jurusan teknik kimia fakultas teknologi industri institut...
TRANSCRIPT
Oleh:
Marry Fusfita Umi Rofiqah
23 09 105 001 23 09 105 012
Pembimbing:
Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M. Eng Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS
Laboratorium Teknologi Biokimia
Jurusan Teknik Kimia
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya
Tangki Pengendapan
Limbah Lumpur
Tangki Aerasi
Udara Lumpur Aktif Balik
Influen Limbah Organik + Lumpur Aktif + O2 terdegradasi menjadi
CO2, H2O, NO3, SO4, PO4
efluen
Sistem Konvensional
Parameter pada proses lumpur aktif : 1. Rasio F/M, normal beroperasi pada 0,2-0,6 kg
BOD/kg MLSS.hari 2. DO (Dissolved Oxygen 3. Sludge Age (SRT) : 3-14 hari 4. Batasan konsentrasi lumpur (MLSS
Masalah pada tangki
sedimentasi dan membutuhkan
lahan sedimentasi yang
luas
Udara
1. Fouling (Blocking partikel padat, produk metabolit terlarut, sisa influent yang belum terdegradasi)
2. Kinerja membran menurun (penurunan fluks) 3. Intensitas backwashing lebih sering
Sistem SMBR
1. Membran dapat menggantikan peran bak sedimentasi sekunder dan menempatkan dalam proses degradasi biologis sehingga merupakan sistem yang kompak.
2. Dapat digunakan untuk konsentrasi lumpur yang tinggi. 3. Di dalam proses SMBR terdapat 2 proses yang saling
berhubungan yaitu biologis dan filtrasi.
4. Degradasi biologis → SMP → filtrasi → fouling.
INFLUEN
BLOWER
TANGKI ANOXIC
POMPA
EFLUEN
MEMBRAN ULTRAFILTRASI
TANGKI BACKWASH
BLOWER
TANGKI AEROBIK
4 5
3
1
2
(1)
(2)
(6)
(4)
(5)
(2)
(7)
(8)
(3)
(9)
(10)
1. Untuk menangani limbah dengan kandungan amonia tinggi (fungsi proses anoxic)
2. Menyempurnakan kinerja SMBR akibat potensi terjadinya fouling 3. Menyempurnakan sistem konvensional dimana lahan sedimentasi
lebih kecil 4. Memperkecil intensitas proses backwasing
Sistem MBR
Kelemahan proses aerobic activated sludge (konvensional) terletak pada sering terjadinya ‘bulking sludge’ yang mengakibatkan gagalnya proses pemisahan lumpur di tangki sedimentasi.
Komposisi polutan organik, N dan P perlu dikondisikan untuk menjaga agar mutu dari lumpur tetap baik dan efluent air terbebas dari N dan P.
SMBR sebagai pengembangan proses untuk mengatasi kelemahan proses activated sludge, menunjukkan kemajuan yang menarik dimana kegagalan pemisahan lumpur disedimentasi dapat diatasi oleh membran. Namun hambatan terjadi pada seringnya pembersihan membran yang harus dilakukan.
Diperlukan suatu pengembangan lanjut agar pemakaian membran untuk pemisahan lumpur dalam proses activated sludge menjadi lebih efektif dan mempunyai daya guna air yang lebih menjanjikan.
Meneliti kinerja MBR
dalam mendegradasi
polutan organik dalam
air limbah industri dan pemisahan
lumpur yang terjadi.
Meneliti pengaruh kondisi anoxic
terhadap pengurangan kandungan N
dalam air limbah
industri.
Meneliti kinerja MBR dan SMBR terhadap
perubahan fluks.
Meneliti pengaruh SRT
terhadap MLSS, COD, dan DO.
Mengetahui efektivitas proses degradasi polutan organik dalam air limbah industri dan pemisahan lumpur dengan menggunakan MBR.
Mengetahui pengaruh kondisi anoxic terhadap pengurangan kandungan N dalam air limbah industri.
Mengetahui pengaruh MBR dan SMBR terhadap perubahan fluks
Mengetahui pengaruh SRT terhadap MLSS, COD, dan DO
Pada proses lumpur aktif, naik atau turunnya kontrol proses menyebabkan bebagai masalah mikrobiologi antara lain pinpoint flocs, bakteri terdispersi yang mempengaruhi tingkat kejernihan effluent. Tingkat kejernihan effluent menurun dengan naiknya MLSS yang diindikasikan terbentunya pinpoint flocs. Kinerja proses lumpur aktif dipengaruhi oleh konsentrasi bakteri. (Setyawan, A. dkk)
Kombinasi proses eksternal membran bioreaktor dan lumpur aktif (SMBR) telah dikembangkan untuk mengurangi kadar ammonia serta meningkatkan kualitas efluen dari limbah - limbah industri (Kusworo, T.D., dkk. 2009)
SMBR menunjukkan bahwa sistem ini masih mampu menyisihkan bahan organik dengan baik, walaupun konsentrasi biomassa cukup tinggi yaitu 10000 mg/l (Tri Widjaja. 2008)
Pada SMBR bahan Organik terlarut yang terakumulasi dalam bioreaktor, menghambat aktifitas metabolit dalam lumpur aktif dan mempunyai pengaruh negatif pada permeabilitas membran dari mixed liquor. (Xia Huang,.dkk. 2000)
Fouling pada membran meningkat seiring SRT dan fluks menurun dengan naiknya SRT, mengindikasikan bahwa fouling membran terjadi ketika kondisi fluks turun. (Sung-Soo Han,.dkk. 2004)
Tabel 3.1 Komposisi Limbah Sintetis
Komponen Konsentrasi
(mg/L)
Glukosa
KH2PO4
Urea ((NH2)2CO)
1125
53,03
325,714
Variabel Tetap :
BOD : 1200 mg/L
COD : 1800 mg/L
MLSS : 4000 – 6000 mg/L
BOD : N : P = 100 : 5 : 1
DO pada tangki aerobik berkisar antara 2,9 – 4,9 mg/lt.
DO pada tangki anoxic < 2 mg/lt
Variabel Ubah :
SRT : 5, 10, dan 20 hari
1 •Mengambil Lumpur aktif dari P.T. SIER Rungkut Surabaya
2
•Membiarkan lumpur aktif sampai mengendap dan mengambil lumpur aktif yang telah mengendap.
3
•Menganalisa awal lumpur aktif untuk mengetahui MLSS, MLVSS, % volume endapan, Bioassay.
4 •Melakukan tahap aklimatisasi dengan menambahkan limbah sintetis di tangki aerasi.
5 •Menganalisa MLSS, MLVSS, COD, DO, Bioassay setiap hari.
6
•Menghentikan tahap pembibitan apabila dari hasil pengamatan MLSS telah mencapai 2000-6000 mg/l dan hasil pengamatan COD dan MLSS menunjukan kondisi yang stabil.
7 •Melanjutkan ke tahap percobaan.
1
• Mengalirkan influen dengan konsentrasi BOD 1200 mg/lt ke tangki aerasi dengan rate 31,5 l/hari dan melakukan aerasi.
2 • Membuka kran tangki aerasi menuju tangki anoxic.
3 • Membiarkan tangki aerasi mencapai overflow ke ruang membran.
4 • Melakukan pengamatan dan menganalisa DO pada tangki anoxic (< 2 mg/l).
5 • Mengalirkan limbah dari tangki anoxic ke tangki aerasi.
6 • Melakukan pengamatan dan menganalisa MLSS, MLVSS,DO, % SV, SVI, dan Bioassay pada tangki aerasi.
7
• Setelah DO pada tangki anoxic mencapai yang ditentukan (<2 mg/lt), maka pompa membran ultrafiltrasi dijalankan.
8
• Melakukan pengamatan dan menganalisa COD, amonia, nitrat serta mengukur turbidity pada hasil filtrasi membran.
9
• Melakukan pencucian (backwashing) setelah membran beroperasi dalam waktu tertentu dan fluks permeat yang dihasilkan tidak efisien lagi maka dilakukan pencucian dan kran pengeluaran sludge dibuka.
10
• Melanjutkan tahap percobaan dengan variabel SRT 10, dan 20 hari. 11
• Membuka kran pengeluaran sludge untuk SRT 5 hari
INFLUEN
BLOWER
TANGKI ANOXIC
POMPA
EFLUEN
MEMBRAN ULTRAFILTRASI
TANGKI BACKWASH
BLOWER
TANGKI AEROBIK
4 5
3
1
2
(1)
(2)
(6)
(4)
(5)
(2)
(7)
(8)
(3)
(9)
(10)
Diagram Skematik MBR pada proses filtrasi
(Catatan : (1) Tangki Anoxic; (2) Blower; (3) Air diffuser; (4) Tangki Aerobic; (5) membran ultrafiltrasi; (6) Pipa recycle; (7) dan (8)Saluran Pengeluaran Sludge; (9) Pompa; (10)
Tangki Backwash
No.
Waktu
(hari)
MLSS
(mg/L)
MVLSS
(mg/L)
COD
(mg/l)
DO
(mg/l)
SV
(%)
SVI
(ml/g)
1 1 4990 3190 946 6 40 80.160
2 2 5120 4710 930 5,6 40 78.125
3 3 3910 3110 704 5,5 40 102.302
4 4 3990 3590 600 5,4 50 125.313
5 5 4190 3990 520 5,3 40 95.465
6 6 4960 4660 511 4,6 40 80.645
7 7 5530 4270 420 4,3 50 90.416
8 8 5640 4480 400 4,2 50 88.652
9 9 5290 3580 399 4,2 40 75.614
10 10 5110 4670 360 4,2 40 78.278
Bioassay : Hidup
Tahap
Pendahuluan
Pengembangbiakan mikroorganisme
dilakukan dalam bak aerasi, pada
temperatur kamar, pH netral dan DO
(Dissoveld Oxygen) yang cukup yaitu > 2
mg/l.
Kondisi lumpur aktif dengan pertumbuhan
mikroorganisme yang baik juga diketahui dengan bioassay, yaitu melihat
protozoa sebagai predator (rotifera) pemakan bakteri yang sehat dengan bantuan mikroskop. Metode ini untuk memastikan apakah rotifera ada dan hidup sebagai tanda adanya mikroorganisme yang
berkembangbiak
Penurunan konsentrasi COD terjadi karena
adanya mikroorganisme yang
dapat beradaptasi dengan limbah
sintetis tersebut dan kenaikan MLSS
menandakan bahwa pertumbuhan
mikroorganisme relative baik.
Removal Chemical Oxygen Demand (COD, mg/l)
Gambar 4.3 COD (mg/L) pada SRT 5 Hari
Gambar 4.4 % Removal COD pada SRT 5 Hari
BOD :1200 mg/L COD : 1800 mg/L Rate : 31 L/hari
Gambar 4.5 COD (mg/L) pada SRT 10 Hari
Gambar 4.6 % Removal COD pada SRT 10 Hari
Gambar 4.7 COD (mg/L) pada SRT 20 Hari
Gambar 4.8 % Removal COD pada SRT 20 Hari
Semakin besar SRT, maka waktu tinggal mikroorganisme di
dalam tangki aerobik juga semakin lama, akibatnya proses
degradasi senyawa organik semakin baik, namun biasanya
antara 3-14 hari agar menghasilkan flok biologis yang mana
dapat ditangani dengan mudah.
Dari data tersebut juga diketahui bahwa tidak terjadi
perbedaan yang significant antara effluent tanpa membran
dan menggunakan membran.
Membran yang digunakan adalah membran ultrafiltrasi
yang mempunyai keterbatasan dalam pemisahan COD.
Membran ultrafiltrasi berkemampuan untuk memisahkan
koloid dan partikel padat misalnya protein, pati,
antibiotik, virus, koloidal silika, gelatin, bahan organik,
bakteri, lemak, dan padatan.
REMOVAL AMMONIA
Gambar 4.10 % Removal NH3 pada SRT 5 Hari
Gambar 4.11 % Removal NH3 pada SRT 10 Hari
Gambar 4.12 % Removal NH3 pada SRT 20 Hari
SRT 5 Hari
SRT 10 Hari
SRT 20 Hari
Dari grafik Amoniak dapat dilihat bahwa
pada SRT 10 hari memberikan
penurunan ammonia yang lebih baik
dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari.
Hal ini berkaitan dengan F/M ratio yang
merupakan jumlah substrat sebagai
sumber energi untuk pertumbuhan
mikroorganisme yang ditambahkan ke
dalam bioreaktor.
Hal ini menunjukkan dengan semakin tingginya removal
amoniak yang dihasilkan, sehingga dapat diperoleh
kesimpulan bahwa proses aerobik dan anoxic berjalan
baik.
REMOVAL NITRAT
Gambar 4.14 % Removal NO3- pada SRT 5 Hari
Gambar 4.15 % Removal NO3- pada SRT 10 Hari
Gambar 4.16 % Removal NO3- pada SRT 20 Hari
0.0000
10.0000
20.0000
30.0000
40.0000
50.0000
60.0000
70.0000
80.0000
90.0000
100.0000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
% N
Rem
ov
al
Waktu (hari)
% Removal N
SRT 5 hari
SRT 10 hari
SRT 20 hari
Gambar % Removal N Total untuk SRT 5, 10, dan 20 hari
N total masuk : 242,5181 mg/liter Perhitungan N total masuk dan keluar
SRT 5,10,dan 20 Hari
SRT 10 hari memberikan penurunan nitrat yang
lebih baik dibandingkan pada SRT 5 dan 20 hari.
Proses denitrifikasi di tangki anoxic cukup
berhasil, karena sisa nitrat di dalam permeat relatif
sedikit dimana ditunjukkan dengan
removal nitrat hingga 90,48 %
Konsentrasi nitrat yang tersisa sedikit, ini
menandakan bahwa N-NH3 influent sebagian untuk membentuk cell baru dan sebagian lagi menjadi produk (CO2,
H2O)
Jika jumlah N total keluar lebih kecil 0,5 dari
jumlah N total masuk yang masuk, maka proses
denitrifikasi dikatakan berhasil. Tetapi jika
jumlah N yang keluar lebih besar daripada
jumlah N yang masuk maka proses denitrifikasi
tidak berjalan dengan baik di tangki anoxic
UNJUK KERJA MEMBRAN
TURBIDITY
Gambar 4.20. Flux (L/m2.jam) dengan Waktu (menit) Pada MBR dan SMBR
Gambar 4.22 %Removal turbidity (NTU) dengan waktu (hari) pada SRT 5, 10, dan 20 hari
Untuk kinerja membran pada sistem SMBR, terjadi penurunan fluks dan memerlukan waktu backwasing dengan jarak yang relatif singkat.
Sedangkan untuk kinerja membran pada sistem MBR, penurunan fluks dan memerlukan waktu backwashing dengan jarak yang agak
lama
Flux semakin turun disebabkan adanya penyumbatan akibat partikel-partikel yang terakumulasi pada lapisan permukaan membran.
Dapat dilihat bahwa dengan adanya backwashing dapat menaikkan
flux membran meskipun tidak sampai pada kondisi awal.
Kenaikan flux tidak dapat kembali seperti kondisi awal dikarenakan masih ada penyumbatan yang tidak bisa hilang dengan cara backwashing air namun menggunakan chemical cleaning.
SMBR MBR
Pada gambar di atas, terlihat adanya fouling pada membrane sistem SMBR.
Peristiwa fouling ini memperberat kinerja membran yang akan berpengaruh pada kinerja membran untuk proses pemisahannya dan juga mempengaruhi perawatan membrane maupun umur membrane.
Oleh karena itu, dilakukan pengembangan terhadap sistem SMBR menjadi sistem MBR. Sistem MBR menyempurnakan sistem konvensional, namun pada sistem MBR membutuhkan ruang sedimentasi yang lebih kecil daripada ruang sedimentasi pada sistem konvensional.
Penurunan kinerja membran dapat juga dikarenakan oleh soluble
microbial product (SMP) yang akan mempengaruhi fluks permeat
membrane terkait dengan terjadinya fouling membrane.
Hal-hal yang dimungkinkan dapat menyebabkan terjadinya fouling yaitu :
partikel padatan yang menyumbat pori-pori membran, Protein,
karbohidrat, dan lemak yang larut di dalam air hasil dari produk
metabolisme mikroorganisme (SMP), dan yang berasal dari sisa influent
(glukosa).
Dari analisa menunjukkan bahwa kandungan protein tidak terdeteksi
sedangkan kandungan karbohidrat menunjukkan bahwa semakin lama
SRT maka semakin banyak karbohidrat yang menempel pada membrane
yang akan menyumbat dan mempengaruhi fluks permeat.
Hasil analisa karbohidrat adalah sebagai berikut :
SRT Karbohidrat (g/L) Removal
Karbohidrat (hari) Sebelum Membran Sesudah membran
5 0,358 0,349 0,009
10 0,406 0,392 0,014
20 0,436 0,423 0,013
Gambar disamping menunjukkan
bahwa dengan pengolahan
limbah menggunakan lumpur
aktif dan membran ultrafiltrasi
dapat mengurangi kekeruhan air
limbah yaitu 74,468 % hingga
75,789 %
Pada sistem MBR, di ruang
membrane jumlah MLSSnya
sangat kecil sekali dan diukur
sebagai turbidity, sedangkan
pada sistem SMBR dimana
membrane tercelup pada tangki
aerobic dan MLSSnya relative
sangat besar sehingga
mempengaruhi fluks permeat
MLSS dan fluks pereat pada
sistem SMBR diukur sebagai
massa fluks.
Turbidity
SRT 5 Hari
• Pada SRT 5 hari dapat ditunjukkan hari ke-1 harga MLSS 5710 mg/l dan pada hari ke-12 harga MLSS 4550 mg/lt
• memiliki F/M ratio 0,18
SRT 10 Hari
• Pada SRT 10 hari dapat ditunjukkan hari ke-1 harga MLSS 4580 mg/l dan pada hari ke-12 harga MLSS 4888 mg/lt
• memiliki F/M ratio 0,22
SRT 20 Hari
• Pada SRT 20 hari dapat ditunjukkan hari ke-1 harga MLSS 5210 mg/l dan pada hari ke-17 harga MLSS 5520 mg/lt
• memiliki F/M ratio 0,19
Pengaruh MLSS & COD terhadap kinerja MBR
Gambar dan video disamping
menunjukan mikroorganisme
yang terdapat dalam tangki
aerobik merupakan bakteri dan
protozoa
spesies mikrobiologi merupakan
kunci dasar sebagai efisiensi
proses dan pemeliharaan
berbagai rancangan pengolahan
secara biologis pada proses
lumpur aktif
Keberadaan rotifer
mengindikasikan air limbah yang
diolah secara biologis
berlangsung dengan baik.
foto penelitian 1
Juli MarFi Yes\V06-
04-11_13-18.3gp
MBR pada SRT 5 hari menurunkan COD 1800 mg/L menjadi 570 mg/L dengan, pada SRT 10 hari mampu menurunkan menjadi 200 mg/L dan pada SRT 20 hari mampu menurunkan menjadi 255 mg/L pada tangki aerobik. Dan dengan menggunakan membran dapat diturunkan lagi
menjadi 550, 180, dan 230 mg/L.
% removal COD pada SRT 5 hari sebesar 69,44 %, pada SRT 10 hari sebesar 90,11 %, dan pada SRT 20 hari sebesar 87,22 %.
MBR dapat menurunkan konsentrasi NH3 dari 294,413 mg/L pada SRT 5 hari menjadi 86,822 mg/lt dengan % removal sebesar 70,51 %, pada SRT 10 hari sebesar 27 mg/lt dengan % removal sebesar 90,69 %, dan pada SRT 20 hari menjadi 69 mg/L dengan % removal sebesar 76,72 %.
MBR dapat menurunkan turbidity pada SRT 5 hari sebesar 61,765 %, pada SRT 10 hari sebesar 68,75 %, dan pada SRT 20 hari sebesar 76,26
%.
Dengan menggunakan membran ultrafiltrasi didapatkan flux membran pada sistem SMBR sebesar 5,4 - 27 L/m2jam sedangkan pada MBR
sebesar 12,6 – 30 L/m2jam.