PENENTUAN RASIO OPTIMUM C:N:P SEBAGAI NUTRISI PADA PROSES BIODEGRADASI BENZENA-TOLUENA

DAN SCALE UP KOLOM BIOREGENERATOR

Praswasti PDK Wulan, Misri Gozan, Berly Arby dan Bustomy Achmad

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik - Universitas Indonesia

LATAR BELAKANG

Air Yang Sangat Terkontaminasi:

- Dekat industri kimia, gas danpetrokimia (hot spots)

- Daerah pengeboran- Pom bensin- Air laut

Ketersediaan air bersih

Teknologi-Teknologi

• Teknologi yang ada:– Sistem Aktif– Sistem Pasif

• Lokasi Bioremediasi:– Perlakuan Ex-situ – Perlakuan In-situ

• Teknologi Terbaru: Permeable Reactive Barriers (PRB)

3 m

23 m

B

I

O

B

A

R

R

I

E

R

Teknologi yang ada …….

• High cost, because:• Separate Adsorption

and Regeneration• Ex Situ : many pumps• Need extensive area

Remediation

Adsorption

Regeneration

pumps pumps

In situ systems

Ex situ systems

Highly Polluted Groundwater

Uncontrollable nutrientsToxic environment to microbes

Nutrients, O2

Permeable Reactive Barrier (PRB)

• Barrier dipasang secara permanen atau dapat digantimelewati lintasan aliran air laut/air tanah

• Keuntungan:– Kontaminan diarahkan > lebih mudah dikontrol

• Tetapi, sistem ini memiliki kelemahan: Regenerasi! – Biaya Tinggi (saat penggantian) dan– Proses tidak aman secara lingkungan

groundwater flow

Permeable Reactive BarrierFunnel & Gate Barrier

groundwater flow

ACBAR/BIOBARRIER: Konsep Baru

Adsorpsi-Bioregenerasi secara Simultan:Memecahkan Masalah RegenesiBiaya murah karena waktu tinggal lebih lama dansistem pasif-insitu

Biobarrier I

Adsorption + anaerobic

biodegradation

Biobarrier II

Adsorption + aerobic

biodegradationContaminants+ Metabolites

Polluted water Cleaned water

Electron acceptors(e.g., H2O2, NO3- )

Auxiliary substrates

Activated Activated CarbonCarbon

Activated Activated CarbonCarbon

3 m

23 m

Pra-Aplikasi……………

3 m

23 m

Perlu mengetahui rasio C:N:P sebagai nutrisi yang akan dialirkan ke dalam kolom bioregenerator sebagai parameter desain biobarrier yang sesuai

Tujuan Penelitian

• Menentukan rasio C:N:P optimum sebagai nutrisi agar didapatkan proses biodegradasi yang maksimal.

• Scale up kolom bioregeneratorMenggunakan hasil percobaan penentuan rasio C:N:P optimum ini bersama dengan hasil penelitian yang dilakukan secara paralel oleh tim peneliti yang lain

Penentuan Rasio C, N, Dan P Pada Nutrisi

• Penentuan rasio C, N, dan P pada nutrisidilakukan untuk menentukan rasio nutrisiyang optimum pada konsorsium bakteri.

• Percobaan dilakukan denganmemasukkan 0,3 mL konsorsium bakteripada test tube 40 ml yang mengandunglarutan LC dan benzena-toluena dengan5 variasi rasio C:N:P yang berbeda dan dishaker dengan kecepatan putaransebesar 30 rpm selama 168 jam.

• Setiap 24 jam sekali, dilakukanpengambilan data absorbansi yangsetelah dikalibrasi akan menunjukkanjumlah bakteri (CFU/mL).

• Hasil akhir yang didapatkan berupa 5 jenis kurva pertumbuhan bakteri sesuaidengan rasio C:N:P masing-masing.

• Kurva pertumbuhan bakteri yang terbaikakan dijadikan sebagai rasio C:N:P padanutrisi yang akan dialirkan ke dalamkolom bioregenerator.

Rasio MolVariasi

C N P

1 100 8 1

2 100 10 1

3 100 12 1

4 100 14 1

5 100 15 1

Perancangan Kolom Bioregenerator Skala Pilot

Perancangan dimensi kolom bioregenerator skala pilot dilakukan dengan scaling up kolom bioregenerator skala laboratorium– Penentuan Dimensi Kolom Skala Pilot– Penentuan Laju Alir Volumetrik– Penentuan massa GAC yang digunakan– Penyediaan komponen sistem perpipaan

HASIL PENELITIAN

Pengaruh Rasio Nutrisi Terhadap Pertumbuhan BakteriLaju Pertumbuhan Bakteri Pada Masing-masing Variasi Nutrisi

Pada penelitian ini variasi akan dilakukan pada unsur N sedangkan unsur C dan P dibuat tetap. Variasi dibuat pada unsur N dengantujuan untuk mempelajari pengaruh penambahan nitrogen pada proses biodegradasi. Rasio C terhadap N pada suatu proses biodegradasi tergantung dari bakteri yang digunakan, jenis limbah yang akan didegradasi serta jenis senyawa nitrogen yang akan ditambahkan (Shewfelt, 2005). Oleh karena itu, hasil dari percobaan ini diharapkan dapat memberikan gambaran tentang rasio C:N:Pyang harus ditambahkan agar didapatkan hasil biodegradasi yang maksimal. Unsur P sendiri dijadikan variabel tetap karena rasionya terhadap unsur C yang sangat kecil sehingga sulit untuk diamati dalam percobaan.

Jadi variasi rasio nutrisi optimum untuk konsorsium bakteri pendegradasi benzena dan toluena ditunjukkan oleh variasi 2 dengan rasio C:N:P = 100:10:1. Variasi ini merupakan variasi optimum karena memiliki laju pertumbuhan bakteri yang cepat pada fase eksponensial dan fase stasioner yang cenderung stabil. (sesuai dengan Alexander, 1994)

DEGRADASI BENZENA-TOLUENA

Pada degradasi benzena, variasi 1 hingga 4 memiliki kecenderungan degradasi yang hampir sama. Namun pada variasi 5, kecenderungan degradasi benzenatidak terlalu landai (laju degradasinya lambat) karena rasio karbon terhadap nitrogen terlalu kecil (jumlah nitrogen terlalu besar) maka akan terjadi kelebihanNH3 yang terbentuk yang akhirnya dapat menyebabkan proses pengasaman. Proses pengasaman ini akan membuat pertumbuhan bakteri terganggu karena mengganggu kestabilan pH optimum. . Variasi 2 menunjukkan penurunan konsentrasi yang tajam mulai dari jam ke 0 hingga jam ke 72. Pada degradasi toluena, semua variasi nutrisi memilikikecenderungan yang tidak jauh berbeda. Konsentrasi toluena pada variasi 2 mencapai angka nol pada jam ke 168 dan menjadi satu-satunya variasi yang berhasil mendegradasi secara sempurna kandungan toluenanya.Walaupun konsosrsium bakteri pada semua variasi nutrisi dapat mendegradasi benzena dan toluena, namun persentase degradasi masing-masing variasiberbeda. Persentase degradasi ditentukan dengan membandingkan konsentrasi akhir dengan awal benzena dan toluena.

PERBANDINGAN PERSENTASE DAN LAJU DEGRADASI BENZENA-TOLUENA

Variasi 2 (100:10:1) merupakan variasi optimum dengan persentase degradasi benzena dan toluena yang terbesar yaitu 85% dan 100%. Variasi 2 sebagai rasio nutrisi optimum jugaditunjukkan oleh Gambar pada laju degradasi. Pada gambar tersebut, variasi 2 memiliki laju degradasi rata-rata paling besar diantara variasi yang lain yaitu 0,63 ppm/jam untukbenzena dan 0,77 ppm/jam. Persentase benzena dan toluena yang terdegradasi pada masing-masing variasi nutrisi menunjukkan adanya titik optimum variasi nutrisi yang dibutuhkan. Rasio karbon yang tersediaterhadap nitrogen memiliki peranan yang penting terhadap degradasi kontaminan. Laju degradasi akan meningkat hingga 3-5 kali lipat dengan adanya penambahan nitrogen. Namun, penambahan nitrogen harus sesuai dengan rasio karbon yang tersedia dengan nitrogen. Jika rasio karbon terhadap nitrogen terlalu besar (jumlah unsur nitrogen kecil), maka unsur nitrogen ini akan menjadi faktor pembatas dalam metabolisme bakteri. Hal ini akan menghambat pertumbuhan bakteri dan akhirnya menurunkan laju degradasi kontaminan. Ini ditunjukkan oleh variasi 1 yang rasio C:N:P berada di bawah rasio optimum percobaan. Pertumbuhan bakteri pada rasio ini merupakan yang terlambat jika dibandingkan dengan variasi lain karena memiliki keterbatasan unsur nitrogen untuk menghasilkan senyawa-senyawa penting dalam metabolismenya dan juga untuk pembentukan sel. Hal ini juga mengakibatkan rendahnya konsentrasi benzena dan toluena yang terdegradasi (68 dan 66 %). Pada variasi-variasi ini, terlihat bahwa fase stasioner kurva pertumbuhan mereka cenderung menurun. Hal ini disebabkan oleh pengasaman senyawa nitrogen yang berlebihan sehingga menyebabkan lebih banyak bakteri yang mati daripada yang direproduksi. Hal yang sama ditunjukkan oleh grafik penurunan konsentrasi benzena dan toluena yang menunjukkan terjadi penurunan laju degradasi setelah mencapai laju degradasi yang maksimal.

Perancangan Kolom Bioregenerator Skala Pilot

Tahapan scale-up

KESIMPULAN

• Hasil percobaan variasi rasio C:N:P sebagai nutrisi pada sistem batch menunjukkan bahwa konsorsium bakteri yang terdiri dari Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Aeromonas hydrophilla, Bacillus coagulans dan Bacillus substilis mampu mendegradasi benzena-toluenadengan rasio optimum C:N:P sebagai nutrisi adalah 100:10:1:

– Laju pertumbuhan konsorsium bakteri sebesar 9,1 x 1011 jam-1.– Laju degradasi benzena sebesar 0,63 ppm/jam dan laju degradsi toluena

sebesar 0,77 ppm/jam.– Persentase degradasi benzena mencapai 85% serta persentase degradasi

toluena yang mencapai 100%.• Hasil scale up kolom bioregenerator adalah sebagai berikut:

– Scale up dilakukan dengan perbesaran hingga 200 kali denganmempertahankan waktu retensi pada kolom skala laboratorium sebesar188,22 detik.

– Kolom bioregenerator skala pilot ini memiliki dimensi kolom dengandiameter sebesar 15,405 cm dan tinggi sebesar 215 cm

– GAC mesh 8-16 yang dibutuhkan sebanyak 9779 gram.– Laju alir volumetrik untuk nutrisi adalah sebesar 0,25 Lpm dan laju alir

volumetrik limbah adalah 3,7

TERIMA KASIH