.IURNAL

tssN 1693.9433

I ilOO TIE S ITII Cfl E N I CA L E il E NEEN TI O J O UR,Nil

ffiF ffisffiffiffinro no.2Asustus2ooT lnOONESle

Penerbit :ASOSIASI PENDIDIKAN TINGGI TEKNIK KIMIA INDONESIA

(A P T E K r N D O)

JURNAL I TI|,di TTE S I I II C H E N' CIL E TI C I TIEEI' il E J O'NMI

KOMOffi- tnDonEsteFsffffi#ff

Vol,6 No,2 Agustus 2007

Ketua Dewan Editor :

Yazid Bindar, Ph.D.o M.Sc.,IrInstitut Teknologi Bandung

Dewan Editor :Abdullah, Ph.D., MS., Ir

Universitas Diponegoro

Didi DwiAnggoro, Ph.D., M.Eng.,IrUniversitas Diponegoro

HM. Hatta Dahlan, Dr., M.Eng.,IrUniversitas Sriwijaya

Hj. Susila Arita, Dr., IrUniversitas Sriwijaya

Herri Susanto, Prof., Dr.n IrInstitut Teknologi Bandung

Mahfud, Dr., DEA.,IrInstitut Teknologi Sepuluh Nopember

Sanggono Adisasmito, Ph.D., M.Sc., IrInstitut Teknologi Bandung

Sugeng Winardi, Prof., Dr.o IrInstitut Teknologi Sepuluh Nopember

Suryo Purwono, Ph.D., MA.Sc.,IrUniversitas Gadjah Mada

Wahyudi Budi Sediawan, Prof., Ph.D.o SU.,IrUniversitas Gadiah Mada

Sekretaris Redaksi :

Luh Indi Baramuni. ST. MT.

ASOSIASI PENDIDIKAN TINGGI TEKNIK KIMI.A INDONESIA( A P T E K I N D O )

Sekretariat Redaksi:Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Bandung,, Jl. Ganesha 10 Bandung 40132Telp. (022) 250 0989 Ext. 355 Fax. (022)250 1438

E-mail : redaksi itki6Dche.itb.ac.id, Web : wwwiurnaltkimia.org

I:!

tt*{jl*I .-,id

Vol. 6 No.2 Agustus 2007

RNA L ,tm|E At qEnrctl EtcltEEilnc Jotnilet

tssN 1693-94:

642 - 64

649 - 65

w&ffidffitnoonEste52rtE|e AIn

Dehidrasi n-Butanol Menjadi Senyawa Butena padaKatalis Molecular Sieve 13X dalam Reaktor Unggun TetapMelia Laniwati Gunawan, Hendrik Susanto

Konversi Katalitik n-Butanol Menjadi Hidrokarbon C2-C4Menggunakan Katalis B rO rl Zeolit AlamSetiadi dan Dariyus

Daftar Isi

Sintesa Minyak Goreng Sehat (Diacylglycerol) 595 - 60Trrto Prakoso, Danu Wicaksana, Roy Winarso, Tatang H.Soerawidjaja

Silat Reologi Larutan Tapioka 602 - 60DanuAriono, Lestri Fajrinia, Ria Julyana, Manullang

Fermentasi Ethanol Menggunakan Bakteri Zymomonas mobilisdari GtukosaHasilHidrolisa Enzimatik Bagas 609 - 61tSaraswati

Pemodelan Reaktor Sharon dengan Umpan Urea-Amonia 617 - 62Tjandra Setiadi, Indrie Ratnasari, Trimaharika Widarena

Biodegradable Polymer dari Asam Laktat 626 - 63I. Noezar, V.S. Praptowidodo, R. Nugraheni, M.H. Nasution

Pemodelan dan Simulasi Reaktor Mikro untuk Produksi HidrogenSebagai Umpan Bahan Bakar Kendaraan Bermotor 634 - 64Yogi Wibisono Budhi, Subagjo

;;]\

tr.Il{*''!

PEMODELAN REAKTOR SHARON DENGAN UMPANUREA-AMONIA

Tjandra Setiadi, Indrie Ratnasari dan Trimaharika WidarenaProgram Studi Teknik Kimia

Kelompok Keahlian Perancangan dan Pengembangan Produk Teknik KimiaFakultas Teknologi lndustri, Institut Teknologi Bandung

Jl. Ganesa No.l0, Bandung 40132E-mail: tjandra@che.itb.ac.id

Abstrak

Proses SHARON (Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)-Anammox(Anaerobic Ammonium Oxidation) belum pernah digunakan untuk mengolah air limbah

dengan konsentrasi urea tinggi. Data-data yang diperoleh dari percobaan pendahuluan

belum dapat menjelaskan unjuk keria reaktor SHARON dengan umpan berupa urea'

amonia. Oleh karenq itu, perlu disusun pemodelan matematika untuk menentuksn

parameter kinetikq pertumbuhan mikroba dan parameter stoikiometrik real<si yang teriadi

pada reaktor SHARON. Penyusunan model dilalatkan berdasarkan neraca massa reaklor

tangki kontittyu berpengaduk. Model yang dihasilkan berupa sistem persamaan non-linear

yang diselesaikan dengan program Matlab. Hasil simulasi model menuniukkan bahwa

konsentrasi nitrat sama dengan nol pada keluaran reaktor SHARON dengan umpan urea-

amonia tidak dapat dicapai. Untuk mendapatkan nisbah nitrit terhadap nitrat yang

ekuimolar, diperlukan umpan dengan komposisi urea dan bikarbonat yang ekuimolar.

Parameter kinetikyang diperoleh dari hasil optimasi model adatah, pffi : I,l6E-05 s't,

= 3,ss8E-0s t'', Kii;ir= 3,34E-02 mol mL-3, Kiifro, : t,45E-02 mot mL3,

Kilho, : 6, I 4 E-03 mot mL-3.

Kata Kunci : pemodelan, SHARON, urea-amonia, parameter kinetik

Abstract

SHARON (Single reqctor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)-Anammox

(Anaerobic Ammonium Oxidation) has never been usedfor treating wastewater with high

urea content. Three prior researches have been done to exqmine the performance of

SHARON process with urea-ammonia feed but the results are still unable to explain its

performance. To explain these results, a model of SHARON process is needed to be built.

Based on material balances of SHARON process in q stirued tank reqctor, a model was

built. The model is nonlinear dffirential equation system qnd was solved using Least

Square Method with the help of MATLAB. The simulation result shows that nitrate was

always occurred in the efrluent of the SHARON process. Based on this research, equimolar

nitrite to ammonia ratio cqn be obtained only tf the feed is equimolar in urea and

bicarbonate composition. Optimized kinetic parameter obtained are p'J: : I ,1 6E-05 s I ,

F ^ o : 3,ss8E-0s i', KiIl:3,34E-02 mol mL'3, Kii{no, : 1,45E-02 mot mL'3,

Ki]tror:-6,14E-03 mol mt3. This results show that there are inhibition in oxidizing

qmmonium in the reqctor and inhibition on growth of nitrite oxidizer.

Keywo rds : model in g, SHA RON, urea-animoniu, Ur",," prarameter

f Pemodelan Reaktor sharon dengan Llmpan [Jrea - Amonia (fiandra setiadi, dkk) {

1. PendahuluanProses SHARON memiliki berbagai

keunggulan j ika dibandingkan dengan teknologi

pengolahan air limbah . konvensional. Proses

SHARON yang digabungkan dengan proses

Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)

mampu mengolah air limbah dengan

konsenffasi amonia lebih dari 2000 ppm dan

perbandingan C terhadap N lebih kecil dari

0,15. Sementara itu, teknologi pengolahan air

limbah konvensional hanya mampu mengolah

air limbah dengan kandungan nitrogen kurang

dari 200 ppm (Setiawan dan Wibisono, 2003).

Dengan keunggulan tersebut, proses

SHARON memiliki potensi yang besar untuk

diaplikasikan dalam sistem pengolahan air

limbah industri pupuk urea yang memiliki

kandungan nitrogen lebih dari 2000 ppm.

Permasalahannya, 85% nitrogen yang

terkandung dalam air limbah tersebut berada

dalam bentuk senyawa urea. Proses SHARON

telah terbukti memiliki unjuk kerja yang baik

dalam pengolahan limbah amonia. Namun,

kinerjanya dalam mengolah air limbah dengan

kandungan urea-amonia masih belum diketahui

secara pasti. Departemen Teknik Kimia Institut

Teknologi Bandung telah melakukan tiga buahpenelitian untuk mengevaluasi unjuk kerja

Reaktor SHARON dengan umpan berupalimbah urea-amonia. Tujuan dari penelitian

tersebut adalah mengetahui kondisi operasi

terbaik reaktor SHARON dengan menganalisapengaruh parameter HF.T (Hydraulic Retention

Time), pH, dan konsentrasi urea dalam umpan

terhadap kinerja reaktor SHARON (Hartono

dan Praptana, 2005).Data-data hasil percobaan yang diperoleh

ternyata belum dapat menjelaskan fenomena

yang terjadi pada reaktor SHARON apabila

umpan berupa air limbah urea-amoniaberkonsentrasi tinggi. Oleh sebab itu, perlu

disusun pemodelan matematika untuk

menentukan parameter kinetika pertumbuhan

mikoba dan parameter stoikiometrik reaksi.

2. FundamentalKombinasi proses SHARON Anammox

bernrjuan untuk mengolah air limbah dengankadar amonia tinggi menjadi gas nitrogen. Padadasarnya proses tersebut terdiri atas tahap

nitrifikasi parsial yang kemudian dilanjutkan

dengan oksidasi amonium secara anaerobik.

Reaklor SHARON berperan unhrk melakukannitrifikasi parsial dengan mengoksidasi

amonium menjadi nitrit dan nitrat denganperbandingan komposisi I : 1, sedangkanreaktor Anammox berfungsi untuk

mengoksidasi amonium serta nifrit yang

dihasilkan oleh reaktor SHARON meirjadi gasnitrogen.

Reaktor SHARON beroperasi pada

temperatur tinggi (30-40"C) dan rentang pH 7-8dalam reaktor kontinyu berpengaduk.Keuntungan dari tingginya temperatur operasiini adalah bahwa pada kondisi tersebut bakteripen gok" idas i nitrit (N i t r o b a ct er) atmbuh denganlaju spesihk lebih rendah dari bakteripengoksidasi amonia (N itr o s om o nas). Sehingga,dengan memilih waktu tinggal cairan (Hidraulic

Retention Time, HRT) yang tepat, Nitrosomonasdapat tetap tinggal di dalam reaktor sementaraNitrobacter akan terbawa aliran keluar reaktor(Hell inga dkk.,l998).

Selama nitrifikasi berlangsung, pH

larutan akan menurun dengan signifikan karenadibebaskannya dua mol H' untuk setiap NHa-yang dikonversi (Volcke dkk., 2002). Fenomenaini digambarkan oleh persamaan I dan 2berikut.

NHr '+1,502- NO; + 2I f + HzO ( l )

HCq- + I{ - H2O + CO2 Q)

Untuk menjaCa,..gH pada tingkat yangdiinginkan dapat dilakukan oelucutan CO2 yangterbentuk. Sisa proton dari reaksi 2 dapatdikonsumsi dalam proses denitrifikasi denganmenambahkan sumber COD seperti metanol.Hal ini digambarkan pada persamaan 3.

NOr- + 0,5CH3OH + Il - 0.5N2 + l.5H2O (3)

Proses denitrifikasi sendiri akanbergantung pada kapasitas buffer medium sertatingkat pH yang diinginkan (Hellinga

dkk.,1998).Dalam proses Anammox (Anaerobic

Amonia OXidation) amonia dan nitrit dikonversimenjadi gas nitrogen Amonia diubah sebagianmenjadi nitrit (persamaan reaksi 4.a) olehbakteri pengoksidasi amonia aerobik dalamkondisi oksigen terbatas. Selanjutnya, bakteripengoksidasi amonia anaerobik akan mengubahamonia dan nitrit yang terbentuk menjadi gas

nitrogen (Persamaan reaksi 4.b). Kedua reaksitersebut dapat digabungkan menjadi sistemreaksi yang digambarkan persamaan 4.c(Sliekers dkk.,2002).

iNH, + l-5 O, -+ li'{O. + H,O+ H' (4.a)

lNHr+1.321*'$ +^FI' +1.02N, +0.26NO; +2H2O e.b)

L\7J, +O&XQ +0 lL\Q +0.4.tM, +0 lal| +La3F.O (4.c)

Bakteri Anammox secara reversibeldihambat' oleh kehadiran oksigen, sehinggaproses yang digambarkan oleh persamaan 4.c

Jurnal Teknik Kimia Indonesia" Vol. 6 No. 2 2001 :617 - 625

harus terjadi pada keadaan oksigen terbatas.Bakteri pengoksidasi amonia secara aerobikdapat menghasilkan N2O dan NO dalam kondisioksigen terbatas.

Model yang dikembangkan dalampenelitian ini disusun berdasarkan neraca m:rssasistem reaktor SHARON denganmengasumsikan bahwa fasa cair dan fasa gas didalam reaktor teraduk sempurna dan reaksihanya terjadi pada fasa cair. Selain itu, lajudifusi-antar fasa yang terjadi dalam transferoksigen, karbondioksida, dan nitrogen dianggapjauh lebih cepat dibandingkan dengan lajureaksi sehingga tidak mempengaruhi lajukeseluruhan.

Reaktor SHARON merupakan reaktortangki kontinyu berpengaduk. Gambar I berikutmenunjukkan skema reaktor SHARON.

Gambar 1. Skema Reaktor SiYARON

Neraca massa untuk senyawa i dengankonsentrasi Ci dapat disusun sebagai berikut:

d \YtlLu) - di, * e.r- $ x cu+ r,xY, (-s)dt

Konsentrasi senyawa i dalam keluaransistem sama dengan konsentrasi senyawa idalam reaktor setiap waktu. Volume fasa cairdapat dianggap konstan terhadap perubahankonsentrasi fasa cair (Volcke dkk., 2002).Dengan demikian, persamaan 5 menjadi:

dC,, ()? .I\olrt- = - x t ' ; - ! - l - - x C , , + 4 ( 6 )

dt Y, I',

Adapun komponen-komponen yang

disusun neraca massanya adalah amonium,nitrit, nitrat, biomassa bakteri pengoksidasiamonium (Nitrosomonas) dan bakteripengoksidasi nitrit (N itro b acter).

Berkaitan dengan kinetika reaktorSHARON, terdapat dua buah reaksi yangdiperhatikan, yakni: oksidasi amonia menjadinitrit yang dilakukan oleh bakteri Nitrosomonas

dan oksidasi nitrit menjadi nitrat oleh bakteriNitrobacter. Menurut Volcke dkk. (2002),l6srt'r3 reaksi tersebut dapat dinyatakan olehpe' .Jmaan 7 dan 8 berikut:

o = ig r cs , -fu-= --&- .y (7)^s3rLB r\a +ra tr;6rr-C*

^ - , ,d t - , Cr* r . r1

P: =rr* "E*:ffixVffi;x.Yt, (8)

p1 dan p2 berturut-turut menyatakan persamaankinetika untuk reaksi oksidasi amonium danreaksi oksidasi nihit.

Persamaan lain yang juga berkaitandengan kinetika reaksi SHARON adalahpersamaan kesetimbangan antaraamonium./amoni4 dan asam nitraVnitrit. Keduapersamaan tersebut dinyatakan oleh persamaan9 dan 10.,-, Cnon xC-Mot-=T:

-}&{(e)

(t0)C* ' *Cro i

KQsvo, =C roo.

Kedua kesetimbangan itu dipengaruhi olehkonsentrasi H* dalam sistem.

Menurut Volcke dkk. (2002), konversi

reaksi dapat dihitung sebrgai |Urt0,,j = l

dengan p.; menlatakan laju reaksi, sedangkan Ai.;merupakan matriks stoikiometri reaksi yangmenunjukkan koeflrsien perolehan dankomposisi biomassa dari komponen yangterlibat dalam reaksi oksidasi amonium maupunnitrit.

Persamaan konversi untuk amonium,nitrit, nitrat, biomassa bakteri pengoksidasiamonium dan bakteri pengoksidasi nitritditampilkan oleh persamaan ll, 12, 13, 14 dan15. Pada persamaan tersebut, Yr dan Y2merupakan perolehan Nitrosomonas danN it r o b acter terhadap substrat.

Neraca ..,sssa komponen amonium,nitrit, nitrat, Nitrosomonqs dan Nitrobacteryang terlibat dalam unjuk kerja reaktorSHARON dalam mengolah air limbah urea-amonia berturut-turut ditunjukkan olehpersam&m 16, 17, 18, 19 dan 20.

I

r-, =(-n*)*(pff #fu #h #;'x-)-#"@* #; fr7 *"'' (tz)

' f*t:- *- -9*--*s1*,'1r.*, =(i)'(t,k"-ffi * c,*. Kfil + c*

n -, ,@. c*r * c*

*--K?X"t- ^y*')(ffi - tw ^ Kffi +cn , K* +c. Ki&o',.+c*r,

- - , ,nt - C^o, * ,Coz * X-..r.r-, = Ir* ^

Xg* "**^

Ktr. + Coz^ " att

t=S"{c-.-c]-"xffi*--*;{o*"&4fuft*,

*tM{l -+=+*.r$i"-91

E

L ol"Di l ' .c* txc"*-4" , , * . c* , Co:

vL [{€w{ tYl '-* Kffi+c*, Kfi+co,

(13 )

(14)

( l5)yrmALtDlIt

r Z | @ , F\$D2'r-\-Eq)z

>(-)

dt cu* - vL

(16)

(17)

( 1 8 )

/c**tc*')Kfr | - r*) -(uo

" ui . -)-Kt*"t-- . ,9ot .O1*-::---E;E;'' '- r<T---*co*"c*r K$+co,

\ta.oz+-K;;; ^'Hlio:'

K€sr:o2

(C o**c*z\

!9-=-+rcyor+).ur* * ' x"s ' " , "= *-{a - ^x,udt T^"unt Y2 K*or+c r**cxo',." K[i+co,

Kento,

dCorn =tr* * C*,

, Co,

,dt

r-M Kffi +c..r, Kfr +Co,

??ffimAt.ntzzxXo ^

v*t , C"*tCt tAr.mor-W

,Cr*xCtsl',r ^ \ v

dC *u = t:!!_ . Kawoz . tr, . -f ,,dt

t 's k,ntr -Co**C^o, K{r+Co,"r!n2 K"*o,

Notasi N menyatakan jumlah senyawa

nitrogen total dalam bentuk amonia, nitrit dan

nitrat. nnit dan namm berturut-turut merupakanjumlah atom N Pada Nitrobacter dan

Nitrosomonas.

3. MetodologiPenelitian ini dirancang untuk dilakukan

melalui beberapa tahap. Tahap pertama adalah

pengumpulan data percobaan. Data-data

tersebut merupakan hasil penelitian yang telah

dilakukan sebelumnya. Tahap kedua merupakanpembangunan model matematika berdasarkan

nrru.u massa reaktor SHARONo' Model

matematika yang dihasilkan berupa sistem

persamaan non-linear yang diselesaikan dan

disimulasikan dengan rutin fs o lv e pada program

MATLAB@.Secara garis besar, beberapa langkah

yang diperlukan untuk menyelesaikan model

(1e)

(20)

matematika yang telah disusun adalahpenentuan tebakan awal, penulisan' rutinMATLAB, simulasi, dan optimasi.

Tebakan awal yang digunakan dalampeneiitian ini adalah data kondisi tunak reaktorSHARON yang diperoleh dari dua penelitiansebelumnya, yaitu "Biodegradasi Urea DalamReaktor SHARON" yang dilakukan oleh.Pasaribu pada tahun 2004-2005 dan "UresBiodegradation in The Wastewater UsingSHARON Process" yang dilakukan olehPraptana dan Hartono pada tahun 2004.

Pasaribu meneliti mengenai pengaruhHRT terhadap unjuk kerja reaktor SHARONdalam mengolah air limbah urea-amonia padapH = 7 sedangkan Praptana dan Hartonomeneliti hal yang sama pada pH : 8,9. Keduapenelitian ini memiliki kondisi operasi,selain tlerajat keasaman, yang samayaitu pada temperatur 35oC, konsentrasi

E Jurnal Teknik Kimia Indonesi4 Vol. 6 No. 2 2007:617 -625

urea 400 ppm dan HRT selama 0,6hari, 0,8 hari, t hari dan 1,3 hari.

Perhitungan jumlah biomassa yangdihasilkan reaklor SHARON dilakukanberdasarkan persamaan 2l dan 22 berikut.

lxdn,,i=rrL--'[c* *c.o] = o or:x[c.o +c.o] erl\/r,'^* |

1ni4=$*lc*] = e,u*to-"lc*] u,/t,

Simulasi model matematikamenggunakan bahasa MATLAB ditulisberdasarkan model matematika yang diperoleh.Konstanta-konstanta yang diperlukan untukmelengkapi persamaan model diambil dariVolcke (2002).

Untuk mendapatkan tebakan awal, empattitik data hasil penelitian sebelumnya disimulasiterlebih dahulu untuk mendapatkan titik-titikmodel. Empat titik model ini kemudiandiregresi sesuai kecenderungannya sehinggadiperoleh persamaan regresi. Berdasarkanpersamaan regresi inilah tebakan awal baruditentukan.

4. Hasil dan AnalisisPada reaktor SHARON terjadi tiga

proses utama yaitu biodegradasi urea, oksidasiamonia dan oksidasi nitrit. Hasil simulasi unjukkerja reaktor SHARON menunjukkan pengaruhHRT terhadap ketiga proses tersebut. Selainsimulasi, pada penelitian ini juga dilakukanoptimasi untuk mendapatkan parameter kinetikproses SHARON.

Pengaruh HRT dan pH terhadap prosesbiodegradasi urea dalam Reaktor SHARONdapat diamati dari nilai konversi urea. Gambar 2menunjukkan pengaruh HRT dan pH terhadapkonversi urea dalam reaklor SHARON.

Berdasarkan Gambar 2, dapatdisimpulkan bahwa biodegradasi ureaberlangsung cepat. Hal ini dapat dilihat daritingginya konversi urea pada setiap HRT baikpada pH : 7 maupun pH : 8,9. Semakin lamaFIRT maka semakin banyak pula urea yangterdegradasi menjadi amonia karenamikroorganisme dalam reaktor memiliki waktuyang semakin banyak untuk mengkonversi urea.Namun, pada HRT : 0,6 hari, konversi urealebih rendah dibandingkan dengan konversipada HRT yang lebih lama. Hal inimengindikasikan bahwa kesetimbangan belumtercapai pada HRT : 0.6 hari. Pada pH : 8,9,konversi urea lebih rendah dibandingkan padapH : 7 untuk semua nilai HRT kecuali HRT =

0,6 hari. Tingginya konversi urea pada pH: 7disebabkan hidrolisis urea berlangsung dalam

reaksi kesetimbangan. Reaksi yang terjadi dapatdilihat pada persamaan 23.

co(NH)2+t{+ 2HzO <+ 2NHa=+HCO3- (23)

or fo'r ro'o

I0,2 t-o l -

Pengaruh HRT Terhadap Konverai Urcq

epf l :8 ,9

- p H : 7

0.5 0,7 0.8 0,9 r I,t t,? 1.3

HFf, Fafi,

Gambar 2. Pengaruh HRTterhadap konversi urea

Pada konsentrasi tf yang lebih keci.kesetimbangan reaksi hidrolisis urea akanbergeser ke arah pembentukan urea. Hal yangberbeda terjadi pada HRT: 0,6 hari. Konversiurea pada pH : 7 lebih rendah daripadakonversi pada pH 8,9. Fenomena inidisebabkan bakteri pendegradasi wea (Bacilluspasteurii) tergolong sebagai bakteri alkalifilik.Menurut Kenneth Todar (2002), kondisioptimum pertumbuhan bakteri Bacilluspasteurii adalah pada pH : 8 dan bahkanterdapat beberapa strain yang mampu hiduppada pH = ll. Aktifitas bakleri yang lebihtinggi pada pH : 8,9 mengakibatkan ureaterdegradasi dengan lebih cepat. Seperti telahdijelaskan sebelumnya, pada HRT : 0.6 hari,kondisi kesetimbangan belum tercapai. Dengandemikian, pada waktu tinggal yang sama,aktivitas bakteri yang lebih tinggi pada pH = 8,9memungkinkan urea terdegradasi lebih banyakdaripada urea yang terdegradasi pada pH : 7.

Profil konsentrasi dalam ' reaktorSHARON disajikan dalam Gambar 3 untuk pH: 7 dan sedangkan Gambar 4 untuk pH : 8,9.

Garnbar 3. Profil konsentrasi NH3, NO2,NO3, Xr., dan Xn1

terhadap HRT pada pH:7

/ lt . t

, * . f - - _ - _ - _ - _ - - -

- cNF:- cftoz- c{o,

Xam

r Cf{laidat Xry3rlr+ xdllla.. cfrqital:

o CHoJ.rr

I-

I Pemodelan Reaktor Sharon dengan lJmpan Urea - Amonia Ogl4fg S{lSdi' iku ---I

Karena nisbah nitrit terhadap amoniumyang dihasilkan jauh lebih tinggi dibandingkandengan umpan Anammox ideal, dapatdisimpulkan bahwa keluaran reaktor SHARONini tidak dapat digunakan sebagai umpan prosesAnammox. Salah satu faktor yang palingmempengaruhi nisbah nitrit terhadap amoniumadalah ,risbah amonium dan bikarbonat dalamumpan reaktor SHARON. Beberapa sumber(Volcke dkk, 2005 dan Loosdrecht dkk, 2002)menyebutkan bahwa nisbah nitrit terhadapamonium sebesar l:l dapat dicapai denganumpan yang mengandung nisbah amonium danbikarbonat yang ekuimolar.

Hal yang paling mempengaruhi nisbahamonium terhadap bikarbonat pada penelitianini adalah umpan yang digunakan. Padapenelitian ini umpan yang digunakan adalahurea. Setiap mol urea yang terhidrolisis akanmenghasilkan dua mol amonium dan satu molbikarbonat. Untuk memperoleh nisbah amoniumterhadap bikarbonat yang ekuirnolar, umpanperlu mengandung satu mol bikarbonat untuksetiap mol urea yang diumpankan.

Pengaruh HRT terhadap nisbah nitritterhadap amonium dllam keluaran prosesSHARON juga dapat diamati pada Gambar 5.Pada pH operasi sebesar 7, semakin besar nilaiHRT maka nisbah nitrit terhadap amonium jugaakan semakin besar. Hal ini berbeda dengannisbah nitrit terhadap amonium pada pH = 8,9.Pada kondisi operasi ini, nisbah nitrit terhadapammonium semakin bertambah dengankenaikan HRT hingga mencapai puncaknyapada HRT : l,l hari. Setelah itu, nisbah nitritterhadap amonium berkurang denganbertambahnya HRT.

Fenomena ini mungkin disebabkanadanya protozoa dalam sistem yang diteliti.Sistem SHARON bekerja .dengan

memanfaatkan kemampuan kultur campuranmikroorganisme yang dapat melakukandegradasi senyawa nitrogen dalam kegiatanmetabolismenya. Dampak dari penggunaankultur campuran mikroorganisme (mixedculture) ini adalah resiko terkontaminasi olehmikroorganisme lain sangat tinggi. Setiawandan Wibisono menyebutkan bahwa kehadiranprotozoa dalam reaktor sering terjadi padaproses dengan waktu tinggal cairan (HRT) yangcukup lama. Walaupun tidak disebutkan waktutinggal cairan minimum yang dapatmenyebabkan terikutnya protozoa ke dalamsistem, namun <iilaporkan bahwa pada kondisio p e r a s i H R T : 1 , 9 8 h a r i , p H : 7 , 8 d a ntemperatur 35"C terjadi penurunan kemampuanreaktor L secara keseluruhan akibat adanyaprotozoa. Menurunnya nisbah nitrit terhadapamonium mungkin disebabkan protozoa dalam

Gambar 4. Profi l konsentrasi NH3'NO2, NO3, X,., dan Xn1

terhadap HRT pada pH:8 '9

Nitritasi merupakan proses konversiamonium menjadi nitrit, saat oksidasi lebihlanjut nitrit menjadi nitrat dihindari. PadaGambar 3 dan 4 dapat dilihat suatukecenderungan yang sama dalam hal pengaruhHRT terhadap konsentrasi nitrat. Dari hasilsimulasi pada pH : 7 dan pH - 8,9 daPatdisimpulkan bahwa HRT yang lebih lama akanmengakibatkan konsentrasi nitrat yang lebihtinggi pada keluaran reaktor SHARON.Semakin lama HRT memungkinkan Nitrobacteruntuk mengoksidasi lebih banyak nitrit menjadinitrat.

Reaktor Anammox memerlukan umpandengan nisbah nitrit terhadap amonium idealsebesar l:1 untuk dapat mengolah limbahamonia dengan baik. Limbah amonia inidikonversi menjadi N2 menurut persamaanreaksi 24 yang merupakan persamaan prosesAnammox yang disederhanakan denganmengabaikan perfumbuhan biomassa.

N H t ' + N O 2 - - N 2 + 2 H 2 O (24)

Dari hasil simulasi diperoleh bahwanisbah nitrit terhadap amonium dalam keluaranSHARON selalu lebih besar dari l. Nisbah nitritterhadap amonium terhadap HRT dapat <iilihatpada Gambar 5 di bawah ini.

Pengaruh HRT Terhadap

Nisbah Nibit TerhadaD Arnonium

095 1 3 5

HRr $rri)

Gambar 5. Pengaruh HRT terhadapnisbah n i t r i t terhadap amonium

3m

250.: 200oE r50

l t *z 5 0

o + 4

I Jumal Teknik Kimia Indonesia, Vol. 6 No. 2 2007 :617 - 625

sistem menghambat bakteri pengoksidasiamonium sehingga terjadi penumpukanamonium.

Nisbah pada pH : 8,9 jauh lebih tinggidibandingkan pada pH : 7. Perbedaan inimungkin disebabkan oleh proses nitrifikasi padapH = 7 berjalan lebih cepat dibandingkandengan proses nitrifikasi pada pH = 8,9.

Perbedaan kecepatan oksiCasi nitrittersebut disebabkan kondisi keasaman yangmempengaruhi aktivitas bakteri yang terlibatdalam reaktor SHARON. Konsentrasi nitrityang tinggi pada pH:8,9 menunjukkan bahwaoksidasi amonium berlangsung lebih cepatdibandingkan dengan proses oksidasi nitrit.

Proses oksidasi amonium dipengaruhioleh bakteri Nitrosomonas dan proses oksidasinitrit dipengaruhi oleh bakteri Nitrobacter.Nitrosomonas memiliki pH optimum pada 7,8-8sedangkan Nitrobacter memiliki pH optimumpada rentang 7,3-7,5. Pada kondisi denganalkalinitas yang tinggi, Nitrosomonas bekerjalebih baik dibandingkan dengan Nitrobactersehingga jumlah nitrit yang dihasilkan darioksidasi amonia oleh Nitrosomonas lebihbanyak dibandingkan dengan kemampuanNitrobacter untuk mengoksidasi nit,;: menjadinihat.

Seperti halnya profil konsentrasi,parameter kinetik proses SHARON jugadiperoleh dengan menyelesaikan sistempersamaan nonlinier. Data penelitian yangdigunakan adalah pada pH : 8,9. Parameterkinetik hasil oprimasi ditabulasikan dalamTabel l.

2005). Sementara itu, konstanta afinitas amonia(K*) untuk Nifrosomonas yang diperoleh daripemo'-lan memiliki nilai yang sama dengandata . eri pustaka tersebut. Penurunan nilai p'o.dengan nilai Ku.* yang tetap ini kemungkinandiakibatkan oleh terjadinya inhibisinonkompetitif oleh nitrit yang merupakanproduk dari reaksi oksidasi amonia.

Menurut Shuler (2002), konsentrasiproduk yang tinggi dapat menghambatpertumbuhan mikoorganisme. Inhibisi secarakompetitif ditandai dengan perubahan nilai lajupertumbuhan maksimum bakteri dan konstantaafinitas yang tetap. Secara spesifik, prosesinhibisi non-kompetitif yang tedadi pada reaksioksidasi amoniurr ini adalah inhibisinonkompetitif mumi karena harga p*, sajayang berubah sedangkan harga K** tetap.

Pada Tabel I terlihat bahwa terjadipenumnan nilai laju pertumbuhan spesifikmaksimum bakteri pengoksidasi nitrit(Nitrobacter) dan konstanta afinitas asam nitrit(K"l) pada pH 8,9. Hal ini berartipertumbuhan Nitrobacter terhambat.Anthonisen dkk. (1976) menyebutkan bahwaterhambatnya pertumbuhan Nitrobacterdisebabkan oleh terbentuknya amonia bebas.Dalam beberapa kasus, dilaporkan bahwapeningkatan konsentrasi amonia bebas, terutamadalam kondisi alkalinitas tinggi (pH di atas 8,5)menyebabkan terhambatnya pertumbuhanbakteri pengoksidasi nitrit.

5. KesimpulanHasil simulasi model matematika

menunjukkan bahwa konsentrasi nitrat samadengan nol pada keluaran reaktor SHARONdengan umpan urea-amonia tidak dapat dicapai.Berdasarkan hasil penelitian ini, agar tercapainisbah nitrit terhadap amonium sebesar l: Imaka umpan harus memiliki komposisi urea danbikarbonat yang ekuimolar,

Parameter kinetik yang diperoleh dari

hasil optimasi m -del ini adalah, pK

1,16E-05 t'', pI!^: 3,998E-05 s-r, Kitrfi=

3,34E-02 mol mL-3, Ki![ro, = 1,45E-02 mol

mL-3, Kil'*oz: 6'l4E-03 mol mL-3. optimasiparameter kinetik menunjukkan bahwa padaproses oksidasi amonium dalam reaktorSHARON dengan umpan urea-amoniamengaiami inhibisi. Hasil simulasi jugamenunjukkan adanya hambatan padapertumbuhan bakteri pengoksidasi nitrit.

Tabel 1. Parameter kineticSHAROI\ : 8 t 9

Pararneter DatePustnka

DataPeuelitiao

DatnPenelitian

lDalaPusfaka

/1; 2.43E-0_5 1. I 6E-05 o48ntl

lt,, 1.22E-05 4 E-06 0.33

K# 3.34E-0: 3.348-02 1.00

Ki;i*o' l..r5E-0? I.458-02 1.00

,(]'I t.90E-02 6-l4E-03 0.32

Pada Tabel 1, dapat dilihat bahwa lajupertumbuhan spesifik maksimum pamm bakteripengoksidasi amonia (Nitrosomonas) yangdiperoleh dari pemodelan adalah setengah darip* yang didapatkan dari pustaka (Volcke,

I

o;a";'@';

Daftar NotasiAu = koefisien stoikiometrik komponen i

dalam reakl j, mol

Cc., = konsentrasi fasa gas (bulk) dari

komponen i, moUm3

C[., : konsentrasi masukan komponen i,

moUm3

C[., =' konsentrasi masukan komponen i,

moVm3

Cr., : konsentrasi komponen i di fasa cair

(bulk), moVm3

Ci., : konsentrasi komponen i jenuh pada

interfasa cair I gas, moVm3

kr.ai : koefisien perpindahan massa

volumetrik komponen i, s-r

ri = laju konversi volumetrik dari reaksi i

moVm3sVr, : volume fasa gas m3

V, = volume fasa cair, m3

= laju alir volumetrik gas masukan, m3/s

: laju atir volumetrik gas keluaran, m3/s

: laju alir volumetrik cairan masukan,

m3/s

A":t : laju alir volumetrik cairan keluaran,m'/s

pK = laju pertumbuhan spesifik maksimum

ll,n*

bakteri pengoksidasi amonia, s-': laju pertumbuhan spesifik maksimum

bakteri pengoksidasi nitrit, s-r

= laju pertumbuhan spesifik bakteri

pengoksidasi nitrit, s-'

po^' : Iaju pertumbuhan spesifik bakteri

pengoksidasi amonia, s-

Ki;I: konstanta afinitas ammonia (untuk

bakteri pengoksidasi ammonia), mol/m3

Kt:: : konstanta afinitas oksigen (untuk

bakteri pengoksidasi ammonia), mol/m3

Ki.ii*or: konstanta inhibisi terhadap asam

nitrit (untuk bakteri pengoksidasiammonia), mol/m'

Kijior= konstanta afinitas asam nitrit (untuk

bakteri pengoksidasi nitrit), moVm3

: konstanta afuritas oksigen (untuk

bakteri pengoksidasi nitrit), mol/m3

Daftar Pustakatl] Anthonisen, A.C., Loehr, R.E.,

Prakasam, T.B.S., dan Srinath, E.G.,(1976), "Inhibition of nitrification byammonia and nitrous acid," J. lYaterPollut. Contol Fed.,48(5), 835-852

l2l Hartcno, D., Praptana, R., (2005), "UreaBiodegradation in The Wastewater UsingSHARON Process," Laporan Penelitian,Departemen Teknik Kimia, ITB,Bandung.

t3l Hellinga, C., Schellen, A., Mulder, J.W.,van Loosdrecht, M., Heijnen, J.J., (1998),"The SHARON Process : An InnovativeMethod for Nitrogen Removal FromAmmonium-fuch Wastewatef', WaterScience ond Technologt, Vol.37, No 9,hlm. 135-142

t4] Pasaribu, H.J., (2005), "BiodegradasiUrea Dalam Reaktor SHARON", IesriMagister, Departemen Teknik Kimia,Institut Teknologi Bandung, Bandung.

t5l Setiawan, A.W., Wibisono, I. (2003),"Penelitian Secara LaboratoriumBiodegradasi Urea dan AmmoniakDalam Air Limbah dengan ProsesSHARONAnammox", Laporan Akhir,Lembaga Penelitian dan PemberdayaanMasyarakat, ITB, Bandung.

16l Shuler, M.L., dan Kargi, F., (1992),"Bioprocess Engineering BasicConcept, " Prentice-Hall, New Jersey,USA.Sliekers, A.O., Derwort, N., Campos,J.L., Strous, M., Kuenen, J.G., Jetten,M.S.M., (2002), "ConipletelyAutotrophic Nitrogen Removal OverNitrite In One Single Reactor", WaterRes ear c h, Vol. 36, hal. 241 5 -2482Van Loosdrecht, M.C.M, Volcke, E.L.P,Hellinga, C., van der Broeek, S.,Vanrolleghem, P.A., (2005), "Couplingthe SHARON process with Anammox:Model-based scenario analysis with focuson operating costs", Water Science &Technologt Vol 52 No 4 hlm. 107-l l5Volcke, E.L.P., Hellinga, C., van derBroeek, S., van Loosdrecht, M.C.M.,Vanrolleghem, P.A- (2002), *Modelling

The SHARON Process In Viq,t ofCoupling With Anammox",http ://biomath. usent-be/

f

17l

t8l

tel