada recovery nutrient yang terkandung didalamnya untuk keperluan yang bermanfaat. Salah satu alternatif pengolahan kandungan ammonium nitrogen (NH4+-N) adalah dengan presipitasi struvite (MgNH4PO4.6H2O)
yang bisa diterapkan pada beberapa jenis air limbah yang mengandung ammonium nitrogen tinggi termasuk lindi, dimana struvite yang dihasilkan dapat dimanfaatkan sebagai material penyubur (fertilizer).
Tujuan penelitian ini adalah mengkaji efisiensi penurunan ammonium nitrogen (NH4+-N) dari lindi TPA Benowo dengan presipitasi struvite. Kandungan ammonium
nitrogen dalam lindi perlu diremoval terlebih dahulu, karena bersifat toksik terhadap bakteri methanogenesis sebagai bakteri pengurai material organik pada lindi. Penelitian dilakukan dengan menggunakan continuous flow stirred tank reactor (CFSTR), yang didahului dengan proses batch untuk memperoleh pH dan waktu pengadukan optimum. Parameter yang diukur pada penelitian ini adalah Ammonium dan Phosphat yang merupakan ion yang berada pada lindi sekaligus pembentuk struvite. Sebagai presipitation agent digunakan MgSO4.7H2O sebagai sumber garam magnesium. Variasi dilakukan pada molar ratio [Mg2+]:[NH4+]:[PO43-] ; 1:18:1 sampai 5:18:1. Pada
proses kontinyu dilakukan variasi beban aliran 52 mL/menit, 70 mL/menit dan 103 mL/menit.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada kondisi optimum proses batch dengan ratio molar 2,5:18:1, hanya mampu menyisihkan 54,5% ammonium dan 72,9% phosphate dari konsentrasi awal. Hasil tersebut diperoleh pada pH 9 dan waktu pengadukan 45 menit. Sedangkan pada proses kontinyu menunjukkan dengan ratio molar 2,5:18:1 dan beban aliran 52 mL/menit, diperoleh penyisihan 89,2% ammonium dan 93,8% phosphate. Penambahan beban aliran menghasilkan penurunan effisiensi penyisihan. Pada resirkulasi 10% diperoleh peningkatan 5% dibanding tanpa resirkulasi. Kata kunci : Struvite, Lindi, Ammonium Nitrogen, phosphat, Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CFSTR.
I. PENDAHULUAN
Karakteristik lindi TPA Benowo mempunyai kandungan ammonium antara 1100 – 1500 mg/l, BOD 2100 mg/l dan COD 4300 mg/l (Warmadewanthi dan Slamet, 2008). Pengolahan yang diterapkan adalah menggunakan kombinasi pengolahan biologis dan kimia. Pada pengolahan biologi menggunakan anaerobic baffled reactor (ABR), yang berfungsi untuk mereduksi bahan organik yang tinggi pada lindi. Dengan karakteristik tersebut seharusnya kandungan Ammonium Nitrogen (NH4+- N) diturunkan secara
efisien menangani konsentrasi BOD/COD tetapi konsentrasi ammonium yang tinggi menghambat sistem treatment biologi (Zhang et al., 2009). Kandungan Ammonium Nitrogen (NH4+-N) yang tinggi bersifat toxic terhadap bakteri methanogenesis yang
merupakan bakteri yang bertugas mendekomposisi materi organik pada kondisi anaerobik (Kim et al., 2006; Uygur and Kargi, 2004).
Salah satu alternatif pengolahan kandungan ammonium nitrogen (NH4+-N) yang
juga menghasilkan nutrient adalah dengan presipitasi struvite (MgNH4PO4.6H2O) yang
bisa diterapkan pada beberapa jenis air limbah termasuk lindi. Struvite bisa digunakan sebagai penyubur/fertilizer yang mengandung unsur N dan P, yang sangat dibutuhkan oleh tumbuhan. Selain sebagai fertilizer, struvite dapat digunakan juga sebagai bahan makanan ternak, bahan detergent dan bahan dasar kosmetik (Wang et al., 2005; Munch and Bar, 2001; Gaterrel et al., 2000).
Effisiensi reduksi ammonium nitrogen (NH4+-N) pada lindi dengan presipitasi
struvite dipengaruhi beberapa faktor yaitu : rasio molar (ammonium : magnesium : phosphat), pH, sumber senyawa ammonium dan phosphat, waktu kontak, dan mixing.. Pada penelitian ini, limbah yang akan digunakan adalah limbah asli TPA Benowo dengan proses kontinyu menggunakan continuous flow stirred tank reactor (CFSTR). Penggunaan CFSTR karena pembentukan struvite sangat dipengaruhi oleh waktu dan kecepatan mixing (Stratful et al., 2004).
Tujuan dari penelitian ini adalah mengkaji efisiensi removal Ammonium Nitrogen dari lindi TPA Benowo dengan presipitasi struvite menggunakan CFSTR, faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik struvite yang terbentuk dan kondisi optimum yang mempengaruhi operasional CFSTR seperti ratio molar, beban aliran, dan resirkulasi.
II. METODA
Alat dan Bahan
Bahan yang dipergunakan sebagai presipitant agent adalah senyawa magnesium (MgSO4.7H2O). Metode Analisa menggunakan standart methode APPHA (1999).
Proses batch menggunakan reaktor jar test di laboratorium Teknik Lingkungan-ITS, sedangkan proses kontinyu menggunakan reaktor CFSTR yang dibuat dengan bahan dari kaca pyrex, skematik reaktor yang akan digunakan adalah seperti pada
Gambar 3.1.
Penelitian Pendahuluan
- Uji karakteristik lindi : uji pH, NH4-N, PO43-, BOD, COD, Cl- , dan (TSS).
- Uji pengaruh pH terhadap perubahan Ammonium menjadi Ammonia. Percobaan Secara Batch
Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah : pH : dilakukan variasi pH eksisting, 8,5, 9, 8.5, dan10.
Jenis senyawa Magnesium : sebagai sumber magnesium adalah MgSO4.7H2O.
Waktu Kontak : pengadukan dilakukan selama 90 menit, pengambilan sampel dilakukan tiap 15 menit.
Mixing Speed (kecepatan pengadukan) : digunakan kecepatan pengadukan 200 rpm. Rasio Molar antara Magnesium, Ammonium, dan Phosphat : perbandingan
konsentrasi NH4+ : PO43- pada lindi TPA Benowo adalah 18 : 1. Pada percobaan
Gambar 3.1 Skematik Rencana Reaktor CFSTR Percobaan Secara Kontinyu
Percobaan dengan aliran secara kontinyu, menggunakan reaktor CFSTR seperti pada Gambar 3.2. Hasil optimum pada batch reaktor yaitu pH dan waktu pengadukan pengadukan diterapkan pada reaktor ini. Variabel yang digunakan pada percobaan secara kontinyu adalah :
Debit (Beban Aliran) : Variasi debit aliran adalah 52 mL/menit, 70 mL/menit, dan 103 mL/menit, pada reaktor dengan volume 3100 mL.
Rasio Molar NH4+ : Mg2+ : PO43- : Variasi rasio molar adalah 1:18:1, dan 2,5:18:1.
Debit lindi dan magnesium dapat dilihat pada Tabel 1. Resirkulasi : Dilakukan variasi resirkulasi 10%, 20%, 30%. Tabel 1. Variasi debit lindi dan magnesium pada proses kontinyu
Q lindi Q Magnesium, C = 200 mg/L
Molar ratio 1:18:1 Molar ratio 2,5:18:1
52 mL/menit 4 mL/menit 10 mL/menit
70 mL/menit 6 mL/menit 14 mL/menit
103 mL/menit 8 mL/menit 21 mL/menit
Sumber : Hasil perhitungan
Pada penelitian ini juga akan dinalisis kemurnian dari presipitat yang dihasilkan, yaitu kemurnian struvite. Analisis dilakukan dengan wet chemical, dimana endapan akan diekstraksi di dalam asam kuat 5M HNO3. Kemudian dilanjutkan dengan
pengadukan selama 1 jam, hasil ekstrasi akan dianalisa guna mengetahui perbandingan ratio antara Mg2+ : NH4+ dan PO43-. Analisis ini sangat penting jika ingin
mengaplikasikan struvite lebih lanjut.
III. HASIL DAN DISKUSI
Karakteristik Lindi TPA Benowo
Karakteristik lindi menentukan perlakuan terhadap proses pembentukan struvite yang akan dilakukan untuk meremoval ammonium yang terdapat pada lindi. Karakteristik awal lindi TPA Benowo adalah : pH 8,15, NH4-N 1000-1300 mg/L, PO4
3-200-350 mg/L, BOD 2.726 mg/L, COD 5.680 mg/L, Cl-,15.000 mg/L, dan Total Suspended Solid (TSS) 500 mg/L.
Pada karakteristik lindi tersebut diperoleh perbandingan molaritas ammonium dan phosphat yang cukup tinggi yaitu [NH4+] : [PO43-] adalah 18 : 1. Adanya
konsentrasi ammonium yang berlebih sangat menguntungkan bagi pengendapan struvite (Stratful et al., 2004; Warmadewanthi and Liu, 2009; Wang et al., 2005).
Pengaruh pH terhadap perubahan Ammonium
Nilai pH yang tinggi dapat menyebabkan perubahan Ammonium menjadi Ammonia, Stratful et al., (2004) mengatakan bahwa pada pH 9, sekitar 15% dari ammonium akan berubah menjadi ammonia, percobaan tersebut dilakukan limbah articial. Nilai ini terpaut 5,4% dengan yang dilakukan pada percobaan lindi TPA Benowo, yaitu 9,6%. Pada pH 10 diperoleh perubahan sebesar 13,34%. Perbedaan ini disebabkan oleh kandungan organik pada lindi yang mempengaruhi perubahan ammonium menjadi ammonia.
Percobaan Secara Batch
Penentuan pH dan Waktu Pengadukan Optimum
Penyisihan ammonium sangat dipengaruhi oleh kondisi pH, karena aktivitas ion ammonium dan phosphat sangat tergantung pada kondisi pH (Demirer et al., 2005). pH eksisting lindi TPA Benowo adalah 8,15. Untuk mengetahui pH optimum pada proses presipitasi struvite dilakukan percobaan batch dengan variasi pH 8,15 – 10, dengan kecepatan pengadukan 200 rpm.
Berdasarkan reaksi kimia, molar ratio minimum terjadinya presipitasi struvite [Mg2+] : [NH4+] : [PO43-] adalah 1:1:1, dengan reaksi kimia sebagai berikut :
Mg2+ + NH4+ + PO43- → MgNH4PO4. 6H2O
Hasil penelitian terhadap penyisihan ammonium menunjukkan removal dibawah 50 %, pada molar ratio [Mg2+] : [NH4+] : [PO43-] = 1 : 18 : 1 dengan rentang pH antara
8,5 sampai 10. Penyisihan ammonium menunjukkan effisiensi sebesar 29,4 % – 41,5 % pada pengadukan 45 menit.
Removal effisiensi tertinggi terjadi pada pH 10, yaitu 43,5 % (Gambar 2), sedangkan pH 9 diperoleh removal effisiensi sebesar 41,5 %. Perbedaan removal pada pH 9 dan pH 10 tersebut tidak terlalu signifikan, sehingga dapat disimpulkan bahwa pH optimum diperoleh pada pH 9. Effisiensi removal ammonium yang tidak terlalu besar disebabkan oleh selisih kandungan phosphat dan ammonium yang tinggi pada lindi, dimana secara teoritis stoikiometri minimum terbentuknya struvite [Mg2+] : [NH4+] :
[PO43-] adalah 1:1:1.
Pada Gambar 2 juga terlihat penyisihan phosphat yang terjadi. Dengan rentang pH 8,15 – 10, removal effisiensi hampir sama, yaitu 66,05% – 67,57 % pada pengadukan 45 menit. Peningkatan penyisihan phosphat seiring dengan peningkatan removal ammonium. Hal ini mendukung penelitian sebelumnya bahwa terbentuknya struvite secara teoritis stoikimometri membutuhkan minimum [Mg2+] : [NH4+] : [PO43-]
Gambar 2. Pengaruh pH terhadap penyisihan ammonium dan phosphat pada proses batch, pada molar ratio 1:8:1.
Pengaruh Penambahan Magnesium
Pada penelitian ini dilakukan variasi penambahan magnesium dengan rentang perbandingan molar ratio 1:18:1, 2,5:18:1, dan 5:18:1. Masing-masing penelitian dilakukan pada pH 9.
Hasil penelitian diperoleh removal effisiensi ammonium yang lebih tinggi dengan adanya eksess konsentrasi magnesium (Gambar 3).
Gambar 3. Pengaruh penambahan magnesium pada penyisihan ammonium dan phosphat pada proses batch.
Penyisihan ammonium yang semula hanya 41,5% pada molar ratio 1:18:1, meningkat menjadi 54,46% pada molar ratio 2,5 : 18 : 1, dan 58,86% pada molar ratio 5 : 18 : 1. Sedangkan penyisihan phosphat, dari semula 67,2% pada molar ratio 1 : 1 : 1, meningkat menjadi 72,9% pada molar ratio 2,5 : 18 : 1, dan 82,3% pada molar ratio 5 : 18 : 1.
Hasil di atas membuktikan bahwa penambahan magnesium mampu menaikkan penyisihan ammonium dan phosphat pada lindi. Kajian studi terdahulu juga menyatakan bahwa penambahan konsentrasi magnesium berlebih mampu meningkatkan removal ammonium dan phosphate (Wang et al., 2005; Chimenos et al., 2008; Warmadewanthi and J.C Liu, 2009).
Percobaan Secara Kontinyu
Pada percobaan kontinyu dilakukan variasi beban aliran sebesar 103 mL/menit, 70 mL/menit, dan 52 mL/menit. Pengadukan dilakukan pada kecepatan 200 rpm dan pH 9. Variasi rasio molar [Mg2+] : [NH4+] : [PO43-] adalah 1:18:1, dan 2,5:18:1.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada ratio molar 1:18:1, dengan beban aliran 52 ml/menit, removal effisiensi untuk ammonium dan phosphat adalah 85,1% dan 92,1% (Gambar 4). Removal effisiensi ini jauh lebih besar dari hasil penelitian dengan batch, yaitu ammonium 41,6 % dan phosphat 66,3 pada td 60 menit. Sedangkan dengan beban aliran 70 mL/menit diperoleh effisiensi ammonium 82,3% dan phosphat 93,8%, beban aliran 103 mL/menit, diperoleh effisiensi ammonium 79,0% dan phosphat 92,2%.
Gambar 4. Pengaruh beban aliran terhadap effisiensi penyisihan ammonium dan phosphat pada sistem kontinyu CFSTR.
Pada penambahan magnesium berlebih proses kontinyu yaitu dengan perbandingan 2,5 : 18 : 1 juga menunjukkan hal yang sama, yaitu memberikan effisiensi yang jauh lebih besar dari proses batch. Efisiensi tertinggi diperoleh pada beban aliran 52 mL/menit, dengan penyisihan ammonium 89,2% dari semula 54,5% pada proses batch dengan td 60 menit. Sedangkan penyisihan phosphat dari semula 72,87 meningkat menjadi 93,8% pada proses kontiyu.
Hal ini membuktikan bahwa konsentrasi molar memegang peranan penting pada penyisihan ammonium, dan penambahan magnesium berlebih dapat menaikkan removal ammonium (Wang et al., 2005; Chimenos et al., 2008; Warmadewanthi and Liu, 2009) Pengaruh Resirkulasi Pada Proses Kontinyu
Pada penelitian ini dilakukan resirkulasi endapan struvite yang terbentuk untuk mengetahui pengaruhnya terhadap effisiensi penyisihan ammonium dan phospat pada lindi . Percobaan dilakukan pada ratio molar 2,5:18:1, dan pH 9.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada beban aliran 52 mL/menit dan resirkulasi 10%, penyisihan ammonium meningkat dari 89,2% menjadi 94,3% dan penyisihan phosphat dari 93,8% menjadi 97,5% (Gambar 5). Peningkatan juga terjadi pada beban aliran 70 mL/menit dan 103 mL/menit pada resirkulasi 10%. Peningkatan effisiensi juga terjadi pada resirkulasi 20%, tetapi pada resirkulasi 30% hasilnya hampir sama dibandingkan dengan tanpa resirkulasi. Penambahan debit resirkulasi semakin menurunkan effisiensi penyisihan ammonium dan phosphat.
Analisis Kemurnian Endapan
Untuk membuktikan pembentukan struvite maka dilakukan uji kemurnian presipitat dengan menggunakan wet chemical analysis. Penelitian dengan wet chemical analysis ini digunakan untuk menentukan ratio elemen yang mengendap pada presipitat.
Gambar 6. Molar ratio Mg:NH4:PO4 di endapan
Penelitian menunjukkan bahwa pada molar ratio Mg2+:NH4 +
:PO4
3-adalah 1:18:1 maka ratio elemen pembentuk struvite di endapan menunjukkan ratio yang hampir sama yaitu 0,9:14,6:1. Pada molar ratio 2,5:18:1 maka ratio elemen pembentuk struvite di endapan menunjukkan ratio 2,3:15,9:1. Hal ini membuktikan bahwa dominan presipitat yang terbentuk adalah struvite. Beberapa penelitian menemukan bahwa dengan
perbandingan molar ratio 1:15:1 penyisihan ammonium dan recovery struvite dapat berlangsung dengan baik (Stratful, Schrimshaw, and Lester., 2001; Warmadewanthi and Liu, 2009)
IV. KESIMPULAN
1. MgSO4.7H2O sebagai sumber garam magnesium dapat digunakan untuk menyisihkan ammonium sekaligus phosphat pada lindi TPA Benowo dengan membentuk mineral struvite. Effisiensi penyisihan ammonium pada lindi TPA Benowo dengan proses batch mencapai 41,5%, pada pH 9 dan waktu pengadukan 45 menit, dengan ratio molar Mg:NH4+:PO43- = 1:18:1. Sedangkan proses kontinyu
dengan CFSTR menunjukkan peningkatan removal yang signifikan. Pada ratio molar dan pH yang sama diperoleh effisiensi removal ammonium 89,1% dengan beban aliran 52 mL/menit.
2. Pembentukan struvite sangat dipengaruhi oleh pH, beban aliran dan molar ratio Mg:NH4+:PO43-.
3. Kondisi optimum penyisihan ammonium nitrogen pada lindi TPA Benowo dengan proses kontinyu CFSTR adalah sebagai berikut :
a. Beban aliran optimum adalah 52 mL/menit. Penambahan beban aliran akan menurunkan effisiensi penyisihan ammonium.
b. Pada ratio molar Mg:NH4+:PO43- = 1:18:1 diperoleh penyisihan ammonium
nitrogen sebesar 85,1%. Dengan penambahan magnesium berlebih yaitu 2,5:18:1 diperoleh peningkatan penyisihan menjadi 89,2%. Hal ini membuktikan bahwa ratio molar antar elemen pembentuk struvite merupakan faktor penting dalam proses reaksi.
c. Pengaruh resirkulasi menunjukkan bahwa resirkulasi 10% pada beban aliran 52 mL/menit mampu menaikkan effisiensi ammonium dari 89,2% menjadi 94,3%. Resirkulasi 20% dan 30% tidak mampu menaikkan effisiensi penyisihan ammonium secara signifikan.
DAFTAR PUSTAKA
APHA, AWWA, WPCF, (1999), “Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater”, 21th ed. American Public Health Association, Washington, DC
Chimenos, J. M., Fernandez, A. I., Villalba, G., Segarra, M., Urruticoechea, A., Artaza, B. and Espiell, F. (2003). Removal of ammonium and phosphates from wastewater resulting from the process of cochineal extraction using MgO-containing by-product. Water
Research, 37(7), pp. 1601-1607.
Demirer S. Uludag, Demirer G.N, Chen S. (2005), “Ammonia Removal from Anaerobical Digested Dairy Manure by Struvite Precipitation”, Process Biochemistry, Vol. 40, hal. 3667–3674.
Gaterrell, M.R., Gay, R., Wilson and Laster, J.N. (2003). An economic and environmental evaluation of the opportunities for substituting phosphorus recovered from wastewater treatment works in existing UK fertilizer market. Environmental Technology, 21(9), pp.1067-1084.
Kim Daekeun, Ryu Hong-Duck, Kim Man-Soo, Kim Jinhyeong, Lee Sang-Ill. (2006), ” Enhancing Struvite Precipitation Potential for Ammonia Nitrogen Removal in Municipal
Landfill lindi”, Journal of Hazardous Materials, Vol. 146, hal. 81–85.
Li X.Z, Zhao Q.L, Hao X.D. (1999), ”Ammonium Removal from Landfill Lindi by Chemical Precipitation”, Waste Management, Vol.19, hal 409-415.
Metcalf & Eddy, Inc (1990), ”Wastewater Engineering : Treament and Disposal Reuse”, Tata Mcgraw-Hill, New York.
Munch, E.V. and Barr, K. (2001). Controlled struvite crystallisation for removing phosphorus from anaerobic digester sidestreams. Water Research, 35(1), hal.151-156.
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, hal 437-443.
Thcobanoglous. G.. Theisen. H.. dan Vigil. S.A. (1993), Integrated solid Waste Management.
Engineering Principles and Management Issues. McGraw-Hill International Edition.,
New York.
Uygur Ahmet., Kargı, Fikret. (2004), “Biological nutrient removal from pretreated landfill leachate in a sequencing batch reactor”. Jounal of Environmental Management, Vol 71, hal 9–14.
Wang, J., Burken, J.G., Zhang, X.J. and Surampalli, R. (2005). Engineering struvite
precipitation: Impact of component-ion molar rations and pH. Journal of Environmental
Engineering, 131(10), pp. 1433-1440.
Warmadewanthi, Agus Slamet. (2008), “Using Chemical Equilibrium for Prediction of Struvite from Landfill Lindi”, Proceeding of International Conference on Sustainable
Environmental Technology and Sanitation for Tropical Region, Dept of Environmental
Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya, hal. 49.
Warmadewanthi, Liu J.C. (2009), “Recovary of Phosphate and ammonium as struvite from semiconductor wastewater”, Separation and Purification Technology, 64 (1-3), hal 368-373.
Warmadewanthi and J.C Liu. 2009b. Selective Separation of Fluoride and Phosphate from Semiconductor Wastewater. Water Science and Technology, 10(59) hal. 2047-2053 Zhang Tao, Ding Lili, Ren Hongqiang. (2009), “Pretreatment of ammonium removal from
landfill leachate by chemical precipitation”, Jounal of Hazardous Materials, Vol 166, hal
