PENGANTAR PENGOLAHAN LIMBAH SECARA BIOLOGIS: AEROBIC “ ACTIVATED SLUDGE/LUMPUR AKTIF “

1. PENGANTAR PENGOLAHAN LIMBAH SECARA BIOLOGIS: AEROBIC “ACTIVATED SLUDGE/LUMPUR AKTIF“ Disampaikan oleh : Prof.Dr.Ir. Tri Widjaja, M.Eng. JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI-ITS

2. Primer Sekunder Tersier Screen Grit removal Settling tank Aeration tank Settling tank Khlorinasi Sludge Aerator Sludge digester Sludge drying bed

3. Prinsip pengolahanbiologis: Mengikuti proses di alam (sungai) dimana bahan organik seperti biota air yang mati, daun, dll akan diuraikan oleh mikroorgansime (mo) dalam sungai • Untuk kehidupannya, mikroorganisme pengurai membutuhkan : • oksigen >> diperoleh dari oksigen terlarut • karbon sebagai sumber energi >>> diperoleh • dari bahan organik terlarut • - N dan P sebagai nutrient

4. Dalam pengolahan Limbah tahap sekunder, dilakukan dengan menumbuhkan mikroorganisme dalam bak aerasi yang akan bertugas untuk menguraikan bahan organik • carboneous organic (C,H,O) • - nitrogenous organic (C,H,O dan N) Dibutuhkan : jumlah oksigen, Nutrient N dan P serta unsur karbon C yang sesuai dengan yang “diinginkan”oleh mikroorganisme tersebut

5. Untuk mendapatkan pertumbuhan mikroorganisme sesuai dengan konsentrasi bahan organik yang akan diuraikan, harus diketahui : • laju pertumbuhan mikroorganisme • laju peruraian substrat (bahan organik) • Reaksi pada proses : cell Organik + O2 +N +P cell baru + CO2 + H2O + SMP Cell + O2 CO2+ H2O +P + N +sisa cell +SMP

6. ORGANIK C, H, O DAN N OKSIGEN (UDARA) BIOLOGIS (AEROBIK) N DAN P (NUTRIENT) CELL + 1 O2 + 1 C CELL BARU + CO2 + H2O Dengan “diambilnya” unsur C dari bahan organik, menyebabkan bahan organik tersebut akan terurai & tingkat polutan tereduksi

7. Untuk “mengambil” 1 mole C , biologis membutuhkan 1 mole O2 Atau : untuk 12 mg C dari bahan organik dibutuhkan 32 mg O2 Banyaknya oksigen (O2) yang dihabiskan oleh mikroorganisme merupakan gambaran tingginya kandungan bahan organik Dianalisa sebagai BOD5 Biological Oxygen Demand

8. Cell baru Organik terlarut O2 Absorbsi Nutrient N, P CELL CO2 H2O Adsorpsi Catatan Padaprosesanaerobik yang keluardari cell berupa CH4 , CO2 (untuk bakteri2 methan) berupa CO2, H2, asam2 organik (untuk bakteri2 acetogenik) Koloid dan Suspended Solid

9. Mekanisme Biodegradasi

10. Activated Sludge Merupakan kolam ber-aerasi dan berpengaduk, yang memungkinkan dekomposisi material organik oleh mikroorganisme yang diinokulasikan sehingga dapat mengendap. Bakteri dalam “activated sludge” diresirkulasi secara kontinu ke kolam aerasi utk meningkatkan rate dekomposisi organik. Pada Tahap ini mikroorganisme memproses dg merubah bahan organik dari non-settleable solids menjadi settleable solids.

11. DASAR-DASAR PENGENDALIAN LUMPUR AKTIF

12. Beberapa parameter penting dalam pengontrolan plant lumpur aktif a.l.: Food:mass ratio (F/M ratio) Sludge age Dissolved oxygen

13. Food:Mass Ratio Salah satu dari parameter kontrol utama pada lumpur aktif adalah Food:Mass Ratio atau Sludge loading Rate. Dapat dihitung dengan persamaan berikut: Besar F:M ratio yang optimum berkisar antara 0,2-0,6 kg BOD/kg MLSS (sludge yang terbentuk mudah mengendap/good settling)

14. F/M Ratio Pada grafik tersebut jika F/M ratio antara 0.2-0.6 maka zone settling velocity (ZSV) akan mudah mengendap, dengan sludge age sekitar 3-14 hari. Efisiensi dari penurunan BOD removal sangat kecil pada range tersebut, biasanya diatas 95% dalam sistem yang konvensional

15. F/M Ratio Apabila F:M ratio terlalu rendah maka dapat menimbulkan tumbuhnya filamen bakteri atau kondisi bulking. Pengendapan di tangki sedimentasi terganggu/sulit. Jika F:M Ratio terlalu tinggi maka dapat menyebabkan kenaikan kebutuhan oksigen dan menaikan clarifier loading.

16. Sludge Age Sludge age atau solids retention time (θc)adalah waktu tinggal rata-rata solid di dalam sistem reaktor. Dapat dihitung dengan persamaan berikut:

17. Sludge age biasanya antara 3-14 hari untuk menghasilkan biological floc. Jika θc<3 hari maka biomassnya kurang cukup tebal, sehingga terbentuk “bulking sludge”. Jika θc>14 hari maka flok partikel yang terbentuk akan terlalu kecil.

18. Hubungan antara sludge age dan efisiensi BOD removal ditunjukan oleh gambar di bawah ini : Dibawah sludge age minimum, biomass dipindahkan lebih cepat di tangki aerasi daripada digantikan oleh pertumbuhan sel baru. Proses ini dimaksudkan sebagai Washout Ada juga sludge age maximum atau critical. Diatas age ini, semua peningkatan performa diabaikan Ada periode antara washout dan critical sludge age dimana aktivitas biomass mungkin naik atau turun secara teratur

19. Sludge Volume Index Dimana : V = Volume dari settled solids setelah 30 menit V0 = Initial volume dari sludged tested (liters) X = Konsentrasi MLSS dari lumpur sebelum tes (gm/liter) Merupakan ukuran yang menyatakan berat endapan per satuan volume (mg/l) larutan setelah 30 menit proses pengendapan. SVI biasanya digunakan untuk mengetahui karakteristik pengendapan sludge dan sangat berguna dalam proses kontrol pengendapan.

20. Sludge Volume Index (SVI) SVI = Sludge Volume Index. SV = Sludge Volume. SS = Suspended Solid

21. Sludge Volume Index (SVI) Settleable solid merupakan partikel padat yang yang akan mengendap setelah satu jam karena pengaruh gaya gravitasi bumi. Biasanya pengukuran dilakukan menggunakan “Imholf Cone” dan data yang dihasilkan berupa volume padatan (ml) per liter larutan limbah.Untuk mengetahui total solid yang mengendap, salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan penyaringan menggunakan membran yang memiliki ukuran lubang sampai 0.45 micron. Untuk kemudian diperoleh data berat kering endapan limbah (mg/l).

22. Sludge Volume Index (SVI) Dalam treatment kedua, Sludge yang dihasilkan biasa disebut Biological Sludge atau MLSS (Mixed Liquor Suspended Solid), MLSS ini terdiri dari inert material dan biological material. MLVSS setara 0,8 MLSS atau dikatakan sebagai bahwa komposisi terbesar pada sludge sebagai biological material sebesar 80%. Kisaran ukuran bacteria bervariasi antara 0.5 – 3 mm, untuk mikroba dengan bentuk spiral biasamya berukuran 15 mm. Oleh sebab itu dalam dalam analisa MLSS dilakukan penyaringan dg membran yang memiliki ukuran lubang lebih kecil, digunakan kertas saring GF/C (GF/B) dengan ukuran lubang 0.45 mm.

23. Hubungan antara solids concentration dengan SVI

24. Sebagai contoh: Untuk menjaga konsentrasi solid pada 3.000 mg/L & ketika SVI 75 ml/gm, maka laju recycle solid diperoleh 29%. • Dari gambar di atas untuk typical sludge. Di bawah poin (a) SVI relatif tidak tergantung pada konsentrasi solid • Di atas poin (a) dan di bawah poin (b) SVI sangat tergantung pada konsentrasi solid karena kegagalan sludge untuk menggumpal menjadi coarse open lattice • Di atas poin (b) SVI turun ke parallel kurva maximum attainable • SVI bisa digunakan sebagai alat operasional untuk in-plant control dari laju recycle solid. Jika konsentrasi solid meninggalkan settler diasumsikan 1/SVI, maka solids balance disekitar reaktor (mengabaikan sintesa solid di dalam reaktor) bisa dipetakan

25. Organisme multiseluler aerobic. Memakan Protozoa, bakteri terdispersi dan terflokulasi, dan partikel organik yang lebih kecil Mempunyai dua set cilia untuk bergerak dan menangkap mangsa. Membutuhkan kandungan oksigen terlarut yang relatif tinggi sekitar >2 mg/liter. Relatif lambat untuk menggandakan diri Indikator lingkungan air: 1. Rotifera

26. Rotifer adalahmetazoa (organismemulticellular) denganukuranbervariasiantara 100 m – 500 m. Tubuhnyamerupakan “jangkar” padapartikelflok, dankadangkalamemotongkeluarpermukaanflok. Keberadaannyamengindikasikan air limbah yang diolahsecarabiologisberlangsungbaik. Rotifer ditemukandalam air limbahmeliputiduagolongan, yaitu : • Monogononta (sepertiLecanespp, Notommata sp) • Bdelloidea (sepertiPhilodinaspp, Habrotrochaspp)

27. LECANE SP. Sama halnya dengan protozoa, mikroorganisme ini juga sangat aerob dan lebih sensitip terhadap kondisi toksik dibanding bakteria. Lecane spp dijumpai hanya pada lingkungan activated sludge yang sangat stabil. ( Water Environment Society,1987) . Lecane spp juga mampu mengkonsumsi (predator) mikroba serta partikulat.

28. 2. Fungi Activated sludge tidak selalu bagus untuk pertumbuhan fungi, walaupun beberapa fungal filament dijumpai pada flok activated sludge. Fungi dapat tumbuh pada pH yang rendah , toksik, limbah dengan kandungan nitrogen sangat rendah. Spesies yang umum dijumpai dalam activated sludge, antara lain : Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium, Cladosporium, dan Alternaria. Terjadinya bulking dari sludge pada bak sedimentasi skunder dapat disebabkan karena pertumbuhan Geotrichum candidum, yang terjadi pada pH rendah dari limbah asam.

29. Fungi

30. Problem pada Activated Sludge

31. Dispersed Growth • Mikroorganisme tidak dapat membentuk flokdan tetap terurai (hanya membentuk rumpun kecil atau sel tunggal.) • Bakteri yang tidak membentuk flok umumnya dikonsumsi oleh protozoa. akibatnya antara lain effluent tetap keruh, tidak terbentuk daerah pengendapan sludge.

32. Non-filamentous bulking Disebut juga “zoogleal bulking” dan disebabkan oleh pembentukan exopolysaccharida yang berlebihan oleh Zooglea dalam activated sludge. Akibat yang terjadi antara lain menurunkan kemampuan pengendapan dan flok kurang padat. Bulking tipe ini agak jarang ditemui dan dikoreksi oleh khlorinasi. (Chudoba, 1989)

33. Rising Sludge Sludge naik ke permukaan sebagai akibat dari denitrifikasi berlebihan, sebagai hasil dari kondisi anoxic dalam tangki sedimentasi. Partikel sludge mengikat gelembung nitrogen dan membentuk sludge blanket di permukaan clarifier. Sludge lolos ke effluent sehingga menjadi keruh dan meningkatkan kembali kadar BOD5. Salah satu solusi problem ini adalah mengurangi waktu tinggal sludge seperti dengan menaikkan kapasitas sirkulasi sludge.

34. Terbentuknya foam dan scum Problem ini disebabkan oleh tidak terurainya surfactan serta adanya mikroorganisme Nocardia sp dan kadang-kadang juga disebabkan oleh adanya Microthhrix parvicella. Solusi : 1. Menggunakan antifoam 2. Menghilangkan busa secara mekanis sebelum masuk Clarifier

35. Filamentous bulking Thiothrix sp. Bulking merupakan problem berupa lambatnya pengendapan dan tidak kompaknya padatandi clarifier. Filamentous bulking umumnya disebabkan oleh pertumbuhan yang berlebihan dari mikroorganisme filamentous seperti Thiothrix sp

36. Pinpoint-floc Adalah suatu keadaan dimana flok yang dihasilkan sangat tipis Hal ini disebabkan karena kurangnyabakteri filamentousyang berfungsi ibaratnya sebagai “tulang belakang” dalam proses pembentukan flok sehingga flok kehilangan strukturnya, serta mempunyai kemampuan pengendapan yang rendah, akibatnya effluent tetap keruh.

37. Efek Pertumbuhan Filamentous Bakteri Ideal, non bulking floc Pinpoint Floc Filament Floc

38. Pinpoint- floc small, weak flocs flocscontining filamentous organisms d) flocs containing filamentous organism “network" or “backbone."

39. Parameter panjang filamen dengan SVI

40. Pengendalian Filamentous Bakteri Sphaerotilusnatans Type 1701 H.hydrossis Group I - Zona Aerobik dengan Konsentrasi DO rendah • Terjadi pada substrat yang mudah termetabolasi • Terjadi pada substrat dengan konsentrasi DO yang rendah • Terjadi pada rentang waktu tinggal sludge yang lebar Organisme yang berpengaruh :

41. Pengendalian : • Menggunakan aerobik, anoxic, atau anaerobik selektor • Meningkatkan waktu tinggal sludge • Meningkatkan konsentrasi DO pada tangki aerasi

42. Group II - ZonaMixotropicdan Aerobic • Terjadipadasubstrat yang mudahtermetabolasi, terutamapadasubstratdenganasam-asamorganikdenganberatmolekul yang rendah • Sulfidateroksidasimenjadibutiran-butiran sulfur • Terjadipadawaktutinggalsludge darisedanghinggatinggi • Tingkat penyerapannutrisi yang yangcepat Organisme yang berpengaruh : Type 021 N Thiotrix Sp.

43. Pengendalian : • Menggunakan aerobik, anoxic, atau anaerobik selektor • Menambahkan jumlah nutrien • Menghilangkan sulfida dengan menggunkan asam organik konsentrasi tinggi

44. Group III - ZonaAerobiklainnya • Terjadipadasubstrat yang mudahtermetabolasi • Terjadipadawaktutinggalsludge darisedanghinggatinggi Organisme yang berpengaruh : N.Limicola Sp. Type 1851

45. Pengendalian : • Menggunakan aerobik, anoxic, atau anaerobik selektor • Mengurangi waktu tinggal sludge

46. Group IV - ZonaAerobik, Anoxic, danAnaerobik • Terjadipadasistem yang aerobik, anoxic, atauanaerobik • Terjadipadawaktutinggalsludge yang lama • Memungkinkanterjadinyapertumbuhanpadapartikulatprodukhidrolisis Organisme yang berpengaruh : M.Parvicella Type 0041 Type 0092

47. Pengendalian : • Menjaga keseragaman konsentrasi DO yang cukup pada zona aerobik

48. Kelebihan dan kekurangan TERIMA KASIH • Kelebihan • Oksidasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi dapat tercapai. • Nitrifikasi biologis tanpa penambahan bahan kimia. • Dapat menghilangkan senyawa fosfor secara biologis • Stabilisasi dari sludge. • Penghilangan SS dari air limbah dapat mencapai 97%. • Kekurangan • Tidak dapat menghilangkan pewarna dalam air limbah. • Untuk mendapatkan sludge yang terendapkan secara baik, diperlukan kontrolkondisi yang akurat dan baik • Tidak dapat menghilangkan nutrien (membutuhkan pengolahan tersier)