Prinsip2 Bioproses

BIOPROSES DALAM LINGKUNGAN:

DASAR-DASAR BIODEGRADASI

Agus Prasetya, PhD. MST-TP2SLP FT-UGM

SEKILAS TENTANG PROSES PERURAIAN SECARA BIOLOGIS Oksidasi Biologis/Bio-oksidasi: Penguraian bahan-bahan organik dalam limbah dengan proses oksidasi yang dilakukan oleh dan dalam mikrobia secara biologis. Biodegradasi: • Peristiwa penguraian senyawa-senyawa organik dalam limbah oleh mikroorganisme pengurai. • Merupakan mekanisme yang paling signifikan pada pengolahan limbah secara biologis. • Dapat terjadi secara: - Aerob : perlu oksigen - An-aerob : tidak perlu oksigen - An-oxic : gabungan aerob dan an-aerob.



Biodegradabilitas beberapa senyawa organik.

Biodegradasi AEROB Ada 2 langkah proses, yaitu: • Proses pembentukan sel-sel baru (sintesis): senyawa2 + a’O2 +N+P + Energy organik

a (sel-sel baru) + CO2 + H2O 2 + residu terlarut sel-sel non-biodegradable mikro organisme

• Proses penguraian sel-sel mikroorganisme karena reaksi autooksidasi (respirasi/endogenesis). sel-sel mikro + b’O2 organisme

CO2 + H2O + N + P + residu2 seluler + Energy non-biodegradable

Konsumsi O2 diperlukan untuk: • Suplai untuk sintesis/pembentukan sel-sel baru • Respirasi endogenesis (auto-oksidasi), dimana sel-sel mikroorganisme terurai untuk menghasilkan energi.

Oksidasi Biologis/Bio-oksidasi – Proses Aerob:

Kurva skematik proses Bio-oksidasi

Linear removal

Declining removal

Endogeneous phase

S0 Biosorption

Synthesis of stored BOD

Oxygen uptake rate

Organic substrat remaining

X0

A

Berat sel total

B

C

D

Biodegradasi An-aerob Dekomposisi An-aerob Adalah proses terurainya senyawa-senyawa organik oleh mikrobia tanpa adanya oksigen. Ada dua proses biologis yang terjadi dalam peristiwa ini, yaitu: • Peruraian senyawa-senyawa organik menjadi asam-asam organik oleh mikrobia fakultatif. • Peruraian asam-asam organik oleh bakteri-bakteri anaerob (misalnya: bakteri pembentuk metan) menjadi metan dan padatan stabil. Senyawa2 organik

mikrobia fakultatif

asam-asam organik + CO2 + H2S

mikrobia pembentuk metan

CH4 + padatan stabil

Biodegradasi An-aerob

Dekomposisi Anoxic

Adalah sebuah proses biologis dimana mikroorganisme tertentu mengambil oksigen yang terdapat dalam senyawasenyawa tertentu (misalnya nitrit dan nitrat) dan nutrien untuk aktivitas biologisnya. Senyawa-senyawa yang terurai akan menghasilkan gas nitrogen, CO2, padatan stabil dan mikroorganisme dalam jumlah yang lebih banyak. Nitrifikasi

: senyawa2 nitrogen  senyawa2 nitrit + nitrat

De-nitrifikasi: senyawa2 nitrit + nitrat  N2, N2O dll.

Proses perombakan senyawa-senyawa organik oleh mikroorganisme

Beberapa jenis mikroorganisme (mikrobia) yang banyak terdapat dalam lumpur aktif adalah: paramecium, berbagai jenis bacteria dan amoeba.

Paramecium

Bacteria agen pengurai utama pada limbah.

Amoeba

• Biodegradasi An-oxic (Dijumpai pada peristiwa nitrifikasi dan denitrifikasi) Senyawa-senyawa organik yang mengandung nitrogen (misal: protein) akan mengalami dekomposisi biologis dengan mekanisme yang cukup kompleks. Oleh mikrobia-mikrobia yang ada, senyawa nitrogen ada yang langsung digunakan untuk proses sintesis sel-sel atau dilepaskan kembali dan terurai (diuraikan oleh bakteri yang sesuai) menjadi N bebas (dalam bentuk N2, N2O dll). Ada dua proses penting dalam peruraian senyawa-senyawa nitrogen menjadi gasgas N2, N2O dll, yaitu: nitrifikasi dan denitrifikasi.

Variabel-variabel yang berpengaruh terhadap Bio-dekomposisi

• Temperatur • pH • Toksisitas senyawa dalam limbah (biasanya: fenol, logam berat, garam-garam anorganik, amoniak) • Shock Loading (perubahan kondisi pembebanan secara tiba2)

• Temperatur Ada 3 daerah suhu untuk proses biodegradasi: - Mesofilik : 4 – 39oC - Termofilik : 40 – 55oC - Psikrofilik : dibawah 4oC Kebanyakan proses biodegradasi berlangsung pada zone mesofilik. - Suhu ideal: ≈ 31oC (reaksi biologis paling cepat) - Pada suhu > 36oC, floc-floc mikrobia akan mulai rusak  penurunan kecepatan pengendapan secara signifikan. - Suhu dalam proses aerobik dijaga ≤ 35,5oC. • pH - Kisaran pH: 5 – 9. - Kecepatan reaksi optimum: pH ≈ 6,5 – 8,5.

• Toksisitas Toksisitas (sifat meracuni) limbah dalam proses bio-oksidasi dapat terjadi karena adanya senyawa-senyawa organik tertentu dengan konsentrasi tinggi misalnya: Fenol. Adanya fenol dengan konsentrasi tinggi dapat meracuni mikrobia, sehingga menghalangi (inhibit) proses bio-oksidasi. Tetapi fenol dalam konsentrasi rendah adalah biodegradable (dapat diuraikan oleh mikrobia) Logam berat. Logam berat yang teradsorpsi pada permukaan dinding sel mikroorganisme akan menghalangi jalannya reaksi bio-oksidasi. Batasan konsentrasi toksik dari logam berat sangat tergantung pada kondisi operasinya. Pada sistem lumpur aktif, konsentrasi logam berat yang rendahpun dapat meracuni.

Garam-garam anorganik dan amoniak. Garam-garam anorganik pada konsentrasi cukup tinggi dapat menunjukan retardasi terhadap reaksi bio-dekomposisi (menghalangi reaksi dan menurunkan kecepatan degradasi senyawa organik). Kandungan garam anorganik yang tinggi juga dapat menyebabkan meningkatnya padatan tersuspensi (suspended solid) dalam arus effluent (arus limbah meninggalkan sistem). Untuk mengatasi/menghindari kondisi toksik, maka limbah yang baru masuk ke sistem (misalnya: kolam limbah) diusahakan tercampur sesempurna mungkin dengan limbah yang sudah ada dalam sistem sehingga terjadi efek pengenceran!



Shock Loading

Berbagai jenis shock load:  

   

Qualitative shock load: perubahan komposisi substrat Quantitative shock load: perubahan konsentrasi senyawa organik. Hydraulic shock load: perubahan laju alir (flowrate) pH shock load: perubahan derajat keasaman secara tiba2. Temperature shock load Toxic shock load: perubahan konsentrasi bahan toksik tiba2



Berbagai macam pola shock load

   



Step up: beban tiba-tiba naik Step down: beban tiba-tiba turun Slug dose (pulse change): beban tiba2 berubah sesaat. Cyclical change: beban berubah secara siklis (teratur terhadap waktu) Random change: shock load terjadi tidak mengikuti pola tertentu



Quantitative Shock Loading







Kasus yang paling umum, kenaikan konsentrasi senyawa organik secara mendadak (sumber C yang sama atau jumlah C total yang sama, eg. sbg BOD) Berpengaruh pada efisiensi dan karakter biomassa (kemudahan untuk flokulasi & settling) Kemungkinan implikasi: defisiensi O2 terlarut, kekurangan/ketidak seimbangan nutrient, perubahan pH → pertumbuhan mikrobia terganggu, atau mati (pada shock load tinggi).



Kenaikan/penurunan konsentrasi senyawa organik mendadak:











Gb. 13.1 (successfull response): response populasi mo heterogen thd 50% step increase dr Si Se konstan, biomassa naik sebanding dng kenaikan kandungan protein dan karbohidrat pada biomassa tsb  balanced growth selama periode transient D relatif kecil (0,125/jam) shg bimassa mempunyai cukup waktu untuk menyesuaikan pertumbuhan dng adanya shock loading Gb. 13.2 (less successfull response): response thd step increase >250%, D:0,244 Se max pada periode transient bisa diprediksi dng model Monod



  



  

Hydraulic Shock Loading Perubahan F karena sistem atau cuaca (misalnya karena hujan) Si bisa konstant atau berubah sebanding dng perubahan F Gb. 13.9 A (step down, Si konstant, mass loading rate turun): tidak terjadi perubahan pada Se Gb. 13.9 B (step down, Si berubah, mass loading rate konstant): ada response drastis Gb. 13.10: step up Jika F dinaikkan terus shg D mendekati Dc  wash out Pada activated sludge, sistem masih tetap bekerja normal (Se konstant) untuk step change F sampai 200%

pH Shock loading  







Pada umumnya mo tumbuh pada pH mendekati netral Gb. 13.11: sedikit perubahan pH memberikan efek yang sangat drastis pada biomassa dan Se Terjadi perubahan pada populasi mo dominant, bukan pada aklimatisasi Masa transient relatif lama, mempengaruhi settling characteristics dr mo Penggunaan flocculating agents saat ada pH shock loading



Temperature Shock Loading  

 

Selective effect (spt pd pH) Gb. 13.13 (step down): efek lebih drastis pada D yang lebih tinggi Gb. 13.14 (step up): idem Mikroorganisme lebih toleran thd step up change daripada step down change

Ukuran floc, selain dipengaruhi oleh kondisi operasi (pH, suhu) dan keadaan limbah (e.g. toksisitas), juga dipengaruhi oleh umur lumpur aktif tersebut.

Koloni bakteri pada berbagai umur floc lumpur aktif.

Penggolongan floc lumpur aktif berdasarkan ukuran floc dan panjang filamen (rambut-rambut mikrobia): Filamentous bulking: • Mikrobia tumbuh terlalu cepat (overgrowth). • Biasanya merupakan hasil complete mixed processes atau karena kurang nutrien dan konsentrasi substrat biodegradable organics terlalu tinggi; disertai kelarutan O2 yang tinggi dalam limbah. • Paling umum dijumpai pada lumpur aktif Non-bulking: • Jumlah nutrient dan substrat cukup. • Biasanya dijumpai pada sistim ‘mixed flow’. Pin-point: • Hasil dari kekurangan makanan (baik substrat maupun nutrien). • Rasio makanan dan massa lumpur organik (F/M) sangat rendah, atau • Hasil penggunaan lumpur aktif yang terlalu lama (long sludge age operation).

‘Filamentous Bulking’

Filament Backbone

Extended Filament

Dispersed particles

‘Pin Point’

‘Nonbulking’