KINERJA MEMBRAN TERENDAM DENGAN PENAMBAHAN KARBON AKTIF SEBAGAI SISTEM PENGOLAHAN LIMBAH CAIR DOMESTIK

KINERJA MEMBRAN TERENDAM DENGAN PENAMBAHAN KARBON AKTIF SEBAGAI SISTEM PENGOLAHAN LIMBAH CAIR

DOMESTIK

Tri Widjaja, Budi Setiawan, Galuh Rizky H.S., dan Ali Makrus

Laboratorium Teknologi Biokimia

Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Telp. (031) 5924448; Fax. : (031) 5999282

e-mail : kajur_tkimia@its.ac.id

Abstrak

Kondisi bulking pada IMB memicu terjadinya perubahan kemampuan pengolah proses degradasi secara biologis serta akan berpengaruh pada proses filtrasi. Hal ini dikarenakan terbentuk soluble microbial product (SMP) yang menyebabkan terjadinya fouling pada membran. Alternatif penyelesaian masalah tersebut dilakukan penambahan powedered activated carbon (PAC) ke dalam IMB, dimana PAC diharapkan dapat mengikat mikroba yang berukuran kecil (Eschericia coli) untuk didapatkan efluent membran lebih jernih. Di samping itu, sewaktu limbah mengandung bahan berbahaya seperti phenol PAC diharapkan dapat mengadsorpsi bahan tersebut sehingga kemampuan biodegradasi oleh mikroba di IMB dapat pulih kembali dan biodegradasi mikroba dapat berjalan terus secara kontinyu.

Dalam penelitian ini sludge di bioreaktor diambil dari Instalasi Pengolahan Limbah Tinja (IPLT) untuk dilakukan aklimatisasi disesuaikan dengan beban COD dan MLSS kondisi eksperimen. Bioreaktor yang digunakan mempunyai volume operasi 50 liter dan konsentrasi lumpur aktif 10.000 mg/l, dengan peubah ekperimen adalah; konsentrasi umpan limbah sintetis 2.000 dan 3.000 mg/l, SRT 5, dan 15 jam, lama backflushing 5, 10, dan 15 menit, serta penambahan PAC pada bioreaktor terhadap konsentrasi lumpur aktif 0 dan 5 %. Penelitian dilakukan untuk memperoleh data berupa removal COD dan perubahan MLSS serta aspek mikroorganisme.

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa IMB dapat mengatasi keterbatasan penggunaan konsentrasi lumpur. Diperoleh hasil bahwa bertambahnya konsentrasi lumpur, kinerja proses biologis cenderung menurun ditunjukkan dengan menurunnya penyisihan COD, tetapi proses filtrasi meningkat ditunjukkan dengan meningkatnya penyisihan CO, sehingga secara overall kinerja IMB meningkat.

Pengaruh backflushing selama 15 menit dapat meningkatkan kinerja membran lebih baik jika dibandingkan dengan backflushing selama 5 dan 10 menit. Effektifitas penurunan COD pada konsentrasi MLSS 10.000 mg/l untuk setiap konsentrasi COD umpan 2.000 mg/l dan 3.000 mg/l lebih baik dengan sludge retention time 15 jam daripada dengan sludge retention time 5 jam. Penambahan PAC pada sistem IMB effektif terhadap pengaruh COD removal.

Kata kunci : Immersed Membrane Bioreactors, backflushing, fouling, limbah cair, lumpur aktif, PAC.

PENDAHULUAN

Dengan adanya kelemahan-kelemahan di sistem lumpur aktif seperti memerlukan waktu lama dan lahan luas untuk memisahkan lumpur dan cairan serta pengoperasiannya memerlukan kondisi sangat khusus terutama terhadap beban organik dan konsentrasi mikroorganisme maka ditawarkan solusi pemakaian teknologi membran dalam proses lumpur aktif menggunakan Immersed Membrane Bioreactor (IMB) yang terdiri dari proses biologis dan filtrasi sehingga merupakan satu sistem pengolahan limbah yang terintegrasi.

Penggunaan IMB diteliti oleh Yamamoto dkk. (1989) IMB dioperasi pada pembebanan organik volumetris

1,5 kgCOD/(m

³

.hari) dan menggunakan penyedotan umpan membran secara intermittent pada tekanan

rendah (13 kPa). Penyisihan COD yang diperoleh lebih dari 95%. Sedangkan penelitian Yustia dan Tri

Widjaja (2007), kombinasi IMB dengan lumpur aktif menunjukkan bahwa sistem IMB masih mampu

menyisihkan bahan organik dengan baik, walaupun konsentrasi biomassa cukup tinggi serta dapat mengatasi

masalah keterbatasan penggunaan konsentrasi lumpur, dan perlu pengontrolan yang baik pada F/M ratio,

sludge age dan dissolved oxygen

Pada proses biologis secara aerobik sangat rentan terhadap masalah bulking sludge. Terjadinya hal tersebut pada unit sistem IMB masih memerlukan pengkajian lebih lanjut terhadap terjadinya fouling akibat hasil produk metabolisme dan ekskresi mikroba di membran selain pada keberadaan konsentrasi biomassa yang tinggi. Pada penelitian How Y. Nga, Slawomir W., dan Hermanowicz (2005) menemukan bahwa konsentrasi dari protein dan karbohidrat sebagai polimer extracelluler menurun seiring penurunan SRT.

Kombinasi peningkatan jumlah mikroba yang tidak mengendap dan penurunan polimer extracellular terjadi pada SRT yang rendah. Untuk itu, sistem membran yang dipadu dengan teknik backflushing diharapkan dapat mengembalikan kinerja membran berkaitan dengan proses filtrasi yang dapat terhambat adanya fouling pada membran.

Selain itu, dilakukan juga penambahan karbon aktif berupa Powder Activated Carbon (PAC) yang memungkinkan terjadinya penggabungan mikroba sehingga microbial removal dan organic removal pada effluent yang diperoleh pada proses filtrasi menjadi lebih baik. Ini ditunjukkan oleh penelitian Ujang, Nagaoka, dkk. (2002) bahwa penambahan serbuk karbon aktif berpengaruh langsung pada jumlah microbial removal (E.coli). Adsorpsi bakteri pada permukaan PAC menurunkan sejumlah bakteri pada sampel permeat.

Sehingga tujuan penelitian ini adalah melakukan analisa secara eksperimental terhadap proses degradasi dan proses separasi yang terjadi dalam satu unit reaktor IMB termasuk pengaruh penambahan PAC. Serta membandingkan pengaruh microbial removal dan organic removal pada IMB dengan maupun tanpa PAC.

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah dapat mengetahui pengaruh dari berbagai konsentrasi biomassa (MLSS) dan beban COD umpan dalam proses pendegradasian limbah domestik, mengetahui efektivitas proses degradasi limbah dengan IBM termasuk aspek mikrobiologi dan penambahan PAC, serta mengetahui pengaruh penambahan PAC pada pengikatan microbial removal pada IMB.

METODOLOGI Variabel

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan variabel sebagai berikut : 1. COD : 2.000 dan 3.000 mg/l

2. MLSS : 10.000 mg/l

3. Lama Backflushing : 5, 10, dan 15 menit 4. SRT : 5, dan 15 jam

Penambahan PAC berdasarkan perbandingan PAC terhadap konsentrasi sludge (MLSS) yaitu 0 dan 5%. Sedangkan variabel lain yang dipertahankan adalah suhu operasi 30

⁰

C; pH: 6,8-7,2; volume BRMt 50 liter.

Analisa Pendahuluan

Dengan analisa pendahuluan ini dapat diketahui konsentrasi BOD-COD, temperatur, pH, dan padatan total untuk menghitung jenis dan jumlah nutrisi yang perlu ditambahkan dan pengkondisian tahap aklimatisasi mikroba. Untuk keperluan analisa konsentrasi COD, MLSS, MLVSS, TS dan TVS ditentukan berdasarkan Standard Methods for Examinition of Waste and Wastewater (APHA, 1995).

Tahap pembibitan dan aklimatisasi

• Pembibitan dilakukan dengan mengambil lumpur aktif yang diperoleh dari unit pengolahan air limbah secara aerobik PT Instalasi Pengolahan limbah Tinja (IPLT) Sukolilo Surabaya.

• Untuk meningkatkan MLSS, maka lumpur aktif yang diperoleh diaerasi dan ditambahkan substrat glukosa serta nutrien-nutrien yang diperlukan (sesuai perbandingan C:N:P= 100:5:1).

• Setelah konsentrasi MLSS mencapai sekitar 10.000 mg/l, selanjutnya dilakukan tahap aklimatisasi.

Tahap ini merupakan tahap penyesuaian mikroorganisme agar mampu mendegradasi bahan organik dalam air limbah.

Tahap percobaan utama

• Setelah dilakukan aklimatisasi dan karakterisasi membran, air limbah dengan laju alir tertentu dimasukkan ke dalam bak aerasi yang sekaligus sebagai IMB dengan membran hollow fiber.

Permeat sebagai efluen yang keluar ditampung.

• Mengalirkan umpan limbah sintetis dengan kadar COD yang telah ditentukan kedalam IMB yang

berisi lumpur aktif dengan konsentrasi yang telah ditentukan. Melakukan pengamatan dan

menganalisa MLSS, MLVSS, TS, dan TSS pada IMB dan permeat (hasil filtrasi membran).

• Melakukan pengamatan dan perhitungan fluks dari IMB. Mempertahankan kondisi SRT yang telah ditetapkan.Setelah membran beroperasi dalam waktu tertentu dan fluks permeat yang dihasilkan tidak efisien lagi, maka dilakukan pencucian dengan teknik backflushing.

tangki umpan

aliran ke bawah

aliran ke atas

baffle

IMB on-off control

PG

aerator

effluent

tangki permeat

2

aliran backflushin

limbah sintetis

1

Gambar 1. Diagram Skematik Immersed Membrane Bioreactor (IMB)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Penelitian ini menggunakan lumpur aktif yang berasal dari Instalansi Pengolahan Limbah Tinja Sukolilo-Surabaya, karakteristik limbah ditunjukkan pada Tabel 1 sebagai berikut :

Tabel I. Komposisi Lumpur Aktif-IPLT Sukolilo Surabaya No. Parameter Lumpur Aktif Konsentrasi (mg/l)

1 COD 102,6

2 BOD 59

3 MLSS 5230

4 MLVSS 3800

5 TS 6907

6 TVS 4257

Pengembangbiakan mikroorganisme dilakukan dalam dua tangki aerasi dengan volume masing- masing 25 liter, pada suhu kamar dengan suplay oksigen yang cukup yaitu sekitar ± 2 mg/l. Pemberian nutrient berdasarkan volume masing-masing bak pembibitan (bak aerasi) dengan perbandingan pemberian nutrient sebagai berikut : BOD : N: P = 100 : 5 : 1

Dalam penelitian ini, konsentrasi biomassa (MLSS) yang digunakan adalah 10.000 mg/l.

Pemilihan konsentrasi tersebut untuk mengetahui pengaruh dari penggunaan konsnetrasi biomassa rendah,

sedang dan tinggi terhadap kinerja dari Bioreaktor Membran terendam. Dengan penggunaan konsentrasi

biomassa tinggi maka F/M ratio yang didapat rendah. Hal tersebut dapat mengakibatkan proses pengendapan

berjalan dengan lambat, karena jumlah substrat dan energi tidak seimbang dengan jumlah mikroorganisme

yang berkembangbiak didalamnya. Pengendalian pengendapan pada lumpur aktif yang baik perlu

mempertimbangkan F/M ratio, sludge age, dan dissolved oxygen (DO) untuk memcegah terjadinya bulking

sludge. Dengan sistem bioreaktor membran terendam, proses pengendapan lumpur aktif tidak lagi menjadi

masalah lagi dalam sistem pengolahan limbah cair (Williams, 1999). Untuk mengetahui pengaruh dari

konsentrasi COD umpan, maka dalam penelitian ini menggunakan konsentrasi COD umpan yang berbeda

yaitu 2.000 mg/l dan 3.000 mg/l. Dengan adanya pengaruh konsentrasi biomassa dan konsentrasi COD umpan, maka dari segi biologis dapat mengetahui kinerja IMB.

Masalah yang sering terjadi pada proses separasi membran adalah timbulnya fouling pada permukaan membran. Peristiwa fouling mengakibatkan menurunnya kinerja membran sehingga berpengaruh pada kualitas effluen. Untuk mengatasinya, teknik backflushing perlu diterapkan dalam proses ini untuk mengembalikan kinerja membran. Untuk mengetahui pengaruh tersebut terhadap kinerja IMB, maka dalam penelitian ini menggunakan variasi lama backflushing setiap 5 menit, 10 menit dan 15 menit

Tabel II. Removal COD Total (%) dengan MLSS 1000 mg/l

MLSS 10.000 mg/l

COD umpan 2.000 mg/l COD umpan 3.000 mg/l

SRT 5 jam SRT 15 jam SRT 30 jam SRT 5 jam SRT 15 jam SRT 30 jam Kadar PAC Kadar PAC Kadar PAC Kadar PAC Kadar PAC Kadar PAC Lama

Backflushing (menit)

0 % 5 % 0 % 5 % 0 % 5 % 0 % 5 % 0 % 5 % 0 % 5 % 5 68,96 90,53 73,68 92,81 89,50 96,91 66,46 82,32 77,81 88,35 89,03 97,37 10 72,27 85,30 80,91 92,89 89,68 96,65 64,13 83,57 78,11 87,58 89,51 97,46 15 76,19 92,79 82,23 93,72 89,61 97,14 60,46 83,96 78,16 88,02 89,69 97,61

Berdasarkan hasil penelitian pada tabel 2, lama backflushing cenderung tidak mempengaruhi proses biologis tetapi berpengaruh pada efektifitas proses filtrasi membran. Diketahui bahwa untuk konsentrasi MLSS 10.000 mg/l dengan konsentrasi COD umpan 3.000 mg/l untuk SRT 5 jam terhadap masing-masing lama backflushing cenderung removal COD total menunjukkan penurunan. Hal ini disebabkan pada saat proses backflushing berlangsung maka proses degradasi terganggu karena seluruh alat dimatikan untuk melakukan proses backflushing. Namun untuk konsentrasi COD umpan 2.000 mg/l cenderung mengalami peningkatan. Dengan bertambahnya konsentrasi lumpur maka kinerja proses biologis cenderung menurun ditunjukkan dengan menurunnya penyisihan COD, tetapi proses filtrasi oleh membran meningakat ditunjukkan dengan meningkatnya penyisihan COD sehingga secara overall kinerja IMB meningkat. Tetapi, lumpur menjadi lebih padat dan kemungkinan untuk terjadi penyumbatan pada permukaan membran lebih besar. Namun dengan adanya pengaruh lama backflushing dan adanya tegangan geser maka padatan yang terkumpul pada permukaan akan terlepas sehingga membran dapat membantu meremoval COD dengan lebih baik. Adanya beberapa titik yang tidak sesuai, dimungkinkan kurang tepatnya analisa COD yang dilakukan.

Hal tersebut dapat dipengaruhi oleh bahan-bahan analisa yang kurang tepat dan ketepatan untuk menganalisa.

Seharusnya kecenderungan untuk removal COD meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi MLSS, karena mikroorganisme yang berkembangbiak didalamnya cukup banyak dan memungkinkan proses biologis berjalan lebih baik (Kalyandurg, 2003). Namun dengan adanya konsentrasi umpan COD yang berbeda, maka dapat mempengaruhi F/M ratio untuk mikroorganisme tersebut sehingga ada kemungkinan mikroorganisme tersebut sulit untuk mengendap atau SVI yang didapat rendah (David dan Cornwell, 1998).

COD 2.000 mg/l

39,86 43,63 42,34 42,83 42,76 57,78

29,1

46,90

31,34

49,98 46,74

39,13

0 20 40 60 80 100

PAC 0 % PAC 5 % PAC 0 % PAC 5 % PAC 0 % PAC 5 %

5 jam 15 jam 30 jam

Sludge Retention Time

R e moval C O D ( % )

biologis filtrasi

COD 3.000 mg/l

35,67 41,67 39,45 41,02 47,11 47,6 30,79

40,65 38,36 47,33 41,92 49,77

0 20 40 60 80 100

PAC 0 % PAC 5 % PAC 0 % PAC 5 % PAC 0 % PAC 5 %

5 jam 15 jam 30 jam

Sludge Retention Time

R e moval C O D ( % )

biologis filtrasi

Gambar 2. Hubungan antara SRT dan kadar PAC terhadap removal COD pada lama backflushing 5 menit

Untuk konsentrasi MLSS 10.000 mg/l, F/M ratio dibawah range yang ditentukan sehingga mikroorganisme tidak dapat berkembang biak dengan baik. Namun adanya membran yang menjadi satu unit dengan bioreaktor, hal tersebut tidak menjadi suatu kendala pada sistem pengolahan limbah cair domestik sehingga secara keseluruhan menunjukkan trend removal COD yang meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi MLSS.

Gambar 2 mengilustrasikan kemampuan degradasi organik baik secara biologis maupun filtrasi pada IMB dengan tiga kondisi Sludge Retention Time (SRT) yang berbeda. Hal ini diterapkan untuk mengatasi kelemahan pada pengolahan limbah dengan limpur aktif. Efisiensi removal COD overall ditentukan berdasarkan permeat sebagai hasil filtrasi IMB. Pada MLSS 10.000mg/l dengan konsentrasi COD umpan 2.000 mg/l (kondisi MLSS dan konsentrasi umpan dan lama backflushing yang sama) removal COD total sebesar 58,70 %, 61,81 % dan 63,38 % untuk SRT 5 jam, 15 jam, dan 30 jam. Penelitian ini menunjukkan bahwa untuk mencapai kemampuan maksimum dalam mendegradasi SMP dapat dilakukan pada SRT 30 jam dibandingkan SRT 5 dan 15 jam. Sistem SRT meningkatkan degradasi SMP pada penanganan/proses biologis. Hal ini bisa terjadi disebabkan oleh bakteri yang tertahan pada sistem IMB dengan SRT yang lebih lama, sehingga memicu degradasi inert organic dan SMP. Sedangkan pada proses filtrasi, secara umum removal COD meningkat akan tetapi terjadi perkecualian pada beban COD 2.000 mg/l pada SRT 30 jam. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh G. Munz, R. Gori, G. Mori, C.

Lubello (2007) pada IMB dengan penambahan PAC menunjukkan bahwa penurunan fouling membrane terjadi dengan peningkatan jumlah PAC sehingga meningkatkan removal COD.

Sistim pengolahan air limbah yang banyak diterapkan saat ini adalah gabungan dari proses biologi dan fisik. Proses biologi umumnya menggunakan proses lumpur aktif atau biofilter yang merupakan pengolahan lanjutan dengan tujuan untuk menurunkan kandungan organik lainnya.

Bioreaktor membran terendam dengan penambahan PAC merupakan proses pengolahan limbah cair gabungan antara proses lumpur aktif secara biodegradasi dan proses adsorpsi sebagai alternatif pengganti untuk proses koagulasi-flokulasi yang terbukti memberikan hasil yang baik dalam menyisihkan kandungan warna maupun kandungan organik, namun biayanya menjadi sangat mahal untuk mengganti karbon aktif yang jenuh dimana jika ditinjau dari karakteristik hidrodinamika aliran tiga-fasa, terdiri dari; fase padat (karbon aktif dan mikroorganisme), fase cair (target susbatnces dan cairan lumpur aktif sebagai dissolved organic material atau DOM), dan fase gas (adanya bubble udara untuk kebutuhan aerasi daripada mikroorganisme). Pendekatan secara eksperimen dapat dilakukan melalui penerapan teknologi PAC dalam mengolah limbah cair industri dengan memperhatikan aspek mekanisme kombinasi proses adsorpsi dan biologis yang melibatkan sifat-sifat adsorpsi-desorpsi target substances terhadap karbon aktif, dan juga memperhatikan aspek kondisi proses operasi yang meliputi; konsentrasi sludge sebagai mixed liquor suspended solid (MLSS) dengan komposisinya (sludge dan karbon aktif), dan sludge retention time (SRT).

Berdasarkan hasil penelitian diatas, adanya penambahan PAC dengan SRT yang tetap pada kondisi MLSS,

konsentrasi umpan, dan lama backflushing yang sama terjadi peningkatan organic removal pada effluent

yang diperoleh pada proses filtrasi dan menjadikannya lebih baik.

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil sehubungan dengan hasil penelitian dan pembahasan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Teknologi membran sangat effektif untuk mengatasi kelemahan-kelemahan yang ditimbulkan pada proses lumpur aktif.

2. Konsentrasi 10.000 mg/l dengan konsentrasi COD umpan 2.000 dan 3.000 mg/l dapat meremoval COD sebesar 73-90 % tanpa PAC dan 87-99 % dengan kadar PAC 5 %.

3. Pengaruh backflushing selama 15 menit dapat meningkatkan fluks membran lebih baik jika dibandingkan dengan backflushing selama 5 dan 10 menit sehingga memberikan removal COD yang lebih baik pada setiap konsentrasi MLSS dan konsentrasi COD umpan.

4. Effektifitas penurunan COD pada konsentrasi MLSS 10.000 mg/l untuk setiap konsentrasi COD umpan 2.000 mg/l dan COD umpan 3.000 mg/l lebih baik dengan sludge retention time 30 jam daripada dengan sludge retention time yang lain.

5. Penambahan PAC pada sistem IMB effektif terhadap pengaruh COD removal terutama untuk proses filtrasi membrane.

UCAPAN TERIMA KASIH

Kami mengucapkan terima kasih karena penelitian ini mendapatkan bantuan dari Program IMHERE tahun anggaran 2008 untuk tema non energi. Semoga penelitian ini bermanfaat untuk ke depannya.

DAFTAR PUSTAKA

1. Anita dan Novy. 2007. “Pengolahan Limbah Cair dengan Teknik Penggabungan Lumpur Aktif dan Bioreaktor Membran Terendam” Skripsi S1 Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS, Maret 2007.

2. David, M.L dan Cornwell, D.A. 1998. “Introduction To Environmental Engineering”, 3

^rd

ed. New- York, McGraw-Hill.

3. G. Munz, R. Gori, G. Mori, C. Lubello. 2007. “Powdered activated carbon and membrane bioreactors (MBRPAC) for tannery wastewater treatment: long term effect on biological and filtration process performances” ScienceDirect. Desalination 207. 349–360

4. How Y. Nga, Slawomir W., dan Hermanowicz. 2005. “Membrane bioreactor operation at short solids retention times : performance and biomass characteristics” ScienceDirect . Water Research 39.

981–992

5. Kalyandurg, I B. 2003. “Study of Reaction Kinetics Of A Submerged Membrane Activated Sludge Process” Doctor of Philosophy Dissertation in Civil Engineering, Dhahran Saudi Arabia.

6. Mulder, M. 1996. “Basic Principles of Membrane Technology.” 2

^nd

edition. Kluwer Academic Publishers, Netherlands.

7. Sundstrom, D.W. dan Klei, H.E. 1979. “Wastewater Treatment” Prentice-Hall International, Inc, London.

8. Ujang, Z., Au, Y.L., Nagaoka, H. 2002. “Comparative study on microbial removal in immersed membrane filtration (IMF) with and without powdered activated carbon (PAC)” Universiti Teknology Malaysia, Malaysia.

9. Williams, J. 1999. “Cost–Effective Effluent Treatment In Paper and Board Mills. Environmental technology basic practice programme”

10. Yustia, W. 2007. “Kinerja Kombinasi Proses Activated Sludge Dengan Bioreaktor Membran

Terendam (BRMt) Sebagai Pengolahan Limbah Cair.” Thesis S2 Jurusan Teknik Kimia FTI-

ITS, Juli 2007.