MAKALAH KINETIKA KIMIA

Evaluasi Kinetic COD Simultan, Penghilangan Amonia dan Mangan dari Air Minum Menggunakan Sistem Biological Aerated Filter

Disusun oleh :Arif Rahman Hakim 24030110141033

JURUSAN KIMIAUNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG2013

BAB IPENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kontaminasi sumber air minum, terutama air sungai oleh amonia (NH4+-

N) memiliki dampak yang merusak terhadap instalasi pengolahan air minum

karena membentuk chloramines selama proses klorinasi. Pengaruh NH4+-N

pada operasi Mn2+ pada filter pembersih dapat mengakibatkan air berjamur

dan earthy-tasting karena terlalu banyak oksigen digunakan untuk

menghilangkan NH4+-N. Kontaminasi  NH4

+-N juga membuat masalah

dengan rasa dan bau dalam air serta eutrophication air permukaan, yang

menyebabkan depletion oksigen dan keracunan pada ikan. Meskipun mangan

(Mn2+) menimbulkan masalah hanya dalam DWTPs (drinking water treatment

plants) dan distribusi air, keberadaanya di sistem distribusi air selama jangka

waktu yang lama menyebabkan pipa menyumbat akibat oksidasi Mn2+

menjadi Mn4+ yang mengendap sebagai padatan hitam dalam air. Di Malaysia,

kontaminasi sungai oleh NH4+-N dan Mn2+ sering memasuki pabrik

pengolahan air minum Malaysia. Masalah ini menyebabkan DWTPs menjadi

ditutup berkala karena ketidakmampuan sistem konvensional (Aerasi,

koagulasi dan flokulasi, sedimentasi, filtrasi, dan proses klorinasi) untuk

mengolah NH4+-N dan Mn2+ secara bersamaan. Shutdowns ini akan

menyebabkan air kekurangan untuk populasi manusia dan industri.

Sebagai alternatif, pemasangan biologis aerasi filter (BAF) telah

diusulkan sebagai sistem pengolahan tambahan di DWTPs untuk

menghilangkan NH4+-N dan Mn2+ secara bersamaan. BAF tidak memerlukan

penambahan bahan kimia tambahan dan produk tidak menghasilkan

hazardous dibandingkan dengan sistem pengolahan fisikokimia. Sistem ini

dikenal dalam pengolahan biologis air limbah, tapi tidak dalam pengolahan air

minum. BAF memberikan fitur yang menguntungkan seperti kemampuan

untuk mengobati tinggi organik beban, footprint kecil dan area permukaan

besar. Selain itu mudah untuk dibuat karena desain yang sederhana. Hal ini

mampu menghilangkan padatan tersuspensi dan larutan terkontaminan secara

simultanneously pada kondisi dibawah aerobik. Dengan demikian, dengan

manfaat dari BAF pada penghilangan NH4+-Ndan Mn2+ secara simultan telah

diteliti menggunakan proses single-stage. Meskipun sistem BAF adalah proses

biologis yang dapat digunakan untuk penghilangan NH4+-Ndan Mn2+ secara

simultan dari air minum, sistem akan mungkin lebih reliable dalam

hubungannya dengan proses desinfeksi. Pengolahan air minum konvensional,

sistem pengolahan utama meliputi, koagulasi dan flokulasi, filtrasi dan proses

klorinasi. Sistem BAF diusulkan sebagai sistem tambahan setelah proses

koagulasi-flokulasi dan sebelum proses klorinasi. Dengan menginstal sistem

BAF sebelum proses klorinasi, diyakini bahwa tidak ada potensi risiko akan

terpengaruh untuk air minum karena bakteri dapat didesinfeksi sebelum

sistem distribusi air. Baru-baru ini, beberapa peneliti telah mempelajari proses

biologis untuk pengolahan air minum; Zhang dkk. menggunakan aplikasi

biofilter dalam pngolahan air minum untuk menghilangkan senyawa organik

semi-volatile, dan Yu dkk.  mempelajari penghilangan nitrogen dari

pengolahan air minum dengan menggunakan full-scale biofiltrasi.

Dalam studi ini, sumber bakteri untuk penghilangan NH4+-N dan Mn2+

secara simultan diperoleh dari sewage-acti-vated sludge. Sebelumnya peneliti

telah melaporkan bahwa penentuan kinetik tergantung pada jenis

mikroorganisme yang digunakan sebagai dekomposer senyawa kontaminan,

substrat yang digunakan dan suhu. Dengan demikian, penentuan parameter

kinetik bakteri dalam pengolahan COD, NH4+-N dan Mn2+ secara simultan

diperlukan untuk mengevaluasi kelayakan sistem kerja BAF. Parameter

kinetik memberikan informasi dasar untuk analisis proses, kontrol, desain dan

optimasi dengan mengurangi data eksperimen komprehensif dan kompleks

untuk ekspresi matematika sederhana, yang berguna bagi para peneliti dan

engineer. Selain itu, kinetika proses juga menjelaskan operasional dan faktor

lingkungan yang mempengaruhi jumlah substrat utilisation.

Hal ini diperlukan untuk mengevaluasi parameter kinetik yang terlibat

dalam bioreaction untuk mencapai desain yang lebih baik dari sistem

biologis. Oleh karena itu, tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk

mengevaluasi koefisien kinetik simultan COD, Penghilangan NH4+-N dan

Mn2+ dari air minum menggunakan sistem BAF. Untuk saat ini, dan untuk

yang terbaik dari pengetahuan kita, tidak ada studi yang telah dilakukan pada

kinetika bakteri pertumbuhan selama penghilangan simultan COD, NH4+-N

dan Mn2+. Penghilangan secara simultan dilakukan dalam berbagai faktor-

faktor operasional, yaitu tingkat beban organik (OLRs), tingkat aerasi (ARS)

dan retensi kali hidrolik (HRTs). Nilai-nilai kinetik diestimasi dengan

menggunakan model Monod melalui analisis regresi set data eksperimen yang

tepat, dikumpulkan selama hampir setahun operasi BAF.

1.2. Rumusan Masalah

Kontaminasi sumber air minum, terutama air sungai oleh amonia (NH4+-

N) memiliki dampak yang merusak terhadap instalasi pengolahan air minum

karena membentuk chloramines selama proses klorinasi. Pengaruh NH4+-N

pada operasi Mn2+ pada filter pembersih dapat mengakibatkan air berjamur

dan earthy-tasting. Dalam jurnal ini, sumber bakteri untuk penghilangan

NH4+-N dan Mn2+ secara simultan diperoleh dari sewage-acti-vated sludge.

Permasalahan yang timbul terkait jurnal Kinetic evaluation of simultaneous

COD, ammonia and manganese removal from drinking water using a

biological aerated filter system (Hasan dkk, 2014) yang akan dibahas dalam

makalah ini diantaranya :

1. Apa yang dimaksud dengan BAF ?

2. Bagaimana pengkodisiian pengolahan dengan sistem ini ?

3. Bagaimana mendapatkan sumber bakteri ?

4. Bagaimana persamaan evaluasi kinetiknya ?

1.3. Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini ialah

1. Mengetahui dan dapat mempelajari Sistem BAF

2. Mengetahui dan menerapkan konsep pengkondisian sistem pengolahannya

3. Mengetahui sumber bakteri yang digunakan dalam sistem BAF

4. Mengetahui rumus persamaan evluasi kinetiknya

5. Mengetahui manfaat dari mempelajari jurnal ini

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian BAF

Up-flow system BAF dari kapasitas 15 L/hari terbuat dari transparansi

polyvinyl chloride (PVC) yang dirancang dengan dimensi dari tinggi (H) 150

cm  x diameter (D) 16 cm. Desain BAF berdasarkan korelasi data pertunjukan

removal dengan dimensi BAF yang diperoleh dari penelitian

sebelumnya. Sistem ini dioperasikan dalam mode batch dengan kombinasi

suspended dan attached proses pertumbuhan. Sebuah diagram skematik

laboratory-scale sistem BAF ditunjukkan pada Gambar. 1 .

Mesh disesuaikan dan ditempatkan di sampling port 6 (SP6) pembatan

zona penyangga di atas 20 cm dari kolom BAF. Mesh juga berfungsi untuk

menghentikan media dari pencucian ketika sistem melakukan pencucian

kembali (backwash) dengan campuran udara dan air. Port Sampling (SPs)

ditempatkan di sepanjang tinggi kolom pada interval 20 cm untuk biomassa

dan air sampling. Kolom BAF partially didukung dengan media plastik,

menciptakan suspended-attached proses pertumbuhan seluruh kolom. Media

itu terbuat dari polypropylene dengan rasio dimensi (H/D) dari 0,625 (H = 10

mm,D = 16 mm), berat 0,65 g, densitas 888 kg/m3 dan spesifik luas

permukaan 450 m2/ M3.

Proses pengisiannya yaitu air minum yang tercemar dipompa ke atas

dari influent tank ke dalam kolom BAF menggunakan pompa peristaltik

(Masterflex, Illinois) dengan laju alir 580 mL/min untuk menempati kolom

BAF dalam waktu sekitar 30 menit. Selama acclimatization period, aerasi

disediakan di sisi bawah kolom BAF pada laju aliran di kisaran 100-150

mL/menit dengan bantuan kompresor udara (PUMA XN2040, Taiwan). Laju

aliran udara dikontrol menggunakan meteran aliran udara, dan air diffuser

digunakan untuk mendistribusikan udara melalui kolom untuk kondisi

homogenisasi. Sebuah sistem backwash secara berkala dioperasikan

menggunakan pompa air (CPM 158, Italia) untuk menghilangkan kelebihan

biomassa untuk reaktor yang menyumbat, sehingga mempertahankan biofilm

activity. Proses backwash dilakukan setiap kali kinerja BAF secara bertahap

menjadi tidak efisien. Rata-rata laju aliran air backwash yang ditetapkan

sebesar 10 L/menit dan disesuaikan dengan kebutuhan melalui katup

backwash, sedangkan aliran udara tetap pada 0,1 L/menit.

2.2. Kondisi Pengolahan

Penghilangan COD simultan, NH4+-N dan Mn2+ dibentuk di bawah tiga

kondisi yang berbeda serta beban organik tarif (OLRs), tingkat aerasi (ARS)

dan waktu retensi hidrolik (HRTs), seperti yang dirangkum dalam Tabel 1.

Jumlah total yang berlangsung selama penghilangan secara simultan

adalah 172 berjalan dengan 22 berjalan untuk start-up, 63 berjalan untuk studi

efek OLR, 60 berjalan untuk studi efek AR dan 27 berjalan untuk berbagai

studi HRT. Awalnya, start-up treatment dilakukan dengan konsentrasi yang

lebih rendah dari COD, jumlah NH4+-N dan Mn2+. Selama start-up, pH dan

DO yang dipertahankan pada pH 6-7 dan 2,0-3,5 mg/L, respectivaly, untuk

menyediakan kondisi mampu untuk pertumbuhan sel biomassa dan

peningkatananya. Tujuan dari proses start-up adalah untuk menyesuaikan diri

dan memungkinkan pembentukan steady-state degradasi biomassa pada media

plastik permukaan dan suspensi. Setelah itu, sistem BAF dilakukan dengan

memvariasikan OLR di kisaran 20-100 g COD/m3 d (Tahap II-IV), AR di

kisaran 0-2 L/menit untuk mengolah sumber high strength-polluted drinking

water (HSPDW: Fase V-IX) dan low strength-polluted drinking water

(LSPDW: Fase X-XI) dan HRT di kisaran 6-24 h (Phases XII-XIV). Selama

penelitian, pH dipertahankan dalam kisaran pH 6-7 dengan menambahkan

jumlah yang tepat dari NaHCO3 untuk menghindari kurangnya alkalinitas

yang diperlukan untuk pertumbuhan nitrifier. Sintesis LSPDW disimulasi

berdasarkan situasi arus kontaminasi sumber air minum di Malaysia.

Sementara itu, HSPDW dimodelkan berdasarkan literature sebelumnya yang

melaporkan tingkat COD dalam sumber-sumber air minum dikisaran 2,1-2418

mg/L, 4-1794 mg/L, 200-1200 mg/L dan 200-700 mg/L.

2.3. Sumber bakteri, isolasi dan identifikasi

Sebuah kultur campuran sewage-actived sludge (SAS) sebagai sumber

degradasi bakteri yang digunakan sebagai inokulum dalam sistem BAF.

Kultur campuran diambil dari pabrik pengolahan limbah yang terletak di

Putrajaya, Malaysia. Selama proses acclimatisation dalam sistem BAF, kultur

campuran diberikan glukosa (seperti sumber karbon) karena sumber bakteri

yang ditemukan sebelumnya didominasi oleh kelompok heterotrofik,

amonium (sebagai sumber nitrogen) dan kalium dihidrogen fosfat (sebagai

sumber fosfor) pada konsentrasi yang cukup untuk bakteri baru sintesis dan

pertumbuhan. Manfaat menggunakan kultur campuran SAS yang berisi

sebagian besar mikroorganisme dalam konsorsium, suitable porosity dan

kimia permukaan, luas permukaan yang besar dan settling ability yang sangat

baik. Dari penelitian sebelumnya pada bacteria communities dalam kultur

campuran SAS, ditemukan bahwa kultur campuran didominasi oleh mikroba

heterotrofikseperti Bacillus sp. (B.Cereus dan B.Thuringiensis), Pseudomonas

putida, Micrococcus luteus dan Microbacterium sp.

2.3. Metode Analisis

Sampel limbah dikumpulkan dalam 1 L botol polypropylene. membran

filter selulosa nitrat (ukuran pori 0,45 µm; Whatman,USA) digunakan untuk

menyaring padatan tersuspensi berlebihan menggunakan metode

gravimetri. Kebutuhan oksigen kimia (COD) adalah diukur menurut HACH

Reactor Digestion Method (Metode 8000). Tingkat ammonium nitrogen

(NH4+-N) ditentukan dengan spektrofotometri menggunakan metode

Nesslerisation (Metode 8038) pada absorbansi 425 nm. Konsentrasi kedua

komponen dianalisis menggunakan alat HACH DR/2010 (USA). Jumlah

mangan dalam bentuk Mn2+ dideteksi dengan menggunakan spektrometer

serapan atom (AAnalysat 800, Perkin Elmer, Massachusetts, USA). Dalam

studi ini, Mn2+ diasumsikan bio-oxidise sebagai endapan Mn4 + seperti yang

ditunjukkan pada stoikiometri Mn

2+¿+2H 2 O

MnOB⇀↽

MnRb

Mn O2+ 4H +¿+2 e−¿¿¿ ¿. Probe untuk DO

(Model 5400 GLI, USA), pH (Model PD1R1 GLI, USA) dan oxidation–

reduction potential (ORP) (Model PD1R1 GLI, USA) digunakan untuk

pengukuran pH, ORP dan DO masing-masing.

2.6. Persamaan Evaluasi Kinetik

Di bidang bioteknologi, hubungan antara spesifik tingkat pertumbuhan

(µ) mikroorganisme dan batas konsentrasi pertumbuhan substrat (S) adalah

kriteria penting yang umumnya diungkapkan oleh persamaan Monod.

µ=µma x S

K s+S (1)

The mass balances expressing substrate removal rate under non-steady

state conditions and without recycling can be defined as Eqs. (2) and (3).

dXdT

=Q0 X0

V−

Q0 X e

V+(µ−K d)X   (2)

dSdT

=Q0 S0

V−

Q0 S

V+ µX

Y  (3)

Menurut Grady dkk., Waktu retensi solid, θc dalam sistem biologis

diperoleh dari rasio total biomassa di bioreaktor untuk biomassa dalam

limbah, sedangkam waktu retensi hidrolik τ adalah rasio laju alir terhadap

volume kerja bio-reaktor. θc dan τ digambarkan sebagai berikut:

θc=V X 0

Q0 Xe

(4)

τ= VQ 0

(5)

Dalam kondisi steady state, X0 diasumsikan sebagai nol; dari persamaan (2) dan (3) menghasilkan persamaan (6) dan (7) sebagai berikut :

µ= 1θc

+kd (6)

X=Y (S0−S)

µτ (7)

Dengan mengganti µ pada Pers (7) dengan Persamaan. (6) , Persamaan. (8) dihasilkan sebagai berikut :

Xτ=θc Y (S0−S)

1+k dθc

(8)

Melalui linearisasi dan pengaturan ulang dari persamaan (8) , nilai

Y dan Kd masing-masing diperoleh dari slope dan intersep dari plot 1/θc

versus U, seperti yang ditunjukan persamaan (9) :

1θc

=UY −kd (9)

Dimana,

U =S0−S

Xτ(10)

Untuk mendapatkan prediksi µmaxdan KS, Persamaan (1) disubsitusi

kedalam persamaan (6) dan ditulis dalam persamaan garis :

θc

1+θc kd

=KS

µmax S+ 1

µmax

(11)

Menurut persamaan ini, plot θc/ (1 + θckd) Versus 1/S mengarah ke garis lurus dengan slope  KS/µmax dan intercept 1/µmax. Tingkat penghilangan substrat, k. dihitung dengan membagi µmax oleh Y dari biomassa.

BAB IIIPENUTUP

3.1. Kesimpulan

Berdasarkan pokok bahasan serta studi literatur yang telah dilakukan dalam

penyusunan makalah dari jurnal Kinetic evaluation of simultaneous COD,

ammonia and manganese removal from drinking water using a biological

aerated filter system (Hasan dkk, 2014) , dapat disimpulkan kedalam beberapa

point diantaranya :

BAF tidak memerlukan penambahan bahan kimia tambahan dan produk tidak

menghasilkan hazardous dibandingkan dengan sistem pengolahan

fisikokimia.

Penghilangan COD simultan, NH4+-N dan Mn2+ dibentuk di bawah tiga

kondisi yang berbeda serta beban organik tarif (OLRs), tingkat aerasi (ARS)

dan waktu retensi hidrolik (HRTs)

Sumber degradasi bakteri yang digunakan sebagai inokulum dalam sistem

BAF adalah sebuah kultur campuran sewage-actived sludge (SAS).

Penurunan evaluasi kinetik, didapatkan rumus akhir dari penurunan rumus

persamaan Monod yaituθc

1+θc kd

=KS

µmax S+ 1

µmax. Menurut persamaan ini, plot

θc/ (1 + θckd) Versus 1/S mengarah ke garis lurus dengan slope  KS/µmax dan

intercept 1/µmax. Tingkat penghilangan substrat, k. dihitung dengan membagi

µmax oleh Y dari biomassa.

3.2. Saran

Saran terhadap pembelajaran kinetika kimia terkait dengan makalah

Evaluasi Kinetic COD Simultan ialah, dapat disertakannya hasil dan

pembahasan dari penelitian yang telah dilakukan dari jurnal ini serta dapat

didiskusikan dalam kelas supaya setelah mengetahui dapat mengetahui lebih

lanjut tentang sistem Biological Aerated Filter.

DAFTAR PUSTAKA

Hassimi Abu Hasan, Siti Rozaimah Sheikh Abdullah, Siti Kartom Kamarudin,

Noorhisham Tan Kofli, Nurina Anuar, 2014, Kinetic evaluation of

simultaneous COD, ammonia and manganese removal from drinking

water using a biological aerated filter system, Separation and Purification

Technology 130 (2014) 56–64