unit proses biologi koagulasi

Pengolahan Kimia

• Penyisihan unsur pencemar dengan cara menambahkan chemicalagent/bahan kimia sehingga terjadi rekasi kimia, contoh: koagulasi danpresipitasi

• Prinsip dasar: perubahan bentuk terlarut/tersuspensi menjadi bentukyang terendapkan (kecuali Desinfensi), sehingga lumpur yangterendapkan termasuk kategori B3 (perlu treatment khusus)

• Kelebihan pengolahan secara kimia:– Efisiensi tinggi (dapat mencapai angka yang diinginkan)– Waktu detensi relatif singkat sehingga volume reaktor/unit pengolahan

relatif lebih kecil• Kekurangan:

– Ada penambahan zat additif sehingga meningkatkan konsentrasi TotalDissolved Solid (TDS). Penyisihan TDS relatif sulit dan mahal : membranatau distilasi

– Meningkatkna beban pengolahan– Biaya bahan kimia cukup mahal ≈ biaya untuk energi

Koagulasi

• Tujuan utama menyisihkan partikel tersuspensi

• Lihat kembali pembagian jenis padatan: TDS, TSS (VSS + FSS)

• Koagulasi: suatu proses dimana terjadi penambahan zat kimia(koagulan) ke dalam suatu larutan dimana terdapat agregat/padatanyang sangat lambat atau bahkan hampir tidak memliki kecepatanmengendap sehingga penyisihan secara gravitasi tidak mungkindilakukan:– Partikel diameter 10-3 mm, v = 1 mm/jam– Partikel diameter 10-5 mm, v = 1 mm/tahun

• Umumnya ukuran partikel di badan air adalah: 10-7 mm sampai dengan 10-1mm

Koagulasi(Rapid Mixing)

Flokulasi (Slow Mixing)

Flokulasi Partikel Koloid

sedimentasi

Sedimentasi

time

Koloid• Koloid: apabila dalam suatu sistem terdapat partikel yang ukurannya

kecil (dalam fase dispersi) yang terdispersi dalam suatu media.

• Koloid: partikel dengan ukuran kecil dan terdispersi secara homogendi dalam badan air sehingga cukup kecil untuk lolos saringan pasir:berukuran antara 10-6 mm – 10-3 mm (lebih besar dari atom). Namunpartikel yang berukran lebih besar juga benyak yang berperilakuseperti koloid

• Koloid terbagi 2 berdasarkan afinitasnya terhadap air:– Hydrophylic: koloid organik akibat adanya gugus polar (OH, COOH,

NH2) di permukaan koloid. Karakteristik: water soluble dan memilikibound-water (water envelope).

– Hydrophobic: koloid anorganik. Tidak memliki afinitas terhadap airsehingga tidak memiliki bound-water

Jenis Koloid

Medium Materi Nama Contoh

Liquid Solid Sol Clay turbidity

Liquid Liquid Emulsi Minyak

Liquid Gas Foam Foam/Cream

Gas Solid Aerosol Dust, smoke

Gas Liquid Aerosol Mist, fog

Solid Liquid Gel Jelly

Zeta Potensial

• Stabilitas suatu koloid sangat dipengaruhi oleh “ionic charge” yangbekerja di permukaan koloid

• Koloid hydrophylic: electric charge disebabkan oleh disosiasi polargroup. Contoh:

R

• Koloid hydrophobic: adsorpsi ion dari larutan. Muatan hydrophobicsama halnya dgn hydrophylic dapat dirubah oleh perubahan pH,sehingga diduga ion yang diadsorpsi berasal dari ion hydrogen atauhydroxyl yang ada dalam larutan pendispersi

COOH

NH3+

OH-

H+R

COO-

NH3+

OH-

H+R

COO-

NH3OH

pH

Isoelectric point

Zeta Potensial• Koloid dalam medium akan menarik ion-ion yang memiliki muatan

berlawanan, sehingga akan membentuk double layer:– Fixed atau Stern layer– Diffuse atau Gouy layer

• Shear of plane: batas antara pelarut/solution yang terbawa sebagaibagian dari partikel dan yang bergerak bebas

• Shear of plane pada koloid hydrophobic hampir berimpit dengan fixedlayer

• Shear of plane pada koloid hydrophylic hampir berimpit dengan boundwater

• Zeta potensial: gaya elektrostatik yang bekerja pada permukaan “shearof plane” (lihat gambar)

• Zeta potensial: besaran yang menunjukkan antara gaya tarik(attraction, van der Waals) dan gaya tolak (repulsion)

Stabilitas Koloid• Stabilitas koloid ditunjukkan oleh besarnya zeta potensial. Semakin

besar zeta potensial, maka semakin stabil koloid tersebut. Sehinggapada dasarnya zeta potensial menunjukkan besarnya mutan dari koloidtersebut.

• Alat ukur: zeta meter• Perhitungan matematis:

ζ = 4πqd/DDimana:

q = charge per unit aread = ketebalan lapisan yang mengelilingi “shear surface”D = konstanta dielektrik

• Stabilitas dari koloid hydrophobic hanya dipengaruhi oleh zetapotensial, sedangkan hydrophylic juga dipengaruhi oleh bound wateryang berperilaku sebagai elastic barrier

Destabilisasi Koloid

• Penurunan nilai Zeta Potensial:– Pengaturan pH hingga kondisi isoelektrik, sehingga tidak ada

double layer dan zeta potensial– Penambahan ion dengan muatan berlawanan, sehingga besarnya

zeta potensial akan berkurang krn diffuse layer akan mendekatifixed layer

• Bivalen ion: 50x lebih kuat daripada monovalen• Trivalen ion: 1000x lebih kuat daripada monovalen

• Destabilisasi koloid hydrophylic: tidak hanya reduksi zeta potensial,tetapi juga menghilangkan bound-water: proses “saltingout”/penambahan garam dengan konsentrasi tinggi: SO4, Cl-, NO3

-, I-

krn bound water diikat oleh garam tersebut

Koagulasi• Koagulasi : destabilisasi partikel koloid• Terjadi 3 mekanisme dasar:

– Reduksi nilai zeta potensial (elektrokinetik)– Ikatan antar partikel (orthokinetik)– Pembentukan flok

• Tahapan (elektrokinetik):Penambahan koagulan

Muatan larutan akan sangat positif atau negatif

Reduksi zeta potensial

Destabilisasi parftikel koloid

Koagulasi

• Untuk menambah gaya tarik antar partikel (gaya van der Waals)dilakukan pengadukan:– Koagulasi : rapid mixing (pengadukan cepat, 100 – 150 rpm, lihat UO)– Flokulasi : slow mixing (pengadukan lambat, 25 – 75 rpm)

• Pengadukan merupakan mekanisme orthokinetik

• Cara-cara pengadukan:– Hidrolis : hydraulic jump– Mekanis : blade– Pneumatis: aliran udara

Reaksi Koagulasi

• Koagulan Alum (Al2(SO4)3xH2O):– Terdapat alkalinitas secara alamiah: Al2(SO4)3xH2O + 6HCO3

- 2Al(OH)3 + 3SO4- + 6CO2 + xH2O

sebagai akibat berkurangnya bicarbonat dan terbentuknya CO2, pH akanturun

– Apabila tdk terdapat bicarbonat di dalam larutan, maka harus ditambahkanalkalinitas:

Al2(SO4)3xH2O + 6OH- 2Al(OH)3 + 3SO4- + xH2O

– Al(OH)3 bersifat amphoter dan insoluble pada pH antara 5 – 7. Pada pHkurang dari 5 akan mengalami disosiasi membentuk ion aluminium danpada pH di atas 7 akan mengalami disosiasi membentuk ion AlO2

Mekanisme Reaksi Koagulan

• Koagulan akan mengalami disosiasi• Metallic ion: hidrolisis membentuk senyawa hidroxo-metallic ion

complexes yang memiliki kecenderungan untuk mengalamipolimerisasi Meq(OH)p

+z:– Al6(OH)15

+3

– Al7(OH)17+4

– Al13(OH)34+5

– Fe2(OH)2+4

– Fe2(OH)4+5

• Ion polyvalent ini berinteraksi dan agregasi dengan koloid sebagaiakibat menurunnya zeta potensial cara agitasi sehingga gaya van derWaals meningkat

• Kelebihan dosis koagulan akan terus mengalami polimerisasi hinggamembentuk insoluble metallic hydroxide (Fe(OH)3 atau Al(OH)3):sweep coagulation (terjadi proses enmeshment)

Reaksi Koagulasi• Koagulan Ferro Sulfat (FeSO47H2O) :

– FeSO47H2O + 2OH- Fe(OH)2 + SO4-2 + 7H2O

Pembentukan ferro hidroksida akan terjadi pada pH tinggi (diatas 9,5),sehingga untuk meningkatkan pH biasanya ditambahkan Ca(OH)2

– Jika tersedia O2, maka ferro hidroksida akan mengalami oksidasi menjadiferri hidroksida:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O Fe(OH)3

Pada pH normal, ferri hidroksida lebih insoluble daripada ferrohidroksida, sehingga koagulan ini umumnya digunakan ketika oksigentersedia dalam larutan. Jenis oksidator lain yg biasanya digunakan untukoksidasi ferro menjadi ferri adalah gas Chlor

– Ferri hidroksida tidak bersifat amphoter

Koagulasi

• Jenis koagulan lain yang populer digunakan adalah polimer yangberfungsi sebagai koagulan aid:– Cationic : umumnya digunakan sebagai koagulan– Anionic : umumnya digunakan sebagai flokulan– Bukan koagulan utama umumnya dengan dosis 1/100 dari dosis alum atau

ferro sulfat

• Untuk menentukan tipe dan dosis koagulan yang dibutuhkan sangattergantung dari karakteristik air yang akan diolah

• Penentuan tipe dan dosis koagulkan harus dilakukan di laboratorium:– metode jar-test– pengukuran zeta potensial

Prinsip Koagulasi

Jenis Dosis mg/L

pH Catatan

Kapur 150 - 500

9 - 11 untuk proses koagulasi partikel koloid Reaksi yang terjadi : Ca(OH)3 + Ca(HCO)3 ! 2CaCO3 + 2H2O

MgCO3 + Ca(OH)2 ! Mg(OH)2 + CaCO3

Alum 75 – 250 4 – 7 untuk proses koagulasi partikel koloid

FeCl3 35 – 150 4 – 7 untuk proses koagulasi partikel koloid

FeSO4.7H2O 70 – 200 4 – 7 Air Buangan dengan alkalinitas tinggi dibolehkannya terjadi leaching besi mempunyai nilai ekonomis (3R)

Polymer cation 2 – 5 - untuk proses koagulasi partikel koloid dan membantu proses koagulasi

Polimer anion 0,25 – 1 - untuk mempercepat proses flokulasi dan memperkeras flok

Penambah kekeruhan (clay)

3 – 20 - digunakan untuk penyisihan kekeruhan sangat rendah

Limbah Mengandung Minyak• Minyak:

– Non emulsi– Emulsi

• Limbah minyak non emulsi: disisishkan secara fisik melaluimekanisme pengapungan (flotasi): DAF

• Limbah Minyak Emulsi (umumnya diameter 10-4 mm) :

Droplet minyak

Salting out penurunan pH

Free Oil

Proses Biologi

• Proses biologi umumnya digunakan pada pengolahan air buangan krnair buangan biasanya kaya akan zat organik yg biodegradable

• Dalam konfigurasi pengolahan air: proses biologi ditempatkan disecondary atau tertiary treatment

• Tujuan proses biologi: optimasi kontak antara m.o dan substrat (materiorganik and anorganik) pada kondisi lingkungan yang optimum

• Proses biologi menghasilkan end-product yang manageable formdalam bentuk biomassa, sehingga diperlukan “Sludge treatment”

• Beberapa jenis pengolahan biologi:– Lumpur aktif (activated sludge)– Oxydation ditch– Contact Stabilisation– Trickling Filter– Rotating Biological Contactor (RBC)– Oxydation pond/lagoon, dll

Proses Biologi

• Proses pengolahan yang melibatkan reaksi biokimia di dalam selmikroorganisme: complicated dan belum sepenuhnya dipahami

• Terdapat 2 mekanisme dasar proses biokimia:– Katabolisme: pembentukan energi untuk pertumbuhan– Anabolisme : pembentukan sel mikroorganisme

• Metabolisme Sel: Hasil/Produk(CO2 + H2O + sel)

makanan + m.o Endogenous(organik + anorganik) Catabolism

Sel baru

Catabolism

Anabolism

Proses Biologi

S

SS

S

SSSS

SBC

O2

CO2

H2O

Proses Biologi

• Yang paling berperan dalam proses biologi : ensim• Ensim: katalis organik (protein) yang mempengaruhi reaksi tanpa

menjadi reaktan (bentuknya tetap) dan bersifat sangat spesifik

Ensim + Substrat

Ensim-Substrat

Ensim + Produk• Penguraian makanan/substrat:

– Biotransformasi– Mineralisasi

Proses Biologi

• Dalam Purifikasi mikroorganisme (m.o) yang terlibat:– Bakteri– Jamur/Fungi– Algae– Protozoa

• Bakteri berdasarkan sumber C nya (Respirasi):– Autotroph– Heterotroph

Autotroph Heterotroph

Organik CO2 Organik COD, BOD, dllCarbon flow

O2NO3, SO4

Elektron flow

Carbon flow

Aerobik Anerobik Fakultatif

Elektron flow

Proses Biologi

• Algae: suply oksigen dalam sistem (merubah CO2 menghasilkan O2)• Jamur/fungi: relatif lambat pertumbuhannya dan umumnya bekerja

pada pH rendah• Protozoa: predator dalam sistem

• Fermentasi: penguraian senyawa organik dimana elektron donor =elektron akseptor yang berasal dari organiknya sendiri (internalelektron akseptor):

Organik Oksidasi organik Reduced Organik

Elektron flow

Contoh: C6H12O6 2C2H6O + 2CO2

Proses Biologi

• Jenis reaktor pertumbuhan m.o:– Tersuspensi: Lumpur aktif, kontak stabilisasi, oxydation ditch, dll– Terlekat: Trickling filter, RBC, dll

• Reaktor proses biologi berdasarkan ketersediaan oksigen bebas:– Aeobik (m.o yg terlibat adalah m.o aerobik):

Reaksi:CHONSP + O2 + nutrient CO2 + NH3 + Sel (C5H7NO2) + produk

lainEndogenous phase:C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + energi

Pertumbuhan terlekat:

m.o

m.o

media

Biologimass

Air buangan

Udara

O2

CO2

end produk

organik

Proses Biologi– Anaerobik: (biasanya digunakan pada konsentrasi COD > 10000 mg/L)

Lemak Polysaccarida Protein

fatty acid mono Asam Amino

Fermentation Product(propionat, butirat)

Methanogenik substrat(H2, methanol, acetate, dll)

CH4 + CO2

Hydrolisis

Acidogenesis

Methanogenesis

Pertumbuhan Bakteri

lag log stasioner Endogenous

Concentration

Waktu

bakteri

Makanan/substrat

Pertumbuhan Bakteri

• Lag phase adalah:– Fase aklimatisasi– Orde waktu dari jam hingga hari– Tergantung dari “terbiasanya” dgn makanan yang tersedia, sehingga

inokulum biasanya diambil dari air/tanah yg tercemar untukmempersingkat tahap ini

• Log Phase:– fase pertumbuhan eksponensial– Terbatas krn makanan, kompetisi dan Over-crowding, dll):

dN/dt = kN, sehingga N = N0ekt, dimana N = jumlah m.o diproduksi

• Stasionery phase: laju pembentukan sel = laju kematian sel

• Endogenous phase: makanan habis shg jumlah sel mati >>>

Pertumbuhan bakteri

• Faktor lingkungan yg mempengaruhi pertumbuhan bakteri:– pH– Temperatur– Makro dan mikro nutrien– Jenis bakterinya

• Kuantifikasi Biomassa:– Berdasarkan kekeruhan/turbidity (umumnya pada A600): total bakteri– Total Plate Count (TPC): sel hidup– Suspended Solid test (VSS): total bakteri

• Pers matematis pertumbuhan bakteri : Persamaan Monod (1920)µ = µmaksS/(Ks + S), dimana:

µ = laju pertumbuhan spesifik, 1/waktuS = konsentrasi substrat, mg/LKs = half saturation konstant

Pertumbuhan Bakteri

µmaks

µmaks/2

S, mg/LKs

Pertumbuhan Bakteri

• Rumus umum (heterotroph bacteria):– µmaks <, Ks > : less biodegradable– µmaks >, Ks < : biodegradable– Contoh:

• Glukosa: µmaks = 0,37 – 0,77 dan Ks = 11 – 108 mg/L• Skim milk: µmaks = 0,10 – 0,12 dan Ks = 100 – 110 mg/L

• Autotroph bacteria dalam nitrifikasi:– µmaks << : lambat– Ks <<: independent

• Penentuan laju pertumbuhan dilakukan pada fase log:dX/dt = kX, Xt = X0ekt sehingga k = ln Xt – ln X0/(t – t0)Dimana:

X = biomassat = waktuk = laju pertumbuhan

Persamaan Monod

• Mencari harga k:y = a + bx, dimana:

y = ln (A600)x = waktua = intial ln (A600) pd t = 0b = gradien, k

• Mencari harga Ks dan µmaks: persamaan Monod diubah menjadipersamaan double reciprocal:

1/µ = (Ks/µmaks) (1/S) + 1/µmaks, sehingga:– Pada saat 1/S = 0, maka 1/µ = 1/µmaks

– Pada saat 1/µ = 0, maka (Ks/ µmaksS) = - 1/µ-1/S = 1/Ks

Persamaan Monod1/µ

1/S

1/µmaks

1/Ks

Persamaan Monod

• Jumlah biomass dalam reaktor menerus:dX/dt = kX – kdX, kd = koefisien decaydX/dt = ((µmaksSX)/(Ks + S)) – kdX

• Makanan:Food consumption ≅ biomass productiondX/dt = rx = - y dS/dt,

dimana y = decimal fraction yg menunjukkan perbandingan berat biomass per kg substrate:

- Aerobik: 0,4 – 0,8- Anerobik: 0,08 – 0,2

dS/dt = -rx/y = (µmaksSX)/y(Ks + S)

Activated Sludge

• Kondisi steady-state, neraca massa:– Biomassa: biomass in + biomass growth = biomass out– Food: food in – food consumed = food out

• Biomassa: Q0X0 + (((µmaksSX)/(Ks + S)) – kdX) V = (Q0 – Qw)Xe + QwXu

• Food: Q0S0 – ((µmaksSX)/y(Ks + S))V = (Q0 – Qw)S + QwS

Reaktor SecondaryClarifier

EffluentQ0, S0, X0

V, S, X Q0 + Qr

X, S

Qu, XuQr, Xu

Qw, Xu

Sludge treatment

Q0 – Qw,Xe, S

Activated Sludge

• X0 dan Xe sgt kecil dibandingkan di reaktor, X0 dan Xe ≅ 0, sehinggapersamaan neraca massa biomass menjadi:

V (((µmaksSX)/(Ks + S)) – kdX) = QwXu

(µmaksS)/(Ks + S) = ((QwXu)/VX) + kd

• Penyederhanaan neraca massa food: (µmaksS)/(Ks + S) = ((Q0/V)(y/X)(S0 – S)) – kd

note:V/Q0 = hydraulic retention time = θ(VX)/(QwXu) = θc = sludge age (umur lumpur)

• Susbtitusi persamaan neraca massa biomass dan food:1/θc = (y(S0-S)/θX) – kd

X = (θcy(S0-S))/(θ (1+kdθc))θ < X besar: tdk mungkin, sehingga apabila θ terlalu singkat: wash out dantdk ada pertumbuhan (X turun) So mendekati S: tdk ada pengolahan

Activated Sludge

• Operasional Activated Sludge: yg paling mudah diatur adalah sludgeage (θc, perbandingan antara jumlah lumpur yang berada dalam sistem denganjumlah lumpur yang keluar dari sistem) dengan melakukan pembuanganlumpur

• Dalam reaktor Kontak-Stabilisasi:

X0, QVk, Xk

Xe, Q

Vs,Xsqw, Xs

θc = VkXk + VsXs qwXs + XeQ

Ensimologi - 1

• Ensimologi: ilmu yang mempelajari karakteristik dan perilaku ensim• Ensim: katalis organik (biokatalis) yang dibentuk dari protein dan

dihasilkan oleh sel makhluk hidup yang sensitif terhadap perubahantemperatur

• Keberadaannya:– Extra selular: bekerja diluar sel dengan tujuan untuk mereduksi senyawa2

kompleks sehingga mudah di dialisis oleh dinding sel– Intra selular: untuk melangsungkan reaksi biokimia di dalam sel

• Berdasarkan cara diproduksinya:– Konstitutif: diproduksi secara kontinu– Indusif: diproduksi karena respon thd stimulus yang diaplikasikan dari

luar• Nomenclature: diakhiri dengan “ase”, contoh dehalogenase atau

sucrase yang merubah sucrosa menjadi glukosa dan fructosa

Ensimologi - 2

• Aktivitas ensim tgt dari:– Kofaktor: struktur tambahan yang diperlukan oleh ensim

• Logam• Molekul organik

– Temperatur: terlalu rendah inactive, terlalu tinggi denaturasi– pH– Mikro + makro nutrien– Inhibitor dan inducer

• Bidang TL:– Immobilisasi ensim– Reaksi akan jauh lebih cepat– Target: mineralisasi bukan biotransformasi

Ensimologi - 3

• Kinetika ensim: Persamaan Michaelis-Menten

Vx = Vmax Sx/(Sx + Km)Vmax = maksismum specific activityKm = Michaelis-Menten konstanSx = Substrat

• Enzim Specificity: kemampuan ensim untuk mendegradasi senyawayang serupa dengan substrat utamanya

• Enzim purifikasi: Proses pemurnian ensim dalam kaitannya dengankarakterisasi ensim