PERMODELAN PADA SISTEM BIOREAKTOR MEMBRAN DENGAN PENGGABUNGAN PROSES LUMPUR AKTIF DAN SEPARASI MEMBRAN DALAM SATU REAKTOR

iii

TUGAS AKHIR - RK 1583

PERMODELAN PADA SISTEM BIOREAKTOR MEMBRAN DENGAN PENGGABUNGAN PROSES LUMPUR AKTIF DAN SEPARASI MEMBRAN DALAM SATU REAKTOR

RINA ANDAYANI NRP 2302 100 010 VIAND CAHYA DWI PUTRA NRP 2302 100 035 Dosen Pembimbing

Ir.TONTOWI ISMAIL, MS JURUSAN TEKNIK KIMIA Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2007

iv

PERMODELAN PADA SISTEM BIOREAKTOR

DENGAN PENGGABUNGAN

PROSES LUMPUR AKTIF DAN

SEPARASI MEMBRAN DALAM SATU REAKTOR

Nama Mahasiswa

: RINA ANDAYANI

NRP

: 2302 100 010

Nama Mahasiswa

: VIAND CAHYA DWI PUTRA

NRP

: 2302 100 035

Jurusan

: Teknik Kimia, FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Ir. TONTOWI ISMAIL, MS

Abstrak

Proses pengolahan limbah cair dengan Bioreaktor Membran Terendam (BRMt), mempunyai banyak keuntungan dibandingkan pengolahan limbah dengan proses konvensional, antara lain lebih sederhana, biaya operasinya jauh lebih rendah, dan hasil yang diperoleh lebih baik. Pengolahan limbah dengan sistem BRMt merupakan sistem yang kompleks karena melibatkan tiga fasa yaitu padat (biomassa dan komponen-komponen limbah), cair (air) dan gas (udara untuk aerasi), dimana degradasi biologis yang terjadi akan sangat dipengaruhi oleh transfer massa lintas membran, sehingga diperlukan analisa teoritis terhadap proses degradasi limbah menggunakan BRMt dengan model matematis yang menjelaskan fenomena terjadi di dalam system.

Penelitian ini bersifat simulasi (pemodelan) berdasarkan pada aktivitas biomassa dalam lumpur aktif dan unjuk kerja BRMt serta permasalahannya. Permodelan aktivitas biologis diperoleh dengan mengolah data-data hasil penelitian Lu, S.G dkk., (2001), sedangkan pemodelan performance membran diperoleh dari penelitian Lee. Yonghun., dkk (2002) dan Boequet.S, dkk.,(2005). Sedangkan data-data konsentrasi

v

partikulat diperoleh dari hasil simulasi Hidrodinamika. Model-model matematis tersebut menjadi satu Model-model matematis yang saling terkait. Setelah itu dilakukan simulasi untuk berbagai waktu, dan hasilnya dilakukan validasi dengan hasil penelitian yang ada.

Analisa secara teoritis terhadap proses degradasi limbah BRMt terdiri dari tujuh komponen yang saling terkait dalam proses degradasi limbah yaitu Ss, Xs, XBH, SSMP, SO, Si dan Xi.

Model matematis yang didapatkan dapat menjelaskan fenomena yang terjadi di dalam sistem BRMt dimana didalamnya terjadi degradasi limbah sintesis dan akumulasi partikulat inert. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa hasil simulasi cukup bagus untuk memprediksi pengolahan limbah dengan lumpur aktif dan separasi membran dalam satu reaktor. Setelah dibandingkan dengan percobaan, ditemukan nilai parameter baru untuk pengolahan limbah sintesis dengan lumpur aktif dari IPLT, yaitu YH = 0,46; µH = 1,5 hari-1; bH = 1,5 hari-1; Ks = 1000 g

COD/m3; KOH = 0,5 g O2/m3; dan KSMP = 15 g COD/m3.

Kata kunci : Permodelan, Bioreaktor Membran Terendam, BRMt, Lumpur aktif, Membran.

vi

MODELING IN MEMBRANE BIOREACTOR

SYSTEM WITH ACTIVATED SLUDGE PROCESS

AND MEMBRANE SEPARATION IN ONE REACTOR

Name

: RINA ANDAYANI

NRP

: 2302 100 010

Name

: VIAND CAHYA DWI PUTRA

NRP

: 2302 100 035

Department

: Chemical Engineering, FTI-ITS

Supervisor

: Ir. TONTOWI ISMAIL, MS

Abstract

Wastewater treatment process with Submerged Membrane Bioreactor (SMBR) has many advantages compared to conventional wastewater treatment process, such as less simple, requires much less operational cost, and gives better results. SMBR is a complex system because it is consist of three phases: solid, liquid, and gas, therefore biological degradation which occurs will be affected by transmembrane mass transfer, so theoretical analysis is required to explain the phenomenons which happened in SMBR system.

This was a simulation research that based on biomass activity in activated sludge and SMBR performance, and their problems. The biological activity models were gained by processing Lu, S.G dkk. research data (2001), while the membrane performance models were gained from Lee. Yonghun., dkk., (2002) and Boequet.S, dkk.,(2005) research. Particulate concentration data were provided from hydrodynamic simulation. Those mathematical models were combined becoming one mathematical model. Then simulation was done for vary time, and validation was done based on the results.

Theoretical analysis for SMBR wastewater treatment consist of seven components which were linked to each other, they are Ss, Xs, XBH, SSMP, SO, Si and Xi. The mathematical model

vii

could explain the phenomenons which happened in SMBR, degradation of synthetic waste and inert particulate accumulation. The new value of parameters for wastewater treatment with IPLT’s activated sludge are YH = 0,46; µH = 1,5

hari-1; bH = 1,5 hari-1; Ks = 1000 g COD/m3; KOH = 0,5 g O2/m3;

dan KSMP = 15 g COD/m3.

Keyword :Modeling, Submerged Membrane Bioreactor, SMBR, Activated sludge, membrane.

viii

PERMODELAN PADA SISTEM BIOREAKTOR MEMBRAN

DENGAN PENGGABUNGAN PROSES LUMPUR AKTIF DAN SEPARASI MEMBRAN DALAM SATU REAKTOR

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Program Studi S-1 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

RINA ANDAYANI NRP 2302 100 010

VIAND CAHYA DWI PUTRA NRP 2302 100 035

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir :

1. Ir. Tontowi Ismail, MS ………..(Pembimbing)

2. Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS ……….(Penguji I) 3. Dr. Ir. Arief Widjaja, M.Eng ……….(Penguji II) 4. Ir. Musfil A.S., M.Eng, Sc ……….(Penguji III)

SURABAYA

FEBRUARI, 2007

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah SWT, atas izin dan rahmat-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan laporan skripsi dengan judul:

“Permodelan Pada Sistem Bioreaktor Membran Dengan Penggabungan Proses Lumpur Aktif dan Separasi membran Dalam Satu Reaktor”.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Studi S-1 di Jurusan Teknik Kimia, FTI-ITS.

Atas terselesaikannya laporan skripsi ini, maka kami menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ir. Tontowi Ismail, MS. selaku Dosen pembimbing.

2. Dr.Ir. Mahfud, DEA, selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS.

3. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng, selaku Kepala Laboratorium Teknologi Biokimia dan Koordinator Tugas Akhir Jurusan Teknik Kimia FTI – ITS.

4. Prof. Dr. Ir Ali Altway, MS, Dr. Ir. Arief Widjaja, M.Eng, dan Ir. Musfil A.S., M.Eng, Sc selaku Dosen Penguji.

5. Seluruh dosen dan karyawan Jurusan Teknik Kimia, FTI– ITS.

6. Kedua orang tua, dan keluarga kami yang telah memberi dukungan moral, materiil dan doa.

7. Rekan-rekan Laboratorium Teknologi Biokimia dan seluruh komponen K-42 atas doa dan bantuannya.

8. Pihak-pihak lain yang tidak dapat kami sebutkan satu persatu, terima kasih atas semua bantuan yang diberikan.

Tiada gading yang tak retak, sehingga kritik dan saran dari para pembaca sangat kami harapkan demi kesempurnaan laporan ini. Semoga laporan skripsi ini dapat bermanfaat.

Surabaya, Februari 2007

Penyusun

x

DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Abstrak ... ii

Lembar Pengesahan... vi

Kata Pengantar ... viii

Daftar Isi ... x

Daftar Gambar ... xii

Daftar Tabel ... xv

Daftar Notasi ... xvi

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ... 1

I.2 Rumusan Masalah ... 3

I.3 Ruang Lingkup Penelitian ... 4

I.4 Tujuan Penelitian ... 4

I.5 Manfaat Penelitian ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Tinjauan Umum Limbah Domestik dan Karakteristiknya ... ... 7

II.2 Proses Lumpur Aktif ... 7

II.3 Klasifikasi Mikroorganisme... 9

II.4 Fenomena dalam Lumpur Aktif ... 10

II.5 Membran ... 16

II.6 Teknik Pemisahan Dengan Membran ... 17

II.7 Faktor-faktor yang mempengaruhi fluks ... 19

II.8 Transfer Oksigen ... 23

II.9 Peristiwa fouling ... 23

II.10 Tipe-tipe Bioreaktor Membran ... 27

II.11 Bioreaktor Membran Terendam (BRMt) .... 28

BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1 Garis Besar Penelitian ... 31

III.2 Permodelan Matematis ... 32

III.3 Pengembangan Model ... 33

xi

III.5 Variabel Penelitian ... 39

III.6 Gambar Peralatan ... 40

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN IV.1 Seleksi Proses ... 41

IV.2 Validasi Parameter ... 42

IV.3 Hasil Simulasi ... 43

IV.4 Nilai COD Total ... 49

IV.5 Penyisihan COD ... 51

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan ... 63

V.2 Saran ... 63

Daftar Pustaka ... 65

Appendiks ... 67

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Skema proses lumpur aktif ... 8 Gambar II.2 Skema susunan senyawa organik ... 9 Gambar II.3 Skema laju proses dalam lumpur aktif ... 11 Gambar II.4 Skema filtrasi aliran melintas (a) dan

aliran silang (b) ... 19 Gambar II.5 Kurva hubungan fluks dengan tekanan ... 22 Gambar II.6 Prinsip Backflushing ... 26 Gambar II.7 Skema dari sistem bioreaktor membran

eksternal re-sirkulasi (a) dan membran terendam (b) ... 28 Gambar III.1 Skema proses simulasi yang digunakan

dalam penelitian ... 31 Gambar III.2 Peralatan Bioreaktor Membran Terendam

(BRMt) ... 40 Gambar IV.1.1 Skema Laju Proses Dalam Lumpur Aktif

Hasil Seleksi ... 42 Gambar IV.3.1 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 2500 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil simulasi ... 43 Gambar IV.3.2 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit hasil simulasi... 44 Gambar IV.3.3 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil simulasi... 44 Gambar IV.3.4 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 7 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit

xiii

Gambar IV.3.5 Hubungan Konsentrasi komponen vs Waktu pada konsentrasi MLSS = 2500 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil simulasi (ideal) ... 47 Gambar IV.3.6 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit hasil simulasi (ideal)... 47 Gambar IV.3.7 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil simulasi (ideal)...48 Gambar IV.3.8 Hubungan Konsentrasi komponen vs

Waktu pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 7 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit

hasil simulasi (ideal)... 48 Gambar IV.4.1 Hubungan COD Total vs Waktu pada

konsentrasi MLSS = 2500 mg/l, ∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil

simulasi dan analisa ... 49 Gambar IV.4.2 Hubungan COD Total vs Waktu pada

konsentrasi MLSS = 10000 mg/l, ∆P = 10 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit hasil

simulasi dan analisa ... 50 Gambar IV.4.3 Hubungan COD Total vs Waktu pada

Konsentrasi MLSS = 10000 mg/l, ∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil

simulasi dan analisa ... 50 Gambar IV.4.4 Hubungan COD Total vs Waktu pada

Konsentrasi MLSS = 10000 mg/l, ∆P = 7 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit hasil

simulasi dan analisa ... 51 Gambar IV.5.1 Hubungan Penyisihan COD vs Waktu

xiv

Gambar IV.5.2 Hubungan Penyisihan COD vs Waktu pada aerasi berbeda ... 52 Gambar IV.5.3 Hubungan Penyisihan COD vs Waktu

pada TMP berbeda ... 53 Gambar IV.5.4 Hubungan % Removal COD vs Waktu

pada konsentrasi MLSS = 2500 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil simulasi ... 60 Gambar IV.5.5 Hubungan % Removal COD vs Waktu

pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit hasil simulasi... 60 Gambar IV.5.6 Hubungan % Removal COD vs Waktu

pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit hasil simulasi... 61 Gambar IV.5.7 Hubungan % Removal COD vs Waktu

pada konsentrasi MLSS = 10000 mg/l,

∆P = 7 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit

xv

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Kinetika proses dan stoikiometri untuk oksidasi karbon, nitrifikasi dan

denirifikasi ... 12 Tabel II.2 Karakterisasi Proses Filtrasi Membran ... 18 Tabel II.3 Ringkasan hasil penelitian terdahulu tentang

pengolahan limbah cair dengan

menggunakan BRMt ... 29 Tabel II.4 Perbandingan penyisihan polutan pada

BRMt dan proses lumpur aktif ... 30 Tabel III.1 Persamaan neraca massa ... 34 Tabel III.2 Nilai parameter kinetik dan stokiometri ... 38 Tabel IV.5.1 COD Permeat dan % Removal COD untuk

MLSS = 2500 mg/l, ∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit,

COD influent = 540 mg/l ... 54 Tabel IV.5.2 COD Permeat dan % Removal COD untuk

MLSS = 10000 mg/l, ∆P = 10 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit,

COD influent = 371 mg/l ... 55 Tabel IV.5.3 COD Permeat dan % Removal COD untuk

MLSS = 10000 mg/l, ∆P = 10 cmHg, Aerasi = 12 Liter/menit,

COD influent = 505,8 mg/l ... 57 Tabel IV.5.4 COD Permeat dan % Removal COD untuk

MLSS = 10000 mg/l, ∆P = 7 cmHg, Aerasi = 8 Liter/menit,

xvi

DAFTAR NOTASI

A Luas permukaan membran [m2]

bBAP,H Koefisien pembentukan BAP

heterotrop yang mati

[hari-1] bH Koefisien pembentukan partikulat

heterotrop yang mati

[hari-1]

Ds Diameter inside membran [m]

fB Fraksi inert biomass yang

menjadi produk terlarut

[tak

berdimensi] fP Fraksi inert biomass yang

menjadi produk partikulat

[tak

berdimensi]

HO2 Tetapan Henry O2 [atm. mol/ m3]

J Fluks [m.s-1]

Kh Koefisien hidrolisis [hari-1]

KLa Koefisien transfer massa O2 [1/s]

km Efisiensi karena pengaruh aliran

crossflow

[tak

berdimensi] KOH Koefisien oksigen half saturation

untuk biomass heterotrop

[gr O2 /m3]

KS Koefisien substrat half saturation

untuk biomass heterotrop

[gr COD/m3] KSMP Koefisien produk mikroba terlarut

(SMP) half saturation untuk

[gr COD /m3] KX Koefisien half saturation untuk

hidrolisis partikulat substrat biodegradable

[tak

xvii

m Akumulasi massa pada

permukaan membran

[kg/m2] MLSS Mixed Liquor Suspeded Solid [gr/Liter]

PO2 Tekanan parsial O2 dalam udara [atm]

Q Laju alir udara/aerasi [Liter/menit]

QE Laju alir keluar [m3/hari]

Q0 Laju alir masuk [m3/hari]

QW Laju alir wastage [m3/hari]

R Hambatan total akibat fouling [1/m]

Rm Hambatan membran awal [1/m]

SI inert organik matter terlarut [gr COD/m3]

SO Oksigen terlarut [gr O2/m3]

Ss Substrat biodegradable terlarut [gr COD/m3] SSMP Substrat biodegradable terlarut [gr COD/m3]

t Waktu [hari]

V Volume reaktor [m3]

Vp Volume permeat [m3]

XBH Biomass heterotrop aktif [gr COD/m3]

XI Partikulat inert organik matter [gr COD/m3]

Xs Partikulat biodegradable substrat [gr COD/m3] YH Koefisien yield heterotropik dari

substrat

[gr COD/gr COD] YSMP Koefisien yield heterotropik dari

produk mikroba terlatur (SMP)

[gr COD/gr COD]

xviii

Huruf latin

α Hambatan spesifik [m/kg]

γUAP,H Konstanta pembentukan UAP

heterotrop

[tak

berdimensi]

δ Tebal membran [m]

∆P Tekanan lintas membran [Pa]

ε Porositas membran [tak

berdimensi]

ηh Faktor koreksi hidrolisis [tak

berdimensi]

µ Viskositas permeat [Pa.s]

µH Laju pertumbuhan spesifik

maksimum substrat heterotrop

[hari-1]

µSMP Laju pertumbuhan spesifik

maksimum produk mikroba terlarut

[hari-1]

τ Tortuosity membran [tak

berdimensi] Subscript (0) Kondisi awal [tak berdimensi]