4. Dasar dasar Proses Biologis

Dasar-dasar Proses Biologis

MK Pengolahan Air Limbah

Pengantar

Hampir semua air limbah

mengandung

biodegradable

constituents

yang dapat diolah

secara biologis dengan

analisis yang tepat

dan

1. Tujuan Pengolahan Biologis

1.

Transformasi (oksidasi) konstituen terlarut

dan partikulat

biodegradable

(BOD).

2.

Menangkap solid koloid tersuspensi menjadi

flok atau biofilm.

3.

Transformasi atau menyisihkan nutrients (N

dan P)

4.

Menyisihkan senyawa organik atau

Klasifikasi proses biologis



Biochemical transformation

– Menyisihkan soluble organic matter (SOM), stabilisasi insoluble organic matter (IOM), konversi soluble inorganic matter (SIM)



Biochemical environment

− Aerobic, anoxic vs. anaerobic



Bioreactor configuration

Jenis proses pengolahan biologis

Activated -sludge

Aerated Lagoon

Trickling filter

2. Prinsip Dasar

 Katabolisma dan anabolisma (aerobic heterotrophic microorganisms)

Prinsip

Prinsip

 nitrifikasi: Proses aerobik, bakteri mengubah ammonia dan nitrogen organik dalam air limbah menjadi nitrogen

oksida (biasanya nitrat), bakteri Nitrosomonas,

Nitrobacter;

– Temperatur optimum 25 - 35°C; bila <15°C tingkat pertumbuhan turun drastis;

– 4,3 g O₂ per gram NH₄-N

 denitrifikasi: Proses anaerobik yang terjadi ketika ion nitrit atau nitrat direduksi menjadi gas nitrogen.

– Denitrifikasi terjadi pada temperatur rendah 5°C.

Penyisihan fosfor

 Phosphorus precipitation: menggunakan besi (Fe),

kalsium (Ca), aluminium (Al);

Problem: saturation, clogging.

 biological phosphorus removal:

 25% removal during aerobic break down;

 Mikroorganisme Acinetobacter sp. memerlukan siklus anaerobik-aerobik.

Peran Mikroorganisme



Penyisihan atau stabilisasi bahan organik

selama pengolahan biologis dilakukan oleh

bermacam-macam mikroorganisme,

sumber carbon

 Heterotrophic: memerlukan satu atau lebih

bahan organik untuk nutrisinnya (BOD);

 Autotrophic: dapat menggunakan bahan



Endogenous respiration



Terjadi ketika beban organik rendah

:

Mikroorganisme

Klasifikasi:



Heterotrophic-

mendapatkan energi dari oksidasi bahan organik (Carbon organik)



Autotrophic-

mendapatkan energi dari oksidasi bahan anorganik (CO₂, NH₄, H+ ₎

pertumbuhan

biologis

- pertumbuhan

exponential

(batch)

- Kinetika Monod

- Kinetika Haldane



pertumbuhan exponential

Pertumbuhan biologis ...

Log

menyatakan laju pertumbuhan biomasa [massa/volume.waktu].

Fase pertumbuhan mikroba

 Fase lag : Fase adaptasi pada lingkungan baru, waktu generasi lama, laju pertumbuhan nol, ukuran sel dan laju aktifitas metabolisme maksimum.

 Fase percepatan : waktu generasi menurun dan laju pertumbuhan meningkat.

 Fase eksponensial : waktu generasi konstan dan minimal, laju

pertumbuhan spesifik maksimum dan konstan, laju konsversi substrat maksimum dan terjadi pertambahan jumlah mikroba secara eksponensial.

 Fase pertumbuhan menurun : kenaikan waktu generasi dan penurunan laju pertumbuhan spesifik karena terjadi penurunan konsentrasi subtrat secara perlahan.

 Fase stasioner : terjadi penurunan konsenstrasi substrat secara tajam dan adanya akumulasi senyawa toksik hasil proses metabolisme. Di sini

seolah – olah terjadi keseimbangan antara laju kematian dan pertumbuhan.



Kinetika Monod

Substrate Concentration (S)

Sp

Pertumbuhan biologis ...

S

 = laju pertumbuhan spesifik, [1/ waktu] m = nilai maksimum  pada konsentrasi

jenuh substrat, [1/waktu]

S = konsentrasi substrat sisa, [ mg/l] Ks = konstanta saturasi dimana nilainya



Kinetika Haldane

(pada kondisi toxic)

Substrate Concentration (S)

Sp

Pertumbuhan biologis ...

Peran

operasi

biokimia

Typical process diagram for a

Biochemical Pathways

Glucose

EPM Pathway

Pyruvic Acid

Oksidasi molekul organik dalam sel

dapat terjadi secara aerobik atau

 aerobic pathways mengandung:

EMP pathways, TCA cycle, respiration

 anaerobic pathways mengandung: EMP pathways

 energi dilepaskan disimpan sebagai molekul ATP

 Makanan berlebih disimpan sebagai Glycogen

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ +38 ADP + 38 P_i 6 CO₂ +38 ATP + 44 H₂O

3.Applications

1. Penyisihan Carbon - aerobic - anaerobic

2. Penyisihan Nitrogen - nitrifikasi - denitrifikasi

Penyisihan Carbon



aerobik

- oksidasi

bakteri

CHONS + O₂ + Nutrients CO₂ + NH₃ + C₅H₇NO₂

(bahan organik) (sel bakteri baru)

+ other end products

-

respirasi endogenous

bakteri

Penyisihan Carbon



anaerobik

Skema Proses Anaerobik

Hydrolysis

Acidogenesis

Methenogenesis

Penyisihan Nitrogen



nitrifikasi

-energi - Rekasi keseluruhan

NH₄+ _{+1.83 O}

Penyisihan Nitrogen



faktor yang mempengaruhi nitrifikasi

* temperatur

* konsentrasi substrat

Penyisihan Nitrogen



Denitrifikasi

 denitrifikasi assimilatory

 Reduksi nitrat menjadi ammonium oleh mikroorganisme untuk sintesis protein

 denitrifikasi dissimilatory

 Reduksi nitrat menjadi gas nitrogen oleh mikroorganisme

 nitrat digunakan untuk sumber oksigen sebagai akseptor elektron antara

 Proses berlangsung melalui empat tahap

Penyisihan Nitrogen



denitrifikasi

 denitrifikasi heterotrophic

 denitrifiers memerlukan sumber karbon untuk energi dan sintesis sel

Penyisihan Nitrogen



faktor yang mempengaruhi

denitrifikasi

 temperatur

 dissolved oxygen

Penyisihan Sulfat

* Siklus prnyisihan Sulfat

anaerobik

SO

₄ --

HS

-

S

0 (kurang O₂)

4. Proses pengolahan



Pond treatment



activated sludge process

- tidak ada sirkulasi biomass

- HRT tinggi

- luas lahan besar

- transfer O

₂

terbatas

- pengadukan tidak cukup

- beban berlebih

(kondisi anaerobik – menghasilkan H₂S)

Activated Sludge Process

PST AT SST

RAS

SW

SW

Activated Sludge Process...

- aerobik

- pertumbuhan-tersuspensi

- Persamaan Disain

Activated Sludge Process...

Nilai typical

cell residence time

(c ):

- c untuk penyisihan C ~ 3-10 hari

- c untuk penyisihan N ~ 5-30 hari

- loading rates ~ 2-3 kg COD/m3_/d

Biofilm process

Keuntungan biofilm process:

 produktivitas proses tinggi (loading rates)

 biomassa lebih tinggi



mean cell residence time

lebih tinggi

 tidak perlu resirkulasi biomassa

Biofilm process...

• type biofilm: aerobik, anaerobik, anoxic

• proses pembentukan biofilm:

 Pembentukan lapisan listrik ganda

terdisfusi akibat gaya elektrostatik dan gerakan panas

 Transfer mikroorganisme ke permukaan

 Perlekatan mikroba

Biofilm process...

• operasi biofilm

X

(a) Physical concept

Fully Penetrated

Partially Penetrated S_S

Biofilm proses...

• biofilm operation

average rate of substrate consumption Effectiveness factor  =

---substrate consumption at biofilm surface

• as biofilm thickness increases

Conversion of Ethanol to Methane

Anaerobic biofilm process...

• loading rate: 10-15 kg COD/m3_/d

 bandingkan: 2-5 kg COD/m3_{/d pada}