Ho S' l lT 25' l 6 SK'DIRJEN PPG/STT/I998

raI\uv naL N aLur Inbonesi a 7 (1 ) : 9 - 1 4 (2OOa\rssN 1410-9379

US:

aterandifer,iifer.i .e .1 t O

; 20ller

rgenel,areastlowiecrgeast

l =

I t o

tlly

led

P N

,tet

99 .tgna n ,P N

t t oitseryrt is

ton

bal

rapE N

ley

t &

A.

Disain dan Penerapan Bioreaktor Anaerobuntuk Penanganan Limbah cair pabrik Kerapa sawit

Adrianto Ahmadr), Tjandra Setiadi2), l.G. Wenten2)

'tLaboratorium Rekayasa Bioproses, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Riau, 2g2932)Laboratorium Proses Hilir KPP Bioteknologi, ITB

Diterima 13-12-2003 Diserujui 27-10-2004

ABSTRACTIt is very important to do research for treatment of palm oil wastewater in lndonesia, mainly in Riau province sinceestimated production of palm oil and its waste willhave a high increase in 2010. Anaerobic processes can be usedfor this purpose. Anaerobic biomass enhancement can be done by using various anaerobic bioreactors i.e. anaerobicfluidized bed, anaerobic baffled and anaerobic membrane bioieactor. The objective of this paper is to describeperformance of the three types of anaerobic bioreactors in handling palm oil wastewater to prevent and to reduceenvironmental pollution derived from palm oil mill activities. The research shows that each bioreactor has its own

rerobic bioreactor gives a better performance comparedI waste. This was shown by shorter treatment time, highlue and high methane produced. The Result shows, 937on time for two-phase anaerobic fluidized bed, while 90o/oon time for two-phase anaerobic membrane bioreactor.rformance for treatment of palm oil mill wastewater. Two-sign, small area requirement and easy operation which

suggests a big opportunity for industrial scale wastewater treatment. Hopefuliy this finding can givecontribution inengineering knowledge especially environmental biotechnology and is usefulior pollution-prevention in Indonesia.

Keywords: anaerobic, bioreactor, palm oil mill, wastewater.

PENDAHULUANIndonesia dalam menghadapi Tahun 2010 akan

memproyeksikan produksi minyak sawit kasar (crudepalm oil, cpo) sebesar 12,3 jutaton. Setiap ton minyaksawit yang dihasilkan akan mengeluarkan limbah cairsebanyak 2,5 m3 berarti untuk mencapai produksiminyak sawit sebesar 12,3 julaton menghasilkan 30,7juta m3 l imbah cair. Data ini menunjukkan betapaberatnya beban yang ditanggung oleh lingkungan akibatpencemaran oleh limbah cair pabrik kelapa sawit.Pencemaran ini dikategorikan sebagai pencemarlingkungan yang dahsyat karena karakteristik limbahcair tersebut mengandung COD yang sangat tinggiberkisar 47.16549.765 mg/l dan kandungan BOD'yang cukup tinggi berkisar dari 24.893-2V.421 mg/|.Sementara itu baku mutu yang diperbolehkan untukharga COD senilai 350 mg/L dan BOD. sebesar 100nng/|. Oleh karena itu, limbah cair pabrik kelapa sawitor perlu penanganan terlebih dahulu sebelum dibuangte badan air atau perairan (Ahmad 2OOO).

Penanganan l imbah cair pabrik kelapa sawit-:rersebut dilakukan dengan proses anaerob (Ng ef a{'S5). Proses anaerob merupakan proses biodegradasi$€.{:.Jawa organik secara biologi dalam kondisi tanpafierradiran oksigen. Proses anaerob melibatkan

beberapa tahap proses yakni proses hidrolisis, prosesasidogenesis , proses asetogenesis dan prosesmetanogenesis. Secara umum keempat tahap prosesini dapat dilakukan dengan bioreaktor anaerob fasatunggal maupun dua fasa.

Mengingat sangat sensitifnya proses biodegradasianaerob maka upaya yang di lakukan antara lainmenentukan kondisi optimum bioreaktor anaerobsehingga terjadi keseimbangan antara kebutuhansubstrat dengan pemanfaatan substrat di dalam sistim.Kondisi optimum bioreaktor sangat dipengaruhi olehwaktu tinggal biomassa, karena semakin lama waktutinggal biomassa akan semakin lama kontak bakterianaerob dengan substratnya.

Peningkatan waktu t inggal biomassa dapatdilakukan dengan merancang suatu bioreaktor yangmampu menahan biomassa dan dapat mencegahterjadinya kehilangan biomassa (wash-out) akibatterbawa aliran. Disain bioreaktor yang memenuhi adalahbioreaktor unggun f luidisasi anaerob, bioreaktorberpenyekat anaerob dan bioreaktor membran anaerob,karena bioreaktor ini mempunyai rasio waktu tinggalbiomassa dengan waktu tinggal cairan jauh lebih besardibandingkan dengan sist im bioreaktor tercampursempurna (CSTR, continouos stirred tank reaktql

1o Tutna[Natur Tnlonesiazl't1:9-14 (2004)

(Lema et al, 1991). Makalah ini bertujuan untuk

memaparkan kineria ketiga jenis bioreaktor anaerob

tersebut dalam menangani limbah cair pabrik kelapa

sawit agar pencemaran lingkungan yang disebabkan

oleh aktivitas pabrik kelapa sawit dapat dicegah dan

dikurangi.

BAHAN DAN METODA

Rancangin Bloreaktor Unggun Fluidisasi

Anaerob. Rancangan bioreaktor unggun fluidisasi

anaerob yang d igunakan dalam penel i t ian in i

ditampilkan pada Gambar 1. Bioreaktor mempunyai

volume kerja 25 | yang terdiri dari kolom bioreaktor,pemisah gas-cair, pengumpul gas, umpan, pompa

paristaltik, waterbath dan tangki umpan serta tangki

efluen.

Ksterangan:1. Bioroaktor2. Unggun3 Disltibutor4. Watorbalh5. Pompa Rosirkulasi6 Pemisah Gs-Cairan7. Ponampung Ges8. Tangki Umpan9. Pompa Patistaltik10. Efluon'l 1 Distributor Gas Na

Gambar 1. Set-up Bioreaktor unggun tluidisasi Anaerob (BUFAN)

Bioreaktor diisi dengan pasir kuarsa dengan

diameter rata-rata 0,5 mm sebagai partikel pembawa.

Distributor terdiri dari pelor stainless sfee, yang

berukuran bervariasi agar pendistribusian cairan yang

mengarah ke atas seragam. Kolom distributor berbentuk

kerucut agar pola aliran seragam.Rancangan Bioreaktor Berpenyekat Anaerob.

Rancangan bioreaktor berpenyekat anaerob yang

digunakan dalam penelitian ini ditampilkan pada

Gambar 2. Bioreahor mempunyai volume keria 10 |yang terdiri dari empat ruang sekat dengan volum

masing-masing sebesar 2,5 l. Ruang aliran arah ke

bawah dirancang sepertiga dari ruang aliran ke ataspada setiap ruang sekat.

Penyekat-penyekat dipasang secara vertikal

memaksa agar aliran limbah cair yang masuk dari

nfiwad, et a[

Gambar 2. Set-up Biseahor Berpenyekat Anaerob (BIOPAN)

bagian atas mengalir sesuai dengan bentuk pola aliran

didalam ruang berpenyekat. Perjalanan aliran limbah

cair tersebut kembali memaksa melewati bagian atas

penyekat dan begitu seterusnya sehingga mengalir

keluar dari bioreaktor. Bakteri anaerob di dalam

bioreaktor cenderung terangkat dan terendapkan

kembali akibat terbentuk biogas selama proses

biodegradasi secara anaerob. Baheri anaerob tersebut

akan bergerak secara perlahan ke arah horizontal

sehingga terjadi kontak antara biomassa aktif dengan

limbah cair yang masuk dalam jumlah besar dan aliran

keluar relatif bebas dari padatan biomassa.

Rancangan Bioreaktor Membran Anaerob.

Peralatan utama penelitian ini terdiri dari digester

bioreaktor yang n€mpunyai volume 20 | dan membran.

Membran holtow fiber ienis outside-in terbuat dari

polipropilen. Membran polipropilen mempunyai 20 fiber

dengan ukuran: panjang 30 cm dan diameter 1,5 mm.

Ukuran pori0,2 pm. Luas permukaan total membran

0,025 nf.Selain itu digunakan beberapa alat lain diantaranya

pompa peristaltik, pompa sentrifugal, katub tiga arah

(threewayvalve) dan pengaturwaktu (fimef . Rangkaian

alat secara lengkap tersaji pada Gambar 3'

Umpan masuk b io reak to r me la lu i pompa

peristaltik. Untuk mencegah pengendapan umpan,

tangki umpan d i lengkapi pengaduk magnet ik .

Selanjutnya, cairan dari bioreaktor anaerob yang berupa

campuran lumpur biomassa atau limbah cair pabrik

kelapa sawit dialirkan menuju unit pemisah yaitu

membran mikrofiltrasi melalui pompa sentrifugal.

Tekanan di membran terbaca pada alat pengukur

tekanan sebelum dan sesudah membran mikrofiltrasi.

Cairan akan melewati membran dengan pola aliran

cross-flow yaitu cairan merembes melewati pori

membran sedangkan padatan biomassa tertahan

ran

)ah

Ltas

El i ram(an

et aI

iesbutttal

Bnan

)b.term.ariET

m.an

)an ,k .

d[permukaan membran dan akan terbawa aliran kembalike dalam bioreaktor anaerob. Cairan yang menembuspori membran disebut pe rm eat dan padatan biomassayang tertahan dan selanjutnya terbawa aliran kebioreaktor disebut retentat. Untuk mempertahankanfiuks membran digunakan teknik backftushing. Gasnitrogen digunakan untuk backftushing denganmengatur waktu tutup dan buka pada alat three wayvalve. Pada saat katup untuk aliran permeatteftulupmaka aliran gas nitrogen akan mendorong cairanpermeat sisa ke dalam sisi membran, tekananMcUlushingterbaca pada alat pengukur tekanan padatabung.

Disainbarytenerapanbioveafttot anaerob 11

HASIL DAN PEMBAHASANHasil pengamatan kinerja bioreaktor anaerob dalam

manangani limbah cair pabrik kelapa sawit ditampilkandengan mengkaji pembebanan organik, waktu tinggalcairan, efisiensi penyisihan COD dan waktu tinggalbiomassa, yang diuraikan dibawah ini.

Kinerja Bioreaktor Anaerob. Studi komperatifkinerja bioreaktor ditinjau dengan membandingkanberbagai kinerja sistem bioreaktor anaerob dalammengolah limbah cair pabrik kelapa sawit. Pebandingankinerja bioreaktor tersebut ditampilkan pada Tabel 1 .

Kondisi operasi optimum bioreaktor unggunfluidisasi anaerob fasa tunggaldalam mengolah limbah

k a t u or g x E n a n e a m O e l

s o l € n o i d3 a r a h

Yarhm

N O

J[|n;'::,

p g n g u k u rl e k a n a n

pom pa ar r€ lo ktri k

EI

ik

IU

il.

t l

t .

nnn

p9menaSa pompas i r lu laB l

hr 3 Kortrgurasi kombinasi proses bioreaktor membran anaerob

12 lurnalNatur lndonesiaT(1)t9-14 (2004)

cair pabrik kelapa sawit adalah waktu tinggal cairan168 jam dehgan efisiensi penyisihan COD sebesar83%dan nisbah TAV/Alkalinitas 0,3, sedangkan kondisioperasi optimum bioreaktor unggun fluidisasi anaerobdua fasa dalam mengolah limbah cair pabrik kelapasawit adalah waktu tinggalcairan 48 jam pada bioreahorfasa asidogenesis dan72 jam pada bioreaktor fasametanogenesis dengan efisiensi penyisihan CODsebesar 94a/" dan nisbah TAV/Alkalinitas 0,03.Sementara itu, kondisi operasi optimum bioreaktorberpenyekat anaerob fasa tunggal dalam mengolahlimbah cair pabrik kelapa sawit adalah waktu tinggalcairan 40 jam pada waktu tinggal padatan 133 haridengan efisiensi penyisihan COD sebesar 88/".

Di samping itu, kondisi operasi optimum bioreaktormembran anaerob fasa tunggal dalam mengolah limbahcair pabrik kelapa sawit adalah waktu tinggal cairan288 jam pada waktu tinggal padatan 50 hari denganefisiensi penyisihan COD sebesa r 94"/" dan nisbah TAV/Alkalinitas 0,1 9, sedangkan kondisi operasi optimumbioreaktor membran anaerob dua fasa dalam mengolahlimbah cair pabrik kelapa sawit adalah waktu tinggalcai ran 24 jam pada bioreaktor f asa asidogenesis dan48 jam pada bioreaktor fasa metanogenesis denganwaktu tinggal padatan 55 hari. Efisiensipenyisihan CODdiperoleh sebesar 90% dan nisbah TAV/Alkalinitas 0,1 4.

Hasil peneli t ian menunjukkan bahwa sistembioreaktor anaerob dua fasa mempunyai keunggulanuntuk mengolah limbah cair pabrik kelapa sawit karenamampu menyisihkan kandungan COD sebesar 90o/"hingga 94o/o dengan kondisi stabil yang ditunjukkandengan parameter rasio TAV/AIkalinitas sebesar 0,03hingga 0,14 dalam waktu pengolahan yang relati fpendek sehingga pemanfaatan lahan lebih efisien.Menurut Sahm (1984) , s is t im yang mempunyaikestabilan t inggi harus mempunyai nisbah TAV/Alkalinitas kecil dari 0,1.

Tinjauan Perbandingan Kinerja BioreaktorAnaerob. Perbandingan kinerja bioreaktor anaerobdengan bioreaktor lainnya ditampilkan pada Tabel 2.

Dari Tabel 2 terlihat bahwa kinerja bioreaktoranaerob pada penelitian ini memiliki kemampuan yanglebih tinggi dibandingkan dengan sistem anaerobicpond dan h igh -rate anaerobic pond (Thanh 1 980). Padasistem anaerobic pond meskipun penyisihan COD lebihtinggi dari penelitian ini, namun memerlukan waktu

etr1vnad, et aI

Tabel 1. Perlrandingan berbagai kinerja bioreaktor anaerob'dalam menangani limbah cair pabrik kelapa sawit :

JePenyisihan TAV/

organik Akali-

fiam) (Y" ) nitas (hari)

BUFAN 168Fasa TunggalBIOPAN 40Fasa TurggalBMA 288Fasa TunggalBUFAN Dua Fasa- asidogenesis 48- metanogenesis 72BMA Dua Fasa- asidogenesis 24- metanogenesis 48

BUFAN = bitxeaktor unggun fluidisasi anaerob,BMA = bioreaktor membran anaerob,BIOPAN = bioreaktor berpenyekat anaerob,WTC = waktu tirBgal cairan, WTB = waktu tinggal biomassa

pengdahan yang sangat lamayaitu 15-20 hari. Halyangsama juga diperoleh pada high-rate anaerobic pondyai tu penyis ihan sebesar 95% selama waktupengolahan 15 hari, sedangkan bioreaktor berpenyekatanaerob pada penelitian ini mampu menyisihkan CODsebesar 88% selama waktu tinggal cairan 40 jam (1 ,7hari).

Dari Tabel 2 terlihat bahwa kinerja bioreaktorunggun f l u id i sas i anaerob dua fasa memi l i k ikemampuan yang lebih tinggi dibandingkan dengandigester dua fasa (Ng ef a1 1985). Digester dua fasahanya mampu menyisihkan COD sebesar 53% padawaktu tinggalcairan 10 hari padatahap metanogenesis,sedangkan bioreaktor unggun fluidisasi anaerob duafasa mampu menyisihkan COD sebesar 94"/" selamawaktu tinggalcairan 5 hari, dan bioreaktor membrananaerob dua fasa mampu menyisihkan COD sebesar90% selama waktu tinggal3'hari. Waktu pengolahanyang cukup singkat membutuhkan ukuran bioreaktoryang relatif kecil dengan sendirinya penghematansecara ekonomi. Hasil penelitian ini menunjukkanbahwa sistem bioreaktor anaerob dua fasa dalammengolah limbah cair relatif lebih baik dibandingkandengan sistem bioreaktor yang ada di literatur karenamampu mencegah kehilangan biomassa, waktupengolahan lebih singkat, kapasitas pengolahan relatiftinggi, efisiensi penyisihan COD yang cukup tinggi.

_ 133

0,19 50

0,03

0 , 1 4

83

88

94

94

90

AT

b

l

Tabel 2. Perbandingan Kinerja Bioreaktor Anaerob DenganBioreaktor Lain

Di sain b an p ener ap an biov e aktot anaercb 1 3

4. Bioreaktor unggun fluidisasi anaerob dua fasamampu menangani limbah cair pabrik kelapasawit pada waktu tinggal cairan 2 hari pada

bioreaktor asidogenesis dan 3 hari pada

bioreaktor fasa metanogenesis denganefisiensi penyisihan COD sebesar 94T" dannisbah TAV/AIkalinitas 0,03.

5. Bioreaktor membran anaerob dua fasa dalammengolah limbah cair industri minyak sawitadalah waktu tinggal cairan 24 iam pada

bioreaktor asidogenesis dan 48 jam pada

bioreaktor fasa metanogenesis dengan waktut inggal padatan 5 har i dengan ef is iens ipenyisihan COD sebesar 90% dan nisbah TAV/Alkalinitas 0,14.

6. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistembioreaktor anaerob dua fasa mempunyaikeunggulan untuk menagani limbah cair kelapasawit karena mampu menyisihkan kandunganCOD di atas 90% dengan stabilitas tinggiyangditunjukkan oleh rasio TAV/Alkalinitas yang

relatif rendah dalam waktu yang relatif lebihpendek. Dengan demikian sistem bioreaktoranaerob dua fasa mampu menangani limbahcair industri pabrik kelapa sawit dan dapatdiimplementasikan dalam rangka pencegahanpencemaran lingkungan di Indonesia.

UCAPAN TERIMA KASIHPenul is mengucapkan ter ima kas ih kepada

Pemerintah Republik Indonesia yang telah membiayaipenel i t ian in i mela lu i Program Penel i t ian HibahBersaing Perguruan Tinggi lX dengan surat perjanjianpelaksanaan penelitian No. 1 2/P2lPTIDPPM/PHBUUV2003.

DAFTAR PUSTAKAAhmad, A., Setiadl, T,, & Wenten, LG, 2003. Bioreaktor

membran anaerob untuk pengolahan limbah cair industriminyak sawil. Laporan Hibah Bersaing /X. Bandung:Lembaga Penelitian dan Pemberdayaan Masyarakat lTB.

Chln, K.K. 1981 . Anaerobic treatment kinetics of palm oil sludge.Water Res. 15: 1 99 - 202

Lema, J .M, et a l . 1991. Chemical engineer ing concept inoperat ion and design process anaerobic wastewatertreatment. Water Sci. Tech.24(8) : 79 - 86.

Ng, W.J., Wong, K,K., & Chin, K.K. 1985. Two-phase anaerobictreatment kinetics of palm oil wastewaters. Water Res.19(5): 667-669

Sahm, H. 1984. Anaerobic wastewater treatment. Advanc.Biochem. Engng.Biotechnol. 29: 83-11 5

Thanh, N.C. 1980. High organic wastewater contro l andmanagement in the tropics. Water Pollution Control Conf.Bangkok: CDG, AIT-ERL

JenisBio-

reaktor

Lim-bah Beban EfisiensiOrganik Penyi-

sihan(kgCOD/ organikm3-har i ) (L \

)

,rrinaa) r

a

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

r

(hari)

rgtd

urtD7

AP Minyak 1,21-sawit 2,87

HRAP Minyak 4,36-sawit 5,18

DTP Minyak 2,9sawit

DDU Minyak 4,5sawit

DTDU Minyak 3,2sawit

BUFAN Minyak 4,6Fasa sawitTunggalBIOPAN Minyak 6,4Fasa sawitTunggalBMA Minyak 3,1Fasa sawitTunggalBUFAN Minyak 26,6Dua sawitFasaBMA Minyak 19Dua sawitFasa

95 15-20 Thanh1980

95 15 Thanh1980

53 10 Ng dkk1 985

81 10 Chin,1981

60 14 Chin,1981

83 7 Peneli-tian ini

88 1,7 Peneli-tian ini

94 12 Peneli-tian ini

93 5 Peneli-tian ini

90 3 Peneli-tian ini

l-lRAP = High-rate anaerobic pond,DTP = 6;gsslgv two-phase, DDU= digester daur ulang,DTDU= digester tanpa daur ulang,zuFAN = bioreaktor unggun fluidisasi anaerob,BIOPAN = bioreaktor berpenyekat anaerob,BllA = bioreaktor membran anaerob,d/TC = waktu tinggal cairan.

KESIMPULAN1. Bioreaktor unggun f luidisasi anaerob fasa

tunggal mampu menangani limbah cair pabrikkelapa sawit pada waktu tinggal cairan 7 haridengan efisiensi penyisihan COD sebesar33%dan nisbah TAV/AIkalinitas 0,3.

2. Bioreaktor berpenyekat anaerob fasa tunggalmampu menangani limbah cair pabrik kelapasawit pada waktu tinggalcairan 1,7 haridenganefisiensi penyisihan COD sebesar 88yo.

3 Bioreahor membran anaerob fasa tunggalfita npu menangani limbah pabrik kelapa sawitpada waktu tinggal cairan 12 hari denganefisbnsi penyisihan COD sebesar 94o/o danr*sbah TAV/Alkalinitas 0. 1 9.