B - 223
PENGURANGAN KADAR AMONIUM PADA LIMBAH CAIR INDUSTRI TERASI MELALUI PROSES NITRIFIKASI DAN ANAMMOX MENGGUNAKAN
KOMBINASI KULTUR AEROB-ANAEROB
AMMONIUM REMOVAL ON INDUSTRIAL WASTEWATER OF SHRIMP PASTE BY NITRIF ICATION AND ANAMMOX PROCESS BY COMBINATION OF
AEROB-ANAEROB CULTURE
Gabriela Nindrasari 1,*, Irene Meitiniarti 1,2, Jubhar Christian Mangimbulude 1,2 1
Program Magister Biologi, Universitas Kristen Satya Wacana 2
Fakultas Biologi, Universitas Kristen Satya Wacana
*Korespondensi: Magister Biologi UKSW, Jl. Diponegoro 52-60 Salatiga 50714 E-mail: gabriela.nindrasari@yahoo.com
Abstrak - Industri pembuatan terasi menghasilkan limbah cair dengan kadar amonium yang relatif tinggi, yang besarnya kira-kira di atas 200 mg/L. Tingginya kadar amonium pada air limbah ini akan mengganggu lingkungan. Pengurangan senyawa amonium secara biologis dapat dilakukan dengan memanfaatkan proses nitrifikasi dan anammox yang dilakukan oleh bakteri. Studi ini dilakukan dengan tujuan menggunakan prinsip dari proses-proses tersebut untuk menurunkan kadar amonium dalam limbah cair industri terasi agar aman bagi lingkungan. Dalam penelitian ini, pengurangan amonium dilakukan melalui proses nitrifikasi dan anammox secara simultan dalam satu reaktor curah yang dibuat menjadi dua zona aerob dan anaerob. Hasil dari percobaan ini adalah terjadinya pengurangan kadar amonium, nitrit dan nitrat sebesar 27%, 40%, dan 74% pada zona aerob serta 27%, 59%, dan 83% pada zona anaerob.
Katakunci: anammox, pengurangan amonium, limbah industri terasi.
Abstract - Shrimp paste industry produces wastewater contained with relatively high ammonium concentration, approximately at more than 200 mg/L. The high level of ammonium in wastewater can cause bad effect to the environment. Biological ammonium removal can be prepared by nitrification and anammox process of microbes. The aim of this study is to use these processes to decrease the ammonium level of shrimp paste industrial wastewater, so it would be environmental-friendly. In this research, ammonium removal is done simultaneously by nitrification and anammox process in one batch reactor built by two zones, aerobic and anaerobic. The result is the decrease of ammonium, nitrite, and nitrate concentration at 27%; 40%; 74% in aerobic zone and 27%; 59%; 83% in anaerobic zone.
Keywords: anammox, ammonium removal, shrimp-paste industrial wastewater.
Pendahuluan
Manusia merupakan salah satu komponen ekologi yang memiliki peran besar terhadap kondisi bumi. Berkembangnya peradaban dan ilmu pengetahuan menimbulkan kegiatan pemanfaatan bahan alam yang seringkali kurang memperhatikan efek buruk bagi ekosistem dan lingkungan. Salah satunya
B - 224 organisme akuatik dapat menyebabkan penurunan tingkat perkembangan tubuh dan secara akumulatif mengakibatkan kematian ikan dan udang. Efek toksik amonium bervariasi tergantung pada daerah kontak, konsentrasi, dan lama pemaparan, misalnya paparan amonium pada manusia berdurasi 30-60 menit akan menyebabkan iritasi hidung dan mata pada konsentrasi 50 ppm hingga letal pada 5000 ppm [ATSDR, 2004]. Oleh sebab itu, senyawa-senyawa ini perlu dipecah hingga menjadi gas karena secara normal gas nitrogen (N2) merupakan
salah satu komponen dari udara atmosfer yang aman bagi lingkungan.
Limbah cair industri terasi merupakan salah satu penyumbang amonium yang sangat tinggi di perairan. Pada sebuah pengukuran sampel limbah cair industri terasi di Semarang diperoleh kadar amonium lebih dari 200 mg/L, sedangkan baku mutu amonium untuk pembuangan limbah industri hasil perikanan menurut Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup nomer 6 tahun 2007 adalah 5 mg/L. Berbagai upaya dilakukan untuk memanfaatkan prinsip-prinsip alami yang telah dipelajari untuk mengatasi tingginya kadar amonium pada air limbah, salah satunya adalah dengan proses biologis yaitu nitrifikasi-denitrifikasi dan anammox.
Nitrifikasi merupakan proses oksidasi aerobik senyawa amonium menjadi nitrit oleh bakteri dari genus Nitrosomonas, yang dilanjutkan dengan oksidasi nitrit menjadi nitrat oleh bakteri genus Nitrobacter. Kedua jenis bakteri ini termasuk kelompok autotrof yang pertumbuhannya lambat. Reaksi kimia dari proses nitrifikasi diawali oleh proses amonifikasi nitrogen organik menjadi amonium oleh bakteri heterotrof, yang diantaranya adalah bakteri dari genus
Bacillus, Clostridium, Proteus, Pseudomonas,
dan Streptomyces. Lalu bakteri nitrifikasi
akan mengubah amonium menjadi nitrat sehingga meningkatkan kebutuhan oksigen beberapa hari setelah penambahan
amonium. Tingkat oksidasinya ditentukan oleh faktor suhu, persediaan oksigen, dan pH air (Anthonisen, et al., 1976). Pemecahan nitrat menjadi gas terjadi melalui tahap denitrifikasi, yang merupakan proses anaerobik yang memanfaatkan nitrat sebagai akseptor elektron dan dengan perantara nitrit dan nitrit oksida akan memproduksi gas nitrogen. Denitrifikasi membutuhkan sumber karbon organik dan tanpa karbon organik hanya nitrit yang akan dihasilkan. Denitrifikasi dilakukan oleh bakteri heterotrof seperti genus Pseudomonas, Alkaligenes, dan Vibrio.
Proses anammox adalah proses oksidasi amonium menjadi gas nitrogen yang menggunakan nitrit sebagai penerima elektron. Anammox dilakukan oleh mikrob anaerobik Candidatus Brocadia anammoxidans dan Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Anammox atau anaerobic ammonium oxidation dikembangkan pada tahun 1990-an oleh Delft University of Technology di Belanda (Strous, 1999) sebagai teknologi pengurangan nitrogen yang cukup efektif dalam produksi emisi CO2 dibandingkan metode
nitrifikasi-denitrifikasi konvensional (Yi Y, et al., 2010). Prokariot anammox juga mengoksidasi 30-50% amonium di seluruh bumi menjadi gas nitrogen dengan menggunakan nitrit sebagai akseptor elektron (Bauman, 2009). Anammox unik karena prosesnya berlangsung anaerob sehingga cukup sulit dikultur.
B - 225 dan nitrit yang berperan sebagai produk SHARON akan bertindak sebagai substrat untuk melakukan proses anamox.
Pertanyaan ilmiah yang ingin dijawab dalam penelitian ini adalah mampu atau tidaknya bakteri nitrifikasi dan anammox untuk tumbuh dalam medium pertumbuhan yang telah dirancang. Zonasi oksik dan anoksik dibuat sehingga kedua jenis bakteri ini sebagai bakteri aerobik dan anaerobik autrotrof dapat melakukan aktivitasnya secara bersamaan dalam satu reaktor yang dibatasi dengan dua zona berbeda.
Metode Penelitian
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan adalah spektrofotometer Varian Cary® UV-Vis 50 dengan aplikasi perangkat komputer Simple Reads; alat-alat gelas seperti Erlenmeyer, gelas ukur, pipet ukur, dan tabung reaksi; dan reaktor yang dibuat dari botol plastik bekas air minum dengan aerasi melalui selang kecil dari pompa dengan airflow 2.5 L/jam.
Bahan yang digunakan adalah limbah cair yang berasal dari sebuah outlet pabrik pembuatan terasi yang berlokasi di kawasan industri Semarang. Limbah cair ini digunakan untuk medium pertumbuhan dan inokulum bakteri. Sampel limbah diambil menggunakan botol plastik dan disimpan di suhu 0oC sebelum diuji. Bahan lainnya adalah reagen-reagen untuk pengujian kadar amonium, nitrit, nitrat pada limbah cair.
Prosedur
Penyiapan Inokulum dan Medium Pertumbuhan
Inokulum yang digunakan berasal dari limbah cair yang diduga memiliki bakteri nitrifikasi dan anammox. Medium pertumbuhan yang digunakan adalah limbah cair yang disterilkan dengan autoklaf pada 121oC selama 15 menit, lalu dibiarkan hingga suhu ruang. Ke dalam medium ditambahkan 1 g CaCO3 untuk sumber
nutrisi pertumbuhan bakteri autotrof, lalu pH medium diatur menjadi 7.
Penyiapan Reaktor
Sebanyak 1 L medium pertumbuhan steril dimasukkan ke dalam botol reaktor, kemudian 5 mL inokulum ditambahkan. Aerasi dilakukan secara sinambung di bagian atas reaktor, yaitu sekitar 5 cm dari permukaan medium limbah cair, sehingga diasumsikan daerah aerob terbentuk di bagian atas dan anaerob di bawah tabung. Kondisi oksik dan anoksik berlangsung dalam kultur statis dan tidak terpisah.
Pengambilan Sampel dan Uji Amonium, Nitrit, Nitrat
Sampel yang akan diuji diambil pada hari ke-1, ke-3, ke-5, ke-7, lalu selanjutnya hari ke-14, ke-21, dan ke-28. Sampel dari zona aerob diambil di daerah permukaan medium, sedangkan sampel dari zona anaerob diambil dari bagian paling dasar tabung. Tujuh cuplikan ini kemudian diuji kandungan amonium, nitrit, dan nitratnya. Pengulangan dilakukan sebanyak 3 kali untuk masing-masing cuplikan.
B - 226 Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil pengukuran pada sampel harian dan mingguan dari sampel limbah cair, pertumbuhan inokulum
[image:4.595.74.524.197.376.2]menyebabkan terjadinya perubahan kadar amonium, nitrit, dan nitrat. Data pengukuran yang diperoleh disajikan pada Tabel 1, sedangkan grafik nitrifikasi dan anammox ditunjukkan oleh Gambar 1 dan Gambar 2.
Tabel 1. Data Konsentrasi Amonium, Nitrit, dan Nitrat pada Zona Aerob dan Anaerob
Waktu (hari) Zona Aerob Zona Anaerob
NH4 (mg/L) NO2 (mg/L) NO3 (mg/L) NH4 (mg/L) NO2 (mg/L) NO3 (mg/L)
1 32.08 4.34 0.13 29.4 12.35 0.13
3 40.66 16.03 0.14 45.32 18.11 0.18
5 32.85 7.02 0.10 49.87 7.11 0.10
7 31.93 3.33 0.08 38.62 5.05 0.07
14 38.61 2.38 0.05 39.93 2.41 0.05
21 40.24 2.40 0.05 35.16 4.46 0.05
28 23.33 2.59 0.03 21.37 5.10 0.02
Selisih hari ke-1 dan
ke-28 (mg/L) 8.75 1.75 0.09 8.03 7.25 0.11
Tingkat pengurangan
(%) 27 40 74 27 59 83
Dari Tabel 1 dapat dilihat nilai konsentrasi amonium, nitrit, dan nitrat untuk zona aerob dan anaerob pada hari ke-1, 3, 5, 7, 14, 21 dan ke-28. Selisih amonium, nitrit, nitrat dari sampel hari pertama dengan
sampel hari ke-28 masing-masing adalah 8.75; 1.75; 0.0946 mg/L pada zona aerob, dan 8.03; 7.25; 0.0946 mg/L. Tingkat pengurangannya adalah 27; 40; dan 74% pada zona aerob serta 27; 58; dan 83% pada zona anaerob.
Gambar 1. Perubahan Amonium (), Nitrit (), dan Nitrat () pada Proses Nitrifikasi di Limbah Cair Industri Terasi
Pada Gambar 1 ditunjukkan fluktuasi kadar amonium, nitrit dan nitrat pada zona aerob yang mengalami proses nitrifikasi. Di
zona ini ammonium, nitrit, dan nitrat berlangsung hingga hari ke-3, lalu mengalami penurunan. Setelah itu, kadar
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 7 14 21 28
N
it
ra
t
(m
g
-N
L
-1)
A
m
o
n
iu
m
d
a
n
N
it
ri
t
(
m
g-N
L
-1)
[image:4.595.146.451.523.670.2]B - 227 nitrat dan nitrit terus menurun oleh adanya dua fase nitrifikasi yang berlangsung beriringan. Reaksi stoikiometrik nitrifikasi adalah NH4+ + 2HCO3- + 1.5O2 NO2- +
3H2O + 2 CO2 untuk fase pertama lalu NO2
-+ 0.5 O2 NO3- untuk fase kedua.
Namun lain hal dengan amonium. Setelah mengalami penurunan karena dioksidasi, jumlah amonium kembali naik mulai dari hari ke-7. Kenaikan amonium ini
[image:5.595.146.457.281.433.2]disebabkan oleh amonifikasi, dimana nitrogen organik diubah menjadi amonium oleh bakteri heterotrof. Laju pertumbuhan bakteri heterotrof lebih tinggi daripada bakteri autotrofik sehingga menjadi penyebab fluktuasi pada minggu kedua dan ketiga. Denitrifikasi diduga juga berlangsung di zona aerob dan anaerob, karena penurunan kandungan nitrat hingga hari ke-28 cukup tinggi, yaitu 74% dan 83%.
Gambar 2. Perubahan Amonium () dan Nitrit () pada Proses Anammox di Limbah Cair Industri Terasi
Terjadinya anammox yang mengubah kadar amonium dan nitrit pada zona anaerob ditunjukkan pada Gambar 2. Kenaikan amonium dan nitrit terjadi mulai dari hari pertama hingga ke-3. Kemudian pada hari ke-3 hingga hari ke-5 nitrit mengalami penurunan sedangkan amonium masih terus naik. Hal ini menjelaskan tereduksinya nitrit dalam proses anammox menurut reaksi stoikiometrik: NH4+ + NO2 - N2 + H2O
Pada zona ini juga terjadi proses amonifikasi. Kondisi minim oksigen pada zona ini membantu bakteri heterotrof anaerobik untuk didekomposisi nitrogen organik menjadi amonium. Pada
pengamatan mingguan pada hari 7, ke-14, ke-21, dan ke-28, kadar amonium turun sedangkan kadar nitrit cenderung stabil.
Kesimpulan
Berdasarkan sifat-sifat alami bakteri nitrifikasi dan anammox dapat diduga bakteri-bakteri ini dapat tumbuh dalam medium pertumbuhan yang dibuat walaupun bakteri heterotrofik yang melakukan amonifikasi masih lebih dominan. Sedangkan dalam perannya sebagai bakteri aerobik dan anaerobik autrotrof, kedua jenis bakteri dengan dua zona berbeda tersebut mampu melakukan aktivitasnya secara bersamaan dalam satu reaktor.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 7 14 21 28
A
m
o
n
iu
m
d
a
n
N
it
ri
t
(m
g
-N
L
-1)
B - 228 Dari percobaan ini disimpulkan bahwa nitrifikasi dan anammox berlangsung baik sehingga kadar amonium, nitrit, dan nitrat mengalami pengurangan baik di zona aerob maupun di zona anaerob.
Daftar Pustaka
Alef, K and Nanipieri, P. 1995. Method Applied in Soil Microbiology and Biochemistry. London. Academic Press.
Anthonisen, A. C.; Loehr, R. C.; Prakasam, T. B.; Srinath, E. G., 1976, Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid, J. Water Pollut. Control Fed., 48(5), 835-52
[ATSDR] Agency of Toxic Substances and Disease Registry. 2004. Toxicological
Profile for Ammonia.
http://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp1 26.pdf. Diakses tanggal 1 Februari 2010.
Bauman, R. W. 2009. Microbiology with diseases by body system, Ed. ke-2. California.Pearson Education, Inc.
Jetten, M. S. M., 1999, The Anaerobic Oxidation of Ammonium, FEMS Microbiology Reviews, 22, 421-37
Kruis, F. 1995. Environmental Chemistry Selected Analytical Methods.
Strous, M.; Kuenen, J. G.; Jetten, M. S. M., 1999, Key Physiology of Anaerobic Ammonium Oxidation, Applied and Environmental Microbiology, 65(7), 3248-50
Yi Y., Yong H., Huiping D., Yong L. dan Yang P. 2010. Research on Enrichment for
Anammox Bacteria Inoculated via
Enhanced Endogenous Denitrification.
Life System Modeling and Intelligent Computing: Lecture Notes in Computer Science 6330:700-707
