Pengolahan Limbah Cair Industri secara Aerobic dan Anoxic dengan Membrane Bioreaktor (MBR)

Pengolahan Limbah Cair Industri secara Aerobic dan Anoxic dengan

Membrane Bioreaktor (MBR)

Oleh :

Beauty S.D. Dewanti 2309 201 013

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Tontowi Ismail MS Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja M.Eng

LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

LATAR BELAKANG

Tangki Pengendapan

Limbah Lumpur Tangki Aerasi

Udara

Lumpur Aktif Balik Influen Limbah Organik + Lumpur Aktif + O2

terdegradasi menjadi CO2, H2O, NO3, SO4, PO4

efluen

SISTEM KONVENSIONAL

Parameter pada proses lumpur aktif :

1. Rasio F/M, normal beroperasi pada 0,2-0,6 kg BOD/kg MLSS.hari

2. DO (Dissolved Oxygen

3. Sludge Age (SRT) : 3-14 hari

4. Batasan konsentrasi lumpur (MLSS

Masalah pada tangki

sedimentasi dan membutuhkan lahan sedimentasi

yang luas

LATAR BELAKANG

Udara Sistem SMBR

1. Membran dapat menggantikan peran bak sedimentasi sekunder dan menempatkan dalam proses degradasi biologis sehingga merupakan sistem yang kompak.

2. Dapat digunakan untuk konsentrasi lumpur yang tinggi.

3. Di dalam proses SMBR terdapat 2 proses yang saling berhubungan yaitu biologis dan filtrasi.

4. Degradasi biologis → SMP → filtrasi → fouling.

LATAR BELAKANG

1. Fouling (Blocking partikel padat, produk metabolit terlarut, sisa influent yang belum terdegradasi)

2. Kinerja membran menurun (penurunan fluks)

3. Intensitas backwashing lebih sering

LATAR BELAKANG

INFLUEN

BLOWER TANGKI ANOXIC

POMPA

EFLUEN

MEMBRAN ULTRAFILTRASI

TANGKI BACKWASH BLOWER

TANGKI AEROBIK

4 5

3

1

2

(1)

(2)

(6)

(4)

(5) (2)

(7) (8)

(3)

(9)

(10)

1. Untuk menangani limbah dengan kandungan amonia tinggi (fungsi proses anoxic)

2. Menyempurnakan kinerja SMBR akibat potensi terjadinya fouling 3. Menyempurnakan sistem konvensional dimana lahan sedimentasi

lebih kecil

4. Memperkecil intensitas proses backwasing

Sistem MBR

RUMUSAN MASALAH

Kelemahan aerobic activated sludge ini terletak pada sering terjadinya ‘bulking sludge’

Komposisi polutan organik, N dan P perlu

dikondisikan menurut komposisi limbah yang ada Hambatan SMBR terjadi pada seringnya

pembersihan membran yang harus dilakukan.

Diperlukan suatu pengembangan lanjut untuk

pemisahan lumpur dalam proses activated sludge

TUJUAN PENELITIAN

Meneliti kinerja MBR dalam memisahkan suspended solid dari

air limbah industri

Meneliti pengaruh kondisi anoxic terhadap pengurangan kandungan

N dalam air limbah industri.

Yustisia &

Tri W (2007)

Thamer &

Ahmad (2008)

Tian &

Liang(2009)

Yu-Lan &

Shui Li(2009)

Kusworo, (2009)dkk

SMBR mampu menyisihkan konsentrasi COD 85-99%

SMBR dapat menyisihkan kandungan N-NH3

dalam limbah sintetik hingga 99%

SMBR dapat mengurangi kadar limbah ammonia dalam limbah domestik hingga 89,4 %

SMBRdapat menyisihkan kandungan COD

sebesar 91 %

Pengolahan Limbah Cair Industri secara Aerobic dan Anoxic dengan Membran Bioreaktor(MBR) SMBR dapat

menyisihkan N-NH3 pada limbah sintetik 92 % dan penyisihan turbiditas 83,9 %

Beauty (2011)

PENELITIAN TERDAHULU

METODOLOGI PENELITIAN

(7) (8)

BLOWER (2)

(3) (4)

(1)

(6) Air limbah

(2)

SELANG UDARA BLOWER

Diagram Skematik MBR

Catatan : (1) Tangki Anoxic; (2) Blower; (3) Air diffuser; (4) Tangki Aerobic; (5) membran ultrafiltrasi; (6) Pipa recycle; (7) dan (8)Saluran Pengeluaran Sludge; (9)

Pompa; (10) Tangki Backwash; (11) Valve Pengatur(1, 2, 3, 4, 5)

METODOLOGI PENELITIAN

Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

• COD : 1800, 2800 dan 3600 mg/L

• MLSS : 2000 – 5000 mg/L

• SRT : 5, 10 dan 20 hari pada COD 1800 mg/L

• Membran terpisah dan menyatu di dalam tangki

aerobic

METODOLOGI PENELITIAN

Kondisi Penelitian

•Suhu operasi : 30

^o

C

•pH : 7,5 – 8,5

•Volume reaktor anoxic : 10,8 L

•Volume reaktor aerobic : 31,5 L

•DO > 2 pada tangki aerobik

•DO < 2 pada tangki anoxic

•Rate influent : 31,5 L/day

•Rate recycle : 50,4 L/day

HASIL PENELITIAN

Hari ke DO(mg/L) MLSS(mg/L) MLVSS(mg/L) COD(mg/L) % SV

0 5,14 3855 3750 2200 50

1 5,01 3440 2300 2500 50

2 5,01 3530 2800 1880 50

3 5,01 4100 2680 2500 40

4 4,93 4250 3025 2720 40

5 4,93 4300 3120 2680 40

6 4,93 4120 2250 3420 40

7 4,75 4500 1750 3500 50

8 4,75 4000 3800 3000 50

9 4,75 4700 4630 2880 40

10 4,9 4500 4980 2600 40

11 4,9 4700 3800 2280 40

12 4,9 4733 4800 2120 40

13 4,86 4800 4000 2160 50

14 4,86 4830 3300 2100 50

15 4,86 4650 3985 2150 50

Data-data Pembibitan dan Aklimatasi

HASIL PENELITIAN

Pembibitan dan Aklimatasi

HASIL PENELITIAN

Tahap Pendahuluan

temperatur kamar, pH netral dan DO (Dissoveld Oxygen) yang cukup yaitu

> 2 mg/l.

Kondisi lumpur aktif dengan pertumbuhan mikroorganisme yang baik

juga diketahui dengan bioassay, yaitu melihat protozoa sebagai predator (rotifera) pemakan bakteri

yang sehat dengan bantuan mikroskop.

Penurunan konsentrasi COD dan kenaikan MLSS

menandakan bahwa pertumbuhan mikroorganisme relative

baik.

PERCOBAAN UTAMA

Gambar 4.3 (a) Penurunan COD (mg/L) dan (b) %Removal COD

terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada

tangki aerobik.

PERCOBAAN UTAMA

Gambar 4.4 (a) Penurunan COD (mg/L) dan (b)%Removal COD

terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada

permeat.

HASIL PENELITIAN

 Pada COD 1800 mg/L pada hari ke-15 MLSS 3216 mg/L, memiliki F/M ratio 0,22.

 Pada COD 2800 mg/L pada hari ke-15 MLSS 3245 mg/L, memiliki F/M ratio 0,36.

 Pada COD 3600 mg/L pada hari ke-15 MLSS 3166 mg/L, memiliki F/M ratio 0,42.

 Dari perbandingan antara COD di aerobik dan permeat disini menunjukan bahwa removal COD di aerobik dipengaruhi oleh F/M ratio, hal ini dapat mempengaruhi removal COD permeat.

 Jika proses di tangki aerobik kurang baik karena

ketidakseimbangan F/M ratio maka proses filtrasi berfungsi

untuk mengurangi padatan tersuspensi.

VARIASI SRT

Gambar 4.6 (a) Penurunan COD (mg/L) dan (b) %Removal COD

terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada SRT 5 hari.

VARIASI SRT

Gambar 4.7 (a) Penurunan COD (mg/L) dan (b) %Removal COD

terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada SRT 10 hari.

VARIASI SRT

Gambar 4.8 (a) Penurunan COD (mg/L) dan (b) %Removal COD

terhadap waktu (hari) dengan rate influent 31,5 L/hari pada SRT 20 hari.

HASIL PENELITIAN



Semakin besar SRT, maka waktu tinggal mikroorganisme di dalam tangki aerobik juga semakin lama, akibatnya proses degradasi senyawa organik semakin baik, namun biasanya antara 3-14 hari agar menghasilkan flok biologis yang mana dapat ditangani dengan mudah.



Dari data tersebut juga diketahui bahwa tidak terjadi perbedaan yang significant antara effluent tanpa membran dan menggunakan membran.



Membran yang digunakan adalah membran ultrafiltrasi yang mempunyai keterbatasan dalam pemisahan COD.



Membran ultrafiltrasi berkemampuan untuk memisahkan

koloid dan partikel padat misalnya protein, pati, antibiotik,

virus, koloidal silika, gelatin, bahan organik, bakteri, lemak,

dan padatan.

REMOVAL AMONIA

SRT 5 hari SRT 10 hari

SRT 20 hari

HASIL PENELITIAN

SRT 5 Hari

SRT 10 Hari

SRT 20 Hari

Dari grafik Amoniak dapat dilihat bahwa pada SRT 10 hari memberikan

penurunan ammonia yang lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari.

Hal ini berkaitan dengan F/M ratio yang merupakan jumlah substrat

sebagai sumber energi untuk pertumbuhan mikroorganisme yang

ditambahkan ke dalam bioreaktor.

Hal ini menunjukkan dengan semakin tingginya removal amoniak yang dihasilkan, sehingga dapat diperoleh

kesimpulan bahwa proses aerobik dan anoxic berjalan baik.

REMOVAL NITRAT

SRT 5 hari SRT 10 hari

SRT 20 hari

HASIL PENELITIAN

SRT 5,10,dan 20 Hari

SRT 10 hari memberikan penurunan nitrat yang lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari.

Proses denitrifikasi di tangki anoxic cukup berhasil, karena sisa nitrat

di dalam permeat relatif sedikit dimana ditunjukkan

dengan removal nitrat hingga 90,48 %

Konsentrasi nitrat yang tersisa sedikit, ini menandakan bahwa N-

NH3 influent sebagian untuk membentuk cell baru dan sebagian lagi menjadi produk (CO2,

H2O)

Jika jumlah N total keluar lebih kecil 0,5

dari jumlah N total masuk, maka proses denitrifikasi dikatakan

berhasil. Tetapi jika jumlah N yang keluar

lebih besar daripada jumlah N yang masuk

maka proses denitrifikasi tidak berjalan dengan baik di

tangki anoxic

FLUX MEMBRAN

b ac kw a sh in g

b ac kw a sh in g

ba ck wa sh in g

ba ck wa sh in g

ba ck wa sh in g

ba ck wa sh in g

COD 1800 mg/L COD 2800 mg/L

COD 3600 mg/L

HASIL PENELITIAN

 Pada sistem SMBR, terjadi penurunan fluks yang sangat tajam pada 5 menit pertama.

 Sedangkan pada sistem MBR, penurunan fluks terjadi bertahap dan relatif kecil.

 Flux semakin turun disebabkan adanya penyumbatan akibat partikel-partikel yang terakumulasi pada lapisan permukaan membran.

 Dapat dilihat bahwa dengan adanya backwashing dapat menaikkan flux membran meskipun tidak sampai pada kondisi awal.

 Kenaikan flux tidak dapat kembali seperti kondisi awal

dikarenakan masih ada penyumbatan yang tidak bisa hilang

dengan cara backwashing air namun menggunakan chemical

cleaning.

HASIL PENELITIAN

SMBR

Pada gambar , terlihat adanya fouling pada membran sistem SMBR.

Peristiwa fouling ini memperberat kinerja membran yang akan berpengaruh pada proses

pemisahan dan juga perawatan membran maupun umur membran

Dilakukan pengembangan terhadap sistem SMBR menjadi sistem MBR. Dengan penambahan ruang

sedimentasi yang lebih kecil daripada ruang sedimentasi pada sistem konvensional.

HASIL PENELITIAN



Penurunan kinerja membran dapat juga dikarenakan oleh soluble microbial product (SMP) yang akan mempengaruhi fluks permeat membran terkait dengan terjadinya fouling membran.



Hal-hal yang dimungkinkan dapat menyebabkan terjadinya fouling yaitu : partikel padatan yang menyumbat pori-pori

membran, protein, karbohidrat, dan lemak yang larut di dalam air

hasil dari produk metabolisme mikroorganisme (SMP), dan yang

berasal dari sisa influent (glukosa).

HASIL PENELITIAN

Dari analisa menunjukkan bahwa kandungan protein tidak terdeteksi sedangkan kandungan karbohidrat menunjukkan bahwa semakin lama SRT maka semakin banyak karbohidrat yang menempel pada membran yang akan menyumbat dan mempengaruhi fluks permeat.

Hasil analisa karbohidrat adalah sebagai berikut :

SRT Karbohidrat (g/L) Removal

Karbohidrat (hari) Sebelum Membran Sesudah membran

5 0,358 0,349 0,009

10 0,406 0,392 0,014

20 0,436 0,423 0,013

HASIL PENELITIAN

Gambar 4.14 % Removal turbidity (NTU) terhadap waktu (hari) pada COD umpan 3600, 2800, dan 1800 mg/L

HASIL PENELITIAN



Gambar disamping menunjukan

mikroorganisme yang terdapat dalam tangki aerobik merupakan bakteri dan protozoa



Spesies mikrobiologi merupakan kunci dasar sebagai efisiensi proses dan pemeliharaan berbagai

rancangan pengolahan secara biologis pada proses lumpur aktif



Keberadaan rotifer mengindikasikan

air limbah yang diolah secara biologis

berlangsung dengan baik.

KESIMPULAN

Removal COD dipengaruhi oleh konsentrasi MLSS dari 2000-5000 mg/L dan konsentrasi DO > 2 mg/L sedangkan removal amonia dan nitrat dipengaruhi

oleh kondisi anoxic.

Pada removal COD tidak terjadi perbedaan yang significant antara effluent tanpa membran dan menggunakan membran. Hal ini disebabkan membran

ultrafiltrasi mempunyai keterbatasan dalam pemisahan COD.

Pada SRT 10 hari memberikan removal COD, ammonia dan nitrat yang lebih baik . Hal ini berkaitan dengan F/M ratio

Jumlah N total permeat lebih kecil dari 0,5 jumlah N total influent atau % removal > 50 %, maka proses denitrifikasi dapat dikatakan berhasil.

Pada percobaan MBR dari flux 30 L/m².jam turun menjadi 12,9 L/m².jam dalam waktu 30 menit, dibandingkan SMBR dari flux 24 L/m² jam turun

menjadi 5,1 L/m².jam dalam waktu 30 menit.

Untuk removal turbidity mencapai 98,47 hingga 98,85%.