pengolahan biologi.doc
TRANSCRIPT
PENGOLAHAN BIOLOGI
SILABUS PENGOLAHAN BIOLOGI
KULIAH KE MATERI KULIAHI Proses BiologiII Dekomposisi Biologi III Siklus C,N,P,S, rantai makananIV Proses Aerob, Anaerob-FakultatifV Model Pertumbuhan dalam Bioreaktor : reaktor
pertumbuhan tersuspensiVI Reaktor Pertumbuhan LekatVII Persamaan kinetikVIII Nitrifikasi dan denitrifikasi
Pustaka :
1. Benefield, L.D., Randall, C.W., Biological Process
Design for Wastewater Treatment, Prentice Hall, Inc., USA, 1980
2. Grady & Lim: Biological wastewater Treatment,
Theory and Application, 1986, Marcel dekker Inc., New York
3. Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering :
Treatment, Disposal, Reuse, third edition, Mc Graw Hill Intenational
Edition, Singapore, 1991.
4. Reynold, T.D., Unit Operations and Processes in
Environmental Engineering, Wadsworthi Inc., California, 1982.
5. Rich, L.G., Unit Processes of Sanitary Engineering,
John Wiley&Sons Inc., New York, 1963.
6. Schuler & Kragi, Bioprocess Engineering : Basic
Concepts, 1992, Prentice Hall, Inc, New Jersey
1
PROSES BIOLOGI
Definisi dalam Proses Biologi
Proses Aerobik : Proses pengolahan biologi yang terjadi dengan adanya
oksigen
Proses Anaerobik : Proses pengolahan biologi yang terjadi dengan tanpa
adanya oksigen
Denitrifikasi anoxic : Proses dimana nitrogen dikonversi secara biologi
menjadi gas nitrogen tanpa adanya oksigen → denitrifikasi anaerobik
Penyisihan nutrien secara biologi : diaplikasikan untuk penyisihan nitrogen
dan phospor dalam proses pengolahan biologi
Proses Fakultatif : Proses pengolahan biologi, dimana organisme dapat
berfungsi dengan atau tanpa adanya molekul oksigen
Penyisihan BOD carbonaceous : konversi biologi senyawa organik karbon
dalam air buangan menjadi jaringan sel dan produk akhir gas-gas. Dalam
konversi ini, diasumsikan nitrogen yang ada dalam berbagai bentuk senyawa
menjadi amonia
Nitrifikasi : Proses biologi dimana amonia pertama dirubah menjadi nitrit
kemudian menjadi nitrat
Denitrifikasi : Proses biologi dimana nitrat dirubah menjadi nitrogen dan
produk akhir gas lain
Substrat : istilah yang digunakan untuk menyatakan senyawa organik atau
nutrien yang dirubah pada pengolahan biologi atau dapat sebagai pembatas
dalam pengolahan biologi
Proses Pertumbuhan tersuspensi : Proses pengolahan biologi dimana
mikroorganisme yang berperan dalam merubah senyawa organik atau
komponen lain dalam air buangan menjadi gas dan jaringan sel dibiakkan
dalam suspensi larutan
2
Proses Pertumbuhan Lekat : Proses pengolahan biologi dimana
mikroorganisme yang berperan dalam merubah senyawa organik atau
komponen lain dalam air buangan menjadi gas dan jaringan sel, melekat apda
media inert seperti batu, slag, keramik tertentu atau plastik. Juga disebut
sebagai fixed film processes
Untuk pemahaman operasi pengolahan air buangan secara biologi
diperlukan pengetahuan pada 2 bidang dasar : mikrobiologi dan rekayasa
reaktor
Kinerja reaktor biologi tergantung dari kondisi lingkungan biokimia, sifat
transformasi biokimia dan bentuk reaktor
Lingkungan Biokimia
- 2 Lingkungan utama dimana proses biokimia dapat berlangsung : aerobik
dan anaerobik
- Pada kondisi aerobik → oksigen terlarut dalam jumlah yang mencukupi
dan tidak menjadi pembatas laju, oksigen sebagai akseptor elektron akhir
dalam metabolisma mikroba dan pertumbuhan terjadi secara efisien
- Pada kondisi anaerobik → oksigen terlarut tidak ada (dan tidak masuk ke
dalam sistem) atau konsentrasinya sangat rendah → membatasi
metabolisme aerobik. Substansi selain oksigen berfungsi sebagai akseptor
elektron akhir, jika senyawa tersebut adalah molekul organik itu sendiri →
fermentasi. Jika akseptor elektron tsb adalah senyawa anorganik → pada
kultur tsb berlangsung respirasi anaerobik
- Operasi aerobik mendukung rantai makanan keseluruhan mulai dari
bakteri (paling dasar) sampai rotifera (di puncak), namun operasi anaerob
memiliki populasi bakteri yang dominan meskipun mempunyai ekologi
yang komplex → lingkungan biokimia mempengaruhi biokimia sel, karena
organisme aerobik menggunakan jalur metabolisme yang berbeda dari
3
anaerobik → operasi aerobik dapat melakukan transformasi2 yang tidak
dapat diselesaikan secara anaerobik demikian juga sebaliknya
Dekomposisi Biologi
Kondisi Aerobik :
Buangan organik dimasukkan ke dalam reaktor yang terdapat kultur bakteri
aerobik. Dalam reaktor, kultur bakteri pada umumnya melakukan konversi
sesuai dengan stoikiometri :
Oksidasi dan sintesis
CHONS + O2 + nutrient CO2 + NH3 + C5H7NO2 + produk akhir lain (1) Sel bakteri baru
Respirasi endogenous
C5H7NO2 + 5O2 CO2 + H2O + NH3 + energi ..................... (2)Sel-sel113 1601 1,42
CHONS → senyawa organik dalam air buangan
Reaksi respirasi endogenous → produk akhir relatif sederhana dan energi,
produk akhir organik yang stabil juga terbentuk. Dari pers 2, jika semua sel-
sel dapat dioksidasi seluruhya, BOD ultimate sel-sel sama dengan 1,42 kali
konsentrasi sel-sel
Limbah Organik
Mikroorganisme baru
Nonbiodegradable Residu
CO2 + H2OEnergi
Sintesis RespirasiEndogenous
Gambar 5.2 Oksidasi Biologis Sempurna dari Buangan Organik
4
Siklus Aerobik di Alam
AmoniaCO2
H2S
ProteinLemak
ProteinLemakKarbohidrat
NitratCO2
Sulfat
NitratCO2
Sulfur
CO2 O2 N2
NitrogenKarbonSulfur
dekomposisisi
Hasil antara
CO2
H2S
tanaman hidup
materialhewanhidup
materialorganikmati
Lapisan Atmosfir
Produk2 awal
materialtanamanhidup Produk2 akhir
stabil
5
CO2
O2
CO2
CO2
Siklus Anaerobik di Alam
Kondisi anaerob
Proses pengolahan air limbah secara anaerob dipandang oleh banyak ahli (Speece, 1996;
Lettinga dkk, 1997) sebagai metoda-inti teknologi EPRP (Environmental Protection and
Resource Preservation) dan merupakan teknologi berkelanjutan (Sustainable Technology).
Pemecahan zat organik secara langsung dihubungkan dengan produksi metana. Dari 1 kg
COD yang terdegradasi, kira-kira terbentuk metana 350 L. Buswell dan Mueller
mengembangkan persamaan untuk menghitung produksi metana dan CO2 dalam biogas
dari penentuan komosisi kimia limbah yang terdegradasi :
CnHaOb + (n - a/b - b/2) H2O (n/2 – a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 –b/4) CH4
Persamaan tersebut menunjukkan kandungan metana dalam biogas dikorelasikan langsung
dengan tahap oksidasi zat organik air limbah. Sebagai contoh jika alcohol diubah menjadi
biogas, maka gas akan mengandung metana sekitar 75%. Jika karbohidrat yang digunakan
Asam organikAsam karbonat,
CO2
Hidrogen sulfida
ProteinLemak
LemakProteinKarbohidrat
CO2 O2 N2
NitrogenKarbonSulfur
dekomposisisi
Hasil antara
CO2
H2S
tanaman hidup
materialhewanhidup
materialorganikmati
Produk2 awal
materialtanamanhidup Produk2 akhir
Gas3 dekomposisisi
Amonia, asamKarbohidrat, CO2
Sulfida
Amonia, CO2
Humus, CO4
Sulfida
CO2
NH3
6
Lapisan Atmosfir
CO2
NH3
Gas3
dekomposisisi
CO2
O2
maka kandungan metana berkisar 50%. Untuk limbah agro industri, konsentrasi metana
yang dapat dihasilkan dari substrat karbohidrat yaitu sekitar 50%, dari asam lemak 68%
dan dari protein 70%. Konsentrasi metana yang teramati dari prakteknya jauh lebih tinggi
dari perhitungan di atas, karena ada bagian dari CO2 yang bereaksi pada fase cair. Pada
umumnya 85-95% COD keluaran air limbah agro industri dapat terbiodegradasi secara
anaerobik, seperti ditunjukkan oleh neraca karbon (gambar 5.9).
Pada gambar 5.9 terlihat bahwa lebih dari 80% karbon diubah menjadi biogas dan hanya 5-
10% digunakan untuk produksi biomassa. Sintesa biomassa tertinggi terjadi pada air
limbah karbohidrat, sedangkan sintesa lebih rendah pada limbah asam lemak dan protein
(Weiland, 1988).
Anaerobic Reactor100 %
80 -90
%
Carbon in influentCarbon in effluent
Carbon in anaerobicsurplus sludge
5 - 10%
5 - 15%
Carbon in biogas
Gambar 5.9 Neraca Karbon Untuk Proses Biometanasi
7
Biotransformasi yang Terjadi
Pada Pengolahan Biologi (terjadi proses biokimia → tranformasi kimia
yang dilakukan oleh mikroorganisme hidup) biotransformasi yang terjadi :
1. Menyisihkan senyawa organik terlarut
- Digunakan sebagai sumber makanan oleh mikroorganisma yang
ada → sebagian karbon menjadi CO2 dan sisanya menjadi material
sel yang baru
2. Stabilisasi senyawa organik tidak terlarut
- Umumnya dalam air, padatan organik → lumpur, pengolahan
konvensional secara anaerobik, namun belakangan dengan aerob
- Produk akhir stabilisasi : sisa padatan anorganik dan organik
tidak terlarut → karakter mirip humus
3. Merubah senyawa anorganik tidak terlarut
Konversi pospat dan nitrat dan dalam air buangan : penggunaan
pengolahan aerob dan anaerob
8
Proses Pengolahan Biologi
- Proses biologi utama yang digunakan dalam pengolahan air buangan
dibagi menjadi 5 grup : proses aerobik, proses anoxik, proses
anaerobik, kombinasi aerobik, anoxik dan proses anaerobik, proses
menggunakan kolam
- Masing-masing proses dibagi kembali menurut : sistem pertumbuhan
tersuspensi, sistem pertumbuhan lekat atau kombinasi keduanya
Proses-proses Biologi yang sering digunakan untuk pengolahan air buangan
(Tabel) → dari proses-proses yanga ada di alam
Jenis Nama Umum Penggunaan
Proses Aerobik :Pertumbuhan tersuspensi Proses Lumpur aktif Penyisihan BOD karbon
(nitrifikasi)- Konvensional
plug flow)- Complete-mix- Step aeration- Pure oxygen- Sequencing batch
reactor- Contact
stabilization- Extended
aeration- Oxidation Ditch- Deep tank (90 ft)- Deep shaftSuspended growth nitrification
Nitrifikasi
Kolam Aerasi Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)
Digesti Aerobik Stabilisasi, Penyisihan BOD karbon
- Udara (konvensional)- Oksigen murni
Pertumbuhan Lekat Trickling Filter Penyisihan BOD karbon, nitrifikasi
- Low rate- High rateRoughing Filters Penyisihan BOD karbon
9
Rotating Biological Contactors
Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)
Packed Bed Reactors Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)
Kombinasi proses pertumbuhan tersuspensi dan melekat
Proses biofilter aktif Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)
- Proses Trickling filter solid-contact, proses lumpur aktif biofilter, proses seri trickling filter – lumpur aktif
Proses Anoxik :Pertumbuhan tersuspensi Denitrifikasi pertumbuhan
tersuspensiDenitrifikasi
Pertumbuhan lekat Denitrifikasi fixed film DenitrifikasiProses Anaerobik : Pertumbuhan tersuspensi Digesti Anaerobik Stabilisasi, penyisihan BOD
karbonStandard rate, satu tahap Stabilisasi, penyisihan BOD
karbonHigh rate, satu tahap Stabilisasi, penyisihan BOD
karbonDua tahap Stabilisasi, penyisihan BOD
karbonProses kontak Anaerobik Penyisihan BOD karbon, Upflow Anaerobic Sludge Blanket
Penyisihan BOD karbon
Pertumbuhan lekat Proses filter anaerobik Penyisihan BOD karbon, stabilisasi limbah (denitrifikasi)
Expanded Bed Penyisihan BOD karbon, stabilisasi limbah
Kombinasi Proses Aerobik, Anoxik dan AnerobikPertumbuhan tersuspensi Proses satu tahap atau
beberapa tahap, Proses berbagai proses khusus
Penyisihan BOD karbon, nitrifikasi, denitrifikasi dan penyisihan phosphor
Kombinasi Pertumbuhan tersuspensi dan lekat
Proses satu tahap atau beberapa tahap
Penyisihan BOD karbon, nitrifikasi, denitrifikasi dan penyisihan phosphor
Proses kolam Kolam Aerobik Penyisihan BOD karbon Kolam Maturasi (tersier) Penyisihan BOD karbon
(nitrifikasi)Kolam Fakultatif Penyisihan BOD karbon Kolam Anaerobik Penyisihan BOD karbon,
stabilisasi limbah
10
- Penyisihan senyawa organik karbon dalam air buangan biasanya diukur
sebagai (1) BOD, TOC, COD, (2) Nitrifikasi, (3) Denitrifikasi, (4)
Penyisihan phosphor dan (5) Stabilisasi Limbah
Konfigurasi Reaktor
Berdasarkan kondisi pertumbuhan mikroorgansime yang berperan dalam
proses penguraian yang terjadi, bioreaktor dapat diklasifikasikan dalam dua
grup, yaitu :
1. Reaktor pertumbuhan tersuspensi (suspended growth reactor)
2. Reaktor pertumbuhan lekat (attached growth reactor)
ad.1. Dalam reaktor tersuspensi, mikroorganisme tumbuh dan berkembang
dalam keadaan tersuspensi dalam fase cair
ad.2. Dalam raktor pertumbuhan lekat, mikroorganisme tumbuh dan
berkembang diatas suatu media (support) dengan membentuk suatu
lapisan lendir untuk melekatkan diri di atas permukaan media tersebut
mebentuk lapisan biofilm, sehingga reaktor sering juga disebut sebagai
bioreaktor film tetap
- Reaktor aliran kontinu yang diaduk (CSTR = continous stirred tank
reactor) merupakan salah satu jenis reaktor pertumbuhan tersuspensi yang
paling banyak digunakan di dalam pengolahan air limbah selama ini.
Volume air dalam reaktor dijaga agar tetap konstan dengan cara
pengaturan level permukaan air dan kinerja reaktor dikendalikan oleh
waktu detensi hidrolisnya. Pengadukan dilakukan dengan cukup untuk
memperoleh konsentrasi yang uniform di seluruh bagian reaktor, sehingga
reaktor ini sering juga disebut dengan reaktor teraduk sempurna (CMR –
completely mixed reactor)
Efisiensi proses yang lebih baik baik dapat diperoleh dengan
menambah unti pemisahan sel (bak pngendap) yang memungkinkan
dilakukannya pengembalian biomassa yang telah dipisahkan ke dalam
11
bioreaktor. Pada kondisi yang demikian efisiensi proses pengolahan
lebih banyak ditentukan oleh waktu retensi sel dalam sistem (umur sel)
daripada oleh oleh waktu detensi hidrolis. Dalam pengoperasian yang
normal, efluen bak pengendap tidak lagi mengandung konsentrasi
biomassa yang tinggi. Sebagian biomassa ini dibuang secara kontinu.
Proses pengolahan yang menggunakan reaktor jenis ini lebih dikenal
dengan nama proses lumpur aktif
- Reaktor pertumbuhan tersuspensi dapat juga berupa reaktor aliran sumbat
(PFR – plug flow reactor). Di dalam PFR akan terjadi gradien konsentrasi,
baik konsentrasi substrat maupun konsentrasi biomassa, sepanjang aliran
dalam reaktor. Dispersi substrat dan biomassa yang uniform terjadi pada
bidang yang tegak lurus terhadap arah aliran.
- Reaktor pertumbuhan lekat atau bioreaktor film tetap merupakan reaktor
yang dilengkapi dengan media sebagai tempat pertumbuhan
mikroorganisme. Media tersebut dapat terbuat dari plastik atau batu, yang
didalam operasinya dapat terendam sebagian atau seluruhnya, atau hanya
dilewati air saja (tidak terendam sama sekali)
- Packed tower atau trickling filter merupakan reaktor pertumbuhan lekat
yang sejenis, yang medianya sama sekali tidak terndam air. Air yang
diolah hanya melewati permukaan media saja dimana akan tumbuh
mikroorganisme yang melekat di permukaan media. Jika tidak dilakukan
resirkulasi, akan terjadi perubahan lingkungan reaksi yang besar antara
bagian atas dan bagian bawah akibat aktivitas bakteri yang menyisihkan
substrat. Resirkulasi efluen ke bagian awal awal (atas) reaktor
menghasilkan kecenderungan untuk mengurangi perubahan lingkungan
reaksi antara bagian atas dan bagian bawah. Semakin tinggi resirkulasinya
akan menjadikan lingkungan reaksi di seluruh bagian reaktor akan
semakin homogen.
12
Kinetika raktor jenis ini sangat dipengaruhi oleh cara resirkulasi aliran.
Untuk mencapai kondisi yang stabil, secara kontinu mikroorganisme
akan terlepas dari permukaan media. Mikroorganisme yang terlepas ini
dipisahkan terlebih dahulu sebelum efluen diresirkulasi, maka
penyisihan substrat dilakukan terutama oleh mikroorganisme yang
melekat di permukaan media. Tetapi sebaliknya, jika aliran di
resirkulasi terlebih dahulu sebelum mikroorgansime yang terlepas dari
permukaan media tersebut, aliran air akan mirip dengan reaktor
pertumbuhan tersuspensi dan pemisahan substrat akan dilakukan
mikroorganisme yang melekat di permukaan dan yang berada dalam
suspensi.
Di dalam reaktor cakram biologi (RBC – rotating biological cantactor)
yang merupakan satu tipe bioreaktor film tetap, mikroorgansime
tumbuh melekat pada media yang berputar melewati air yang diolah.
Jika bak reaksinya kecil dibandingkan dengan alirannya, kondisi
lingkungan di seluruh bagian relatif uniform. Jika digunakan bak
persegi panjang, kondisi reaktor berubah sepanjang tangki sehingga
keadaan fisiologi mikroorganismenya mungkin berbeda dengan satu
cakram dengan cakram lainnya (resirkulasi biomassa berlaku sebagai
bentuk antara yaitu antara sistem tersuspensi dengan biofilm tetap)
- Masih banyak sistem reaktor yang dapat digunakan. Beberapa diantaranya
merupakan modifikasi dari yang telah diuraikan di atas dan beberapa yang
lain sama sekali berbeda. Di dalam prakteknya, seringkali reaktor-reaktor
tersebut dikombinasikan pemakaiannya dengan konfigurasi menurut
tujuan yang dikehendaki.
Gambar Konfigurasi Reaktor
13
Nama Umum untuk berbagai sistem pengolahan biologi
Di dalam pengolahan air buangan secara biologi ada sembilan nama yang
umum dipergunakan, yaitu :
a. Aerated lagoon (kolam aerasi)
b. Lumpur aktif
14
c. Digesti aerobik
d. Trickling filter
e. Cakram biologi (RBC – Rotating Biological Contactor)
f. Nitrifikasi
g. Kolam anaerobik
h. Digesti anaerobik
i. Denitrifikasi
a. Aerated lagoon
Aerated lagoon secara umum dapat diklasifikasikan sebagai reaktor yang
tercampur sempurna tanpa resirkulasi sel (lumpur). Biasanya merupakan
waduk yang luas dengan dasar dan dinding tanah, yang diaduk dan sekaligus
diaerasi dengan menggunakan Aerator permukaan (surfaca aerator).
Penyisihan bahan organik terlarut akan sangat baik jika waktudetensi hidrolis
yang diaplikasikan cukup panjang. Apabila aerated lagoon dipergunakan
sebagai satu-satunya unit pengolahan air buangan, maka unit ini perlu
dilengkapi dengan dengan unit untuk memisahkan mikroorganisme yang
biasanya menggunakan suatu kolam yang luas dan tenang. Jika unit ini hanya
dipergunakan sebagai satu-satunya unti pengolahan pendahuluan, maka
mikroorganisme akan dibiarkan terbuang bersama-sama efluennya.
Aerated lagoon digunakan terutama untuk tujuan memisahkan bahan organik
terlarut yang terkandung dalam air buangan yaitu dengan cara mengubahnya
menjadi sel-sel mikroorganisme. Perbedaan utama dengan lumpur aktif
adalah bahwa di dalam aerated lagoon, mikroorgansime tumbuh dalam
keadaan terdispersi, sedangkan di dalam lumpur aktif mikroorgansime
tumbuh dalam keadaan tergumpal (flok)
b. Lumpur Aktif
15
Nama lumpur aktif umumnya digunakan untuk menyatakan suatu gumpalam
(flok) mikroorganisme aerob yang menyisihkan bahan organik dari dalam air
buangan dan kemudian dipisahkan dengan cara pengendapan. Lumpur aktif
sangat tepat digunakan untuk pemisahan bahan organik terlarut, sedangkan
yang tak terlarut dapat dipisahkan dengan cara yang lebih mudah dan murah
yaitu dengan cara pengendapan.
Sering sekali air buangan yang mengandung bahan organik terlarut dan tak
terlarut. Jika konsentrasi bahan organik terlarut lebi besar dari 50 mg/l
sebagai COD yang dapat terurai secara biologi, proses lumpur aktif dapat
digunakan untuk penyisihannya. Dalam keadaan ini lumpur aktif memang
lebih ekonomis untuk penyisihan bahan organik tak terlarut karena akan dapat
teradsorpsi atau terperangkap di dalam flok-flok mikroorganisme yang
terbentuk. Kinetika proses masih dikendalikan oleh konsentrasi bahan organik
dengan cara pengendapan.
Lumpur aktif pertama kali digunakan di dalam sistem batch. Pada setiap akhir
perioda aerasi terdapat lumpur yang tertinggal di dalam reaktor sesudah
diendapkan dan filtratnya dibuang. Ketika prosedure batch tersebut diulang,
terjadi penumpukkan lumpur di dalam reaktor dan menghasilkan penyisihan
bahan organik yang lebih baik dalam waktu yang sama. Meskipun
pertambahan efisiensi penyisihan tersebut terjadi sesuai dengan pertumbuhan
mikroorgansime yang viable namun pada saat itu belum diketahui peneliti-
peneliti terdahulu yang menyatakan bahwa lumpur menjadi aktif, yang
kemudian digunkanan namanya sampai saat ini. Walaupun sudah sangat
jarang dipakai sistem batch masih dipergunakan terutama di dalam instalasi
kecil.
Perkembangan berikutnya, sesuai dengan kebutuhan dikembangkan sistem
aliran kontinu dengan menggunakan bak aerasi yang panjang yang mirip
dengan reaktor aliran sumbat (plug flow). Selanjutnya dilakukan berbagai
modifikasi bak aerasi untuk memperoleh suatu tangki yang teraduk sempurna
16
(CSTR) yang sesungguhnya diperlukan untuk suatu proses lumpur aktif.
Berbagai modifikasi proses lumpur aktif yang banyak digunakan adalah
oxidation ditch dan kontak stabilisasi.
Digesti Aerobik
Proses ini terjadi dalam reaktor pada kondisi aerobik untuk menguraikan
bahan organik tak terlarut (solid). Pada umumnya digesti aerobik
menggunakan reaktor CSTR dengan waktu detensi sel yang panjang sehingga
cukup untuk mengubah karbon organik menjadi CO2. Apabila solid tersebut
adalah bakteri yang dibuang dalam pengolahan, proses reduksi yang terjadi
adalah hasil fase endogenous. Digesti aerobik sering digunakan untuk
menguraikan kelebihan lumpur aktif yang terbentuk di dalam pengolahan
buangan organik terlarut. Kadang-kadang digesti aerobik berlangsung dalam
reaktor yang sama yang digunakan untuk penyisihan organik terlarut. Dalam
hal ini prosesnya disebut „extended aeration activated sludge“ atau nitrifikasi
biasanya juga dapat berlansung dalam situasi yang demikian.
Trickling Filter
Trickling filter merupakan nama yang umum dipakai untuk bioreaktor film
tetap yang menggunakan packed tower. Sampai tahun 1960-an, trickling filter
menggunakan batu sebagai media supportnya yang tingginya terbatas
sampaikurang lebih 1,80 m. Pada akhir-akhir ini banyak digunkana media
plastik yang bentuknya menyerupai kotak telur dan memungkinkan terjadinya
aliran udara yang sempurna di antara media tersebut. Dengan menggunakan
media plastik yang bentuknya menyerupai kotak telur dan memungkinkan
terjadinya aliran udara yang sempurna di anatara media tersebut. Dengan
menggunakan media plastik ini, ketinggian trickling filter dapat diperbesar
sampai 6 m, karena media ini ringan dan mempunayi rongga kososng yang
besar.
17
Air yang diolah mengalir di anatara media dan membasahi permukaannya
sehingga memungkinkan berlangsungnya pertumbuhan mikroorganisme di
atas permukaan media tersebut serta menguraikan bahan organik yang
terkandung dalam air yang diolah yang digunakan sebagai sumber karbon dan
energi. Trickling filter banyak dipergunakan untuk mengolah air buangan
domestik, dalam instalasi yang berukuran kecil sampai sedang, guna
memperoleh biaya pengolahan yang minimum. Sejak plastik dipergunakan
sebagai media penyangga, banyak trickling filter yang dibangun sebagai unit
pengolahan pendahuluan karena kemampuannya menurunkan konsentrasi
buangan dengan biaya yang relatif murah.. Trickling filter tidak dapat
melakukan degradasi bahan organik tak terlarut sehingga tidak dapat
dipergunkan untuk tujuan tersebut.
Cakram Biologi (RBC)
Cakram biologi merupakan aplikasi terbaru dari reaktor pertumbuhan lekat
(bioreaktor film tetap) yang dipergunakan untuk penyisihan bahan organik
terlarut. Mikroorganisme tumbuh di atas cakram yang berputar dan mengubah
bahan organik terlarut menjadi energi dan sel-sel baru. Seluruh aplikasinya
mirip dengan trickling filter yang dipergunakan sebagai unit pengolahan
pendahuluan sampai pengolahan lengkap.
Nitrifikasi
Nitrifikasi lebih merupakan jenis reaksi, terjadi jika ion amonium dalam air
buangan diubah menjadi nitrit dan nitrat dengan bantuan bakteria autotrof.
Nitrifikasi menjadi lebih populer saat ini karena meningkatnya keperluan
pengendalian kandungan nitrogen di dalam air. Nitrifikasi dapat berlangsung
di dalam berbagai tipe reaktor yang mempunyai kondisi aerob. Dengan
demikian nitrifikasi dapat berlangsung secara simultan dengan penyisihan
bahan organik baik terlarut maupun tak terlarut.
18
Kontak Aneerob
Proses ini digunakan untuk menyisihkan bahan organik terlarut pada kondisi
anaerob. Dapat pula digunkan untuk mengolah air buangan yang mengandung
campuran bahan organik terlarut dan tak terlarut sebagaimana yang dilakukan
di dalam proses lumpur aktif. Kontak anaerob tepat digunakan sebagai
metoda pengolahan pendahuluan untuk air buangan yang mengandung COD
lebih besar dari 4000 mg/l, akan tetapi lebih kecil dari 50.000 mg/l, karena
lebih murah daripada lumpur aktif maupun metoda penguapan. Keuntungan
utama dibandingkan lumpur aktif adalah energi yang dibutuhkan lebih kecil
dan produksi lumpurnya lebih sedikit. Pengolahan berikutnya dipergunakan
untuk efluen kontak anerob karena banyak produk hidrolisis yang masih
tertinggal dalam larutan.
Digesti Anaerob
Proses ini banyak digunakan untuk stabilisasi bahan organik tak terlarut. Ada
dua grup utama bakteria yang berada di dalam biakan ini, yaitu yang
bertanggung jawab terhadap hidrolisis padatan (solid) dengan hasil akhir
utama dalam bentuk terlarut, asam lemak rantai pendek dan residu tak terlarut
yang mirip humus dan yang bertanggung jawab terhadap konversi asam
lemak menjadi gas methan. Digesti anaerob merupakan cara yang tertua
dalam pengolahan air buangan yang sampai saat ini pengendalian prosesnya
masih tetap menjadi subyek penelitian, karena melibatkan ekosistem yang
kompleks. Perencana saat ini memilih CSTR untuk proses ini karena CSTR
dengan CSTR dapat diperoleh kondisi lingkungan yang seragam. Kebanyakan
digesti anaerobik dibuat tanpa resirkulasi solid, namun demikian resirkulasi
solid tetap populer karenareaktor yang diperlukan dapat menjadi lebih kecil.
Penggunaan reaktor dua tingkat perlu dipertimbangkan agar setiap tingkat
dapat dioperasikan pada kondisi optimum untuk setiap grup bakteria.
19
Denitrifikasi
Proses ini merupakan konversi nitrit menjadi gas N2. Apabila proses ini dapat
dilangsungkan, maka penyisihan senyawa nitrogen dari dalam air akan dapat
terlaksana dengan mudah, karena proses nitrifikasi merupakan proses yang
relatif mudah dilaksanakan dan gas N2 yang terbentuk dalam proses
denitrifikasi dapat mudah disingkirkan dari dalam air.
Konversi nitrit dan nitrat menjadi gas N2 dilaksanakan oleh mikroorganisme
yang melakukan respirasi anaerob. Jika bakteria fakultatif ditempatkan dalam
kondisi anaerob, sebagian akan mempergunakan ion anorganik sebagai
terminal penerima elektron.
Di dalam reaktor denitrifikasi, kondisi anaerob dipelihara dan bahan organik
perlu ditambahkan sampai tercapainya kebutuhan secara stoichiometri untuk
konversi nitrat menjadi gas N2 dan tidak memungkinkan terjadinya konversi
sulfat menjadi sulfida. Beberapa penelitian saat ini tengah mengarahkan
penggunaan CSTR dengan resirkulasi sel dan bioreaktor tetap untuk
melangsungkan proses denitrifikasi.
DASAR-DASAR MIKROBIOLOGI
Tujuan pengolahan air buangan adalah untuk menghilangkan polutan dari air.
Umumnya polutan air buangan yang menjadi perhatian utama adalah material
organik terlarut dan tidak terlarut, berbagai bentuk nitrogen dan phosphor dan
senyawa tidak terlarut inert. Dalam kebanyakan kasus baik material organik
terlarut dan tidak terlarut seperti juga nitrogen dan dihilangkan melalui
pengolahan biologi jika lingkungannya memenuhi bagi organisme yang ada.
Beberapa senyawa phosphor dapat dihilangkan juga, menjadi masa sel baru,
tetapi persentrase penyisihan lebih kecil dibandingkan penyisihan nitrogen
dan material organik.
Untuk merencanakan proses pengolahan air buangan yang efektif, dibutuhkan
pemahaman dasar mengenai : (1) kebutuhan nutrisi mikroorganisme, (2)
20
faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikroba (3)
metabolisme mikroorganisme dan (4) hubungan antara pertumbuhan mikroba
dan penggunaan substrat
Kebutuhan nutrisi
Seluruh proses biologi yang digunakan dalam pengolahan air buangan
mempunyai mikroorganisme dengan kebutuhan nutrisi dasar. Contohnya pada
proses lumpur aktif, suspensi mikroba diaerasi dalam air buangan yang
mengandung senyawa organik terlarut dan koloid. Selama perioda aerasi
material organik disisihkan oleh mikroorganisme dan digunakan untuk
mendukung kehidupannya dan pertumbuhannya. Setelah itu mikroorganisme
dipisahkan dari air buangan dan larutan yang bebas dari kontaminasi
dilairkan.
Untuk mikroorganisme fungsi nutrien antara lain :
1. menyediakan material yang dibutuhkan untuk sintesa material
sitoplasma
2. sebagai sumber energi bagi pertumbuhan sel dan reaksi biosintesa
3. sebagai penerima elektron yang dilepaskan dalam reaksi yang
menghasilkan energi
Untuk reproduksi dan berfungsi secara layak suatu organisme harus
mempunyai :
1. sumber energi
2. karbon untuk sintesis material seluler baru
3. elemen anorganik (nutrien) seperti nitrogen, fosfor, sulfur, kalium,
calsium dan magnesium
Klasifikasi kebutuhan nutrien mikroorganisme dapat dilihat pada tabel
Fungsi Sumber
Sumber Energi Senyawa organik
21
Senyawa anorganik
Sinar matahari
Akseptor elektron O2
Senyawa organik
Kombinasi oksigen anorganik ( )
Sumber Karbon
Senyawa organik
Trace elemen & Faktor Pertumbuhan seperti vitamin
Nutrien organik juga dibutuhkan untuk sintesis sel. Karbon dan sumber
energi, termasuk substrat, nutrien, dibanding karbon atau sumber energi dapat
merupakan material pembatas untuk sintesis sel dan pertumbuhan mikroba.
Nutrien anorganik utama yang dibutuhkan oleh mikroorganisme yaitu N, S, P,
K, Mg, Ca dan Cl. Nutrien minor penting yaitu Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni,
V dan W. Selain nutrien anorganik di atas, nutrien organik juga diperlukan
oleh beberapa organisme. Nutrien organik yang diperlukan dikenal sebagai
„faktor pertumbuhan“ adalah komponen yang diperlukan oleh organisme
sebagai prekursor atau komponen material sel organik yang tidak dapat
disintesis dari sumber karbon lain. Meskipun kebutuhan faktor pertumbuhan
berbeda dari satu organisme dengan yang lain, faktor pertumbuhan utama
dibagi menjadi 3 kelas : (1) asam amino, (2) purin dan pirimidin dan (3)
vitamin
Berdasarkan kebutuhan nutrisi, mikroorganisme dibagi menjadi klasifikasi
khusus. Berdasarkan bentuk kimia dari karbon yang dibutuhkan,
mikroorganisme diklasifikasikan sebagai :
22
1. Autotroph, yang menggunakan CO2 atau sebagai sumber karbon
satu-satunya dan dari senyawa ini membentuk biomolekul yang
mengandung karbon atau,
2. Heterotroph, dimana organisme ini membutuhkan karbon dalam bentuk
yang relatif komplex, direduksi menjadi komponen organik seperti glukosa
Berdasarkan sumber energi yang dibutuhkan, mikroorganisme
diklasifikasikan sebagai,
1. Phototroph, dimana organsime menggunakan cahaya sebagai sumber
energi mereka atau,
2. Chemotroph, dimana organisme menggunakan reaksi oksidasi-reduksi
untuk menyediakan energi mereka
Chemotroph lebih lanjut diklasifikasikan berdasarkan jenis komponen
kimia yang dioksidasi (misalnya donor elektron), seperti
Chemoorganotroph yaitu organisme yang menggunakan molekul
organik komplex sebagai donor elektron mereka
Chemoautotroph menggunakan molekul anorganik sederhana seperti
hidrogen sulfida atau amonia
Beberapa tipikal reaksi untuk berbagai klasifikasi mikroorganisme
dapat dilihat pada tabel.
Reaksi mikroba Klasifikasi berdasarkan nutrisi
Sel-sel baruAotrotroph, fotosintesa
Sel-selRespirasi seluler, aerobik
Heterotroph (chemoorganotroph), aerobikHeterotroph, anaerobik, fermentasiHeterotroph, anaerobik, fermentasiHeterotroph, anaerobik, intermolekuler, oksidasi-reduksi
23
Autotroph, chemosintetis (chemoautotroph), aerobikChemoautotroph, anaerobik
Enzim-enzim mikroba
Seluruh aktivitas sel mikroba tergantung pada penggunaan makanan dan
reaksi-reaksi kimia yang terlibat dikontrol oleh enzim-enzim. Enzim-enzim
adalah protein yang diproduksi oleh sel-sel yang berfungsi sebagai katalis
untuk mempercepat reaksi-reaksi khusus (laju reaksi). Enzim-enzim bersifat
spesifik yang hanya akan mengkatalis reaksi-reaksi tertentu dan akan
berfungsi hanya pada satu jenis substansi. Terdapat kombinasi dalam waktu
yang singkat, biasanya ratusan dalam satu detik antara perubahan enzim dan
kimiawi. Selama kombinasi ini terjadi reaksi-reaksi kimia dan terbentuk
senyawa-senyawa baru. Hanya sedikit daya tarik antara senyawa baru dan
enzim, sehingga enzim segera dibebaskan untuk berkombinasi dengan
molekul substansi yang lain yang mempunyai spesifitas yang sesuai.
Enzim mikroba mengkatalis tiga jenis reaksi : hidrolitis, oksidatif dan sintetis.
Enzim-enzim hidrolitis digunakan untuk menghidrolisis substansi makanan
tidak terlarut komplex menjadi komponen larut sederhana yang dapat melalui
membran sel ke dalam sel melalui difusi. Enzim-enzim ini biasanya
dilepaskan oleh mikroorganisme ke medium sekeliling dan disebut sebagai
enzim extrasesusel, sedangkan enzim intraseluler dibebaskan hanya jika sel
terpisah. Reaksi hidrolisis meliputi penambahan air ke komponen komplex
dan memecahkannya menjadi produk yang lebih mudah larut dan sederhana.
Reaksi-reaksi pembentukan energi dikatalis oleh enzim intraseluler dan
reaksi-reaksi ini menyediakan energi untuk pemeliharaan dan pertumbuhan
mikroorganisme. Seluruh reaksi-reaksi tersebut meliputi reaksi oksidasi dan
reduksi, dimana penambahan atau penghilangan oksigen atau hidrogen
merupakan hal utama. Kebanyakan mikroorganisme mengoksidasi
makanannya melalui penghilangan hidrogen dari molekul secara enzimatis.
24
Enzim-enzim ini disebut dehidrogenase menghilangkan hidrogen dari
komponen, sebuah atom pada waktu tertentu dan meneruskannya dari satu
enzim ke yang lain sampai digunakan untuk mereduksi penerima hidrogen
akhir. Penerima hidrogen akhir ditentukan oleh sifat aerobik atau anaerobik
dari medium disekelilingnya dan karakter sel yang melakukan reaksi. Pada
reaksi aerobik, oksigen adalah penerima hidrogen akhir dan terbentuk air.
Pada kondisi anaerobik, komponen yang dioksidasi menerima hidrogen dan
terbentuk komponen yang direduksi.
Energi dibebaskan selama oksidasi dan energi dikonsumsi selama reduksi.
Hasil neto adalah energi yang lebih besar dibebaskan dibandingkan yang
digunakan dan kelebihannya akan digunakan oleh sel.
Sintesis material seluler baik untuk pemeliharaan sel dan untuk sel baru
dikatalisasi oleh enzim sintesis intraseluler. Sangat banyak jumlah enzim
yang dibutuhkan untuk sintesis beberapa jenis komponen komplex ditemukan
dalam sel-sel mikroba. Sejumlah besar energi dibutuhkan untuk reaksi sintesis
yang didapatkan dari oksidasi yang terjadi selama metabolisme.
Aktivitas enzim dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, terutama suhu, pH, dan
kehadiran ion-ion tertentu seperti , Mg2+ atau Ca2+. Pengaruh suhu
diperlihatkan pada gambar ... Setiap enzim mempunyai rentang pH
operasinya. Beberapa sangat aktif dalam medium asam, yang lain pada
kondisi netral dan yang lain pada kondisi basa. Jika pH meningkat atau turun
di luar kondisi optimum, aktivitas enzim menurun sampaimenghilang. Ion-ion
yang tertulis di atas dapat mempercepat aksi beberapa enzim dan dibutuhkan
untuk aktivitas lainnya. Selain itu, garam-garam logam berat seperti HgCl2
dan CuSO4 akan menghambat enzim. Karena enzim dipengaruhi oleh kondisi
lingkungan, pengaruh lingkungan terhadap pertumbuhan mikroba ssangat
signifikan dan harus dipertimbangkan dalam disain pengolahan biologi.
Pengaruh lingkungan terhadap Pertumbuhan Mikroba
25
Laju pertumbuhan
Temperatur optimum
temperatur
Lingkungan fisik dimana mikroorganisme berada sangat mempengaruhi
proses pertumbuhan mereka. Oleh sebab itu, untuk menjamin efisiensi
pengolahan yang optimum, lingkungan yang layak harus disediakan dalam
proses pengolahan biologi. Sehubungan hal tersebut, suhu, kebutuhan oksigen
dan pH merupakan bahan pertimbangan yang paling penting.
Pengaruh Suhu
Seluruh proses pertumbuhan tergantung pada reaksi kimia dan laju reaksi-
reaksi ini dipengaruhi oleh temperatur. Gambar .... memperlihatkan pengaruh
temperatur terhadap laju pertumbuhan. Gambar ini merefleksikan suatu
temperatur minimum di bawahnya pertumbuhan tidak terjadi. Ketika
temperatur naik, suatu titik akan dicapai dimana laju pertumbuhan adalah
maximum. Temperatur pada titik ini disebut temperatur optimum. Jika
temperatur terus naik, komponen sel yang sensitif terhadap panas seperti
enzim-enzim akan berubah dan laju pertumbuhan turun dengan cepat. Suatu
temperatur maximum di atasnya pertumbuhan tidak terjadi biasanya setelah
temperatur meningkat sedikit dari nilai temperatur optimum.
Gambar Pengaruh temperatur tehadap
laju Pertumbuhan mikroba
Berdasarkan rentang temperatur dimana mereka dapat berkembang biak,
bakteri dapat diklasifikasikan sebagai psychrophilic, mesophilic, atau
thermophilic. Gambar 2.2. menunjukkan rentang temperatur yang dapat
diterima pada masing-masing klas bakteri. Bagian yang diarsir dalam masing-
26
masing rentang menunjukkan temperatur optimum yaitu temperatur dimana
pertumbuhan paling cepat selama suatu jangka waktu yang singkat (12
sampai 24 jam). Pada masing-masing kelas, facultative thermophile dan
facultative psychrophile merupakan bakteri yang mempunyai temperatur
optimum yang berkembang menjadi rentang mesophilic. Temperatur
optimum untuk obligate thermophiles dan obligate psychrophiles terletak di
luar rentang mesophilic.
Gambar Rentang Temperatur Reproduksi Bakteri Psychrophilic, Mesophilic, Thermophilic
Kebutuhan Oksigen
Ketidak hadiran atau kehadiran molekul oksigen membagi organisme menjadi
tiga klas yang berbeda. Lebih spesifiknya, mikroorganisme dapat
diklasifikasikan berdasarkan akseptor elektronnya. Organisme yang
menggunakan molekul oksigen sebagai akseptor elektron mereka dikenal
sebagai aerob, sedangkan organisme yang menggunakan molekul selain
oksigen dikenal sebagai anaerob. Organisme Fakultatif dapat menggunakan
baik oksigen atau beberapa senyawa kimia lain sebagai akseptor elektron
-15 0 15 30 45 60 75
Fakultatif thermophile
Obligate thermophile
Mesophile
Facultative psychrophile
Obligate psychrophile
Temperatur (ºC)
27
90
mereka. Mekipun demikian, pertumbuhan organisme ini lebih efisien pada
kondisi aerob. Aerob obligate tidak mampu untuk tumbuh tanpa kehadiran
oksigen dan anerob obligate dihambat oleh kehadiran oksigen. Sejumlah kecil
mikroorganisme tumbuh sangat baik pada konsentrasi oksigen yang sangat
rendah, mikroorganisme ini disebut ebagai microaerophilic.
Pada prinsipnya akseptor elektron yang digunakan oleh mikroorganisme
adalah menyempurnakan hasil reaksi, sehingga sejumlah energi menjadi
tersedia untuk pertumbuhan dan mendukung kehidupan. Di antara
mikroorgansime heterotroph, aerobik dan fakultatif biasanya mengoksidasi
makanan seluruhnya, sedangkan fermenter anaerobik tidak. Perbedaan
pembentukan energi dapat dilihat melalui perbandingan persaman
metabolisme glukosa berikut :
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 689.000 cal
C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2 + 31.000 cal
Pada persamaan pertama oksidasi komponen berlangsung sempurna, sehingga
jumlah energi yang dilepaskan maximum. Oksidasi sempurna dapat juga
terjadi melalui oksidasi reduksi intermolekuler fakultatif seperti yang
diperlihatkan pada persamaan dalam tabel..., meskipun terdapat sisa
komponen yang direduksi dan energi yang dihasilkan lebih sedikit. Beberapa
bakteri autotroph aerobik dapat mengokidasi sempurna komponen anorganik
yang digunakan untuk energi. Thiobabacillus thiooxidans adalah contohnya :
2 S + 2 H2O + 3 O2 → 2 H2SO4 + 237.000 Kal
Namun, Nitrosomonas, hanya mengoksidasi sebagian amonia pada kondisi
aerobik :
3 NH3 + 3 O2 → 2 HNO3 + 2 H2O + 66.500 Kal
Pengaruh pH
Pada umunya bakteri dan proses pengolahan air buangan, rentang pH ekstrim
untuk pertumbuhan berada diantara 4 dan 9. pH optimum untuk pertumbuhan
28
biasanya terletak antara 6,5 dan 7,5. Wilkinson (1975) menyarankan bahwa
bakteri tumbuh paling baik jika pH berada pada kondisi sedikit basa,
sedangkan alga dan jamur tumbuh paling baik jika pH sedikit asam. Proses
pengolahan biologi jarang beroperasi pada kondisi pertumbuhan optimum,
namun pengalaman pada skala sebenarnya memperlihatkan lumpur aktif
dengan perpanjangan aerasi dan sistem aerated lagoon dapat beroperasi
dengan baik jika pH diantara 9,5 dan 10,5. Sebaliknya kedua sistem sangat
rentan pada pH di bawah 6,0. Gambar ... menggambarkan pengaruh pH pada
laju pertumbuhan kebanyakan mikroorganisme. Respon tersebut
dikorelasikan terhadap perubahan aktivitas enzim dengan pH. Konsentrasi ion
hidrogen dianggap menjadi salah satu faktor terpenting yang mempengaruhi
aktivitas enzim.
Penelitian Randall dkk (1972) menunjukkan sistem filament melekat,
terutama jamur dapat memetabolisme senyawa organik sampai pH 2,65. Juga
ditunjukkan bahwa jenis yang sama dapat beroperasi dengan efisien pada pH
di atas 9,0 (kato dan Kekikawa, 1967). Oleh karena itu, kebanyakan proses
konvensional biasanya beroperasi pada rentang pH yang sempit, adalah
mungkin untuk mengolah air buangan organik pada rentang pH yang lebih
lebar.
pH
Laju pertumbuhan
29
Metabolisme Mikroba
Organisme heterotroph dikelompokkan sehubungan dengan jenis
metabolisme mereka dan kebutuhan molekul oksigen. Organisme ini
menghasilkan energi melalui enzim dengan perantara transport elektron dari
suatu donor elektron ke akseptor elektron external, yang disebut mempunyai
metabolisme respiratory. Sebaliknya metabolisme fermentasi tidak
melibatkan peran serta akseptor elektron external. Fermentasi merupakan
proses penghasil energi yang kurang efisien dibanding respirasi, akibatnya
organisme heterotrop yang strict fermentative ditandai dengan laju
pertumbuhan dan menghasilkan sel lebih rendah dibanding heterotrop
respiratory.
Jika molekul oksigen digunakan sebagai akseptor elektron dalam
metabolisme respirasi, disebut proses respirasi aerobik. Organisme yang
tergantung pada respirasi aerobik untuk memenuhi kebutuhan energi dapat
hidup jika tersedia molekul oksigen. Organisme ini disebut obligate aerobik.
Komponen anorganik yang dioksidasi seperti nitrat dan nitrit dapat berfungsi
sebagai elektron akseptor pada beberapa organisme respiratory tanpa adanya
molekul oksigen, organsime ini dikenal sebagai anoxik.
Organisme yang menghasilkan energi fermentasi dan dapat beraada di
lingkungan tanpa oksigen adalah anaerobik obligate. Facultative anaerob
mempunyai kemampuan untuk tumbuh, baik ada maupun tanpa oksigen.
Organisme Facultative dibagi menjadi dua grup, berdasarkan kemampuan
metabolimenya. Anaerob facultative sesungguhnya dapat berubah dari
metabolisme fermentative menjadirespiratory aerob tergantung pada
kehadiran atau tanpa molekul oksigen. Anaerob aerotolerant mempunyai
metabolisme strict fermentative dan relatof tidak sensitif terhadap keberadaan
molekul oksigen.
Peranan Mikroorganisma
30
Penyisihan BOD karbon, koagulasi padatan koloid tidak terendapkan dan
stabilisasi senyawa organik dilakukan secara biolig menggunakan berbagai
mikroorganisme, terutama bakteri. Mikroorganisme digunakan untuk
merubah senyawa organik karbon koloid dan terlarut menjadi gas-gas dan
jaringan sel. Karena jaringan sel mempunyai berat jenis sedikit lebih berat
dibanding air, sel yang dihasilkan dapat disisihkan dari cairan yang diolah
oleh pengendapan. Jaringan sel yang diproduksi dari senyawa organik
disisihkan dari larutan, pengolahan lengkap velum menyelesaikannya karena
jaringan sel itu sendiri adalah organik, yang akan diukur sebagai BOD dalam
efluen. Jika jaringan sel tidak disisihkan, satu-satunya pengolahan yang telah
dicapai adalah sehubungan dengan konversi bakteri dari bagian senyawa
organik awal menjadi berbagai produk akhir gas.
Mikroorganisme penting dalam pengolahan biologi
Berdasarkan struktur dan fungsi sel, mikroorgansime biasanya
diklasifikasikan sebagai eucaryote, eubacteria dan archaebacteria. Grup
procaryote (eubacteria dan arachbacteria) adalah berperan penting dalam
pengolahan biologi dan biasanya untuk menyederhanakan disebut sebagai
bakteri. Grup eucaryot meliputi tumbuhan, binatang dan protista. Eucaryote
yang penting dalam pengolahan biologi terdiri dari jamur, protozoa dan algae.
31
Bakteri
Bakteri merupakan organisme procaryote barsel tunggal. Bereproduksi
sebagian besar dengan membelah diri.
Bentuk bakteri dibagi menjadi 3 kategori : speris, silindris dan helix. Ukuran
bervariasi, diameter speris 0,5-1,0 μm, silindris (batang) lebar 0,5-1,0 μm dan
panjang 1,5 – 3 μm dan pada helix (spiral) lebar 0,5-5,0 μm, panjang 6-15
μm.
Struktur sel
Pada umumnya sel-sel bakteri hampir sama seperti yang diperlihatkan gambar
.....Bagian dalam sel, disebut sitoplasma mengandung suspensi koloid protein,
karbohidrat dan senyawa organik komplex lain. Siplasma mengandung asam
ribonukleat (RNA), yang berperanana penting dalam sintesa protein. Dalam
sitoplasma terdapat nukleus yang kaya akan asam doxyribonukleat (DNA).
DNA mengandung seluruh informasi yang diperlukan untuk reproduksi
seluruh komponen sel dan dianggap sebagai pencetak sel.
Komposisi sel
Penetesan sejumlah bakteri yang berbeda menunjukkan mereka terdiri dari
80% air dan 20% material kering yang terdiri dari 90% organik dan 10%
anorganik. Pendekatan rumus untuk sel-sel bakteri adalah C5H7O2N. Seperti
32
ditunjukkan oleh rumus sekitar 53% berat dari fraksiorganik adalah karbon.
Formulasi C60H87O23N12P dapat digunakan jika pospor juga diperhitungkan.
Komponen-komponen anorganik meliputi P2O5 (50%), SO3 (15%), Na2O
(11%), CaO (9%), MgO (8%), K2O (6%) dan Fe2O3 (1%). Karena semua
elemen-elemen dan komponen-komponen ini berasal dari lingkungan,
kekurangan senyawa-senyawa ini akan membatasi atau bahkan merubah
pertumbuhan.
Fungi
Fungi yang berperanan dalam pengolahan biologi adalah multiseluler, non
fotosintesis, protista heterotroph. Jamur biasanya diklasifikasikan berdasarkan
dari jenis reproduksinya. Bereproduksi secara seksual atau asexual, melalui
pembelahan atau pembentukan spora.
Jamur atau fungi sesungguhnya menghasilkan satuan mikroskopik (hyphae)
yang berkumpul membentuk massa filamen yang disebut mycellium. Yeasts
adalah fungi yang tidak dapat membentuk mycellium dan uniseluler.
Kebanyakan fungi merupakan strict aerob. Mereka mempunyai kemampuan
untuk tumbuh pada kelembaban rendah dan pH rendah. pH optimum
kebanyakan spesies adalah 5,6 dengan rentang 2-9. Fungi juga mempunyai
kebutuhan nitrogen yang rendah, sekitar setengah kali bakteri. Kemampuan
fungi untuk bertahan pada pH dan nitrogen rendah, dihubungkan dengan
kemampuan mereka untuk mendegradasi selulosa, membuat mereka sangat
penting dalam pengolahan biologi beberapa limbah industri dalam
pengomposan limbah organik padat.
Protozoa dan Rotifera
33
Protozoa bersifat motile, protista mikroskopik biasanya sel tunggal. Mayoritas
protozoa merupakan heterotroph aerobik, meskipun beberapaq anaerobik.
Protozoa biasanya lebih besar daripada bakteri dan sering mengkonsumsi
bakteri sebagai sumber energi, sehingga protozoa berfungsi sebagai pengolah
efluen dari proses pengolahan biologi dengan mengkonsumsi bakteri dan
senyawa organik partikulat. Rotifer merupakan hewan aerobik, heterotroph
dan multiseluler. Namanya berasal dari kenyataannya bahwa mereka
mempunyai dua kumpulan cilia yang dapat berputar di kepalanya, yang
digunakan untuk bergerak dan menangkap makanan. Rotifer sangat efektif
dalam mengkonsumsi bakteri yang menyebar dan terflokulasi serta partikel
kecil senyawa organik. Keberadaannya di dalam efluen menunjukkan proses
purifikasi biologi aerobik yang sangat efisien.
Alga
Alga merupakan protista uniseluler atau multiseluler, autotroph, fotosintesis.
Mereka berperanan penting dalam proses pengolahan biologi karena dua
alasan. Dalam kolam, kemampuan alga untuk menghasilkan oksigen oleh
fotosintesis adalah vital bagi ekologi lingkungan perairan. Pada kolam
oksidasi aerobik atau fakultatif untuk mengoperasikan secara efektif alga
diperlukan untuk mensuplai oksigen untuk bakteri aerobik, heterotroph.
Hubungan simbiosis alga dan bakteri ................ yang berhubungan dengan
kolam oksidasi aerobik dan fakultatif. Alga juga merupakan proses
pengolahan biologi yang penting, karena masalah pencegahan kelebihan
pertumbuhan alga dalam badan air penerima dititik beratkan pada penyisihan
nitrogen dalam proses pengolahan. Beberapa ahli menganjurkan penyisihan
nitrogen dari efluen instalasi pengolahan yang lain penyisihan phosphor dan
sisanya merekomendasikan penyisihan keduanya. Pemilihan sasaran
pengolahan mempengaruhi jenis proses biologi yang dipilih.
34
35
Kinetika Pertumbuhan Mikroorganisme
Faktor-faktor yang mempengaruhi : sumber energi, sumber karbon, akseptor
elektron external (jika dibutuhkan), lingkungan biokimia yang sesuai
Jika kebutuhan untuk pertumbuhan sesuai, dengan bertambahnya waktu (t),
pertambahan biomassa (x) ~ konsentrasi biomassa yang ada x
(x) ~ x . t …… (1)
Persamaan tersebut dapat disamakan dengan memasukkan konstanta :
(x) = x . t …… (2)
Dengan membagi kedua ruas dengan t dan limit t 0
………(3)
Derivatif (dx/dt)g laju pertumbuhan biomassa (massa/vol.waktu)
Jika xo konsentrasi biomassa pada t = 0, integrasi persamaan 3
ln x = ln xo + t …………(4)
Persamaan 4 diplot x vs t garis lurus dengan slope
………..(5)
………. (6)
= laju pertumbuhan spesifik (waktu-1)
Prtumbuhan yang mengikuti hukum laju dengan persamaan (6)
pertumbuhan exponensial
Declining increasing log declining endogenous lag log growth growth stationary death log death growth growth
log jumlahN sel viabel
waktu waktu
36
Fase Lag : terjadi langsung setelah “inokulasi” dan adaptasi terhadap
lingkungan yang baru, waktu generasi lama, laju pertumbuhan nol
Lama fase lag tergantung umur kultur anokulum (fase exponensial/log),
jumlah inokulum (5-10% volume)
Fase log : sel mulai beradaptasi, sel berlipat ganda dengan cepat
exponensial terhadap waktu (persamaan 6) log jumlah bakteri terhadap
waktu garis lurus
Laju aktivitas metabolisme maximum, karena jumlah nutrien besar pada
fase ini laju pertumbuhan tidak terhgantung nutrien, laju pertumbuhan
exponensial orde 1
Fase ‘declining growth’ : akhir fase log penurunan substrat dan nutrien
esensial, akumulasi produk akhir yang toxik waktu generasi dan laju
pertumbuhan spesifik
Fase stationary : laju pertumbuhan neto nol, laju pertumbuhan = laju
kematian, konsentrasi metabolit toxik tinggi, sel harus mengeluarkan
energi energi membran, bergerak dan memperbaiki kerusakan sel
(energi maintance) metabolisme endogenous
Fase increasing death : reproduksi sel lambat, laju kematian > laju
pertumbuhan, sel-sel mati lisis, nutrien extraseluler medium
digunakan oleh organisme hidup (mulai fase stationer)
Fase log death : Fase increasing death log death, laju kematian
kinetika orde 1
atau ………(7)
Ns = konsentrasi sel pada akhir fase stationer plot ln N vs t garis
lurus, slope = -kd
Monod (1949) kurva pertumbuhan
Meliputi fase exponensial dan declining growth
37
m
Ks konsentrasi substrat, S
Dari persamaan 3 …………… (8)
Dari penelitianlaju pertumbuhan tidak hanya fungsi konsentrasi organisme
juga konsentrasi substrat terbatas, juga konsentrasi pembatas
……………(9)
= laju pertumbuhan spesifik (waktu-1)
m = nilai maximum pada konsentrasi jenuh substrat pembatas
pertumbuhan (waktu-1)
S = sisa konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan massa,
volume-1
Ks = konsentrasi kejenuhan = konsentrasi substrat pada = m/2,
massa volume-1
koefisien ‘yield’ pertumbuhan : …………. (10)
x kenaikan biomassa penggunaan substrat S limit x/S, S 0 :
…………(11)
Biomassa awal (xo), konsentrasi substrat awal (So)
x – xo = Y (S – So) …………(12)
Pada substrat pembatas pertumbuhan, kultur mencapai konsentrasi biomassa
maximum xm, dekat akhir fase declining-growth. Pada titik ini diasumsikan
bahwa konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan adalah nol (S ≈ 0). Pada
kondisi ini persamaan 12 menjadi :
xm – xo = Y (S – So) …………(13)
38
Slope =Y
Xo
Konsentrasi awal substrat pembatas pertumbuhan, So
atau xm = xo + YSo ………….(14)
Maka, pada substrat pembatas pertumbuhan, persamaan 14 dengan
memplotkan xm versus So akan memberikan garis linier dengan slope Y
seperti yang diperlihatkan pada gambar ..... Jika garis linier ini dibagi pada
konsentrasi substrat tinggi, faktor-faktor selain daripada konsentrasi substrat
adalah pembatas pertumbuhan di wilayah ini.
Gambar . Pengaruh Konsntrasi
substrat
pembatas
terhadap
Pertumbuha
n Biomassa
Penggunaan substrat pada kultur mikroba
Pirt (1975) memperkirakan bahwa pada pertambahan waktu ∆t, pertambahan
konsentrasi substrat, ∆S sebanding dengan konsentrasi biomassa yang ada x,
∆S ∞ x ∆t .........(15)
Persamaan 15 dapat ditulis sebagai persamaan dengan memasukkan konstanta
q : ∆S = q x ∆t .........(16)
39
Membagi kedua sisi persaman 16 dengan ∆t dan mengambil limit ∆t → 0,
.............(17)
Turunan (dS/dt)u mewakili laju penggunaan substrat dan mempunyai dimensi
massa volume-1waktu-1. Persamaan 17 menjelaskan bahwa laju penggunaan
substrat fraksional x-1(dS/dt)u pada waktu tertentu adalah konstan dan
konstanta ini adalah q :
.............(18)
Parameter q merupakan laju penggunaan substrat per unit jumlah biomassa
dan disebut laju penggunaan substrat spesifik,
Mengingat kembali : .............(8)
dan ...................(11)
Maka hubungan antara laju penggunaan substrat spesifik, laju pertumbuhan
spesifik dan hasil pertumbuhan,
...........(21)
atau ................(22)
Pengaruh Konsentrasi Substrat terhadap Laju Pertumbuhan
Fase pertumbuhan exponensial dalam kultur batch memperkirakan bahwa laju
penggunaan substrat tidak dipengaruhi oleh konsentrasi substrat pada rentang
konsentrasi yang luas ; laju penggunaan substrat mengikuti kinetika orde nol
terhadap konsentrasi substrat. Lebih jauh, karena laju pertumbuhan berkurang
dalam fase pertumbuhan menurun (declining) adalah tidak logis untuk
mengasumsikan bahwa untuk substrat pembatas pertumbuhan, laju
penggunaan substrat akan sebanding dengan konsentrasi substrat saat
konsentrasi substrat rendah. Maka, penggunaan substrat dapat digambarkan
40
melalui persamaan yang mirip dengan persamaan Michaelis-Menten untuk
kinetika enzim,
..........(23)
Dimana qm, adalah laju penggunaan substrat spesifik maximum, yang
diperoleh jika S >>Ks. Substitusi dari persamaan 22 untuk q dan
menggunakan m/Y untuk qm, persamaan 23 menjadi persamaan Monod (12)
yang menggambarkan hubungan antara laju pertumbuhan spesifik dan
konsentrasi substrat.
Energi dan Kebutuhan Sumber Karbon
Pada mikroorganisme heterotroph menunjukkan bahwa substrat berfungsi
sebagai sumber karbon dan energi. Untuk organisme-organisme ini perlu
dibedakan antara fraksi substrat yang digunakan untuk fungsi sintesis (seperti
menyediakan pembentukan blok-blok untuk pertumbuhan organisme) dan
fraksi substrat yang disalurkan menjadi fungsi energi dan selanjutnya
dioksidasi untuk menyediakan energi pada seluruh sel. Perbedaan tersebut
dapat dibuat dengan membuat kesetimbangan substrat yang digunakan selama
pertambahan waktu, ∆t,
..........(24a)
Persamaan 24a, diungkapkan secara matematis adalah :
∆S =(∆S)S + (∆S)g ..............(24b)
Jika ∆x merupakan pertambahan konsentrasi biomassa selama pertambahan
waktu ∆t dan jika kedua bagian persamaan 24b dibagi oleh ∆x, dihasilkan
persamaan,
………….(25)
Jika Y= ∆x/∆S, persamaan 25 menjadi
41
………………(26)
YE bukan merupakan nilai nyata karena tidak ada biomassa yang diproduksi
dari substrat sehubungan dengan persamaan ini. Hal ini lebih menunjukkan
bahwa fraksi substrat yang disisihkan per unit biomassa yang diproduksi yang
disalurkan menjadi energi metabolisme. Maka, hal itu menunjukkan substrat
yang tidak disintesis menjadi sel baru dan nilainya selalu negatif. Juga perlu
diingat bahwa (∆S)s sebanarnya sama dengan ∆x sebenarnya, maka (∆S)s/∆x
selalu 1dan 1/Ys juga sama satuannya. Pirt (1975) melaporkan bahwa
mikroorganisme membutuhkan energi untuk pertumbuhan (sintesis) juga
untuk fungsi pemeliharaan seperti mengembalikan material sel, transport
aktif, motilitas dll. Maka, bagian kanan dari persamaan 25 menjadi,
………..(27)
Dimana (∆S)GE merupakan bagian substrat yang dioksidasi untuk energi yang
digunakan untuk fungsi pertumbuhan dan (∆S)ME merupakan jumlah total
substrat yang disalurkan menjadi fungsi energi pemeliharaan, yang mencakup
energi untuk biomassa yang ada dalam sistem juga sebagai energi untuk
biomassa yang diproduksi selama proses penggunaan substrat. Jika kebutuhan
energi pemeliharaan adalah nol, persamaan 27 mempunyai nilai minimum,
…………….(28)
Ini merupakam kondisi yield optimum, karena bagian substrat kemungkinan
telah dioksidasi untuk menyediakan energi pemeliharaan yang akan
diasimilasi menjadi biomassa baru. Pada kondisi tersebut parameter Y dalam
persamaan 26 akan mempunyai nilai maximum yang merupakan hasil
pertumbuhan yang sebenarnya YT,
……………(29)
Persamaan 24b dapat ditulis kembali dalam bentuk
42
..............(30)
Dimana (dS/dt)u merupakan laju penggunaan substrat seluruhnya, (dS/dt)us
merupakan laju penggunaan substrat untuk sintesis dan (dS/dt)uE merupakan
laju penggunaan substrat untuk energi. Parameter ini merupakan laju
penggunaan substrat untuk energi, yang selanjutnya dipisahkan,
................(31)
Dimana (dS/dt)uGE adalah laju penggunaan substrat untuk energi pertumbuhan
dan (dS/dt)uME merupakan laju penggunaan substrat untu energi pemeliharaan.
Asumsi bahwa hubungan antara jumlah substrat yang digunakan sebagai
pembentukan material sel baru dan energi yang dibutuhkan untuk
pertumbuhan adalah konstat, (dS/dt)uGE dan (dS/dt)uS dapat dikombinasikan
menjadi,
....................(32)
(dS/dt)uG merupakan laju penggunaan substrat untuk fungsi pertumbuhan yang
mencakup substrat untuk pembentukan blok pada meterial sel baru juga
substrat dioksidasi untuk menyediakan energi untuk sintesis. Pirt
mengemukakan bahwa laju penggunaan substrat untuk energi pemeliharaan
sebanding dengan biomassa yang ada
..................(33)
Dimana b adalah konstanta pembandinga yang merupakan substrat yang
digunakan untuk fungsi energi per unit biomassa per unit waktu yaitu laju
penggunaan substrat spesifik untuk energi pemeliharaan. Parameter b
mempunyai dimensi waktu-1 . Substitusi ke persamaan 30 dari persamaan 31,
32 dan 33 memberikan
..................(34)
Persamaan 11 dan 14 menunjukkan,
43
...........................(35)
Substitusi pada (dS/dt)u dan (dS/dt)uG dalam persamaan 34 dari persamaan 35
menghasilkan persamaan berikut,
.....................(36)
Dimana Yg adalah konstanta yaitu fraksi substrat yang disisihkan yang
disalurkan menjadi fungsi pertumbuhan. Ini meliputi substrat yang digunakan
untuk sintesis juga sebagai substrat yang dioksidasi untuk menyediakan
energi untuk sintesis. Pembagian kedua sisi persamaan 36 oleh x
menghasilkan,
..................(37)
Jika q disubstitusi pada μ/Y (lihat persamaan 22), persamaan 37 menjadi,
......................(38)
Parameter Yg dalam persamaan 38 sebenarnya adalah YT, hal ini dapat
digambarkan melalui setelah pertambahan waktu ∆t, terdapat pertambahan
biomassa ∆x dan penurunan substrat ∆S. Hubungan antara metabolisme dan
substrat yang disisihkan dapat dinyatakan secara matematis,
................
(39)
Karena ....................(13)
Dan .............(33)
Maka, ..........(40)
atau ................(41)
44
dimana YA= koefisien variabel hasil yang menggambarkan jumlah biomassa
sebenarnya yang diproduksi per unti substrat yang disisihkan, menghasilkan
persamaan untuk Yg
.............(42)
Pada kondisi dimana semua substrat yang disalurkan ke dalam fungsi
pertumbuhan, adalah jika tidak ada kebutuhan energi pemeliharaan b = 0 dan
YA = YT, maka
................(43)
Atau Yg = YT ................(44)
Maka, ................(45)
Persamaan 45 apabila diplot laju penggunaan substrat spesifi terhadap laju
pertumbuhan substrat akan menghasilkan garis linier dengan slope 1/YT dan
intersep b (gambar ...)
Gambar …Laju penggunaan substrat
Terhadap laju pertumbuhan spesifik
Slope =
b
Laju pertumbuhan spesifik, μ 45
Pemeliharaan ketika Respirasi Endogenous
Untuk menghitung pengurangan produksi biomassa yang diamati bila laju
pertumbuhan spesifik turun, Herbert (1958) telah memperkirakan bahwa
kebutuhan energi pemeliharaan dipenuhi melalui respirasi endogenous; yaitu
komponen seluler dioksidasi lebih untuk memenuhi kebutuhan energi
pemeliharaan dibanding mengoksidasi bagian dari substrat external. Pada
kondisi ini kesetimbangan biomassa dapat dituliskan sbb,
……… (46)
Persamaan 46 dapat dinyatakan dengan basis laju,
.................(47)
Laju dimana biomassa yang hilangmenjadi respirasi endogenous sebanding
dengan biomassa yang ada
..................(48)
Dimana Kd adalah konstanta yang merupakan biomassa yang hilang menjadi
resoirasi endogenous per unit biomassa per unit waktu. Konstanta Kd adalah
koefisien kematian mikroba dan mempunyai dimensi waktu-1. Substitusi pada
(dx/dt)E pada persamaan 47 dari persamaan 48, menghasilkan,
................(49)
Pertumbuhan total (dx/dt)T dapat dinyatakan sebagai,
........................(50)
Karena diasumsikan bahwa semua substrat yang digunakan disalurkan
menjadi fungsi pertumbuha, sedangkan energi untuk pemeliharaan berasal
46
dari oksidasi komponen seluler. Maka, substitusi (dx/dt)T dalam persamaan 49
dari persamaan 50, diperoleh persamaan berikut,
................(51)
Pembagian dua sisi dari persamaan 51 oleh x menghasilkan persamaan,
μ = YTq – Kd .....................(52)
atau .....................(53)
Persamaan ini menunjukkan bahwa laju pertumbuhan yang tinggi (jika μ jauh
lebih besar dari Kd) komponen μ/YT jauh lebih besar daripada komponen
Kd/YT. Ketika pertumbuhan turun, komponen pertama berkurang, mencapai
nol pada μ = 0 dimana q = Kd/YT. Maka, pada laju pertumbuhan spesifik
rendah, μ/YT dalam persamaan 53 rendah menunjukkan bahwa mayoritas
substrat yang digunakan menjadi fungsi pemeliharaan daripada untuk
pertumbuhan (fraksi substrat yang digunakan untuk energi pemeliharaan jauh
lebih besar daripada digunakan pada fungsi pertumbuhan). Persamaan 53 juga
memperlihatkan parameter b dala persamaan 45 sama dengan Kd/YT.
Aplikasi Untuk Disain Proses
Rumus-rumus disain untuk berbagai jenis proses pengolahan biologi dapat
dikembangkan melalui kesetimbangan material untuk kepentingan sistem
khusus.
.................(54)
Dimana
= Laju penggunaan substrat keseluruhan, massa volume-1 waktu-1
k = Laju penggunaan substrat spesifik maximum, yaitu laju
penggunaan substrat maximum per unit biomassa, waktu-1
S = Konsentrasi substrat di sekeliling biomassa, massa volume-1
47
Ks = Konstanta saturasi yang mempunyai angka sama dengan
konsentrasi substrat dimana (dS/dt)u/X = ½k, massa volume-1
x = Konsentrasi biomassa aktif, massa volume-1
Gambar Hubungan antara Laju Penggunaan Substrat dan Konsentrasi Substrat
Persamaan 54 menujukkkan hubungan antara laju penggunaan substrat dan
konsentrasi substrat adalah kontinu ke seluruh rentang konsentrasi substrat,
seperti yang diperlihatkan pada gambar ...
Persamaan 54 sama dengan persamaan 23, yang menggambarkan pengaruh
konsentrasi substrat terhadap laju pertumbuhan dan ditunjukkan juga pada
persamaan Monod (persamaan 12). Parameter k identik dengan parameter qm
dalam persamaan 23. dan akan digunakan untuk seluruh referensi untuk laju
penggunaan substrat spesifik maximum di seluruh buku ini. Pada pembatasan
khasus, jika S jauh lebih besar daripada Ks, K dapat diabaikan dalam jumlah
parameter dalam penyebut di persamaan 54. Dalam kasus ini persamaan 54
menjadi persamaan orde nol terhadap konsentrasi substrat.
................(55)
k
k/2
Laju maximum
Ks Konsentrasi Substrat, S
Laju penggunaan substrat spesifik, (dS/dt)u/X
48
Pada kasus pembatas akhir, jika S jauh lebih kecil daripada Ks, S dapat
diabaikan dalam penyebut. Pada situasi ini persamaan 54 menjadi persamaan
orde pertama tehadap konsentrasi substrat.
.................(56)
Dimana K = = konstanta laju penggunaan substrat spesifik, volume massa-
1 waktu ................(57)
Persamaan 55 merupakan reaksi orde nol terhadap konsentrasi substrat,
sementara persamaan 56 merupakan reaksi orde pertama. Gambar ...
menggambarkan hubungan antara laju penggunaan substrat dan konsentrasi
substrat yang diberikan melalui dua pembatas kasus persamaan 54, yang
keduanya dikenal sebagai model diskontinu untuk utilisasi substrat
Gambar Hubungan antara Laju
Penggunaan Substrat dan
Konsentrasi Substrat
Eckenfelder dan Ford (1970) melaporkan bahwa laju penggunaan substrat
pada kebanyakan proses pengolahan biologi air buangan digambarkan dengan
pendekatan persamaan 56 dan direkomendasikan penggunaannya sebagai
pengganti persamaan 54. Saat ini Grady dan Williams (1975) menyatakan
persamaan 54 dan 56 tidak menggambarkan pengaruh konsentrasi substrat
influen yang bervariasi terhadap laju penggunaan substrat. Pada kondisi ini,
persamaan yang diusulkan Grau dkk. (1975) lebih akurat menggambarkan
laju penggunaan substrat.
Laju maximum, k
K=
Konsentrasi substrat, S
Laju penggunaan substrat spesifik, (dS/dt)u/X
49
......................(58)
dimana
n = Orde reaksi dan biasanya diasumsikan mempunyai nilai 1
So = Konsentrasi substrat, massa volume-1
S = Konsentrasi substrat di sekeliling biomassa pada waktu tertentu,
massa volume-1
K1 = Konstanta laju penggunaan substrat spesifik, waktu-1
Sebuah persamaan yang menggambarkan hubungan antara laju pertumbuhan
neto nikroorganisme dan laju penggunaan substrat yang dikembangkan secara
empiris dari studi pengolahan limbah oleh Heulekian dkk (1951).
........................(59)
Persamaan diatas identik dengan persamaan 51, dimana dikembangkan
melalui perkiraan bahwa pengurangan produksi biomassa pada laju
pertumbuhan rendah akibat oksidasi komponen seluler untuk menyediakan
energi pemeliharaan.
Sherrard dan Scroeder (1973) memperkirakan bahwa laju pertumbuhan neto
yang terbaik digambarkan melalui persamaan
...................(60)
Dimana = laju pertumbuhan biomassa neto, massa volume-1 waktu-1
Persamaan 60 dasarnya sama seperti persamaan 59. Perbedaannya adalah
persamaan 59 menjelaskan bahwa kebutuhan pemeliharaan dibagi dari hasil
teoritis, sedangkan persamaan 60 menjelaskan hasil aktual setelah kebutuhan
energi total diperhitungkan.
Adalah mungkin untuk mengembangkan persamaan uang menghubungkan
hasil yang diobservasi terhadap laju pertumbuhan spesifik. Pertama perlu
membuat persamaan 60 dalam bentuk,
50
..........................(61)
Lalu, pengalian sisi kanan persamaan 61 dengan x/x, menghasilkan
......................(62)
atau .....................(63)
Substitusi dari persamaan 53 untuk q dalam persamaan 62 menghasilkan
suatu persamaan dalam bentuk,
..................(64)
Pada persamaan ini ketergantungan hasil yang diobservasi terhadap laju
pertumbuhan diperlihatkan.
PROSES LUMPUR AKTIF
Proses lumpur aktif mapu mengubah kebanyakan limbah organik menjadi
bentuk anorganik yang lebih stabil atau menjadi massa seluler. Dalam proses
ini material organik terlarut dan koloid yang tersisa setelah sedimentasi
primer dimetabolisme oleh berbagai grup mikroorganisme menjadi karbon
dioksida dan air. Pada waktu yang sama, fraksi yang berukuran dirubah
menjadi massa seluler yang dapat dipisahkan dari aliran limbah melalui
sedimentasi secara gravitasi. Lumpur aktif adalah kultur mikroba heterogen
yang terdiri dari bakteri, protozoa, rotifera dan fungi. Namun, bakteri yang
berperanan untuk asimilasi kebanyakan material organik, sedangkan protozoa
dan rotifera penting dalam penyisihan bakteri yang menyebar yang terdapat
pada efluen. Penggunaan substrat (material organik) oleh sel bakteri dapat
dijelaskan sebagai tiga tahap proses : (1) molekul substrat berkontak dengan
dinding sel, (2) molekul substrat ditransportasikan ke dalam sel (3)
berlangsung metabolisme molekul substrat melalui sel. Meskipun begitu,
51
karena bakteri membutuhkan substrat dalam bentuk terlarut, koloid atau
molekul yang tidak sesuai tidak dapat ditransportasikan langsung ke dalam
sel, harus sebelumnya diabsorbsi permukaan sel kemudian dipecahkan atau
ditransformasi secara eksternal menjadi fraksi yang dapat ditranportasikan
melalui exoenzim atau enzim yang terikat pada dinding. Untuk menghasilkan
efluen berkualitas tinggi, biomassa (setelah penyisihan material organik dari
ail limbah) harud dipisahkan dari larutan. Hal ini dilakukan dalam pengendap
sekunder dan hanya efektif jika spesies yang ada sudah beraglomerasi.
Pengendap sekunder merupakan langkah pembatas kualitas efluen. BOD5
efluen terlarut biasanya di bawah 5 mg/L, tetapi padatan biomassa yang
terbawa menghasilkan BOD5 efluen 20 mg/L atau lebih besar.
Beberapa penelitian menggambarkan mekanisme flokulasi biologis, Pavoni
(1972) melaporkan fungsi flokulasi biologis ditentukan oleh kondisi fisiologis
mikroorganisme dan tidak terjadi sampai mikroorganisme masuk ke dalam
substrat yang terbatas atau fase pertumbuhan endogenous. Flokulasi biologis
merupakan hasil dari interaksi polimer exoseluler yang berakumulasi di
permukaan sel selama pertumbuhan endogenous. Sel-sel dihubungkan dalam
matrix tiga dimensi sebagai hasil dari ikatan fisik dan elektrostatis polimer-
polimer ke permukaan sel. Setelah pemisahan fase cair dari fase padat,
peningkatan biomassa akibat sintesis selama penggunaan substrat dibuang
dan sisanya dikembalikan ke tangki aerasi. Maka, massa organisme yang
relatif konstan dijaga dalam sistem dan kinerja proses tergantung pada
recycle biomassa. Jika pemisahan dan pemekatan biomassa gagal, maka
keseluruhan proses pun gagal.
Skema aliran tipikal instalasi lumpur aktif diperlihatkan pada gambar ....
Biasanya proses ini meliputi (1) Aerasi air buangan dengan suspensi mikroba
(2) Pemisahan padatan-cairan diikuti aerasi (3) aliran efluen setelah
pengendapan dan (4) pembuangan kelebihan biomassa dan pengembalian
biomassa sisa ke tangki aerasi (Eckenfelder, 1972)
52
Pencampuran dalam Lumpur Aktif
Kebutuhan dasar dalam disain lumpur aktif adalah mengetahui jenis reaktor
terbaik untuk masalah yang ada. Umumnya, ada dua jenis pencampuran
dalam proses lumpur aktif. Pertama aliran sumbat (plug flow), aliran mixed
liquor secara teratur melalui tangki aerasi dimana tidak ada elemen dari mixed
liquor bercampur atau menyusul elemen lain, terjadi pencampuran lateral
mixed liquor tetapi tidak ada pencampuran dan difusi sepanjang jalur aliran.
Waktu retansi sama untuk semua elemen mixed liquor.
Jenis kedua pencampuran adalah pencampuran sempurna, dimana kandungan
dalam tangki aerasi teraduk sempurna dan uniform seluruhnya. Maka, pada
kondisi tunak efluen dari tangki aerasi mempunyai komposisi yang sama
seperti kandungan dalam tangki aerasi. Telah diakui bahwa, aliran sumbat dan
pencampuran sempurna sesungguhnya jarang terjadi pada operasi sebenarnya,
namun jika sistem direncanakan dengan layak, pendekatan akan memenuhi
perncanaan dan tujuan operasi. Jenis pencampuran sangat penting, karena
mempengaruhi (1) kebutuhan transfer oksigen dalam tangki aerasi (2)
Grit Chamber aerasi
Tangki Aerasi
Clarifier Primer
Clarifier Sekunder
Digesti anaerob atau Aerob
Solid inert
Pengembalian lumpur
Lumpur buangan lumpur aktif
Lumpur Primer
Campuran lumpur primer dan l.aktif
Lumpur stabil
a.b efluen
53
kerentanan biomassa terhadap perubahan beban (3) kondisi lingkungan lokal
dalam tangki aerasi seperti suhu (4) kinetika yang mengontrol proses
pengolahan
Model Kinetika
Model kinetika untuk menggambarkan proses lumpur aktif pada kondisi tunak
dalam sistem pengolahan. Tipikal skema aliran proses lumpur aktif tercampur
sempurna diperlihatkan pada gambar .... Q merupakan laju air buangan ke
dalam tangki aerasi ; S0 konsentrasi substrat dalam air buangan ; Va volume
tangki aerasi ; Se konsentrasi substrat kondisi tunak pada kondisi tunak ; Qr
laju lumpur recycle; R rasio lumpur recycle (Qr /Q) ; Qw laju pembuangan
lumpur dan Xr konsentrasi biomassa aliran bawah dari pengendap sekunder.
Pada gambar .., diperlihatkan dua alternatif pembuangan lumpur.
Pembuangan lumpur dapat dilakukan baik dari pipa pengembalian lumpur
atau langsung dari tangki aerasi. Meskipun pengembalian lumpur dari pipa
pengembalian lumpur adalah tradisi, pembuangan lumpur dari tangki aerasi
lebih diharapkan, karena metoda ini menawarkan peluang untuk kontrol yang
lebih baik dan juga lebih menguntungkan untuk melanjutkan ke operasi
pengentalan lumpur (thickening). Konsentrasi solid yang lebih tinggi dapat
diperoleh jika mixed liquor encer dibandingkan lumpur yang dikembalikan
yang pekat. Oleh karena itu, pengembangan model ini akan berlandaskan
pada skema pembuangan lumpur dari tangki aerasi.
54
Persamaan kesetimbangan material yang diturunkan dari gambar ...,
berdasarkan asumsi :
1. Pencampuran sempurna terjadi di tangki aerasi
2. Konsentrasi substrat influen tetap konatan
3. Tidak ada mikroba yang terdapat dalam air buangan yang masuk ke tangki
aerasi.
4. Tidak ada aktivitas mikroba terjadi dalam pengendap sekunder
5. Tidak ada akumulasi lumpur dalam pengendap sekunder dan efisiensi yang
baik pada pemisahan padatan-larutan
6. Semua substrat biodegradable dalam bentuk terlarut
7. Kondisi tunak terjadi di seluruh sistem.
Lawrenca dan McCarty (1970) menekankan pentingnya parameter
operasional yang disebut waktu retensi solid biologis (BSRT), dengan simbol
Өc yang didefinisikan sebagai waktu rata-rata unit biomassa yang tinggal
dalam sistem.
.........(1)
Dimana
(X)T = Biomassa aktif total dalam sistem, massa
=
Jumlah total biomassa aktif yang meninggalkan sistem setiap
hari, massa waktu-1; termasuk solid yang dibuang ditambah
Tangki AerasiVa, X, Se
Q, S0 Q(1+R), X
Se
Pengendap sekunder
(Q-Qw).X0, Se
RQ, Xr, Se X Qw , Xr, Se
Qw , X
55
yang hilang di efluen
Pada proses lumpur aktif tercampur sempurna dengan recycle solid,
mengikuti asumsi sebelumnya, persamaan 1 dapat ditulis kembali menjadi
.....................(2)
Pada kondisi tunak, persamaan 2.11 dan 4.1 menjadi
...................(3)
Өc merupakan parameter kontrol, melalui pengaturan Өc sekaligus mengontrol
laju pertumbuhan spesifik dan kondisi fisiologis organisme dalam sistem.
Persamaan kesetimbangan material biomassa di seluruh sistem pengolahan
dalam gambar ....
....(4)
Karena biomassa yang ada dalam sistem adalah hasil pertumbuhan dan yang
meninggalkan akibat aksi hidrolis baik pembuangan lumpur maupun efluen,
persamaan 4 dapat diformulasikan,
.....................(5)
Parameter Va terlihat dalam persamaan 5 karena biomassa, X merupakan
konsentrasi. Pengalian dengan volume menjadikan parameter massa per
satuan waktu. Substitusi dari persamaan 51 untuk (dX/dt)g dan dari persamaan
4.2 untuk QwX + (Q-Qw)Xe mengurangi persamaan 4.5 menjadi,
.................(6)
Pada kondisi tunak,
Yang menunjukkan bahwa,
Atau
56
..................(7)
Atau . ....................(8)
Parameter Sedapat didapatkan dengan substitusi (dS/dt)u dari persamaan 2-54.
Substitusi ke persamaan 4.8 memberikan,
....................(9)
Atau ......(10)
Perluasan persamaan ini, ...........(11)
Atau .....................(12)
Pengalian bagian kiri persamaan dengan Өc/ Өc memberikan,
....................(13)
Atau .................(14)
Kesetimbangan material untuk substrat yang masuk dan meninggalkan tangki
aerasi dapat dituliskan,
................. (15)
Yang dapat diformulasikan sebagai,
....................(16)
Persamaan 16 menunjukkan adanya substrat yang disisihlkan dari tangki
aerasi oleh penggunaan mikroba juga akibat dari aksi hidrolis
Pada kondisi tunak,
Yang menunjukkan bahwa,
57
Karena itu pada kondisi tunak persamaan 16 berkurang menjadi,
...........................(17)
Pengalian kedua sisi dengan 1/X persamaan 17 menjadi,
.......................(18)
Substitusi dari persamaan 18 untuk (dS/dt)u/X dalam persamaan 18, maka X
menjadi,
......................(19)
Pengalian bagian kanan persamaan 19 dengan Өc/ Өc menjadi,
.......................(20)
Persamaan 8, 14 dan 20 dikembangkan oleh Lawrence dan Mc Carty (1970)
dan telah diterima oleh masyarakat Teknik Lingkungan. Namun jika
persamaan 2.56 disubstitusi pada (dS/dt)u dalam persamaan 8, menghasilkan
........................(21)
Atau ................(22)
Pengalian bagian kanan dari persamaan ini dengan Өc/ Өc menghasilkan
persamaan untuk Se,
.....................(23)
Persamaan Se yang lain dapat dikembangkan melalui substitusi KXSe dari
persamaan 2.56 pada (dS/dt)u persamaan 17.
.....................(24)
Atau ........................(25)
58
Dimana q merupakan laju penggunaan substrat spesifik dan mempunyai
dimensi waktu-1. Persamaan ini akan memberikan garis lurus dengan slope K
jika Q(So-Se)/XVa vs Se (diukur sebagai BODu) diplot, seperti yang
ditunjukkan pada gambar ..... Seperti dijelaskan sebelumnya, konsentrasi
substrat akan diukur sebagai BOD5 atau COD degradable. Persamaan 25
dapat diubah menjadi,
.....................(26)
Persamaan 25 dan 26 menghasilkan, jika penggunaan substrat diasumsikan
mengikuti kinetika orde pertama. Namun, konsentrasi biomassa kondisi tunak
tidak tergantung persamaan laju penggunaan substrat. Maka, persamaan 20
menggambarkan X tanpa menghiraukan apakah (dS/dt)u digambarkan melalui
persamaan hiperbolis kontinu atau pendekatan orde pertama persamaan ini.
Gambar Laju penggunaan substrat spesifik vs konsentrasi substrat efluent
Hubungan antara rasio recycle Rs dan Өc dapat dikembangkan dari persamaan
kesetimbangan material untuk biomassa yang masuk dan meninggalkan
tangki aerasi. Dari gambar ..., kasetimbangan material dapat ditulis sebagai
berikut,
Slope = K
Konsentrasi substrat efluen (Se) (mg/l)
59
(27)
Atau ..............(28)
Substitusi pada (dX/dt)u dari persamaan 59 menghasilkan,
.............(29)
Yang menunjukkan
Maka, asumsi kondisi tunak dan sunstitusi (dS/dt)u dari persamaan 2.56 dan
persamaan 4.29 berkurang menjadi,
....................(30)
Substitusi untuk Se dari persamaan 23 menghasilkan,
.............(31)
Dengan penyesuaian kembali persamaan 31, maka Өc,
..................(32)
Persamaan 32 menunjukkan Өc menjadi fungsi rasio Xr/X dan rasio recycle R.
Rasio Xr/X adalah fungsi karakteristik pengendapan biomassa dan efisiensi
pengendap sekunder. Jika pengendap sekunder beroperasi baik, penangkapan
solid mendekati 100%. Untuk keadaan ini konsentrasi solid maximum dalam
jalur pengembalian solid dapat diestimasi,
.............(33)
Dimana SVI merupakan index volume lumpur. Nilai Xr dihitung berdasarkan
SVI yang merupakan suspended solid total. Nilai ini harus diubah menjadi
volatile suspended solid sebelum Xr digunakan dalam persamaan 32.
Jika ditentukan nilai Өc yang diinginkan dan efisiensi pengolahan, total berat
biomassa di tangki aerasi (XVa) dapat dihitung dengan persamaan 20 dengan
nilai Q, So, k, Ks, YT, dan Kd tertentu. Persamaan 32 dapat digunakan untuk
60
menghitung konsentrasi biomassa kondisi tunak dan volume tangki aerasi
untuk asumsi nilai R dan Xr . Gamabr .... memperlihatkan hubungan antara X,
Va, R dan Xr untuk kondisi operasi tertentu. Dalam gambar ini nilai-nilai Xr
diestimasi dari persamaan 33. Penggunaan persamaan 14 atau persamaan 23
dan persamaan 20 dan mengetahui nilai konstanta k, Ks, YT dan Kd pada air
buangan tertentu, kultur biologis dan pengaturan kondisi lingkungan tertentu,
konsentrasi biomassa kondisi tunak dan substrat dalam tangki aerasi dapat
diprediksi untuk nilai BSRT tertentu. Gambar 5 memperlihatkan pengaruh
konsentrasi substrat influen pada proses lumpur aktif tercampur sempurna.
Dari gambar dapat dilihat bahwa ada nilai Өc tertentu, dimana dibawah nilai
tersebut tidak ada substrat yang disisihkan. Nilai ini disebut waktu retensi
solid biologis minimum dan disebut . BSRT ini adalah dimana biomassa
yang disisihkan dari sistem lebih cepat dibandinbgkan yang diproduksi. Oleh
karena itu, jika suatu proses beroperasi pada BSRT di bawah nilai minimum,
pembuangan akan terjadi (artinya seluruh biomassa akan hilang dari sistem).
Setelah pembuangan terjadi, konsentrasi substrat efluen akan sama dengan
konsentrasi substrat influen, karena tidak ada mikroorganisme yang akan
menggunakan material organik. Maka, untuk kondisi ini, asumsi bahwa laju
penggunaan substrat mengikuti hubungan pada persamaan 54, pengembangan
persamaan untuk ,
...............(34)
Tetapi, jika diasumsi bahwa laju penggunaan substrat mengikuti kinetika orde
pertama, persamaan menjadi
....................(35)
Gambar 4.5 juga memperkirakan, bahwa untuk model kinetika yang
dikembangkan sebelumnya, konsentrasi substrat tidak tergantung pada
konsentrasi substrat influen. Karena dapat dilihat dari gambar ini, untuk nilai
61
Өc tertentu, konsentrasi substrat yang lebih tinggi dalam influen akan
menghasilkan konsentrasi biomassa pada kondisi tunak yang lebih tinggi
dalam tangki aerasi sementara konsentrasi substrat efluen tetap tidak berubah.
Ketidaktergantungan antara konsentrasi substrat efluen dan influen
diperlihatkan pada persamaan 14 dan 23, yang menentukan dalam
perencanaan dan pengontrolan instalasi pengolahan air buangan. Contohnya,
jika Өc digunakan untuk pengontrolan instalasi, tidak ada persyaratan untuk
mengontrol MLVSS, yang biasanya diambil untuk mengukur biomasaa dalam
sistem, tidak perlu juga untuk memonitor konsentrasi substrat influen dan
efluen (diukur sebagai BOD5, COD atau TOC). Selama Өc selalu konstan,
perubahan dalam konsentrasi substrat influen akan hanya menghasilkan
perubahan dalam konsentrasi biomassa pada kondisi tunak sementara kualitas
efluen akan tetap konstan. Karena hal tersebut, disarankan Өc dikontrol
dengan peralatan hidrolis (Walker,1971). Selanjutnya, karena
kesederhanaannya metoda kontrol hidrolis menjadi sangat populer dalam
instalasi sebenarnya. Ketidaktergantungan antara konsentrasi substrat influen
dan efluen juga menyarankan jika penentuan koefisien kinetika yang
diperlukan untuk perencanaan proses, tidak perlu menggunakan air buangan
dengan konsentrasi yang sama selama kondisi lapangan (Grady dan Williams,
1975). Pada kondisi ini perlu diingat bahwa tidak seorangpun dapat
membuktikan keunggulan persaman 54 atau persamaan 56 untu
menggambarkan laju penggunaan substrat sebenarnya dalam proses lumpur
aktif. Namun, dalam perencanaan instalasi, persamaan 56 memberikan 2
keuntungan : (1) secara matematis lebih mudah (2) tidak memerlukan nilai
koefisien k dan Ks yang akurat. Perlu ditekankan bahwa model kinetika
dikembangkan lebih jauh berdasarkan beberapa asumsi. Karena itu,
bermanfaat untuk mendiskusikan pengaruh asumsi-asumsi ini terhadap
validitas model.
Contoh soal :
62
Proses lumpur aktif tercampur sempurna digunakan untuk mengolah air
buangan 1 MGD yang mempunyai BODu 200 mg/L. Kriteria disain sbb:
X = 2000 mg/l sebagai MLVSS
Se = 10 mg/l BODu
R = 30 – 40% aliran air buangan
YT = 0,5
K = 0,1 l/mg hari
Kd = 0,1 hari-1
MLVSS = 0,8 MLSS
Hitung volume tangki aerasi yang diperlukan dan pengoperasian BSRT.
Tentukan pengaruh efisiensi proses jika perubahan SVI dari 80 sampai 160
dan tidak ada penyesuaian dilakukan dalam operasi BSRT
Jawab :
1. Dari persamaan 25 hitung volume tangki aerasi yang diperlukan
q = K Se = (0,1) (10) = 1,0 hari-1
maka,
2. Hitung pengoperasian BSRT dari persamaan 21
(0,5) (1,0) – 0,1
Atau Өc = 2,5 hari
3. Tentukan pengaruh perubahan SVI pada efisiensi proses melalui
persamaan 32 untuk memperoleh variasi X dengan recycle dan Xr untuk Өc
2,5 hari. Data ini diperlihatkan pada tabel berikut,
SVI R Xr (mg/l) X (mg/l)
80 0.3 12.500 x 0.8 = 10.000 2342
80 0.4 12.500 x 0.8 = 10.000 2897
160 0.3 6.250 x 0,8 = 5.000 1171
160 0.4 6.250 x 0,8 = 5.000 1448
63
Dengan konsentrasi biomassa kondisi tunak yang baru, konsenrtasi substrat
efluen sebenarnya untuk masing-masing kondisi operasi dapat dihitung dari
modifikasi persamaan 25, dimana q/K disubstitusi pada Sedengan rumus
dasar,
hari-1
Perhitungan yang sama menggunakan data yang tetap menghasilkan nilai Se
X (mg/l) Se (mg/l)
2342 8,6
2897 7,0
1171 16,5
1448 13,6
Maka, operasi BSRT disesuaikan bila SVI berubah dari 80 menjadi 160,
sehingga kualitas efluen akan terlampaui.
Telah diasumsikan pertama-tama bahwa pengadukan sempurna akan
diperoleh di seluruh tangki aerasi. Namun, jika plug flow ditetapkan
merupakan jenis pencampuran dalam tangki aerasi, model kinetika
dikembangkan dari persamaan kesetimbangan material akan berbeda dari
yang dikembangkan sebelumnya. Untuk tangki aerasi dimana pencampuran
jenis plug flow, konsentrasi substrat akan turun dan konsentrasi biomassa
akan meningkat ketika aliran air buangan melalui tangki. Karena itu, jika
kondisi tunak tidak ditetapkan dalam reaktor, sangat sulit mengembangkan
model matematis yang menggambarkan dengan baik kinetika pengolahan jika
terjadi tipe pencampuran ini. Di Bab 1 disebutkan, bahwa pada CSTR gaya
penggerak awal yang tinggi (konsentrasi substrat) segera berkurang menjadi
gaya penggerak akhir yang rendah di tempat keluar reaktor. Akibatnya, waktu
64
reaksi yang dibutuhkan untuk memperoleh efisiensi penyisihan yang
diinginkan akan lebih besar pada CFSTR dibandingkan reaktor PF. Dapat
dikatakan, untuk volume yang tetap, efisiensi reaktor PF lebih besar
dibandingkan CFSTR. Lawrenca dan Mc Carty (1970) telah membandingkan
konsentrasi substrat efluen dan efisiensi pengolahan baik pada pencampuran
sempurna dan plug flow. Perbandingan ini diperlihatkan pada gambar ....dan
menunjukkan sistem plug flow lebih efisien dibandingkan dengan sistem
tercampur sempurna. Karena terdapat bukti yang menunjukkan bahwa kondisi
plug flow ideal tidak benar-benar ada di praktek tetapi lebih mendekati
kondisi tercampur sempurna, model kinetika yang dikembangkan dimana
pengadukan sempurna diasumsikan dapat digunakan untuk disain sistem plug
flow. Prosedur disain tersebut adalah konservatif dan deviasi terhadap plug
flow pada kondisi operasi sebenarnya dapat mengakibatkan efisiensi
pengolahan yang lebih tinggi dibandingkan yang diprediksi dalam disain. Hal
ini bukan berarti, bahwa semua tangki aerasi harus didisain untuk pengadukan
sempurna dan kemudian dibangun sebenarnya untuk menghasilkan plg flow.
Masing-masing jenis pencampuran mempunyai keuntungan tertentu pada
kondisi tertentu.
Asumsi ke dua menyatakan, bahwa konsentrasi substrat influen akan tetap
pada nilai yang konstan tanpa variasi. Ini merupakan asumsi yang valid jika
perencanaan intalasi lumpur aktif pada beberapa proses industri atau jika bak
equalisasi disedikana untuk meredam fluktuasi beban limbah. Namun, jika
perencanaan instalasi air buangan dengan konsentrasi substrat yang
bervariasi, bukti experiment menunjukkan bahwa persamaan 54 dan 56 tidak
akurat lagi dalam menggambarkan laju penggunaan substrat.
Penelitian pada kultur murni menunjukkan bahwa substrat tunggal
ditransportasikan ke dalam sel seperti pada rumus yang ditunjukkan pada
persamaan 54, penelitian Riesing (1971) pada kondisi tersebut menunjukkan
bahwa konsentrasi substrat efluen tidak tergantung konsentrasi substrat
65
influen. Tetapi Grau dkk (1975) dan Grady dan William (1975) menunjukkan
data bahwa kultur mikroba tercampur ditumbuhkan pada substrat
multikomponen, konsetrasi substrat influen dan efluen tidak lagi saling
tergantung. Gambar 4.7 hasil dari penelitian Grady dan Williams (1975)
sesuai dengan rumus laju penggunaan substrat kinetka orde pertama yang
diberikan pada persamaan 25, yang merupakan kasus khusus jenis persamaan
Monod yang digunakan oleh Lawrence dan Mc Carty (1970). Gambar ini
menunjukkan bahwa konstanta laju penggunaan substrat K, sangat
dipengaruhi oleh konsentrasi substrat influen. Maka, harus diasumsi tidak
satupun dari persamaan laju penggunaan substrat pada persamaan 54 dan 56
menggambarkan secara akurat laju penggunaan substrat dalam proses lumpur
aktif jikar melibatkan kultur mikroba tecampur dan substrat organik
multikomponen dan beban bervariasi. Untuk kondisi demikian, Grau dkk
(1975) telah menggunakan persamaan 58 dimana n diambil 1.
Jika (dS/dt)u disubstitusi dalam persamaan 17 dari persamaan 58, persamaan
menjadi,
..................(36)
Atau ..................(37)
Gambar 4.8 menunjukkan data Grady dan Williams (1975) ssuai dengan
persamaan 4.37. Meskipun terdapat penyebaran data, kesesuaian lebih baik
dibandingkan yang diperoleh dari persaman 25, yang berasal dari persamaan
2.56, digunakan untuk menggambarkan hasil percobaan. Maka, persamaan 58
menggambarkan lebih akurat laju penggunaan substrat dalam proses lumpur
aktif jika kultur mikroba tercampur menggunakan beban bervariasi, substrat
multikomponen, yang keberadaannya diukur sebagai BOD5, COD atau TOC
dan n diasumsi 1.
66
Jika persamaan 58 diterima sebagai penggambaran lau penggunaan substrat,
maka K1X (Se/So) disubstitusi pada (dS/dt)u dalam persamaan 4.8 dan
diperoleh persamaan,
.......................(38)
Pemecahan Se persamaan 38
...........................(39)
Meskipun demikian, persamaan untuk konsentrasi biomassa tidak akan
berubah dari yang diberikan melalui persamaa. 20.
Persamaan 39 dapat digunakan untuk menentukan dengan mengingat
kembali bahwa pada , Se = So yang menunjukkan bahwa,
..........................(40)
Atau ...............................(41)
Gambar 4.9 memperlihatkan pengaruh konsentrasi substrat influen terhadap
konsentrasi efluen proses lumpur aktif tercampur sempurna jika persamaan 39
digunakan untuk menentukan se. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa untuk
menjaga kualitas efluen sama jika konsentrasi substrat influen meningkat,
BSRT harus ditingkatkan.
Hubugnan antara Өc, R dan X tidak dipengaruhi oleh laju penggunaan
substrat. Maka, persamaan 32 tetap berlaku meskipun jika persamaan Grau
digunakan,
67
68
69
Total O2 yang disyaratkan per hari =
70
71