the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

23
7 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Limbah Menurut Undang-Undang Republik Indonesia (UU RI) No. 32 Tahun 2009 tentang Perlindungan dan Pengelolaan Lingkungan Hidup (PPLH), definisi limbah adalah sisa suatu usaha dan/atau kegiatan. Definisi secara umum, limbah adalah bahan sisa atau buangan yang dihasilkan dari suatu kegiatan dan proses produksi, baik pada skala rumah tangga, industri, pertambangan, dan sebagainya. Bentuk limbah tersebut dapat berupa gas dan debu, cair atau padat. Di antara berbagai jenis limbah ini ada yang bersifat beracun atau berbahaya dan dikenal sebagai Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (Limbah B3). Mahida (1993) dan Bennet (1997) menyatakan bahwa limbah adalah buangan cair dari suatu lingkungan masyarakat baik domestik, perdagangan maupun industri yang mengandung bahan organik dan non organik. Bahan organik yang terkandung dalam limbah umumnya terdiri dari bahan nitrogen, lemak, karbohidrat dan sabun. Limbah cair itu sendiri merupakan gabungan atau campuran dari air dan bahan-bahan pencemar yang terbawa oleh air, baik dalam keadaan terlarut maupun tersuspensi yang terbuang dari sumber pertanian, sumber industri, sumber domestik (perumahan, perdagangan dan perkantoran),dan pada saat tertentu tercampur dengan air tanah, air permukaan ataupun air hujan (Zain, 2005). Limbah cair yang bersumber dari pertanian (sawah) terdiri dari air yang bercampur dengan bahan-bahan pertanian seperti pestisida dan pupuk yang mengandung nitrogen, fosfor, sulfur, kalsium dan kalium. Limbah yang bersumber

Upload: dinhcong

Post on 31-Dec-2016

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

7

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Limbah

Menurut Undang-Undang Republik Indonesia (UU RI) No. 32 Tahun 2009

tentang Perlindungan dan Pengelolaan Lingkungan Hidup (PPLH), definisi limbah

adalah sisa suatu usaha dan/atau kegiatan. Definisi secara umum, limbah adalah

bahan sisa atau buangan yang dihasilkan dari suatu kegiatan dan proses produksi,

baik pada skala rumah tangga, industri, pertambangan, dan sebagainya. Bentuk

limbah tersebut dapat berupa gas dan debu, cair atau padat. Di antara berbagai jenis

limbah ini ada yang bersifat beracun atau berbahaya dan dikenal sebagai Limbah

Bahan Berbahaya dan Beracun (Limbah B3). Mahida (1993) dan Bennet (1997)

menyatakan bahwa limbah adalah buangan cair dari suatu lingkungan masyarakat

baik domestik, perdagangan maupun industri yang mengandung bahan organik dan

non organik. Bahan organik yang terkandung dalam limbah umumnya terdiri dari

bahan nitrogen, lemak, karbohidrat dan sabun. Limbah cair itu sendiri merupakan

gabungan atau campuran dari air dan bahan-bahan pencemar yang terbawa oleh air,

baik dalam keadaan terlarut maupun tersuspensi yang terbuang dari sumber

pertanian, sumber industri, sumber domestik (perumahan, perdagangan dan

perkantoran),dan pada saat tertentu tercampur dengan air tanah, air permukaan

ataupun air hujan (Zain, 2005).

Limbah cair yang bersumber dari pertanian (sawah) terdiri dari air yang

bercampur dengan bahan-bahan pertanian seperti pestisida dan pupuk yang

mengandung nitrogen, fosfor, sulfur, kalsium dan kalium. Limbah yang bersumber

Page 2: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

8

dari kegiatan industri umumnya memiliki karakterisasi yang bervariasi antara satu

jenis industri dengan industri lainnya. Bahan polutan yang terkandung dalam limbah

industri yaitu zat organik terlarut, padatan tersuspensi, bahan terapung, minyak,

lemak logam berat serta senyawa toksik. Untuk limbah domestik itu sendiri

merupakan semua bahan limbah yang berasal dari dapur, kamar mandi, toilet, tempat

cuci pakaian, dan peralatan rumah tangga (Mahida, 1993).

2.1.1 Limbah Domestik

Limbah domestik adalah limbah yang mencakup keseluruhan buangan ke

dalam saluran pembuangan diantaranya berasal dari rumah tangga, hotel, restoran,

kegiatan perkantoran serta perdagangan. Slamet (1994) menyatakan bahwa yang

termasuk dalam kategori limbah domestik adalah air bekas mandi, bekas cucian,

serta sisa bahan makanan. Selain itu, limbah domestik juga mengandung tinja dan

urine manusia yang mengandung bakteri patogen dan dapat membahayakan

kesehatan. Limbah domestik umumnya banyak mengandung bahan-bahan organik

dan termasuk kategori limbah penyebab penurunan kadar oksigen terlarut dalam

perairan. Komposisi bahan organik dalam limbah domestik seperti tercantum pada

Gambar 2.1.

Suhu air limbah domestik biasanya lebih tinggi daripada air minum, berwarna

keabu-abuan dan dalam keadaan anaerob, air limbah domestik akan berwarna hitam.

Kekeruhan pada air limbah domestik ini tergantung pada padatan tersuspensi yang

terkandung di dalamnya.

Page 3: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

9

Gambar 2.1 Komposisi Dan Persentase Komponen Penyusun Limbah Domestik

(Effendi, 2003).

Limbah dari suatu kegiatan sering tidak terkontrol sehingga kemampuan lingkungan

untuk mendegradasi limbah akan menurun yang berakibat kualitas lingkungan

menurun. Oleh karena itu perlu adanya pengolahan limbah terlebih dahulu agar

limbah yang dihasilkan mempunyai kualitas yang sama dengan kualitas air

lingkungan dan memenuhi standar baku mutu sesuai dengan peruntukkannya

(Wardhana, 2001).

2.2 Pengolahan Air Limbah Secara Biologi

Pengolahan air limbah secara biologi adalah proses pemurnian limbah dengan

memanfaatkan kemampuan mikroorganisme untuk menguraikan bahan-bahan

organik dan anorganik menjadi bahan yang lebih sederhana dan tidak berbahaya.

Pada pengolahan limbah secara biologi, lingkungan perlu dipertahankan agar

mikroorganisme dapat menguraikan polutan secara maksimal. Dalam pengolahan

biologi, fungsi mikroorganisme tidak hanya berdiri sendiri namun dapat pula sebagai

Limbah Domestik

Padatan (0,1%) Air (99,9%)

Organik (70%) Anorganik (30%)

Logam Garam Grit Lemak

(10%)

Karbohidrat Protein

Page 4: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

10

campuran dari berbagai jenis mikroorganisme yang membentuk koloni, tergantung

kondisi lingkungan mikroorganisme ketika bersaing mendapatkan makanan.

Kecepatan mikroorganisme untuk mencerna makanan sangat bervariasi karena

dipengaruhi oleh metabolismenya. Mikroorganisme yang umum dimanfaatkan pada

proses pengolahan limbah secara biologi adalah ganggang, bakteri, protozoa dan

kapang (Sunu, 2001). Pengolahan limbah dengan cara ini dapat dilakukan dengan

mudah, biaya lebih irit dan dapat menekan kerusakan ekosistem perairan khususnya.

Kehidupan mikroorganisme sangat dipengaruhi oleh lingkungannya, sehingga dalam

pengolahan air limbah secara biologi harus memperhatikan lingkungan

mikroorganisme yaitu derajat keasaman (pH), temperatur, bahan makanan (nutrien)

dan kebutuhan oksigen. Berdasarkan metode pertumbuhan mikroorganisme,

pengolahan air limbah secara biologi dibedakan menjadi 2 (dua) metode yaitu :

1. Metode Pertumbuhan Tersuspensi.

Pada metode ini mikroorganisme hidup tersuspensi (tercampur secara merata)

didalam air limbah. Pada metode ini dibutuhkan clarifier yang berfungsi

untuk memisahkan mikroorganisme setelah proses, dan mikroorganisme yang

terpisah sebagian besar dipergunakan kembali (recycle) kedalam proses dan

sebagian kecil dibuang. Pembuangan mikroorganisme dilakukan untuk

mengendalikan jumlah mikroorganisme dalam proses sehingga jumlah

mikroorganisme dalam proses tidak berlebih maupun kurang karena hal ini

akan mempengaruhi kinerja pengolahan air limbah.

Page 5: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

11

2. Metode Pertumbuhan Melekat.

Pada metode ini mikroorganisme hidup dengan melekat pada suatu media.

Media yang dipergunakan merupakan media padat yang porous (permukaan

agak kasar) sehingga mikroorganisme dapat melekat dengan kuat. Pada

proses ini tidak membutuhkan clarifier untuk pemisahan mikroorganismenya

karena dari proses pengolahan tidak ada mikroorganisme yang keluar. Jika

dioperasikan secara kontinyu akan dibutuhkan clarifier dengan ukuran tidak

sebesar pada metode partumbuhan tersuspensi. Contoh aplikasi konsep ini

adalah mikroorganisme yang dilekatkan pada Disc (Piringan) yang berputar

dengan kecepatan tertentu yang disebut teknologi RBC (Rotating Biological

Contactor) dan trickling filter (Sumada, 2012).

2.3 Pengolahan Air Limbah Secara Aerob

Pengolahan air limbah secara aerob yaitu pengolahan air limbah dengan

memanfaatkan aktivitas mikroorganisme aerob untuk menguraikan bahan organik

dan anorganik menjadi senyawa yang lebih sederhana dan aman bagi lingkungan.

Dalam proses ini yang penting adalah adanya injeksi oksigen (udara) kedalam proses

pengolahan yang nantinya dipergunakan dalam aktivitas mikroorganisme.

Mikroorganisme aerob sebenarnya sudah terdapat di alam dalam jumlah yang tidak

terbatas dan selalu diperoleh dengan sangat mudah. Dalam kapasitas yang terbatas,

lingkungan sendiri sudah mampu menetralisir zat organik yang ada dalam limbah.

Namun, kuantitas limbah yang sangat tinggi menyebabkan perlu diadakan upaya

pengolahan limbah untuk menjaga kelestarian lingkungan. Adapun beberapa jenis

Page 6: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

12

mikroorganisme aerob yang berperan dalam proses pengolahan air limbah secara

aerob antara lain (Sirait et al., 2008):

1. Bakteri

Dalam proses pengolahan air limbah, keberadaan bakteri sangat penting

karena kultur bakteri dapat digunakan untuk menghilangkan bahan organik

dan mineral-mineral yang tidak diinginkan dari air limbah. Kebanyakan

bakteri adalah kemoheterotrofik yaitu menggunakan bahan organik sebagai

sumber energi dan karbon. Beberapa spesies bakteri mengoksidasi senyawa-

senyawa anorganik tereduksi seperti NH untuk energi dan menggunakan

CO2 sebagai sumber karbon. Bakteri kemoheterotrofik merupakan bakteri

terpenting dalam pengolahan air limbah karena bakteri ini akan memecah

bahan-bahan organik, mengoksidasi amonia (NH3) menjadi nitrat (NO3)

terutama oleh bakteri nitrifikasi.

Bagian reaktif dari sel bakteri adalah membran sitoplasmik. Semua bahan

organik atau anorganik yang akan dimetabolisme oleh bakteri harus melalui

membran tersebut. Mekanisme transport dari sebagian besar molekul yang

melalui membran sitoplasmik disebabkan adanya reaksi-reaksi dengan sistem

enzim spesifik yang disebut permease. Molekul-molekul yang tidak

mempunyai sistem permease tidak dapat memasuki sel bakteri sehingga tidak

dapat dimetabolisme. Jenis-jenis bakteri yang berperan penting dalam

penguraian limbah organik secara aerob antara lain Zooglea ramigera,

Escherichia coli, Alcaligenes sp, Bacillus sp, Corynebacterium sp dan

Nocardia sp.

Page 7: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

13

2. Kapang / Jamur

Kapang adalah mikroorganisme nonfotosintetik, bersel jamak, aerob,

bercabang, berfilamen yang memetabolisme makanan yang tidak terlarut.

Komposisi sel kapang dapat dinyatakan secara empiris dengan C10H17O6N.

Kapang tidak aktif dalam proses anaerob. Sel kapang berisi lebih sedikit

nitrogen dibandingkan sel bakteri sehingga kapang akan berkompetisi lebih

baik dalam limbah yang mempunyai kadar nitrogen yang rendah.

3. Protozoa

Protozoa yang ditemukan dalam sistem pengolahan aerob termasuk

flagellata, ciliata yang bebas bergerak dan ciliata batang yang terikat pada

partikel padatan. Protozoa penting dalam penanganan limbah karena

organisme ini akan memakan bakteri sehingga jumlah sel bakteri yang ada

tidak berlebihan. Di samping itu, protozoa akan mengurangi bahan organik

yang tidak dimetabolisme dalam sistem pengolahan aerob dan membantu

menghasilkan efluen dengan mutu yang lebih tinggi dan jernih.

4. Ganggang

Komposisi sel ganggang dapat dinyatakan dengan C106H180O45N16P. Dalam

proses penguraian limbah secara biologi, ganggang bersimbiosis dengan

bakteri, dimana ganggang memperoleh energi dari sinar matahari dan

menggunakan bahan anorganik yang digambarkan sebagai berikut :

CO2 + H2O + NO3 + PO4 + energi cahaya C106H180O45N16P + O2

Jenis ganggang yang mampu berkembang pada sistem aerob adalah dari

Genus Euglena serta Spirogyra (Suriawijaya, 2003).

Page 8: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

14

Pada saat menguraikan atau mengoksidasi bahan-bahan organik dalam air

limbah, mikroorganisme mempergunakan persediaan oksigen pada proses aerasi

serta enzim dalam tubuhnya sehingga mikroorganisme dalam air limbah tersebut

akan mendapatkan kenaikan energi. Bahan-bahan organik dalam air limbah dengan

cepat akan menurun seiring dengan peningkatan waktu aerasi. Menurunnya jumlah

bahan-bahan organik yang bergizi akan menghambat pertumbuhan mikroorganisme

itu sendiri. Penurunan pertumbuhan mikroorganisme akan mempertinggi oksidasi

dengan sendirinya dan akan mendorong penurunan yang bertahap terhadap jumlah

mikroorganisme (Suriawijaya, 2003) .

Dalam kondisi aliran air masih jernih, mikroorganisme belum melakukan

aktifitas, maka jumlahnya akan tetap konstan. Saat limbah masuk ke dalam kolam

aerasi maka mikroorganisme mulai menyesuaikan diri dengan lingkungan yang baru.

Turbulensi aliran air akan menimbulkan percampuran antara massa yang terdapat di

dalam air dengan air itu sendiri yang menyebabkan semua mikroorganisme

melakukan aktifitasnya. Dengan bantuan oksigen dari hasil fotosintesis

mikroorganisme autotrof maka elemen-elemen anorganik akan berkurang yang

diikuti pula oleh berkurangnya mikroorganisme. Kondisi tersebut menyebabkan

kandungan bahan organik dalam air meningkat sehingga jumlah amonia bertambah,

akan tetapi amonia kemudian dioksidasi menjadi nitrat (NO3) sehingga akhirnya

senyawa organik bersama-sama dengan NO3-, PO4

3-, SO4

2- jumlahnya bertambah,

demikian pula jumlah mikroorganisme yang bertambah pesat mencapai titik

maksimum (Suriawijaya, 2003).

Page 9: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

15

Ada dua hal penting yang perlu diperhatikan dalam pengolahan biologi yang

dilaksanakan secara aerob yaitu:

a. Proses Penambahan Oksigen (Aerasi)

Penguraian bahan pencemar dalam air limbah merupakan salah satu tujuan dari

pengolahan limbah. Penambahan oksigen adalah salah satu upaya untuk

mengurangi bahan pencemar tersebut sehingga konsentrasinya dalam air akan

berkurang atau hilang sama sekali (Kalpikawati, 2006). Penambahan oksigen

tersebut akan meningkatkan kenyamanan lingkungan dan kondisi air sehingga

aktivitas mikroorganisme dapat berlangsung dengan baik. Selain itu sirkulasi

oksigen yang baik akan mencegah pengendapan dalam air yang dapat

menyebabkan timbulnya kondisi anaerob.

Proses penambahan oksigen ke dalam air dapat dilakukan dengan dua cara yaitu

memasukkan udara ke dalam limbah dan memaksa air ke atas untuk berkontak

dengan oksigen (Sugiharto, 1987).

1. Memasukkan udara ke dalam limbah.

Proses ini dilakukan dengan cara memasukkan udara atau oksigen ke dalam

limbah melalui benda porous atau nozzle. Jika nozzle diletakkan ditengah-

tengah maka akan meningkatkan kecepatan kontak gelembung udara tersebut

ke dalam limbah, sehingga proses pemberian oksigen berjalan lebih cepat.

Biasanya nozzle diletakkan di dasar bak aerasi. Udara yang dimasukkan

berasal dari udara luar yang dipompakan ke dalam limbah dengan pompa

tekan. Proses penambahan oksigen dengan memasukkan udara ke dalam

limbah seperti terlihat pada Gambar 2.2.

Page 10: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

16

Gambar 2.2 Aerasi Dengan Memasukkan Udara Ke Dalam Air Limbah

(Sugiharto, 1987).

2. Memaksa air ke atas untuk berkontak dengan oksigen.

Proses ini dilakukan dengan mengontakkan limbah dengan oksigen melalui

pemutaran baling-baling yang diletakkan di permukaan limbah. Akibat dari

pemutaran ini, limbah akan terangkat ke atas sehingga terjadi kontak

langsung dengan udara disekitarnya. Proses aerasi dengan menggunakan

baling-baling seperti terlihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Aerasi Dengan Menggunakan Baling-Baling (Sugiharto, 1987).

b. Proses Pertumbuhan Mikroorganisme

Mikroorganisme diperlukan untuk menguraikan bahan organik yang ada dalam

air limbah. Oleh karena itu diperlukan jumlah mikroorganisme yang cukup untuk

menguraikan bahan organik tersebut. Mikroorganisme akan berkembang biak

Gelembung udara

Udara bertekanan

Page 11: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

17

jika jumlah makanan dalam air mencukupi sehingga pertumbuhannya berjalan

konstan. Pola pertumbuhan mikroorganisme dapat dijelaskan sebagai berikut

(Sugiharto, 1987 dalam Sumada, 2012) :

1. Lag Phase, yaitu suatu kondisi dimana mikroorganisme dalam kondisi

beradaptasi terhadap lingkungan barunya, waktu generasinya lama dan

laju pertumbuhan nol

2. Accelaration phase, yaitu suatu kondisi dimana mikroorganisme

mengalami penurunan waktu generasi, dan peningkatan laju

pertumbuhan

3. Exponential phase, yaitu suatu kondisi dimana mikroorganisme

mengalami waktu generasi konstan, laju pertumbuhan spesifik konstan,

dan laju konversi substrat maksimum

4. Declining growth phase, yaitu suatu kondisi dimana mikroorganisme

mengalami waktu generasi naik, dan laju pertumbuhan spesifik menurun

karena terjadi penurunan konsentrasi substrat secara bertahap

5. Stationary phase, yaitu suatu kondisi dimana mikroorganisme kehabisan

nutrisi, sel dalam kondisi tersuspensi (melayang) dan terjadi peningkatan

racun dalam lingkungannya

6. Endogenous phase, yaitu suatu kondisi dimana mikroorganisme

mengalami kematian, laju kematian tinggi, dan terjadi cell lysis.

Page 12: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

18

Kurva karakteristik pertumbuhan mikroorganisme disajikan pada Gambar 2.4

Gambar 2.4 Kurva Karakteristik Pertumbuhan Mikroorganisme

(Sugiharto, 1987 dalam Sumada, 2012).

2.4 Pengolahan dengan Sistem Biofilter Aerob

2.4.1 Biofilter

Proses pengolahan air limbah dengan biofilter dilakukan dengan cara

mengalirkan air limbah ke dalam reaktor biologis yang telah diisi dengan media

penyangga untuk pengembangbiakan mikroorganisme dengan atau tanpa aerasi.

Untuk proses anaerobik dilakukan tanpa pemberian udara atau oksigen. Biofilter

yang baik adalah menggunakan prinsip biofiltrasi yang memiliki struktur menyerupai

saringan dan tersusun dari tumpukan media penyangga yang disusun baik secara

teratur maupun acak di dalam suatu biofilter. Adapun fungsi dari media penyangga

yaitu sebagai tempat tumbuh dan berkembangnya bakteri yang akan melapisi

Specific

Growth

Rate

Bacterial

Density

Lag

Pha

se

Acce

lara

tion

Phase

Exponential

Phase

Decli

ning

Growth

Phase

Statio

nary

Phase

Endo

genous

Phase

Page 13: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

19

permukaan media membentuk lapisan massa yang tipis (biofilm) (Herlambang dan

Marsidi, 2003 dalam Hadiwidodo et al., 2012).

Salah satu kunci penting untuk mendapatkan efluen yang maksimal adalah

menggunakan media yang tepat. Media yang digunakan bisa berupa plastik (polivinil

klorida), kerikil dan pecahan batu, gambut, kompos, arang aktif, sabut kelapa, humus

dan tanah. Media biofilter yang digunakan secara umum dapat berupa bahan material

organik atau bahan anorganik. Untuk media biofilter dari bahan organik misalnya

dalam bentuk jaring, bentuk butiran tak teratur (random packing), bentuk paparan

(plate) dan bentuk sarang tawon. Untuk media dari bahan anorganik misalnya batu

pecah, kerikil, batu marmer dan batu tembikar (Hadiwidodo et al., 2012).

Herlambang (2002) dalam Hadiwidodo et al. (2012) menyatakan bahwa dalam

memilih media biofilter ada beberapa kriteria yang harus dipenuhi antara lain:

a. Prinsip-prinsip yang mengatur pelekatan (adhesi) bakteri pada permukaan

media dan pembentukan biofilm.

b. Parameter yang mengendalikan pengolahan limbah.

c. Sifat-sifat yang harus dipenuhi oleh paket media biofilter dalam reaktor biologi

pada lingkungan spesifik dan sesuai dengan teknik aplikasinya.

Kerikil menjadi media yang paling banyak dipilih untuk media biofilter memiliki

luas permukaan yang besar, dan bakteri dapat hidup dan melekat pada

permukaannya. Selain itu, penyumbatan yang terjadi pada kerikil sangat kecil dan

volume rongganya besar dibandingkan dengan media lain serta mudah didapat dan

relatif lebih murah.

Page 14: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

20

Adanya air buangan yang melalui media kerikil yang terdapat pada media

biofilter mengakibatkan timbulnya lapisan lendir yang menyelimuti kerikil atau yang

disebut juga biological film. Air limbah yang masih mengandung zat organisme yang

belum teruraikan pada bak pengendap bila melalui lapisan lendir ini akan mengalami

proses penguraian secara biologis. Efisiensi biofilter tergantung dari luas kontak

antara air limbah dengan mikroorganisme yang menempel pada permukaan media

filter tersebut. Makin luas bidang kontaknya, maka efisiensi penurunan zat

organiknya (BOD) semakin besar. Selain menghilangkan atau mengurangi

konsentrasi BOD dan COD, cara ini juga dapat mengurangi konsentrasi padatan

tersuspensi atau suspended solid, ammonium, dan phospor (Hadiwidodo et al.,

2012). Biofilter juga berfungsi sebagai media penyaring air limbah yang melalui

media ini. Sebagai akibatnya, air limbah yang mengandung suspended solids dan

bakteri E. coli setelah melalui filter ini akan berkurang konsentrasinya.

2.4.2 Proses Pengolahan Biofilter Aerob

Biofilter aerob merupakan suatu sistem pengolahan limbah dengan

menerapkan prinsip biakan melekat (attached growth). Di dalam reaktor,

mikroorganisme akan tumbuh dan berkembang diatas suatu media pendukung

dengan membentuk lapisan biofilm. Bioreaktor dengan biakan melekat atau biofilter

adalah reaktor yang dilengkapi dengan media (support) sebagai tempat pertumbuhan

mikroorganisme, yang merupakan reaktor pertumbuhan melekat (attached growth

reactor). Media penyangga selama proses pengoperasiannya dapat terendam

sebagian atau seluruhnya, atau hanya dilewati air saja. Mikroorganisme akan

melapisi permukaan media membentuk lapisan massa yang tipis yang disebut

Page 15: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

21

biofilm. Biofilm yang terbentuk pada lapisan atas media dinamakan zoogleal film,

yang terdiri dari bakteri, fungi, alga, protozoa. Metcalf and Edy (1987) mengatakan

bahwa sel bakteri yang paling berperan dan banyak dipakai secara luas didalam

proses pengolahan air buangan. Proses yang terjadi pada pembentukan biofilm pada

pengolahan air limbah sama dengan yang terjadi di lingkungan alami (Herlambang

dan Nusa, 2001). Mikroorganisme yang ada pada biofilm akan mendegradasi

senyawa organik yang ada di dalam air limbah serta tumbuh dan menempel pada

permukaan media. Dengan demikian air limbah akan kontak dengan mikroorganisme

yang tersuspensi dalam air maupun yang menempel pada permukaan media. Kondisi

tersebut dapat meningkatkan efisiensi penguraian zat organik serta mempercepat

proses nitrifikasi, sehingga efisiensi penghilangan amonia menjadi lebih besar (Said

et al., 2001). Beberapa keuntungan dari jenis reaktor biofilm ini antara lain:

a. Pengoperasiannya mudah

Di dalam proses pengolahan air dengan sistem biofilm, dapat dilakukan tanpa

sirkulasi lumpur dan tidak terjadi masalah “bulking” seperti pada proses

dengan biakan tersuspensi. Oleh karena itu pengelolaannya sangat mudah.

b. Lumpur yang dihasilkan sedikit

Lumpur yang dihasilkan pada proses biofilm relatif lebih kecil dibandingkan

proses lumpur aktif. Di dalam proses lumpur aktif antara 30 – 60 % dari BOD

yang dihilangkan (removal BOD) diubah menjadi lumpur aktif (biomasa),

sedangkan pada proses biofilm hanya sekitar 10-30 %. Hal ini disebabkan

karena pada proses biofilm rantai makanan lebih panjang dan melibatkan

Page 16: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

22

aktifitas mikroorganisme dengan orde yang lebih tinggi dibandingkan proses

lumpur aktif.

c. Dapat digunakan untuk pengolahan air limbah dengan konsentrasi rendah

maupun konsentrasi tinggi.

Didalam proses pengolahan air limbah dengan sistem biofilm mikroorganisme

melekat pada permukaan media penyangga maka pengontrolan terhadap

mikroorganisme lebih mudah. Proses biofilm tersebut cocok digunakan untuk

mengolah air limbah dengan konsentrasi rendah maupun konsentrasi tinggi.

d. Tahan terhadap fluktuasi jumlah air limbah maupun fluktuasi konsentrasi.

Di dalam proses biofilter, mikroorganisme melekat pada permukaan media,

akibatnya konsentrasi biomassa mikroorganisme relatif besar sehingga relatif

tahan terhadap fluktuasi beban organik maupun fluktuasi beban hidrolik.

e. Pengaruh penurunan suhu terhadap efisiensi pengolahan kecil.

Jika suhu air limbah turun maka aktifitas mikroorganisme juga akan

berkurang, tetapi karena di dalam proses biofilm substrat maupun enzim dapat

terdifusi sampai ke bagian dalam lapisan biofilm dan juga lapisan biofilm

bertambah tebal maka pengaruh penurunan suhu (suhu rendah) tidak begitu

besar (Herlambang dan Nusa, 2001).

Menurut Grady and Lim (1980), mekanisme yang terjadi pada reaktor biofilter

dengan media tercelup adalah :

a. Transportasi dan adsopsi zat organik dari fasa liquid ke fasa biofilm

b. Transportasi mikroorganisme dari fasa liquid ke fasa biofilm

c. Adsorpsi mikroorganisme yang terjadi ke dalam lapisan biofilm

Page 17: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

23

d. Reaksi metabolisme mikroorganisme yang terjadi dalam lapisan biofim,

memungkinkan terjadinya mekanisme perkembangan sel mikroorganisme.

e. Pelekatan mikroorganisme pada permukaan media pada saat lapisan biofilm

mulai terbentuk dan terakumulasi pada lapisan biofim.

f. Mekanisme pelepasan (detachment biofilm) dan produk lainnya (by product).

Winkler (1981) menyatakan bahwa ketebalan lapisan aerob diperkirakan antara

0,06 – 2 mm. Hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya (Tomlinson

dan Snaddon, 1996; Kornegay dan Andrews, 1968; La Moyya, 1976) yang dikutip

oleh Winkler (1981) menegaskan bahwa penghilangan substrat oleh lapisan

mikroorganisme akan bertambah secara linier dengan bertambahnya ketebalan film

sampai dengan ketebalan maksimum selanjutnya penghilangan akan tetap konstan

dengan bertambahnya ketebalan lebih lanjut (Herlambang dan Nusa, 2001).

2.5 Amonia (NH3)

Amonia merupakan senyawa yang terdiri atas unsur nitrogen dan hidrogen

serta dikenal memiliki bau menyengat yang khas. Molekul amonia terbentuk dari ion

nitrogen bermuatan negatif dan tiga ion hidrogen bermuatan positif dengan rumus

kimia NH3. Amonia dapat terjadi secara alami atau diproduksi secara sintetis.

Amonia yang terdapat di alam (di atmosfer) berasal dari dekomposisi bahan organik.

Produksi amonia buatan melibatkan serangkaian proses kimia untuk menggabungkan

ion nitrogen dan hidrogen.

Amonia memiliki kemampuan menetralisir asam dan saat dilarutkan dalam

air akan membentuk amonium bermuatan positif (NH4+) dan ion hidroksida

bermuatan negatif (OH-). Amonia umumnya digunakan sebagai bahan pembuat

Page 18: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

24

obat-obatan serta untuk untuk membersihkan berbagai perkakas rumah tangga.

Selain itu zat ini juga digunakan sebagai campuran pembuat pupuk untuk

menyediakan unsur nitrogen bagi tanaman. Namun diperlukan kehati-hatian karena

konsentrasi tinggi amonia bisa sangat berbahaya bila terhirup, tertelan, atau tersentuh

(Wikipedia, 2013)

Amonia (NH3) merupakan suatu zat yang menimbulkan bau yang tidak

normal dalam air. Gas amonia yang menimbulkan bau menyengat dan bersifat racun

dapat ditemukan pada pH tinggi (basa) sedangkan pada pH rendah (asam) akan

terbentuk ion NH4+ (Kementrian Lingkungan Hidup, 2004). Amonia dalam air

berhubungan erat dengan siklus nitrogen dialam. Dalam siklus nitrogen, amonia

dapat terbentuk dari (Sutrisno, 2002) :

a. Dekomposisi bahan-bahan organik yang mengandung nitrogen yang berasal

dari feses hewan yang diuraikan oleh bakteri.

b. Hidrolisis urea yang terdapat dalam urine hewan.

c. Dekomposisi bahan-bahan organik dari tumbuh-tumbuhan yang telah mati

oleh adanya bakteri.

d. Dari nitrogen di atmosfer dan reduksi NO2- oleh bakteri.

Senyawa nitrogen seperti amonia, nitrit dan nitrat di perairan memiliki

hubungan yang erat dimana dapat terjadi transformasi amonia menjadi nitrit dengan

bantuan bakteri Nitrosomonas (Saeni, 1989).

Nitrosomonas

2NH3 + 3O2 2NO2- + 2H

+ + 2H2O + energi

Page 19: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

25

2.6 Penghilangan Amonia (NH3)

Salah satu proses pengolahan limbah industri yang dilakukan secara biologi

adalah proses penghilangan nitrogen (Nitrifikasi). Nitrifikasi adalah reaksi yang

bersifat eksotermal. Di dalam proses biofiltrasi, senyawa amonia akan diubah

menjadai nitrit, kemudian senyawa nitrit akan diubah menjadi nitrat. Mekanisme

proses penguraian senyawa amoniak yang terjadi pada lapisan biofilm secara

sederhana dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Ilustrasi Mekanisme Proses Penguraian Amonia Di Dalam Biofilm

(Kementerian Kesehatan RI, 2011)

Lapisan terluar media penyangga adalah lapisan tipis zona aerob, senyawa amonia

dioksidasi dan diubah ke dalam bentuk nitrit. Sebagian senyawa nitrit ada yang

diubah menjadi gas dinitrogen oksida (N2O) dan ada yang diubah menjadi nitrat.

Proses yang terjadi tersebut dinamakan proses nitrifikasi. Semakin lama, lapisan

biofilm yang tumbuh pada media penyangga tersebut semakin tebal sehingga

menyebabkan oksigen tidak dapat masuk ke dalam lapisan biofilm yang

Page 20: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

26

mengakibatkan terbentuknya zona anaerob. Pada zona anaerob ini, senyawa nitrat

yang terbentuk diubah ke dalam bentuk nitrit yang kemudian dilepaskan menjadi gas

nitrogen (N2). Proses tersebut dinamakan proses denitrifikasi. Proses nitrifikasi ini

dapat dilihat dalam dua tahap yaitu (Kementerian Kesehatan RI, 2011) :

a. Tahap nitritasi, merupakan tahap oksidasi ion ammonium (NH4

+

) menjadi ion

nitrit (NO2

-

) yang dilaksanakan oleh bakteri Nitrosomonas menurut reaksi

berikut :

NH4

+

+ ½O2 + OH-

→ NO2

-

+ H+

+ 2H2O + 59,4 Kcal

Nitrosomonas

Reaksi ini memerlukan 3,43 gram O2 untuk mengoksidasi 1 gram nitrogen

menjadi nitrit.

b. Tahap nitrasi, merupakan tahap oksidasi ion nitrit menjadi ion nitrat (NO3

-

)

yang dilaksanakan oleh bakteri Nitrobacter menurut reaksi berikut:

NO2

-

+ 1/2O2 → NO3

-

+ 18 Kcal

Nitrobacter

Reaksi ini memerlukan 1,14 gram O2 untuk mengoksidasi 1 gram nitrogen

menjadi nitrat.

Secara keseluruhan proses nitrifikasi dapat dilihat dari persamaan berikut :

NH4

+

+ 2O2 → NO3

-

+ 2H+

+ H2O

Jika kedua jenis bakteri tersebut ada, baik di tanah maupun di perairan, maka

konsentrasi nitrit akan menjadi berkurang karena nitrit dibentuk oleh bakteri

nitrosomonas yang akan dioksidasi oleh bakteri nitrobacter menjadi nitrat. Kedua

Page 21: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

27

bakteri ini dikenal sebagai bakteri autotropik yaitu bakteri yang dapat mensuplai

karbon dan nitrogen dari bahan-bahan anorganik dengan sendirinya. Bakteri ini

menggunakan energi dari proses nitrifikasi untuk membentuk sel sintesa yang baru.

Bakteri heterotropik merupakan bakteri yang membutuhkan bahan-bahan organik

untuk membangun protoplasma. Walaupun bakteri nitrifikasi autotropik

keberadaannya di alam lebih banyak, proses nitrifikasi dapat juga dilakukan oleh

bakteri jenis heterotropik (Arthobacter) dan jamur (Aspergillus) (Verstraete and

Alexander, 1972 dalam Kementerian Kesehatan RI, 2011). Disamping itu dengan

oksigen yang ada, maka senyawa N-NH4 yang ada diperairan akan dioksidasi

menjadi nitrat. Mengingat kebutuhan O2 yang cukup besar, maka akan terjadi

penurunan oksigen di dalam perairan tersebut sehingga akan terjadi kondisi septik.

Pada proses pengolahan senyawa NH4-N secara biologis kebutuhan O2 cukup besar,

sehingga kebutuhan O2 yang tinggi dapat dipenuhi dengan cara memperbesar transfer

O2 ke dalam instalasi pengolahan. Pada reaktor lekat ini, transfer O2 yang besar dapat

diperoleh dengan cara menginjeksikan udara ke dalam reaktor. Dengan adanya

injeksi udara diharapkan kontak antara gelembung udara dan air yang akan diolah

dapat terjadi (Kementerian Kesehatan RI, 2011).

Pada dasarnya faktor-faktor yang berpengaruh pada proses nitrifikasi antara

lain adalah waktu retensi (Retention Time), oksigen terlarut, suhu, pH, dan

konsentrasi amonia dan nitrit.

a) Waktu Retensi

Waktu retensi adalah waktu generasi mikroba yang berhubungan dengan

jumlah energi yang dibutuhkan selama proses oksidasi. Proses nitrifikasi ini

Page 22: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

28

tergantung dari metabolisme mikroba aerob dan proses nitrifikasi

mempunyai waktu generasi yang panjang yaitu dapat menjadi 10 jam atau

lebih tergantung dari lingkungan mikroba itu berada. Waktu retensi

minimum dari proses nitrifikasi harus lebih lama daripada laju pertumbuhan

mikroba dan juga tergantung dari suhu proses dan konsentrasi bahan-bahan

penghambat (Kementerian Kesehatan RI, 2011).

b) Oksigen Terlarut

Ketersediaan oksigen terlarut sangat dibutuhkan untuk menunjang

kehidupan bakteri nitrifikasi. Kepekaan mikroba nitrifikasi terhadap

rendahnya kadar oksigen terlarut merupakan salah satu penyebab mikroba

ini sulit untuk aktif dan berkembang biak. Proses nitrifikasi berjalan dengan

baik jika konsentrasi oksigen terlarut minimum lebih besar dari 1 mg/L

(Benefield dan Randal, 1980 dalam Kementerian Kesehatan RI, 2011).

c) Suhu

Nitrifikasi dapat berlangsung dengan baik pada suhu 30o

C – 36o

C.

Nitrifikasi yang dilakukan pada suhu optimumnya akan menyebabkan laju

pertumbuhan mikroba akan lambat dan berakibat pada peningkatan waktu

retensinya. Pada kondisi tersebut proses nitrifikasi akan tetap walaupun

pada waktu yang lebih lama (Kementerian Kesehatan RI, 2011).

d) pH

Pada proses biologi, nitrifikasi dipengaruhi oleh pH. pH optimum untuk

bakteri Nitrosomonas dan Nitrobacter antara 7,5 – 8,5. Proses ini akan

terhenti pada pH dibawah 6,0 (Painter, 1970; Painter and Loveless, 1983

Page 23: the effectivity of aerobic biofilter system to reducing ammonia levels

29

dalam Kementerian Kesehatan RI, 2011). Alkalinitas air akan berkurang

sebagai akibat oksidasi amonia oleh bakteri nitrifikasi. Selama proses

nitrifikasi, alkalinitas air harus cukup untuk menyeimbangkan keasaman

yang dihasilkan oleh proses nitrifikasi.

e) Konsentrasi Amonia dan Nitrit

Ion amonia (NH4+ ) adalah salah satu sumber energi untuk bakteri nitrifikasi

namun apabila jumlahnya berlebihan maka akan menghambat pertumbuhan

bakteri tersebut. Hal tersebut selain menghambat proses oksidasi akibat

keterbatasan oksigen tetapi juga konsentrasi nitrit yang tinggi dapat

mereduksi aktivitas bakteri dalam kondisi asam. Proses penguraian nitrat

tersebut akan terus berlanjut hingga menghasilkan nitrogen sebagai produk

akhir, melalui proses denitrifikasi yang bersifat anaerob (Sirait et al., 2008).