Dasar-dasar Proses Biologis

MK Pengolahan Air Limbah

Program Studi Teknik Lingkungan - ITS

Pengantar

Hampir semua air limbah

mengandung biodegradable

constituents yang dapat diolah

secara biologis dengan

analisis yang tepat dan

pengendalian lingkungan.

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

anorganik trace

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

− Suspended growth bioreactor vs. Attached growth bioreactor

Jenis proses pengolahan biologis

Activated -sludge

Aerated Lagoon

Trickling filter

Rotating biologis

contactor (RBC)

2. Prinsip Dasar

Katabolisma dan anabolisma (aerobic heterotrophic

microorganisms)

Oxygen-demanding

materials

Prinsip Penyisihan Nitrogen

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.

– Bakteri heterotrofik: C/N = ± 3

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.

Prinsip

Peran Mikroorganisme

Penyisihan atau stabilisasi bahan organik

selama pengolahan biologis dilakukan oleh

bermacam-macam mikroorganisme,

khususnya bakteri.

sumber carbon Heterotrophic: memerlukan satu atau lebih

bahan organik untuk nutrisinnya (BOD);

Autotrophic: dapat menggunakan bahan

anorganik (CO2 dari udara atau air) sebagai

sumber C.

Endogenous respiration

Terjadi ketika beban organik rendah: produksi lumpur minim

Mikroorganisme

Klasifikasi:

Heterotrophic- mendapatkan energi dari oksidasi bahan organik (Carbon organik)

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

Phototrophic- mendapatkan energi dari sinar matahari

pertumbuhan biologis - pertumbuhan exponential

(batch)

- Kinetika Monod

- Kinetika Haldane

pada kondisi toxic

pertumbuhan exponential

Pertumbuhan biologis ...

Lo

g N

o. o

f C

ells

Time L

ag p

has

e

Log per

tum

bu

han

phas

e

Sta

tionar

y p

has

e

Dea

th p

has

e Xdt

dX

gdt

dx menyatakan laju pertumbuhan

biomasa [massa/volume.waktu].

μ= Konstanta laju pertumbuhan

spesifik .

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.

Fase endogeneous : terjadi respirasi dan metabolisme endogeneous, laju

kematian meningkat dan terjadi “cell lysis”.

Kinetika Monod

Substrate Concentration (S)

Sp

ecif

ic p

ertu

mb

uhan

rate

( µ

)

Max. rate µm

µm/2

ks

Pertumbuhan biologis ...

SK

S

s

m

= 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

sama dengan konsentrasi substrat saat

= m/2, [massa/ volume]

Kinetika Haldane (pada kondisi toxic)

Substrate Concentration (S)

Sp

ecif

ic p

ertu

mb

uh

an

rate

( µ

)

i

Pertumbuhan biologis ...

is KiSSK

S

/. = m

Peran

operasi

biokimia

Typical process

diagram for a

wastewater pengolahan

Biochemical Pathways

Glucose

EPM Pathway

Pyruvic Acid

ADP ATP

Energy

Lactic Acid TCA Cycle H+ Respiration H2O

CO2 O2

Oksidasi molekul organik dalam sel dapat terjadi secara aerobik atau anaerobik

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 Pi 6 CO2 +38 ATP + 44 H2O

Biochemical Pathways

3.Applications

1. Penyisihan Carbon - aerobic

- anaerobic

2. Penyisihan Nitrogen - nitrifikasi

- denitrifikasi

3. Penyisihan Sulfide - anaerobic SO4 reduction

- aerobic HS- oxidation

Penyisihan Carbon

aerobik

- oksidasi bakteri

CHONS + O2 + Nutrients CO2 + NH3 + C5H7NO2

(bahan organik) (sel bakteri baru)

+ other end products

- respirasi endogenous bakteri

C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energi

(sel)

Penyisihan Carbon

anaerobik

Skema Proses Anaerobik

Hydrolysis

Acidogenesis

Methenogenesis

Complex Organics

Intermediates Propionate

H2

Acetate

CH4

20% 5%

60% 15%

35% 10% 13%17%

15%

72% 28%

100%

Penyisihan Nitrogen

nitrifikasi -energi

Nitrosomonas

NH4+ + 1.5 O2 NO2

- + H2O + 2 H+ + (240-350 kJ) (1)

Nitrobacter

NO2- + 0.5 O2 NO3

- + (65-90 kJ) (2)

-assimilasi

Nitrosomonas

15 CO2 + 13 NH4+ 10 NO2

- + 3 C5H7NO2 + 23 H+ +4 H2O (3)

Nitrobacter

5 CO2 + NH4+ +10 NO2

- +2 H2O 10 NO3- + C5H7NO2 + H+ (4)

- Rekasi keseluruhan

NH4+ +1.83 O2 + 1.98 H CO3

- 0.021 C5H7NO2 + 0.98 NO3- + 1.04 1H2O

+ 1.88H2CO3

Penyisihan Nitrogen

faktor yang mempengaruhi nitrifikasi

* temperatur

* konsentrasi substrat

* oksigen terlarut (dissolved oxygen)

* pH

* bahan toksik dan inhibitor

)2.7(83.01)15(095.0

4

4 pHeDOK

DO

NNHK

NNH T

ON

m

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

NO NO NO N O N 3

-

2

-

2 2

Penyisihan Nitrogen

denitrifikasi

denitrifikasi heterotrophic

denitrifiers memerlukan sumber karbon untuk energi dan sintesis sel

denitrifiers dapat menggunakan bermacam-macam sumber karbon organik - methanol, ethanol dan asam asetat

NO + 1.08CH OH + H 0.065C H O N 0.47N 0.76CO 2.44H O3

-

3

+

5 7 2 2 2 2

Penyisihan Nitrogen

faktor yang mempengaruhi denitrifikasi temperatur

dissolved oxygen

pH

Penyisihan Sulfat

* Siklus prnyisihan Sulfat

anaerobik

SO4 -- HS - S 0 (kurang O2)

(O2 berlebih)

4. Proses pengolahan

Pond treatment

activated sludge process

biofilm process

- tidak ada sirkulasi biomass - HRT tinggi - luas lahan besar - transfer O2 terbatas - pengadukan tidak cukup - beban berlebih (kondisi anaerobik – menghasilkan H2S)

Pond treatment

Activated Sludge Process

PST AT SST

RAS

SW

SW

F E

Activated Sludge Process...

- aerobik - pertumbuhan-tersuspensi - Persamaan Disain 1

c

d

c

Yk k

c SF

min

min*

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 - drawbacks: kebutuhan O2, konsentrasi inlet.

Biofilm process

Keuntungan biofilm process:

produktivitas proses tinggi (loading rates) biomassa lebih tinggi mean cell residence time lebih tinggi tidak perlu resirkulasi biomassa membentuk lingkungan yang sesuai untuk

setiap jenis bakteri

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

Pembentukan biofilm

Biofilm process...

• operasi biofilm

X

Y

Biofilm Liquid

Film

Bulk

Liquid

Sup

po

rt M

ater

ial

(a) Physical concept

Fully Penetrated

Partially Penetrated

SS

Sb

Sub

stra

te C

once

ntr

atio

n

X

Y

(b) Substrate concentration profile

Biofilm proses...

• biofilm operation average rate of substrate consumption

Effectiveness factor = ----------------------------------------------

substrate consumption at biofilm surface

• as biofilm thickness increases

effectiveness factor () decreases

Conversion of Ethanol to Methane

Conversion Reaction Go’

(kJ)

Ethanol

CH2CH2OH (aq) + H2O (l) = CH3COO- (aq) + H

+ (aq) + 2H2 (g) +09.65

Hydrogen

2H2 (g) + ½ CO2 (g) = ½ CH4 (g) + H2O (l) - 65.37

Acetate

CH3COO- (aq) + H

+ (aq) = CH4 (g) + CO2 (g) - 35.83

Net

CH2CH2OH (aq) = 3/2 CH4 + ½ CO2 (g) - 91.55

Anaerobic biofilm process

Anaerobic biofilm process...

• loading rate: 10-15 kg COD/m3/d

bandingkan: 2-5 kg COD/m3/d pada proses pertumbuhan tersuspensi

THE END