PENGELOLAAN LIMBAH PUPUK UREA

Indonesia merupakan negara agraris yang mayoritas penduduknya

menggantungkan diri pada sektor pertanian. Seiring dengan meningkatnya hasil

pertanian guna memenuhi kebutuhan pangan masyarakat, maka kebutuhan akan

tersedia pupuk yang berkualitas dengan harga yang terjangkau sangatlah mutlak

diperlukan.

Pupuk memegang peranan penting dalam peningkatan kualitas produksi hasil

pertanian. Salah satu jenis pupuk yang banyak digunakan oleh petani adalah pupuk

urea, yang berfungsi sebagai sumber nitrogen bagi tanaman. Dalam peternakan, urea

apalagi merupakan nutrisi makanan ternak yang dapat meningkatkan produksi susu

dan daging. Selain itu, pupuk urea memiliki prospek yang cukup besar dalam bidang

industri, antara lain sebagai bahan dalam pembuatan resin, produk-produk cetak,

pelapis, perekat, bahan anti kusut dam membantu dalam pencelupan di pabrik tekstil.

Dengan demikian, kebutuhan pupuk urea setiap tahun semakin bertambah besar.

Urea adalah suatu senyawa berbentuk kristal putih, bersifat basa, yang

dihasilkan dari reaksi dehidrasi ammonium carbamat, sedangkan ammonium

carbamat sendiri dihasilkan dari reaksi ammoniak dengan carbon dioksida pada suhu

dan tekanan yang tinggi. Ammonium tersebut dapat diperoleh dari gas alam yang

sebagian besar mengandung metana, sedangkan CO2 yang digunakan sebagai

pereaksi dalam pembuatan urea diperoleh dari hasil samping dari pembuatan

ammoniak.

2NH3 + CO2 NH2COONH4 HN2CONH2 + H2O

Urea tidak stabil apalagi bila diberikan lagi panas. Pupuk urea adalah pupuk

buatan yang merupakan pupuk tunggal, mengandung unsur hara utama nitrogen,

berbentuk butiran (prill) atau grintilan (granular). Urea memiliki rumus kimia

CO(NH2)2.

Adapun fungsi dari pupuk urea adalah sebagai berikut :

1

1. Urea digunakan sebagai pupuk yang merupakan sumber nitrogen yang sangat

dibutuhkan oleh tumbuhan.

2. Urea dengan asam nitrat digunakan sebagai stabilisator (mencegah terjadinya

ledakan) pada nitro selulosa yang disimpan.

3. Urea dengan formaldehid digunakan dalam pembuatan resin.

4. Kadar urea apabila dicampur dengan kadar urine untruk menentukan kadar

protein dari hasil metabolisme dalam badan

5. Urea dapat digunakan dalam berbagai industri, diantaranya p;ada indusrti kayu

lapis untuk pembuatan lem.

Pupuk urea merupakan reaksi antara karbon dioksida (CO2) dan ammonia

(NH3). Kedua senyawa ini berasal dari bahan gas bumi, air dan udara. Ketiga bahan

baku tersebut meruapakan kekayaan alam yang terdapat di Sumatera Selatan. Pada

proses pembuatan amoniak dengan tekanan rendah dalam reaktor (±150 atmosfir)

yaitu dengan reaksi reforming merubah CO menjadi CO2, penyerapan CO2 dan

metanasi. Reaksi reforming ini dilakukan dalam 2 tingkatan yaitu :

Tingkat Pertama : Gas bumi dan uap air direaksikan dengan katalis melalui piap-

pipa vertikal dalam dapur reforming pertama dan secara umum reaksi yang terjadi

sebagai berikut:

CH4 + H2O → CO + 3H2

Tingkat Kedua : Udara dialirkan dan bercampur dengan arus gas dari reformer

pertama di dalam reformer kedua, hal ini dimaksudkan untuk menyempurnakan

reaksi reforming dan untuk memperoleh campuran gas yang mengandung nitrogen.

2CH4 + 3O2 → 12N2

2CO + 4H2O → 12N2

lalu campuran gas sesudah reforming direaksikan dengan H2O di dalam converter

CO untuk mengubah CO menjadi CO2

CO + H2O → CO2 + H2

CO2 yang terjadi dalam campuran gas diserap dengan K2CO3

2

K2CO3 + CO2 + H2O → KHCO3

larutan KHCO3 dipanaskan guna mendapatkan CO2 sebagai bahan baku pembuatan

urea. Setelah CO2 dipisahkan, maka sisa-sisa CO, CO2 dalam campuran gas harus

dihilangkan yaitu dengan cara mengubah zat-zat itu menjadi CH4 kembali

CO + 3H2 ---> CH4 + H2O      

CO2 + 4H2 ---> CH4 + 2H2O      

Lalu kita mensitesa nitrogen dengan hidrogen dalam suatu campuran ganda pada

tekanan 150 atmosfir dan kemudian dialirkan ke dalam converter amoniak.

N2 + 3H2 ---> 2NH3          

Setelah didapatkan CO2 (gas) dan NH3 (cair), kedua senyawa ini direaksikan dalam

reaktor urea dengan tekanan 200-250 atmosfer.

2NH3 + CO2 → NH2COONH4 + Q      

amoniak   karbon dioksida  ammonium

karbamat          

NH2COONH4     → NH2 CONH2 + H2O - Q  

Reaksi ini berlangsung tanpa katalisator dalam waktu ±25 menit. Proses selanjutnya

adalah memisahkan urea dari produk lain dengan memanaskan hasil reaksi (urea,

biuret, ammonium karbamat, air dan amoniak kelebihan) dengan penurunan tekanan,

dan temperatur 120-165 derajat Celsius, sehingga ammonium karbamat akan terurai

menjadi NH3 dan CO2, dan kita akan mendapatkan urea berkonsentrasi 70-75%.

3

Meskipun (NH2)2CO dan NH3-N tidak termasuk senyawa B3, limbah cair

pabrik pupuk urea dapat menimbulkan kerusakan ekosistem badan air yang sangat

serius. Sampai saat ini, pengolahan limbah cair pabrik pupuk urea dilakukan dengan

proses nitrifikasi-denitrifikasi heterotrofik dalam kolam-kolam terbuka. Karena kadar

COD limbah cair ini rendah, proses nitrifikasi-denitrifikasi heterotrofik tersebut

memerlukan banyak masukan sumber karbon, dalam hal ini adalah metanol. Selain

itu, kinerja proses tidak terkendali ketika terjadi fluktuasi karakteristik limbah yang

ekstrim.

Teknologi yang diterapkan berbasis pada penggabungan activated microalgae

dan nitrifikasi-denitrifikasi autotrofik untuk menguraikan limbah cair urea kadar

tinggi dan ammonia kadar tinggi. Microalgae merupakan mikroba autotrof yang

4

mampu memanfaatkan (NH2)2CO dan NH3-N sebagai sumber nitrogen (sumber N)

dan gas karbon dioksida (CO2) sebagai sumber karbon (sumber C).

Dalam skala besar mikroalgae selalu berasosiasi dengan bakteria/mikroba lain.

Pada dasarnya, interaksi bakterialgae mampu memurnikan air sungai. Aktivitas

metabolisme bakteri heterotropik-aerobik menghasilkan CO2, NH4+, NO3

-, PO43- dan

sebagainya. Mikroalgae menyerap senyawa-senyawa tersebut dan menghasilkan

bahan organik, O2, dan H2O. Oksigen yang diproduksi mikroalgae digunakan oleh

bakteri aerobik-heterotrofik diantaranya untuk reaksi nitrifikasi dan bakteri

anaerobik-denitrifikasi. Dalam penelitian ini, akan dicoba menggunakan microalgae

yang telah di-activated yang digabungkan dengan bakteri alam dalam lumpur aktif

yang telah dipra-kondisikan, untuk mengolah air limbah yang mengandung urea dan

amonia konsentrasi tinggi.

Melalui proses fotosintesis, microalgae menggunakan CO2 dari bakteri aerob

dan amonia untuk membentuk protoplasma sel dan melepaskan molekul oksigen.

NH3 + 8 CO2 + 4,5 H2O C5H14O3N + 8,75 O2

Faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan (fotosintesis) microalgae

adalah intensitas cahaya, suhu air, pH, makro dan mikronutrien, 5 konsentrasi CO2.

Walaupun mengandung unsur karbon, karbon pada urea tidak bisa digunakan

sebagai sumber hara [Stein, 1973; Polle et al, 1999], karena karbon dalam bentuk

teroksidasi dan selama hidrolisis terlepas sebagai CO2 dalam reaksi sebagai berikut:

(NH2)2CO + 2 H2O → (NH)2 CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O

Sumber nitrogen utama yang dapat digunakan oleh microalgae adalah nitrat dan

amonia-N, sedangkan penggunaan nitrit dibatasi oleh toksisitasnya. Bila nitrat dan

amonia-N terdapat bersama, maka nitrat tidak akan diabsorpsi sampai semua amonia-

N habis terserap.

Hampir semua microalgae memiliki enzim urease sebagaimana halnya

tumbuhan tingkat tinggi [Barr, 2002]. Urea digunakan sebagai sumber N dalam

5

Cahaya

pertumbuhan berbagai jenis microalgae, bahkan juga oleh microalgae yang tidak

mempunyai urease [Syrett, 1962 dalam Morris, 1974].

Bakteri memanfaatkan bahan organik yang dihasilkan oleh microalgae atau

berasal dari microalgae mati sebagai sumber karbon untuk mensintesa sel baru dan

untuk kebutuhan energi membentuk produk akhir seperti CO2, NH4+, pada proses

respirasi dan sintesis, Microalgae memanfaatkan CO2 sebagai sumber karbon untuk

fotosintesis.

Respirasi

12,2 O2 + C11H29O7N → 0,25 C5,7H9,8O2,3N + 9,6 CO2 + 11,8 H2O + 0,75 NH4+

bakteri

Fotosintesis

11,4 CO2 + 2 NH4+ + 6,8 H2O → 2C5,7H9,8O2,3N + O2 + 2 H+

Microalgae

Defisiensi CO2 dipenuhi dari alkalinitas alami yang ada di air dan dari

pemasukan CO2 gas dengan bantuan sparger, yang sekaligus berfungsi sebagai

pengaduk. Proses konvensional untuk menghilangkan ammonium pada umumnya

melalui 2 tahap, nitrifikasi aerobik dan denitrifikasi anaerobik. Kajian yang

dilangsungkan pada dekade terakhir menemukan bahwa konversi NH4+ menjadi gas

N2 secara autotrofik meliputi 2 tahap: (i) nitrifikasi aerobik NH4+ menjadi NO2

- or

NO3- dengan O2 sebagai penerima electron dan (ii) denitrifikasi anoksik NO2

- atau

NO3- menjadi gas N2 dengan NH4

+ sebagai donor elektron [Anderson & Levine,

1986].

Pada dasarnya pembuatan lumpur aktif nitrifying relatif mudah [Gernaey et al,

1997]. Tetapi bila lumpur itu kemudian dapat diinduksi untuk mengkonversi NH4+

menjadi N2 tanpa bantuan sumber karbon organik, maka sebuah langkah penting

dalam pengolahan limbah akan mugkin dilakukan.

Secara garis besar, tata cara pengelolaan limbah cair pupu urea adalah sebagai

berikut:

6

Alat yang digunakan antara lain bak Nitrifikasi 160 liter, bak Sedimentasi,

tandon Feed 200 liter, constant feed tank, submersible water pump, timbangan

Reagen, kompressor dan Air Diffuser.

Bahan yang digunakan adalah urea sintesis(sebagai limbah), microalgae dan

lumpur aktif yang telah diaklimatisasi.

Prosedur percobaan diawali dengan pembuatan larutan urea sintesis sebanyak

200 L, larutan urea sintesis ini kemudian dialirkan ke dalam reaktor fotosintesis yang

berisi microalgae, setelah itu dialirkan lagi ke bak nitrifikasi yang berisi lumpur aktif,

dari bak nitrifikasi effluent ditampung di bak sedimentasi sehingga lumpur yang

terbawa pada aliran umpan bisa diendapkan untuk direcycle kembali ke bak

nitrifikasi. Berikut adalah gambar rangkaian alat:

7

Dari effluent respon yang akan diamati adalah persen penurunan kadar NH3-N

dan kadar NO2-NO3 yang terbentuk. Analisa NH3-N dilakukan dengan metode

kjeldahl. Sedangkan untuk analisa kadar NO2-NO3 hal yang dilakukan adalah

mereduksi effluent dengan cara melewatkannya ke kolom reduktor untuk kemudian

dianalisa secara spektrofotometri.

Pencemaran udara adalah bertambahnya bahan atau substrat fisik atau kimia ke

dalam lingkungan udara normal yang mencapai sejumlah tertentu, sehingga dapat

dideteksi oleh manusia (atau yang dapat dihitung atau diukur) serta dapat

memberikan efek pada manusia, binatang, vegetasi dan material. Selain itu

pencemaran udara dapat pula dapat digunakan sebagai perubahan atmosfer oleh

karena masuknya bahan kontaminan alami atau buatan ke dalam atmosfer tersebut.

Pencemaran udara adalah juga adanya bahan polutan di atmosfer yang dalam

konsentrasi tertentu akan mengganggu keseimbangan dinamik atmosfer dan

mempunyai efek pada manusia dan lingkungannya.

Pengertian lain dari pencemaran udara adalah terdapat bahan kontaminan di

atmosfer karena ulah manusia. Hal ini untuk membedakan pencemaran udara alamiah

dan pencemaran di tempat kerja.

Asal pencemaran udara dapat dijelaskan dengan 3 proses yaitu atrisi,

penguapan dan pembakaran. Dari ke tiga proses tersebut di atas, pembakaran

merupakan proses yang sangat dominan dalam kemampuannya menimbulkan bahan

polutan. Pada dasarnya penyebab polusi udara adalah jika udara di atmosfer

dicampuri dengan zat atau radiasi yang berpengaruh jelek pada organisme hidup.

8