PENGANTAR PENGOLAHAN LIMBAH SECARA BIOLOGIS: AEROBIC

“ACTIVATED SLUDGE/LUMPUR AKTIF“

Disampaikan oleh :

Prof.Dr.Ir. Tri Widjaja, M.Eng.JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS

Primer Sekunder Tersier

Screen Grit removal Settling tank Aeration tank Settling tank Khlorinasi

Sludge

Sludge

digester

Sludge drying bed

Aerator

Prinsip pengolahan biologis:

Mengikuti proses di alam (sungai) dimana bahan organik seperti biota air yang mati, daun, dll akan diuraikan oleh mikroorgansime (mo) dalam sungai

Untuk kehidupannya, mikroorganisme pengurai membutuhkan :

- oksigen >> diperoleh dari oksigen terlarut

- karbon sebagai sumber energi >>> diperoleh

dari bahan organik terlarut

- N dan P sebagai nutrient

Dalam pengolahan Limbah tahap sekunder, dilakukan dengan menumbuhkan mikroorganisme dalam bak aerasi yang akan bertugas untuk menguraikan bahan organik

- carboneous organic (C,H,O)- nitrogenous organic (C,H,O dan N)

Dibutuhkan :

jumlah oksigen, Nutrient N dan P serta unsur karbon C yang sesuai dengan yang

“diinginkan”oleh mikroorganisme tersebut

Untuk mendapatkan pertumbuhan mikroorganisme sesuai dengan konsentrasi bahan organik yang akan diuraikan, harus diketahui :

- laju pertumbuhan mikroorganisme

- laju peruraian substrat (bahan organik)

•Reaksi pada proses :

cellOrganik + O2 +N +P cell baru + CO2 + H2O + SMP

Cell + O2 CO2+ H2O +P + N +sisa cell +SMP

ORGANIKC, H, O DAN N

BIOLOGIS(AEROBIK)

OKSIGEN(UDARA)

N DAN P(NUTRIENT)

CELL + 1 O2 + 1 C CELL BARU + CO2 + H2O

Dengan “diambilnya” unsur C dari bahan organik, menyebabkan bahan organik tersebut akan terurai &

tingkat polutan tereduksi

Untuk “mengambil” 1 mole C , biologis membutuhkan 1 mole O2

Atau : untuk 12 mg C dari bahan organik dibutuhkan 32 mg O2

Banyaknya oksigen (O2) yang dihabiskan oleh mikroorganisme merupakan gambaran tingginya

kandungan bahan organik

Dianalisa sebagai BOD5

Biological Oxygen Demand

CO2

H2O

Cell baru

Absorbsi

Adsorpsi

Organik terlarutO2

NutrientN, P

Koloid dan Suspended Solid

CELL

CatatanPada proses anaerobik yang keluar dari cellberupa CH4 , CO2

(untuk bakteri2 methan)

berupa CO2, H2, asam2 organik (untuk bakteri2 acetogenik)

Mekanisme Biodegradasi

Merupakan kolam ber-aerasi dan berpengaduk, yang memungkinkan dekomposisi material organik oleh mikroorganisme yang diinokulasikan sehingga dapat mengendap. Bakteri dalam “activated sludge” diresirkulasi secara kontinu ke kolam aerasi utk meningkatkan rate dekomposisi organik.

Pada Tahap ini mikroorganisme memproses dg merubah bahan organik dari non-settleable solids menjadi settleable solids.

Activated Sludge

DASAR-DASAR PENGENDALIAN LUMPUR AKTIF

Beberapa parameter penting dalam pengontrolan plant lumpur aktif a.l.:

1. Food:mass ratio (F/M ratio)2. Sludge age3. Dissolved oxygen

Food:Mass Ratio

Salah satu dari parameter kontrol utama pada lumpur aktif adalah Food:Mass Ratio atau Sludge loading Rate. Dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Besar F:M ratio yang optimum berkisar antara 0,2-0,6 kg BOD/kg MLSS (sludge yang terbentuk mudah mengendap/good settling)

F/M Ratio

Pada grafik tersebut jika F/M ratio antara 0.2-0.6 maka zone settling velocity (ZSV) akan mudah mengendap, dengan sludge age sekitar 3-14 hari. Efisiensi dari penurunan BOD removal sangat kecil pada range tersebut, biasanya diatas 95% dalam sistem yang konvensional

F/M RatioApabila F:M ratio terlalu rendah maka

dapat menimbulkan tumbuhnya filamen bakteri atau kondisi bulking. Pengendapan di tangki sedimentasi terganggu/sulit.

Jika F:M Ratio terlalu tinggi maka dapat menyebabkan kenaikan kebutuhan oksigen dan menaikan clarifier loading.

Sludge Age

Sludge age atau solids retention time (θc) adalah waktu tinggal rata-rata solid di dalam sistem reaktor. Dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Sludge age biasanya antara 3-14 hari untuk menghasilkan biological floc. Jika θc<3 hari maka biomassnya kurang cukup tebal, sehingga terbentuk “bulking sludge”. Jika θc>14 hari maka flok partikel yang terbentuk akan terlalu kecil.

Hubungan antara sludge age dan efisiensi BOD removal ditunjukan oleh

gambar di bawah ini :

• Dibawah sludge age minimum, biomass dipindahkan lebih cepat di tangki aerasi daripada digantikan oleh pertumbuhan sel baru. Proses ini dimaksudkan sebagai Washout

• Ada juga sludge age maximum atau critical. Diatas age ini, semua peningkatan performa diabaikan

• Ada periode antara washout dan critical sludge age dimana aktivitas biomass mungkin naik atau turun secara teratur

Sludge Volume Index

Dimana : V = Volume dari settled solids setelah 30 menit V0 = Initial volume dari sludged tested (liters)

X = Konsentrasi MLSS dari lumpur sebelum tes (gm/liter)

XVVSVI0

Merupakan ukuran yang menyatakan berat endapan per satuan volume (mg/l) larutan setelah 30 menit proses pengendapan. SVI biasanya digunakan untuk mengetahui karakteristik pengendapan sludge dan sangat berguna dalam proses kontrol pengendapan.

Sludge Volume Index (SVI)

SVI = Sludge Volume Index.SV = Sludge Volume.SS = Suspended Solid

Sludge Volume Index (SVI)Settleable solid merupakan partikel padat yang yang akan mengendap setelah satu jam karena pengaruh gaya gravitasi bumi. Biasanya pengukuran dilakukan menggunakan “Imholf Cone” dan data yang dihasilkan berupa volume padatan (ml) per liter larutan limbah.Untuk mengetahui total solid yang mengendap, salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan penyaringan menggunakan membran yang memiliki ukuran lubang sampai 0.45 micron. Untuk kemudian diperoleh data berat kering endapan limbah (mg/l).

Sludge Volume Index (SVI)

Dalam treatment kedua, Sludge yang dihasilkan biasa disebut Biological Sludge atau MLSS (Mixed Liquor Suspended Solid), MLSS ini terdiri dari inert material dan biological material. MLVSS setara 0,8 MLSS atau dikatakan sebagai bahwa komposisi terbesar pada sludge sebagai biological material sebesar 80%.

Kisaran ukuran bacteria bervariasi antara 0.5 – 3 m, untuk mikroba dengan bentuk spiral biasamya berukuran 15 m. Oleh sebab itu dalam dalam analisa MLSS dilakukan penyaringan dg membran yang memiliki ukuran lubang lebih kecil, digunakan kertas saring GF/C (GF/B) dengan ukuran lubang 0.45 m.

Hubungan antara solids concentration dengan SVI

• Sebagai contoh: Untuk menjaga konsentrasi solid pada 3.000 mg/L & ketika SVI 75 ml/gm, maka laju recycle solid diperoleh 29%.

))((1))((

SVIXSVIXR

Dari gambar di atas untuk typical sludge. Di bawah poin (a) SVI relatif tidak tergantung pada konsentrasi solid

Di atas poin (a) dan di bawah poin (b) SVI sangat tergantung pada konsentrasi solid karena kegagalan sludge untuk menggumpal menjadi coarse open lattice

Di atas poin (b) SVI turun ke parallel kurva maximum attainable

SVI bisa digunakan sebagai alat operasional untuk in-plant control dari laju recycle solid. Jika konsentrasi solid meninggalkan settler diasumsikan 1/SVI, maka solids balance disekitar reaktor (mengabaikan sintesa solid di dalam reaktor) bisa dipetakan

• Organisme multiseluler aerobic.• Memakan Protozoa, bakteri terdispersi dan

terflokulasi, dan partikel organik yang lebih kecil • Mempunyai dua set cilia untuk bergerak dan

menangkap mangsa.• Membutuhkan kandungan oksigen terlarut yang

relatif tinggi sekitar >2 mg/liter.• Relatif lambat untuk menggandakan diri

Indikator lingkungan air: 1. Rotifera

Rotifer adalah metazoa (organisme multicellular) dengan ukuran bervariasi antara 100 m – 500 m. Tubuhnya merupakan “jangkar” pada partikel flok, dan kadangkala memotong keluar permukaan flok. Keberadaannya mengindikasikan air limbah yang diolah secara biologis berlangsung baik. Rotifer ditemukan dalam air limbah meliputi dua golongan, yaitu :

1. Monogononta (seperti Lecane spp, Notommata sp)

2. Bdelloidea (seperti Philodina spp, Habrotrocha spp)

Sama halnya dengan protozoa, mikroorganisme ini juga sangat aerob dan lebih sensitip terhadap kondisi toksik dibanding bakteria.

Lecane spp dijumpai hanya pada lingkungan activated sludge yang sangat stabil. ( Water Environment Society,1987) .

Lecane spp juga mampu mengkonsumsi (predator) mikroba serta partikulat.

LECANE SP.

2. Fungi Activated sludge tidak selalu bagus untuk pertumbuhan fungi, walaupun beberapa fungal filament dijumpai pada flok activated sludge.

Fungi dapat tumbuh pada pH yang rendah , toksik, limbah dengan kandungan nitrogen sangat rendah. Spesies yang umum dijumpai dalam activated sludge, antara lain : Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium, Cladosporium, dan Alternaria.

Terjadinya bulking dari sludge pada bak sedimentasi skunder dapat disebabkan karena pertumbuhan Geotrichum candidum, yang terjadi pada pH rendah dari limbah asam.

Fungi

Problem pada Activated Sludge

Dispersed Growth• Mikroorganisme tidak dapat membentuk

flok dan tetap terurai (hanya membentuk rumpun kecil atau sel tunggal.)

• Bakteri yang tidak membentuk flok umumnya dikonsumsi oleh protozoa. akibatnya antara lain effluent tetap keruh, tidak terbentuk daerah pengendapan sludge.

Non-filamentous bulking• Disebut juga “zoogleal bulking” dan

disebabkan oleh pembentukan exopolysaccharida yang berlebihan oleh Zooglea dalam activated sludge.

• Akibat yang terjadi antara lain menurunkan kemampuan pengendapan dan flok kurang padat. Bulking tipe ini agak jarang ditemui dan dikoreksi oleh khlorinasi. (Chudoba, 1989)

Rising Sludge• Sludge naik ke permukaan sebagai akibat dari

denitrifikasi berlebihan, sebagai hasil dari kondisi anoxic dalam tangki sedimentasi.

• Partikel sludge mengikat gelembung nitrogen dan membentuk sludge blanket di permukaan clarifier.

• Sludge lolos ke effluent sehingga menjadi keruh dan meningkatkan kembali kadar BOD5.

• Salah satu solusi problem ini adalah mengurangi waktu tinggal sludge seperti dengan menaikkan kapasitas sirkulasi sludge.

Terbentuknya foam dan scumProblem ini disebabkan oleh tidak terurainya surfactan serta adanya mikroorganisme Nocardia sp dan kadang-kadang juga disebabkan oleh adanya Microthhrix parvicella. Solusi :1. Menggunakan antifoam2. Menghilangkan busa secara mekanis sebelum masuk Clarifier

Filamentous bulking• Bulking merupakan problem

berupa lambatnya pengendapan dan tidak kompaknya padatan di clarifier.

• Filamentous bulking umumnya disebabkan oleh pertumbuhan yang berlebihan dari mikroorganisme filamentous seperti Thiothrix sp

Thiothrix sp.

Pinpoint-floc• Adalah suatu keadaan dimana flok yang

dihasilkan sangat tipis• Hal ini disebabkan karena kurangnya

bakteri filamentous yang berfungsi ibaratnya sebagai “tulang belakang” dalam proses pembentukan flok sehingga flok kehilangan strukturnya, serta mempunyai kemampuan pengendapan yang rendah, akibatnya effluent tetap keruh.

Efek Pertumbuhan Filamentous Bakteri

Ideal, non bulking floc

Pinpoint Floc

Filament Floc

a) Pinpoint- flocb) small, weak flocsc) flocs contining filamentous organisms d) flocs containing filamentous organism “network" or “backbone."

Parameter panjang filamen dengan SVI

Group I - Zona Aerobik dengan Konsentrasi DO rendah

• Terjadi pada substrat yang mudah termetabolasi• Terjadi pada substrat dengan konsentrasi DO yang

rendah• Terjadi pada rentang waktu tinggal sludge yang lebar

Organisme yang berpengaruh :

Pengendalian Filamentous Bakteri

Sphaerotilus natans Type 1701 H.hydrossis

Pengendalian :• Menggunakan aerobik, anoxic, atau

anaerobik selektor• Meningkatkan waktu tinggal sludge• Meningkatkan konsentrasi DO pada

tangki aerasi

Group II - Zona Mixotropic dan AerobicTerjadi pada substrat yang mudah termetabolasi,

terutama pada substrat dengan asam-asam organik dengan berat molekul yang rendah

Sulfida teroksidasi menjadi butiran-butiran sulfurTerjadi pada waktu tinggal sludge dari sedang hingga

tinggiTingkat penyerapan nutrisi yang yang cepat

Organisme yang berpengaruh :

Type 021 N Thiotrix Sp.

Pengendalian :• Menggunakan aerobik, anoxic, atau

anaerobik selektor• Menambahkan jumlah nutrien• Menghilangkan sulfida dengan

menggunkan asam organik konsentrasi tinggi

Group III - Zona Aerobik lainnyaTerjadi pada substrat yang mudah termetabolasiTerjadi pada waktu tinggal sludge dari sedang hingga

tinggiOrganisme yang berpengaruh :

Type 1851 N.Limicola Sp.

Pengendalian :• Menggunakan aerobik, anoxic, atau

anaerobik selektor• Mengurangi waktu tinggal sludge

Group IV - Zona Aerobik, Anoxic, dan Anaerobik

Terjadi pada sistem yang aerobik, anoxic, atau anaerobik

Terjadi pada waktu tinggal sludge yang lamaMemungkinkan terjadinya pertumbuhan pada

partikulat produk hidrolisisOrganisme yang berpengaruh :

Type 0041 Type 0092 M.Parvicella

Pengendalian :• Menjaga keseragaman konsentrasi

DO yang cukup pada zona aerobik

Kelebihan dan kekurangan• Kelebihan Oksidasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi dapat tercapai. Nitrifikasi biologis tanpa penambahan bahan kimia. Dapat menghilangkan senyawa fosfor secara biologis Stabilisasi dari sludge. Penghilangan SS dari air limbah dapat mencapai 97%.

• Kekurangan Tidak dapat menghilangkan pewarna dalam air limbah. Untuk mendapatkan sludge yang terendapkan secara baik,

diperlukan kontrol kondisi yang akurat dan baik Tidak dapat menghilangkan nutrien (membutuhkan

pengolahan tersier)