4. Dasar-Dasar Proses Biologis
description
Transcript of 4. Dasar-Dasar Proses Biologis
Pengantar
Hampir semua air limbah
mengandung biodegradable
constituents yang dapat diolah
secara biologis dengan
analisis yang tepat dan
pengendalian lingkungan.
1. Tujuan Pengolahan Biologis
1. Transformasi (oksidasi) konstituen terlarut
dan partikulat biodegradable (BOD).
2. Menangkap solid koloid tersuspensi menjadi
flok atau biofilm.
3. Transformasi atau menyisihkan nutrients (N
dan P)
4. Menyisihkan senyawa organik atau
anorganik trace
Klasifikasi proses biologis
Biochemical transformation
– Menyisihkan soluble organic matter (SOM), stabilisasi insoluble organic matter (IOM), konversi soluble inorganic matter (SIM)
Biochemical environment
− Aerobic, anoxic vs. anaerobic
Bioreactor configuration
− Suspended growth bioreactor vs. Attached growth bioreactor
Jenis proses pengolahan biologis
Activated -sludge
Aerated Lagoon
Trickling filter
Rotating biologis
contactor (RBC)
2. Prinsip Dasar
Katabolisma dan anabolisma (aerobic heterotrophic
microorganisms)
Oxygen-demanding
materials
Prinsip
nitrifikasi: Proses aerobik, bakteri mengubah ammonia dan nitrogen organik dalam air limbah menjadi nitrogen oksida (biasanya nitrat), bakteri Nitrosomonas, Nitrobacter; – Temperatur optimum 25 - 35°C; bila <15°C tingkat pertumbuhan
turun drastis;
– 4,3 g O2 per gram NH4-N
denitrifikasi: Proses anaerobik yang terjadi ketika ion nitrit atau nitrat direduksi menjadi gas nitrogen. – Denitrifikasi terjadi pada temperatur rendah 5°C.
– Bakteri heterotrofik: C/N = ± 3
Penyisihan fosfor
Phosphorus precipitation: menggunakan besi (Fe), kalsium (Ca), aluminium (Al); Problem: saturation, clogging.
biological phosphorus removal: 25% removal during aerobic break down;
Mikroorganisme Acinetobacter sp. memerlukan siklus anaerobik-aerobik.
Prinsip
Peran Mikroorganisme
Penyisihan atau stabilisasi bahan organik
selama pengolahan biologis dilakukan oleh
bermacam-macam mikroorganisme,
khususnya bakteri.
sumber carbon Heterotrophic: memerlukan satu atau lebih
bahan organik untuk nutrisinnya (BOD);
Autotrophic: dapat menggunakan bahan
anorganik (CO2 dari udara atau air) sebagai
sumber C.
Mikroorganisme
Klasifikasi:
Heterotrophic- mendapatkan energi dari oksidasi bahan organik (Carbon organik)
Autotrophic- mendapatkan energi dari oksidasi bahan anorganik (CO2, NH4, H+ )
Phototrophic- mendapatkan energi dari sinar matahari
pertumbuhan biologis - pertumbuhan exponential
(batch)
- Kinetika Monod
- Kinetika Haldane
pada kondisi toxic
pertumbuhan exponential
Pertumbuhan biologis ...
Lo
g N
o. o
f C
ells
Time L
ag p
has
e
Log per
tum
bu
han
phas
e
Sta
tionar
y p
has
e
Dea
th p
has
e Xdt
dX
gdt
dx menyatakan laju pertumbuhan
biomasa [massa/volume.waktu].
μ= Konstanta laju pertumbuhan
spesifik .
Fase pertumbuhan mikroba
Fase lag : Fase adaptasi pada lingkungan baru, waktu generasi lama, laju
pertumbuhan nol, ukuran sel dan laju aktifitas metabolisme maksimum.
Fase percepatan : waktu generasi menurun dan laju pertumbuhan
meningkat.
Fase eksponensial : waktu generasi konstan dan minimal, laju
pertumbuhan spesifik maksimum dan konstan, laju konsversi substrat
maksimum dan terjadi pertambahan jumlah mikroba secara eksponensial.
Fase pertumbuhan menurun : kenaikan waktu generasi dan penurunan laju
pertumbuhan spesifik karena terjadi penurunan konsentrasi subtrat secara
perlahan.
Fase stasioner : terjadi penurunan konsenstrasi substrat secara tajam dan
adanya akumulasi senyawa toksik hasil proses metabolisme. Di sini
seolah – olah terjadi keseimbangan antara laju kematian dan pertumbuhan.
Fase endogeneous : terjadi respirasi dan metabolisme endogeneous, laju
kematian meningkat dan terjadi “cell lysis”.
Kinetika Monod
Substrate Concentration (S)
Sp
ecif
ic p
ertu
mb
uhan
rate
( µ
)
Max. rate µm
µm/2
ks
Pertumbuhan biologis ...
SK
S
s
m
= laju pertumbuhan spesifik, [1/ waktu]
m = nilai maksimum pada konsentrasi
jenuh substrat, [1/waktu]
S = konsentrasi substrat sisa, [ mg/l]
Ks = konstanta saturasi dimana nilainya
sama dengan konsentrasi substrat saat
= m/2, [massa/ volume]
Kinetika Haldane (pada kondisi toxic)
Substrate Concentration (S)
Sp
ecif
ic p
ertu
mb
uh
an
rate
( µ
)
i
Pertumbuhan biologis ...
is KiSSK
S
/. = m
Biochemical Pathways
Glucose
EPM Pathway
Pyruvic Acid
ADP ATP
Energy
Lactic Acid TCA Cycle H+ Respiration H2O
CO2 O2
Oksidasi molekul organik dalam sel dapat terjadi secara aerobik atau anaerobik
aerobic pathways mengandung: EMP pathways, TCA cycle, respiration
anaerobic pathways mengandung: EMP pathways
energi dilepaskan disimpan sebagai molekul
ATP Makanan berlebih disimpan sebagai Glycogen
C6H12O6 + 6O2 +38 ADP + 38 Pi 6 CO2 +38 ATP + 44 H2O
Biochemical Pathways
3.Applications
1. Penyisihan Carbon - aerobic
- anaerobic
2. Penyisihan Nitrogen - nitrifikasi
- denitrifikasi
3. Penyisihan Sulfide - anaerobic SO4 reduction
- aerobic HS- oxidation
Penyisihan Carbon
aerobik
- oksidasi bakteri
CHONS + O2 + Nutrients CO2 + NH3 + C5H7NO2
(bahan organik) (sel bakteri baru)
+ other end products
- respirasi endogenous bakteri
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energi
(sel)
Penyisihan Carbon
anaerobik
Skema Proses Anaerobik
Hydrolysis
Acidogenesis
Methenogenesis
Complex Organics
Intermediates Propionate
H2
Acetate
CH4
20% 5%
60% 15%
35% 10% 13%17%
15%
72% 28%
100%
Penyisihan Nitrogen
nitrifikasi -energi
Nitrosomonas
NH4+ + 1.5 O2 NO2
- + H2O + 2 H+ + (240-350 kJ) (1)
Nitrobacter
NO2- + 0.5 O2 NO3
- + (65-90 kJ) (2)
-assimilasi
Nitrosomonas
15 CO2 + 13 NH4+ 10 NO2
- + 3 C5H7NO2 + 23 H+ +4 H2O (3)
Nitrobacter
5 CO2 + NH4+ +10 NO2
- +2 H2O 10 NO3- + C5H7NO2 + H+ (4)
- Rekasi keseluruhan
NH4+ +1.83 O2 + 1.98 H CO3
- 0.021 C5H7NO2 + 0.98 NO3- + 1.04 1H2O
+ 1.88H2CO3
Penyisihan Nitrogen
faktor yang mempengaruhi nitrifikasi
* temperatur
* konsentrasi substrat
* oksigen terlarut (dissolved oxygen)
* pH
* bahan toksik dan inhibitor
)2.7(83.01)15(095.0
4
4 pHeDOK
DO
NNHK
NNH T
ON
m
Penyisihan Nitrogen
Denitrifikasi denitrifikasi assimilatory
Reduksi nitrat menjadi ammonium oleh mikroorganisme untuk sintesis protein
denitrifikasi dissimilatory
Reduksi nitrat menjadi gas nitrogen oleh mikroorganisme
nitrat digunakan untuk sumber oksigen sebagai akseptor elektron antara
Proses berlangsung melalui empat tahap
NO NO NO N O N 3
-
2
-
2 2
Penyisihan Nitrogen
denitrifikasi
denitrifikasi heterotrophic
denitrifiers memerlukan sumber karbon untuk energi dan sintesis sel
denitrifiers dapat menggunakan bermacam-macam sumber karbon organik - methanol, ethanol dan asam asetat
NO + 1.08CH OH + H 0.065C H O N 0.47N 0.76CO 2.44H O3
-
3
+
5 7 2 2 2 2
- tidak ada sirkulasi biomass - HRT tinggi - luas lahan besar - transfer O2 terbatas - pengadukan tidak cukup - beban berlebih (kondisi anaerobik – menghasilkan H2S)
Pond treatment
Activated Sludge Process...
- aerobik - pertumbuhan-tersuspensi - Persamaan Disain 1
c
d
c
Yk k
c SF
min
min*
Activated Sludge Process...
Nilai typical cell residence time (c ): - c untuk penyisihan C ~ 3-10 hari
- c untuk penyisihan N ~ 5-30 hari - loading rates ~ 2-3 kg COD/m3/d - drawbacks: kebutuhan O2, konsentrasi inlet.
Biofilm process
Keuntungan biofilm process:
produktivitas proses tinggi (loading rates) biomassa lebih tinggi mean cell residence time lebih tinggi tidak perlu resirkulasi biomassa membentuk lingkungan yang sesuai untuk
setiap jenis bakteri
Biofilm process...
• type biofilm: aerobik, anaerobik, anoxic • proses pembentukan biofilm: Pembentukan lapisan listrik ganda
terdisfusi akibat gaya elektrostatik dan gerakan panas
Transfer mikroorganisme ke permukaan
Perlekatan mikroba
Pembentukan biofilm
Biofilm process...
• operasi biofilm
X
Y
Biofilm Liquid
Film
Bulk
Liquid
Sup
po
rt M
ater
ial
(a) Physical concept
Fully Penetrated
Partially Penetrated
SS
Sb
Sub
stra
te C
once
ntr
atio
n
X
Y
(b) Substrate concentration profile
Biofilm proses...
• biofilm operation average rate of substrate consumption
Effectiveness factor = ----------------------------------------------
substrate consumption at biofilm surface
• as biofilm thickness increases
effectiveness factor () decreases
Conversion of Ethanol to Methane
Conversion Reaction Go’
(kJ)
Ethanol
CH2CH2OH (aq) + H2O (l) = CH3COO- (aq) + H
+ (aq) + 2H2 (g) +09.65
Hydrogen
2H2 (g) + ½ CO2 (g) = ½ CH4 (g) + H2O (l) - 65.37
Acetate
CH3COO- (aq) + H
+ (aq) = CH4 (g) + CO2 (g) - 35.83
Net
CH2CH2OH (aq) = 3/2 CH4 + ½ CO2 (g) - 91.55
Anaerobic biofilm process
Anaerobic biofilm process...
• loading rate: 10-15 kg COD/m3/d
bandingkan: 2-5 kg COD/m3/d pada proses pertumbuhan tersuspensi