PENGOLAHAN BIOLOGI

SILABUS PENGOLAHAN BIOLOGI

KULIAH KE MATERI KULIAHI Proses BiologiII Dekomposisi Biologi III Siklus C,N,P,S, rantai makananIV Proses Aerob, Anaerob-FakultatifV Model Pertumbuhan dalam Bioreaktor : reaktor

pertumbuhan tersuspensiVI Reaktor Pertumbuhan LekatVII Persamaan kinetikVIII Nitrifikasi dan denitrifikasi

Pustaka :

1. Benefield, L.D., Randall, C.W., Biological Process

Design for Wastewater Treatment, Prentice Hall, Inc., USA, 1980

2. Grady & Lim: Biological wastewater Treatment,

Theory and Application, 1986, Marcel dekker Inc., New York

3. Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering :

Treatment, Disposal, Reuse, third edition, Mc Graw Hill Intenational

Edition, Singapore, 1991.

4. Reynold, T.D., Unit Operations and Processes in

Environmental Engineering, Wadsworthi Inc., California, 1982.

5. Rich, L.G., Unit Processes of Sanitary Engineering,

John Wiley&Sons Inc., New York, 1963.

6. Schuler & Kragi, Bioprocess Engineering : Basic

Concepts, 1992, Prentice Hall, Inc, New Jersey

1

PROSES BIOLOGI

Definisi dalam Proses Biologi

Proses Aerobik : Proses pengolahan biologi yang terjadi dengan adanya

oksigen

Proses Anaerobik : Proses pengolahan biologi yang terjadi dengan tanpa

adanya oksigen

Denitrifikasi anoxic : Proses dimana nitrogen dikonversi secara biologi

menjadi gas nitrogen tanpa adanya oksigen → denitrifikasi anaerobik

Penyisihan nutrien secara biologi : diaplikasikan untuk penyisihan nitrogen

dan phospor dalam proses pengolahan biologi

Proses Fakultatif : Proses pengolahan biologi, dimana organisme dapat

berfungsi dengan atau tanpa adanya molekul oksigen

Penyisihan BOD carbonaceous : konversi biologi senyawa organik karbon

dalam air buangan menjadi jaringan sel dan produk akhir gas-gas. Dalam

konversi ini, diasumsikan nitrogen yang ada dalam berbagai bentuk senyawa

menjadi amonia

Nitrifikasi : Proses biologi dimana amonia pertama dirubah menjadi nitrit

kemudian menjadi nitrat

Denitrifikasi : Proses biologi dimana nitrat dirubah menjadi nitrogen dan

produk akhir gas lain

Substrat : istilah yang digunakan untuk menyatakan senyawa organik atau

nutrien yang dirubah pada pengolahan biologi atau dapat sebagai pembatas

dalam pengolahan biologi

Proses Pertumbuhan tersuspensi : Proses pengolahan biologi dimana

mikroorganisme yang berperan dalam merubah senyawa organik atau

komponen lain dalam air buangan menjadi gas dan jaringan sel dibiakkan

dalam suspensi larutan

2

Proses Pertumbuhan Lekat : Proses pengolahan biologi dimana

mikroorganisme yang berperan dalam merubah senyawa organik atau

komponen lain dalam air buangan menjadi gas dan jaringan sel, melekat apda

media inert seperti batu, slag, keramik tertentu atau plastik. Juga disebut

sebagai fixed film processes

Untuk pemahaman operasi pengolahan air buangan secara biologi

diperlukan pengetahuan pada 2 bidang dasar : mikrobiologi dan rekayasa

reaktor

Kinerja reaktor biologi tergantung dari kondisi lingkungan biokimia, sifat

transformasi biokimia dan bentuk reaktor

Lingkungan Biokimia

- 2 Lingkungan utama dimana proses biokimia dapat berlangsung : aerobik

dan anaerobik

- Pada kondisi aerobik → oksigen terlarut dalam jumlah yang mencukupi

dan tidak menjadi pembatas laju, oksigen sebagai akseptor elektron akhir

dalam metabolisma mikroba dan pertumbuhan terjadi secara efisien

- Pada kondisi anaerobik → oksigen terlarut tidak ada (dan tidak masuk ke

dalam sistem) atau konsentrasinya sangat rendah → membatasi

metabolisme aerobik. Substansi selain oksigen berfungsi sebagai akseptor

elektron akhir, jika senyawa tersebut adalah molekul organik itu sendiri →

fermentasi. Jika akseptor elektron tsb adalah senyawa anorganik → pada

kultur tsb berlangsung respirasi anaerobik

- Operasi aerobik mendukung rantai makanan keseluruhan mulai dari

bakteri (paling dasar) sampai rotifera (di puncak), namun operasi anaerob

memiliki populasi bakteri yang dominan meskipun mempunyai ekologi

yang komplex → lingkungan biokimia mempengaruhi biokimia sel, karena

organisme aerobik menggunakan jalur metabolisme yang berbeda dari

3

anaerobik → operasi aerobik dapat melakukan transformasi2 yang tidak

dapat diselesaikan secara anaerobik demikian juga sebaliknya

Dekomposisi Biologi

Kondisi Aerobik :

Buangan organik dimasukkan ke dalam reaktor yang terdapat kultur bakteri

aerobik. Dalam reaktor, kultur bakteri pada umumnya melakukan konversi

sesuai dengan stoikiometri :

Oksidasi dan sintesis

CHONS + O2 + nutrient CO2 + NH3 + C5H7NO2 + produk akhir lain (1) Sel bakteri baru

Respirasi endogenous

C5H7NO2 + 5O2 CO2 + H2O + NH3 + energi ..................... (2)Sel-sel113 1601 1,42

CHONS → senyawa organik dalam air buangan

Reaksi respirasi endogenous → produk akhir relatif sederhana dan energi,

produk akhir organik yang stabil juga terbentuk. Dari pers 2, jika semua sel-

sel dapat dioksidasi seluruhya, BOD ultimate sel-sel sama dengan 1,42 kali

konsentrasi sel-sel

Limbah Organik

Mikroorganisme baru

Nonbiodegradable Residu

CO2 + H2OEnergi

Sintesis RespirasiEndogenous

Gambar 5.2 Oksidasi Biologis Sempurna dari Buangan Organik

4

Siklus Aerobik di Alam

AmoniaCO2

H2S

ProteinLemak

ProteinLemakKarbohidrat

NitratCO2

Sulfat

NitratCO2

Sulfur

CO2 O2 N2

NitrogenKarbonSulfur

dekomposisisi

Hasil antara

CO2

H2S

tanaman hidup

materialhewanhidup

materialorganikmati

Lapisan Atmosfir

Produk2 awal

materialtanamanhidup Produk2 akhir

stabil

5

CO2

O2

CO2

CO2

Siklus Anaerobik di Alam

Kondisi anaerob

Proses pengolahan air limbah secara anaerob dipandang oleh banyak ahli (Speece, 1996;

Lettinga dkk, 1997) sebagai metoda-inti teknologi EPRP (Environmental Protection and

Resource Preservation) dan merupakan teknologi berkelanjutan (Sustainable Technology).

Pemecahan zat organik secara langsung dihubungkan dengan produksi metana. Dari 1 kg

COD yang terdegradasi, kira-kira terbentuk metana 350 L. Buswell dan Mueller

mengembangkan persamaan untuk menghitung produksi metana dan CO2 dalam biogas

dari penentuan komosisi kimia limbah yang terdegradasi :

CnHaOb + (n - a/b - b/2) H2O (n/2 – a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 –b/4) CH4

Persamaan tersebut menunjukkan kandungan metana dalam biogas dikorelasikan langsung

dengan tahap oksidasi zat organik air limbah. Sebagai contoh jika alcohol diubah menjadi

biogas, maka gas akan mengandung metana sekitar 75%. Jika karbohidrat yang digunakan

Asam organikAsam karbonat,

CO2

Hidrogen sulfida

ProteinLemak

LemakProteinKarbohidrat

CO2 O2 N2

NitrogenKarbonSulfur

dekomposisisi

Hasil antara

CO2

H2S

tanaman hidup

materialhewanhidup

materialorganikmati

Produk2 awal

materialtanamanhidup Produk2 akhir

Gas3 dekomposisisi

Amonia, asamKarbohidrat, CO2

Sulfida

Amonia, CO2

Humus, CO4

Sulfida

CO2

NH3

6

Lapisan Atmosfir

CO2

NH3

Gas3

dekomposisisi

CO2

O2

maka kandungan metana berkisar 50%. Untuk limbah agro industri, konsentrasi metana

yang dapat dihasilkan dari substrat karbohidrat yaitu sekitar 50%, dari asam lemak 68%

dan dari protein 70%. Konsentrasi metana yang teramati dari prakteknya jauh lebih tinggi

dari perhitungan di atas, karena ada bagian dari CO2 yang bereaksi pada fase cair. Pada

umumnya 85-95% COD keluaran air limbah agro industri dapat terbiodegradasi secara

anaerobik, seperti ditunjukkan oleh neraca karbon (gambar 5.9).

Pada gambar 5.9 terlihat bahwa lebih dari 80% karbon diubah menjadi biogas dan hanya 5-

10% digunakan untuk produksi biomassa. Sintesa biomassa tertinggi terjadi pada air

limbah karbohidrat, sedangkan sintesa lebih rendah pada limbah asam lemak dan protein

(Weiland, 1988).

Anaerobic Reactor100 %

80 -90

%

Carbon in influentCarbon in effluent

Carbon in anaerobicsurplus sludge

5 - 10%

5 - 15%

Carbon in biogas

Gambar 5.9 Neraca Karbon Untuk Proses Biometanasi

7

Biotransformasi yang Terjadi

Pada Pengolahan Biologi (terjadi proses biokimia → tranformasi kimia

yang dilakukan oleh mikroorganisme hidup) biotransformasi yang terjadi :

1. Menyisihkan senyawa organik terlarut

- Digunakan sebagai sumber makanan oleh mikroorganisma yang

ada → sebagian karbon menjadi CO2 dan sisanya menjadi material

sel yang baru

2. Stabilisasi senyawa organik tidak terlarut

- Umumnya dalam air, padatan organik → lumpur, pengolahan

konvensional secara anaerobik, namun belakangan dengan aerob

- Produk akhir stabilisasi : sisa padatan anorganik dan organik

tidak terlarut → karakter mirip humus

3. Merubah senyawa anorganik tidak terlarut

Konversi pospat dan nitrat dan dalam air buangan : penggunaan

pengolahan aerob dan anaerob

8

Proses Pengolahan Biologi

- Proses biologi utama yang digunakan dalam pengolahan air buangan

dibagi menjadi 5 grup : proses aerobik, proses anoxik, proses

anaerobik, kombinasi aerobik, anoxik dan proses anaerobik, proses

menggunakan kolam

- Masing-masing proses dibagi kembali menurut : sistem pertumbuhan

tersuspensi, sistem pertumbuhan lekat atau kombinasi keduanya

Proses-proses Biologi yang sering digunakan untuk pengolahan air buangan

(Tabel) → dari proses-proses yanga ada di alam

Jenis Nama Umum Penggunaan

Proses Aerobik :Pertumbuhan tersuspensi Proses Lumpur aktif Penyisihan BOD karbon

(nitrifikasi)- Konvensional

plug flow)- Complete-mix- Step aeration- Pure oxygen- Sequencing batch

reactor- Contact

stabilization- Extended

aeration- Oxidation Ditch- Deep tank (90 ft)- Deep shaftSuspended growth nitrification

Nitrifikasi

Kolam Aerasi Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)

Digesti Aerobik Stabilisasi, Penyisihan BOD karbon

- Udara (konvensional)- Oksigen murni

Pertumbuhan Lekat Trickling Filter Penyisihan BOD karbon, nitrifikasi

- Low rate- High rateRoughing Filters Penyisihan BOD karbon

9

Rotating Biological Contactors

Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)

Packed Bed Reactors Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)

Kombinasi proses pertumbuhan tersuspensi dan melekat

Proses biofilter aktif Penyisihan BOD karbon (nitrifikasi)

- Proses Trickling filter solid-contact, proses lumpur aktif biofilter, proses seri trickling filter – lumpur aktif

Proses Anoxik :Pertumbuhan tersuspensi Denitrifikasi pertumbuhan

tersuspensiDenitrifikasi

Pertumbuhan lekat Denitrifikasi fixed film DenitrifikasiProses Anaerobik : Pertumbuhan tersuspensi Digesti Anaerobik Stabilisasi, penyisihan BOD

karbonStandard rate, satu tahap Stabilisasi, penyisihan BOD

karbonHigh rate, satu tahap Stabilisasi, penyisihan BOD

karbonDua tahap Stabilisasi, penyisihan BOD

karbonProses kontak Anaerobik Penyisihan BOD karbon, Upflow Anaerobic Sludge Blanket

Penyisihan BOD karbon

Pertumbuhan lekat Proses filter anaerobik Penyisihan BOD karbon, stabilisasi limbah (denitrifikasi)

Expanded Bed Penyisihan BOD karbon, stabilisasi limbah

Kombinasi Proses Aerobik, Anoxik dan AnerobikPertumbuhan tersuspensi Proses satu tahap atau

beberapa tahap, Proses berbagai proses khusus

Penyisihan BOD karbon, nitrifikasi, denitrifikasi dan penyisihan phosphor

Kombinasi Pertumbuhan tersuspensi dan lekat

Proses satu tahap atau beberapa tahap

Penyisihan BOD karbon, nitrifikasi, denitrifikasi dan penyisihan phosphor

Proses kolam Kolam Aerobik Penyisihan BOD karbon Kolam Maturasi (tersier) Penyisihan BOD karbon

(nitrifikasi)Kolam Fakultatif Penyisihan BOD karbon Kolam Anaerobik Penyisihan BOD karbon,

stabilisasi limbah

10

- Penyisihan senyawa organik karbon dalam air buangan biasanya diukur

sebagai (1) BOD, TOC, COD, (2) Nitrifikasi, (3) Denitrifikasi, (4)

Penyisihan phosphor dan (5) Stabilisasi Limbah

Konfigurasi Reaktor

Berdasarkan kondisi pertumbuhan mikroorgansime yang berperan dalam

proses penguraian yang terjadi, bioreaktor dapat diklasifikasikan dalam dua

grup, yaitu :

1. Reaktor pertumbuhan tersuspensi (suspended growth reactor)

2. Reaktor pertumbuhan lekat (attached growth reactor)

ad.1. Dalam reaktor tersuspensi, mikroorganisme tumbuh dan berkembang

dalam keadaan tersuspensi dalam fase cair

ad.2. Dalam raktor pertumbuhan lekat, mikroorganisme tumbuh dan

berkembang diatas suatu media (support) dengan membentuk suatu

lapisan lendir untuk melekatkan diri di atas permukaan media tersebut

mebentuk lapisan biofilm, sehingga reaktor sering juga disebut sebagai

bioreaktor film tetap

- Reaktor aliran kontinu yang diaduk (CSTR = continous stirred tank

reactor) merupakan salah satu jenis reaktor pertumbuhan tersuspensi yang

paling banyak digunakan di dalam pengolahan air limbah selama ini.

Volume air dalam reaktor dijaga agar tetap konstan dengan cara

pengaturan level permukaan air dan kinerja reaktor dikendalikan oleh

waktu detensi hidrolisnya. Pengadukan dilakukan dengan cukup untuk

memperoleh konsentrasi yang uniform di seluruh bagian reaktor, sehingga

reaktor ini sering juga disebut dengan reaktor teraduk sempurna (CMR –

completely mixed reactor)

Efisiensi proses yang lebih baik baik dapat diperoleh dengan

menambah unti pemisahan sel (bak pngendap) yang memungkinkan

dilakukannya pengembalian biomassa yang telah dipisahkan ke dalam

11

bioreaktor. Pada kondisi yang demikian efisiensi proses pengolahan

lebih banyak ditentukan oleh waktu retensi sel dalam sistem (umur sel)

daripada oleh oleh waktu detensi hidrolis. Dalam pengoperasian yang

normal, efluen bak pengendap tidak lagi mengandung konsentrasi

biomassa yang tinggi. Sebagian biomassa ini dibuang secara kontinu.

Proses pengolahan yang menggunakan reaktor jenis ini lebih dikenal

dengan nama proses lumpur aktif

- Reaktor pertumbuhan tersuspensi dapat juga berupa reaktor aliran sumbat

(PFR – plug flow reactor). Di dalam PFR akan terjadi gradien konsentrasi,

baik konsentrasi substrat maupun konsentrasi biomassa, sepanjang aliran

dalam reaktor. Dispersi substrat dan biomassa yang uniform terjadi pada

bidang yang tegak lurus terhadap arah aliran.

- Reaktor pertumbuhan lekat atau bioreaktor film tetap merupakan reaktor

yang dilengkapi dengan media sebagai tempat pertumbuhan

mikroorganisme. Media tersebut dapat terbuat dari plastik atau batu, yang

didalam operasinya dapat terendam sebagian atau seluruhnya, atau hanya

dilewati air saja (tidak terendam sama sekali)

- Packed tower atau trickling filter merupakan reaktor pertumbuhan lekat

yang sejenis, yang medianya sama sekali tidak terndam air. Air yang

diolah hanya melewati permukaan media saja dimana akan tumbuh

mikroorganisme yang melekat di permukaan media. Jika tidak dilakukan

resirkulasi, akan terjadi perubahan lingkungan reaksi yang besar antara

bagian atas dan bagian bawah akibat aktivitas bakteri yang menyisihkan

substrat. Resirkulasi efluen ke bagian awal awal (atas) reaktor

menghasilkan kecenderungan untuk mengurangi perubahan lingkungan

reaksi antara bagian atas dan bagian bawah. Semakin tinggi resirkulasinya

akan menjadikan lingkungan reaksi di seluruh bagian reaktor akan

semakin homogen.

12

Kinetika raktor jenis ini sangat dipengaruhi oleh cara resirkulasi aliran.

Untuk mencapai kondisi yang stabil, secara kontinu mikroorganisme

akan terlepas dari permukaan media. Mikroorganisme yang terlepas ini

dipisahkan terlebih dahulu sebelum efluen diresirkulasi, maka

penyisihan substrat dilakukan terutama oleh mikroorganisme yang

melekat di permukaan media. Tetapi sebaliknya, jika aliran di

resirkulasi terlebih dahulu sebelum mikroorgansime yang terlepas dari

permukaan media tersebut, aliran air akan mirip dengan reaktor

pertumbuhan tersuspensi dan pemisahan substrat akan dilakukan

mikroorganisme yang melekat di permukaan dan yang berada dalam

suspensi.

Di dalam reaktor cakram biologi (RBC – rotating biological cantactor)

yang merupakan satu tipe bioreaktor film tetap, mikroorgansime

tumbuh melekat pada media yang berputar melewati air yang diolah.

Jika bak reaksinya kecil dibandingkan dengan alirannya, kondisi

lingkungan di seluruh bagian relatif uniform. Jika digunakan bak

persegi panjang, kondisi reaktor berubah sepanjang tangki sehingga

keadaan fisiologi mikroorganismenya mungkin berbeda dengan satu

cakram dengan cakram lainnya (resirkulasi biomassa berlaku sebagai

bentuk antara yaitu antara sistem tersuspensi dengan biofilm tetap)

- Masih banyak sistem reaktor yang dapat digunakan. Beberapa diantaranya

merupakan modifikasi dari yang telah diuraikan di atas dan beberapa yang

lain sama sekali berbeda. Di dalam prakteknya, seringkali reaktor-reaktor

tersebut dikombinasikan pemakaiannya dengan konfigurasi menurut

tujuan yang dikehendaki.

Gambar Konfigurasi Reaktor

13

Nama Umum untuk berbagai sistem pengolahan biologi

Di dalam pengolahan air buangan secara biologi ada sembilan nama yang

umum dipergunakan, yaitu :

a. Aerated lagoon (kolam aerasi)

b. Lumpur aktif

14

c. Digesti aerobik

d. Trickling filter

e. Cakram biologi (RBC – Rotating Biological Contactor)

f. Nitrifikasi

g. Kolam anaerobik

h. Digesti anaerobik

i. Denitrifikasi

a. Aerated lagoon

Aerated lagoon secara umum dapat diklasifikasikan sebagai reaktor yang

tercampur sempurna tanpa resirkulasi sel (lumpur). Biasanya merupakan

waduk yang luas dengan dasar dan dinding tanah, yang diaduk dan sekaligus

diaerasi dengan menggunakan Aerator permukaan (surfaca aerator).

Penyisihan bahan organik terlarut akan sangat baik jika waktudetensi hidrolis

yang diaplikasikan cukup panjang. Apabila aerated lagoon dipergunakan

sebagai satu-satunya unit pengolahan air buangan, maka unit ini perlu

dilengkapi dengan dengan unit untuk memisahkan mikroorganisme yang

biasanya menggunakan suatu kolam yang luas dan tenang. Jika unit ini hanya

dipergunakan sebagai satu-satunya unti pengolahan pendahuluan, maka

mikroorganisme akan dibiarkan terbuang bersama-sama efluennya.

Aerated lagoon digunakan terutama untuk tujuan memisahkan bahan organik

terlarut yang terkandung dalam air buangan yaitu dengan cara mengubahnya

menjadi sel-sel mikroorganisme. Perbedaan utama dengan lumpur aktif

adalah bahwa di dalam aerated lagoon, mikroorgansime tumbuh dalam

keadaan terdispersi, sedangkan di dalam lumpur aktif mikroorgansime

tumbuh dalam keadaan tergumpal (flok)

b. Lumpur Aktif

15

Nama lumpur aktif umumnya digunakan untuk menyatakan suatu gumpalam

(flok) mikroorganisme aerob yang menyisihkan bahan organik dari dalam air

buangan dan kemudian dipisahkan dengan cara pengendapan. Lumpur aktif

sangat tepat digunakan untuk pemisahan bahan organik terlarut, sedangkan

yang tak terlarut dapat dipisahkan dengan cara yang lebih mudah dan murah

yaitu dengan cara pengendapan.

Sering sekali air buangan yang mengandung bahan organik terlarut dan tak

terlarut. Jika konsentrasi bahan organik terlarut lebi besar dari 50 mg/l

sebagai COD yang dapat terurai secara biologi, proses lumpur aktif dapat

digunakan untuk penyisihannya. Dalam keadaan ini lumpur aktif memang

lebih ekonomis untuk penyisihan bahan organik tak terlarut karena akan dapat

teradsorpsi atau terperangkap di dalam flok-flok mikroorganisme yang

terbentuk. Kinetika proses masih dikendalikan oleh konsentrasi bahan organik

dengan cara pengendapan.

Lumpur aktif pertama kali digunakan di dalam sistem batch. Pada setiap akhir

perioda aerasi terdapat lumpur yang tertinggal di dalam reaktor sesudah

diendapkan dan filtratnya dibuang. Ketika prosedure batch tersebut diulang,

terjadi penumpukkan lumpur di dalam reaktor dan menghasilkan penyisihan

bahan organik yang lebih baik dalam waktu yang sama. Meskipun

pertambahan efisiensi penyisihan tersebut terjadi sesuai dengan pertumbuhan

mikroorgansime yang viable namun pada saat itu belum diketahui peneliti-

peneliti terdahulu yang menyatakan bahwa lumpur menjadi aktif, yang

kemudian digunkanan namanya sampai saat ini. Walaupun sudah sangat

jarang dipakai sistem batch masih dipergunakan terutama di dalam instalasi

kecil.

Perkembangan berikutnya, sesuai dengan kebutuhan dikembangkan sistem

aliran kontinu dengan menggunakan bak aerasi yang panjang yang mirip

dengan reaktor aliran sumbat (plug flow). Selanjutnya dilakukan berbagai

modifikasi bak aerasi untuk memperoleh suatu tangki yang teraduk sempurna

16

(CSTR) yang sesungguhnya diperlukan untuk suatu proses lumpur aktif.

Berbagai modifikasi proses lumpur aktif yang banyak digunakan adalah

oxidation ditch dan kontak stabilisasi.

Digesti Aerobik

Proses ini terjadi dalam reaktor pada kondisi aerobik untuk menguraikan

bahan organik tak terlarut (solid). Pada umumnya digesti aerobik

menggunakan reaktor CSTR dengan waktu detensi sel yang panjang sehingga

cukup untuk mengubah karbon organik menjadi CO2. Apabila solid tersebut

adalah bakteri yang dibuang dalam pengolahan, proses reduksi yang terjadi

adalah hasil fase endogenous. Digesti aerobik sering digunakan untuk

menguraikan kelebihan lumpur aktif yang terbentuk di dalam pengolahan

buangan organik terlarut. Kadang-kadang digesti aerobik berlangsung dalam

reaktor yang sama yang digunakan untuk penyisihan organik terlarut. Dalam

hal ini prosesnya disebut „extended aeration activated sludge“ atau nitrifikasi

biasanya juga dapat berlansung dalam situasi yang demikian.

Trickling Filter

Trickling filter merupakan nama yang umum dipakai untuk bioreaktor film

tetap yang menggunakan packed tower. Sampai tahun 1960-an, trickling filter

menggunakan batu sebagai media supportnya yang tingginya terbatas

sampaikurang lebih 1,80 m. Pada akhir-akhir ini banyak digunkana media

plastik yang bentuknya menyerupai kotak telur dan memungkinkan terjadinya

aliran udara yang sempurna di antara media tersebut. Dengan menggunakan

media plastik yang bentuknya menyerupai kotak telur dan memungkinkan

terjadinya aliran udara yang sempurna di anatara media tersebut. Dengan

menggunakan media plastik ini, ketinggian trickling filter dapat diperbesar

sampai 6 m, karena media ini ringan dan mempunayi rongga kososng yang

besar.

17

Air yang diolah mengalir di anatara media dan membasahi permukaannya

sehingga memungkinkan berlangsungnya pertumbuhan mikroorganisme di

atas permukaan media tersebut serta menguraikan bahan organik yang

terkandung dalam air yang diolah yang digunakan sebagai sumber karbon dan

energi. Trickling filter banyak dipergunakan untuk mengolah air buangan

domestik, dalam instalasi yang berukuran kecil sampai sedang, guna

memperoleh biaya pengolahan yang minimum. Sejak plastik dipergunakan

sebagai media penyangga, banyak trickling filter yang dibangun sebagai unit

pengolahan pendahuluan karena kemampuannya menurunkan konsentrasi

buangan dengan biaya yang relatif murah.. Trickling filter tidak dapat

melakukan degradasi bahan organik tak terlarut sehingga tidak dapat

dipergunkan untuk tujuan tersebut.

Cakram Biologi (RBC)

Cakram biologi merupakan aplikasi terbaru dari reaktor pertumbuhan lekat

(bioreaktor film tetap) yang dipergunakan untuk penyisihan bahan organik

terlarut. Mikroorganisme tumbuh di atas cakram yang berputar dan mengubah

bahan organik terlarut menjadi energi dan sel-sel baru. Seluruh aplikasinya

mirip dengan trickling filter yang dipergunakan sebagai unit pengolahan

pendahuluan sampai pengolahan lengkap.

Nitrifikasi

Nitrifikasi lebih merupakan jenis reaksi, terjadi jika ion amonium dalam air

buangan diubah menjadi nitrit dan nitrat dengan bantuan bakteria autotrof.

Nitrifikasi menjadi lebih populer saat ini karena meningkatnya keperluan

pengendalian kandungan nitrogen di dalam air. Nitrifikasi dapat berlangsung

di dalam berbagai tipe reaktor yang mempunyai kondisi aerob. Dengan

demikian nitrifikasi dapat berlangsung secara simultan dengan penyisihan

bahan organik baik terlarut maupun tak terlarut.

18

Kontak Aneerob

Proses ini digunakan untuk menyisihkan bahan organik terlarut pada kondisi

anaerob. Dapat pula digunkan untuk mengolah air buangan yang mengandung

campuran bahan organik terlarut dan tak terlarut sebagaimana yang dilakukan

di dalam proses lumpur aktif. Kontak anaerob tepat digunakan sebagai

metoda pengolahan pendahuluan untuk air buangan yang mengandung COD

lebih besar dari 4000 mg/l, akan tetapi lebih kecil dari 50.000 mg/l, karena

lebih murah daripada lumpur aktif maupun metoda penguapan. Keuntungan

utama dibandingkan lumpur aktif adalah energi yang dibutuhkan lebih kecil

dan produksi lumpurnya lebih sedikit. Pengolahan berikutnya dipergunakan

untuk efluen kontak anerob karena banyak produk hidrolisis yang masih

tertinggal dalam larutan.

Digesti Anaerob

Proses ini banyak digunakan untuk stabilisasi bahan organik tak terlarut. Ada

dua grup utama bakteria yang berada di dalam biakan ini, yaitu yang

bertanggung jawab terhadap hidrolisis padatan (solid) dengan hasil akhir

utama dalam bentuk terlarut, asam lemak rantai pendek dan residu tak terlarut

yang mirip humus dan yang bertanggung jawab terhadap konversi asam

lemak menjadi gas methan. Digesti anaerob merupakan cara yang tertua

dalam pengolahan air buangan yang sampai saat ini pengendalian prosesnya

masih tetap menjadi subyek penelitian, karena melibatkan ekosistem yang

kompleks. Perencana saat ini memilih CSTR untuk proses ini karena CSTR

dengan CSTR dapat diperoleh kondisi lingkungan yang seragam. Kebanyakan

digesti anaerobik dibuat tanpa resirkulasi solid, namun demikian resirkulasi

solid tetap populer karenareaktor yang diperlukan dapat menjadi lebih kecil.

Penggunaan reaktor dua tingkat perlu dipertimbangkan agar setiap tingkat

dapat dioperasikan pada kondisi optimum untuk setiap grup bakteria.

19

Denitrifikasi

Proses ini merupakan konversi nitrit menjadi gas N2. Apabila proses ini dapat

dilangsungkan, maka penyisihan senyawa nitrogen dari dalam air akan dapat

terlaksana dengan mudah, karena proses nitrifikasi merupakan proses yang

relatif mudah dilaksanakan dan gas N2 yang terbentuk dalam proses

denitrifikasi dapat mudah disingkirkan dari dalam air.

Konversi nitrit dan nitrat menjadi gas N2 dilaksanakan oleh mikroorganisme

yang melakukan respirasi anaerob. Jika bakteria fakultatif ditempatkan dalam

kondisi anaerob, sebagian akan mempergunakan ion anorganik sebagai

terminal penerima elektron.

Di dalam reaktor denitrifikasi, kondisi anaerob dipelihara dan bahan organik

perlu ditambahkan sampai tercapainya kebutuhan secara stoichiometri untuk

konversi nitrat menjadi gas N2 dan tidak memungkinkan terjadinya konversi

sulfat menjadi sulfida. Beberapa penelitian saat ini tengah mengarahkan

penggunaan CSTR dengan resirkulasi sel dan bioreaktor tetap untuk

melangsungkan proses denitrifikasi.

DASAR-DASAR MIKROBIOLOGI

Tujuan pengolahan air buangan adalah untuk menghilangkan polutan dari air.

Umumnya polutan air buangan yang menjadi perhatian utama adalah material

organik terlarut dan tidak terlarut, berbagai bentuk nitrogen dan phosphor dan

senyawa tidak terlarut inert. Dalam kebanyakan kasus baik material organik

terlarut dan tidak terlarut seperti juga nitrogen dan dihilangkan melalui

pengolahan biologi jika lingkungannya memenuhi bagi organisme yang ada.

Beberapa senyawa phosphor dapat dihilangkan juga, menjadi masa sel baru,

tetapi persentrase penyisihan lebih kecil dibandingkan penyisihan nitrogen

dan material organik.

Untuk merencanakan proses pengolahan air buangan yang efektif, dibutuhkan

pemahaman dasar mengenai : (1) kebutuhan nutrisi mikroorganisme, (2)

20

faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikroba (3)

metabolisme mikroorganisme dan (4) hubungan antara pertumbuhan mikroba

dan penggunaan substrat

Kebutuhan nutrisi

Seluruh proses biologi yang digunakan dalam pengolahan air buangan

mempunyai mikroorganisme dengan kebutuhan nutrisi dasar. Contohnya pada

proses lumpur aktif, suspensi mikroba diaerasi dalam air buangan yang

mengandung senyawa organik terlarut dan koloid. Selama perioda aerasi

material organik disisihkan oleh mikroorganisme dan digunakan untuk

mendukung kehidupannya dan pertumbuhannya. Setelah itu mikroorganisme

dipisahkan dari air buangan dan larutan yang bebas dari kontaminasi

dilairkan.

Untuk mikroorganisme fungsi nutrien antara lain :

1. menyediakan material yang dibutuhkan untuk sintesa material

sitoplasma

2. sebagai sumber energi bagi pertumbuhan sel dan reaksi biosintesa

3. sebagai penerima elektron yang dilepaskan dalam reaksi yang

menghasilkan energi

Untuk reproduksi dan berfungsi secara layak suatu organisme harus

mempunyai :

1. sumber energi

2. karbon untuk sintesis material seluler baru

3. elemen anorganik (nutrien) seperti nitrogen, fosfor, sulfur, kalium,

calsium dan magnesium

Klasifikasi kebutuhan nutrien mikroorganisme dapat dilihat pada tabel

Fungsi Sumber

Sumber Energi Senyawa organik

21

Senyawa anorganik

Sinar matahari

Akseptor elektron O2

Senyawa organik

Kombinasi oksigen anorganik ( )

Sumber Karbon

Senyawa organik

Trace elemen & Faktor Pertumbuhan seperti vitamin

Nutrien organik juga dibutuhkan untuk sintesis sel. Karbon dan sumber

energi, termasuk substrat, nutrien, dibanding karbon atau sumber energi dapat

merupakan material pembatas untuk sintesis sel dan pertumbuhan mikroba.

Nutrien anorganik utama yang dibutuhkan oleh mikroorganisme yaitu N, S, P,

K, Mg, Ca dan Cl. Nutrien minor penting yaitu Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni,

V dan W. Selain nutrien anorganik di atas, nutrien organik juga diperlukan

oleh beberapa organisme. Nutrien organik yang diperlukan dikenal sebagai

„faktor pertumbuhan“ adalah komponen yang diperlukan oleh organisme

sebagai prekursor atau komponen material sel organik yang tidak dapat

disintesis dari sumber karbon lain. Meskipun kebutuhan faktor pertumbuhan

berbeda dari satu organisme dengan yang lain, faktor pertumbuhan utama

dibagi menjadi 3 kelas : (1) asam amino, (2) purin dan pirimidin dan (3)

vitamin

Berdasarkan kebutuhan nutrisi, mikroorganisme dibagi menjadi klasifikasi

khusus. Berdasarkan bentuk kimia dari karbon yang dibutuhkan,

mikroorganisme diklasifikasikan sebagai :

22

1. Autotroph, yang menggunakan CO2 atau sebagai sumber karbon

satu-satunya dan dari senyawa ini membentuk biomolekul yang

mengandung karbon atau,

2. Heterotroph, dimana organisme ini membutuhkan karbon dalam bentuk

yang relatif komplex, direduksi menjadi komponen organik seperti glukosa

Berdasarkan sumber energi yang dibutuhkan, mikroorganisme

diklasifikasikan sebagai,

1. Phototroph, dimana organsime menggunakan cahaya sebagai sumber

energi mereka atau,

2. Chemotroph, dimana organisme menggunakan reaksi oksidasi-reduksi

untuk menyediakan energi mereka

Chemotroph lebih lanjut diklasifikasikan berdasarkan jenis komponen

kimia yang dioksidasi (misalnya donor elektron), seperti

Chemoorganotroph yaitu organisme yang menggunakan molekul

organik komplex sebagai donor elektron mereka

Chemoautotroph menggunakan molekul anorganik sederhana seperti

hidrogen sulfida atau amonia

Beberapa tipikal reaksi untuk berbagai klasifikasi mikroorganisme

dapat dilihat pada tabel.

Reaksi mikroba Klasifikasi berdasarkan nutrisi

Sel-sel baruAotrotroph, fotosintesa

Sel-selRespirasi seluler, aerobik

Heterotroph (chemoorganotroph), aerobikHeterotroph, anaerobik, fermentasiHeterotroph, anaerobik, fermentasiHeterotroph, anaerobik, intermolekuler, oksidasi-reduksi

23

Autotroph, chemosintetis (chemoautotroph), aerobikChemoautotroph, anaerobik

Enzim-enzim mikroba

Seluruh aktivitas sel mikroba tergantung pada penggunaan makanan dan

reaksi-reaksi kimia yang terlibat dikontrol oleh enzim-enzim. Enzim-enzim

adalah protein yang diproduksi oleh sel-sel yang berfungsi sebagai katalis

untuk mempercepat reaksi-reaksi khusus (laju reaksi). Enzim-enzim bersifat

spesifik yang hanya akan mengkatalis reaksi-reaksi tertentu dan akan

berfungsi hanya pada satu jenis substansi. Terdapat kombinasi dalam waktu

yang singkat, biasanya ratusan dalam satu detik antara perubahan enzim dan

kimiawi. Selama kombinasi ini terjadi reaksi-reaksi kimia dan terbentuk

senyawa-senyawa baru. Hanya sedikit daya tarik antara senyawa baru dan

enzim, sehingga enzim segera dibebaskan untuk berkombinasi dengan

molekul substansi yang lain yang mempunyai spesifitas yang sesuai.

Enzim mikroba mengkatalis tiga jenis reaksi : hidrolitis, oksidatif dan sintetis.

Enzim-enzim hidrolitis digunakan untuk menghidrolisis substansi makanan

tidak terlarut komplex menjadi komponen larut sederhana yang dapat melalui

membran sel ke dalam sel melalui difusi. Enzim-enzim ini biasanya

dilepaskan oleh mikroorganisme ke medium sekeliling dan disebut sebagai

enzim extrasesusel, sedangkan enzim intraseluler dibebaskan hanya jika sel

terpisah. Reaksi hidrolisis meliputi penambahan air ke komponen komplex

dan memecahkannya menjadi produk yang lebih mudah larut dan sederhana.

Reaksi-reaksi pembentukan energi dikatalis oleh enzim intraseluler dan

reaksi-reaksi ini menyediakan energi untuk pemeliharaan dan pertumbuhan

mikroorganisme. Seluruh reaksi-reaksi tersebut meliputi reaksi oksidasi dan

reduksi, dimana penambahan atau penghilangan oksigen atau hidrogen

merupakan hal utama. Kebanyakan mikroorganisme mengoksidasi

makanannya melalui penghilangan hidrogen dari molekul secara enzimatis.

24

Enzim-enzim ini disebut dehidrogenase menghilangkan hidrogen dari

komponen, sebuah atom pada waktu tertentu dan meneruskannya dari satu

enzim ke yang lain sampai digunakan untuk mereduksi penerima hidrogen

akhir. Penerima hidrogen akhir ditentukan oleh sifat aerobik atau anaerobik

dari medium disekelilingnya dan karakter sel yang melakukan reaksi. Pada

reaksi aerobik, oksigen adalah penerima hidrogen akhir dan terbentuk air.

Pada kondisi anaerobik, komponen yang dioksidasi menerima hidrogen dan

terbentuk komponen yang direduksi.

Energi dibebaskan selama oksidasi dan energi dikonsumsi selama reduksi.

Hasil neto adalah energi yang lebih besar dibebaskan dibandingkan yang

digunakan dan kelebihannya akan digunakan oleh sel.

Sintesis material seluler baik untuk pemeliharaan sel dan untuk sel baru

dikatalisasi oleh enzim sintesis intraseluler. Sangat banyak jumlah enzim

yang dibutuhkan untuk sintesis beberapa jenis komponen komplex ditemukan

dalam sel-sel mikroba. Sejumlah besar energi dibutuhkan untuk reaksi sintesis

yang didapatkan dari oksidasi yang terjadi selama metabolisme.

Aktivitas enzim dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, terutama suhu, pH, dan

kehadiran ion-ion tertentu seperti , Mg2+ atau Ca2+. Pengaruh suhu

diperlihatkan pada gambar ... Setiap enzim mempunyai rentang pH

operasinya. Beberapa sangat aktif dalam medium asam, yang lain pada

kondisi netral dan yang lain pada kondisi basa. Jika pH meningkat atau turun

di luar kondisi optimum, aktivitas enzim menurun sampaimenghilang. Ion-ion

yang tertulis di atas dapat mempercepat aksi beberapa enzim dan dibutuhkan

untuk aktivitas lainnya. Selain itu, garam-garam logam berat seperti HgCl2

dan CuSO4 akan menghambat enzim. Karena enzim dipengaruhi oleh kondisi

lingkungan, pengaruh lingkungan terhadap pertumbuhan mikroba ssangat

signifikan dan harus dipertimbangkan dalam disain pengolahan biologi.

Pengaruh lingkungan terhadap Pertumbuhan Mikroba

25

Laju pertumbuhan

Temperatur optimum

temperatur

Lingkungan fisik dimana mikroorganisme berada sangat mempengaruhi

proses pertumbuhan mereka. Oleh sebab itu, untuk menjamin efisiensi

pengolahan yang optimum, lingkungan yang layak harus disediakan dalam

proses pengolahan biologi. Sehubungan hal tersebut, suhu, kebutuhan oksigen

dan pH merupakan bahan pertimbangan yang paling penting.

Pengaruh Suhu

Seluruh proses pertumbuhan tergantung pada reaksi kimia dan laju reaksi-

reaksi ini dipengaruhi oleh temperatur. Gambar .... memperlihatkan pengaruh

temperatur terhadap laju pertumbuhan. Gambar ini merefleksikan suatu

temperatur minimum di bawahnya pertumbuhan tidak terjadi. Ketika

temperatur naik, suatu titik akan dicapai dimana laju pertumbuhan adalah

maximum. Temperatur pada titik ini disebut temperatur optimum. Jika

temperatur terus naik, komponen sel yang sensitif terhadap panas seperti

enzim-enzim akan berubah dan laju pertumbuhan turun dengan cepat. Suatu

temperatur maximum di atasnya pertumbuhan tidak terjadi biasanya setelah

temperatur meningkat sedikit dari nilai temperatur optimum.

Gambar Pengaruh temperatur tehadap

laju Pertumbuhan mikroba

Berdasarkan rentang temperatur dimana mereka dapat berkembang biak,

bakteri dapat diklasifikasikan sebagai psychrophilic, mesophilic, atau

thermophilic. Gambar 2.2. menunjukkan rentang temperatur yang dapat

diterima pada masing-masing klas bakteri. Bagian yang diarsir dalam masing-

26

masing rentang menunjukkan temperatur optimum yaitu temperatur dimana

pertumbuhan paling cepat selama suatu jangka waktu yang singkat (12

sampai 24 jam). Pada masing-masing kelas, facultative thermophile dan

facultative psychrophile merupakan bakteri yang mempunyai temperatur

optimum yang berkembang menjadi rentang mesophilic. Temperatur

optimum untuk obligate thermophiles dan obligate psychrophiles terletak di

luar rentang mesophilic.

Gambar Rentang Temperatur Reproduksi Bakteri Psychrophilic, Mesophilic, Thermophilic

Kebutuhan Oksigen

Ketidak hadiran atau kehadiran molekul oksigen membagi organisme menjadi

tiga klas yang berbeda. Lebih spesifiknya, mikroorganisme dapat

diklasifikasikan berdasarkan akseptor elektronnya. Organisme yang

menggunakan molekul oksigen sebagai akseptor elektron mereka dikenal

sebagai aerob, sedangkan organisme yang menggunakan molekul selain

oksigen dikenal sebagai anaerob. Organisme Fakultatif dapat menggunakan

baik oksigen atau beberapa senyawa kimia lain sebagai akseptor elektron

-15 0 15 30 45 60 75

Fakultatif thermophile

Obligate thermophile

Mesophile

Facultative psychrophile

Obligate psychrophile

Temperatur (ºC)

27

90

mereka. Mekipun demikian, pertumbuhan organisme ini lebih efisien pada

kondisi aerob. Aerob obligate tidak mampu untuk tumbuh tanpa kehadiran

oksigen dan anerob obligate dihambat oleh kehadiran oksigen. Sejumlah kecil

mikroorganisme tumbuh sangat baik pada konsentrasi oksigen yang sangat

rendah, mikroorganisme ini disebut ebagai microaerophilic.

Pada prinsipnya akseptor elektron yang digunakan oleh mikroorganisme

adalah menyempurnakan hasil reaksi, sehingga sejumlah energi menjadi

tersedia untuk pertumbuhan dan mendukung kehidupan. Di antara

mikroorgansime heterotroph, aerobik dan fakultatif biasanya mengoksidasi

makanan seluruhnya, sedangkan fermenter anaerobik tidak. Perbedaan

pembentukan energi dapat dilihat melalui perbandingan persaman

metabolisme glukosa berikut :

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 689.000 cal

C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2 + 31.000 cal

Pada persamaan pertama oksidasi komponen berlangsung sempurna, sehingga

jumlah energi yang dilepaskan maximum. Oksidasi sempurna dapat juga

terjadi melalui oksidasi reduksi intermolekuler fakultatif seperti yang

diperlihatkan pada persamaan dalam tabel..., meskipun terdapat sisa

komponen yang direduksi dan energi yang dihasilkan lebih sedikit. Beberapa

bakteri autotroph aerobik dapat mengokidasi sempurna komponen anorganik

yang digunakan untuk energi. Thiobabacillus thiooxidans adalah contohnya :

2 S + 2 H2O + 3 O2 → 2 H2SO4 + 237.000 Kal

Namun, Nitrosomonas, hanya mengoksidasi sebagian amonia pada kondisi

aerobik :

3 NH3 + 3 O2 → 2 HNO3 + 2 H2O + 66.500 Kal

Pengaruh pH

Pada umunya bakteri dan proses pengolahan air buangan, rentang pH ekstrim

untuk pertumbuhan berada diantara 4 dan 9. pH optimum untuk pertumbuhan

28

biasanya terletak antara 6,5 dan 7,5. Wilkinson (1975) menyarankan bahwa

bakteri tumbuh paling baik jika pH berada pada kondisi sedikit basa,

sedangkan alga dan jamur tumbuh paling baik jika pH sedikit asam. Proses

pengolahan biologi jarang beroperasi pada kondisi pertumbuhan optimum,

namun pengalaman pada skala sebenarnya memperlihatkan lumpur aktif

dengan perpanjangan aerasi dan sistem aerated lagoon dapat beroperasi

dengan baik jika pH diantara 9,5 dan 10,5. Sebaliknya kedua sistem sangat

rentan pada pH di bawah 6,0. Gambar ... menggambarkan pengaruh pH pada

laju pertumbuhan kebanyakan mikroorganisme. Respon tersebut

dikorelasikan terhadap perubahan aktivitas enzim dengan pH. Konsentrasi ion

hidrogen dianggap menjadi salah satu faktor terpenting yang mempengaruhi

aktivitas enzim.

Penelitian Randall dkk (1972) menunjukkan sistem filament melekat,

terutama jamur dapat memetabolisme senyawa organik sampai pH 2,65. Juga

ditunjukkan bahwa jenis yang sama dapat beroperasi dengan efisien pada pH

di atas 9,0 (kato dan Kekikawa, 1967). Oleh karena itu, kebanyakan proses

konvensional biasanya beroperasi pada rentang pH yang sempit, adalah

mungkin untuk mengolah air buangan organik pada rentang pH yang lebih

lebar.

pH

Laju pertumbuhan

29

Metabolisme Mikroba

Organisme heterotroph dikelompokkan sehubungan dengan jenis

metabolisme mereka dan kebutuhan molekul oksigen. Organisme ini

menghasilkan energi melalui enzim dengan perantara transport elektron dari

suatu donor elektron ke akseptor elektron external, yang disebut mempunyai

metabolisme respiratory. Sebaliknya metabolisme fermentasi tidak

melibatkan peran serta akseptor elektron external. Fermentasi merupakan

proses penghasil energi yang kurang efisien dibanding respirasi, akibatnya

organisme heterotrop yang strict fermentative ditandai dengan laju

pertumbuhan dan menghasilkan sel lebih rendah dibanding heterotrop

respiratory.

Jika molekul oksigen digunakan sebagai akseptor elektron dalam

metabolisme respirasi, disebut proses respirasi aerobik. Organisme yang

tergantung pada respirasi aerobik untuk memenuhi kebutuhan energi dapat

hidup jika tersedia molekul oksigen. Organisme ini disebut obligate aerobik.

Komponen anorganik yang dioksidasi seperti nitrat dan nitrit dapat berfungsi

sebagai elektron akseptor pada beberapa organisme respiratory tanpa adanya

molekul oksigen, organsime ini dikenal sebagai anoxik.

Organisme yang menghasilkan energi fermentasi dan dapat beraada di

lingkungan tanpa oksigen adalah anaerobik obligate. Facultative anaerob

mempunyai kemampuan untuk tumbuh, baik ada maupun tanpa oksigen.

Organisme Facultative dibagi menjadi dua grup, berdasarkan kemampuan

metabolimenya. Anaerob facultative sesungguhnya dapat berubah dari

metabolisme fermentative menjadirespiratory aerob tergantung pada

kehadiran atau tanpa molekul oksigen. Anaerob aerotolerant mempunyai

metabolisme strict fermentative dan relatof tidak sensitif terhadap keberadaan

molekul oksigen.

Peranan Mikroorganisma

30

Penyisihan BOD karbon, koagulasi padatan koloid tidak terendapkan dan

stabilisasi senyawa organik dilakukan secara biolig menggunakan berbagai

mikroorganisme, terutama bakteri. Mikroorganisme digunakan untuk

merubah senyawa organik karbon koloid dan terlarut menjadi gas-gas dan

jaringan sel. Karena jaringan sel mempunyai berat jenis sedikit lebih berat

dibanding air, sel yang dihasilkan dapat disisihkan dari cairan yang diolah

oleh pengendapan. Jaringan sel yang diproduksi dari senyawa organik

disisihkan dari larutan, pengolahan lengkap velum menyelesaikannya karena

jaringan sel itu sendiri adalah organik, yang akan diukur sebagai BOD dalam

efluen. Jika jaringan sel tidak disisihkan, satu-satunya pengolahan yang telah

dicapai adalah sehubungan dengan konversi bakteri dari bagian senyawa

organik awal menjadi berbagai produk akhir gas.

Mikroorganisme penting dalam pengolahan biologi

Berdasarkan struktur dan fungsi sel, mikroorgansime biasanya

diklasifikasikan sebagai eucaryote, eubacteria dan archaebacteria. Grup

procaryote (eubacteria dan arachbacteria) adalah berperan penting dalam

pengolahan biologi dan biasanya untuk menyederhanakan disebut sebagai

bakteri. Grup eucaryot meliputi tumbuhan, binatang dan protista. Eucaryote

yang penting dalam pengolahan biologi terdiri dari jamur, protozoa dan algae.

31

Bakteri

Bakteri merupakan organisme procaryote barsel tunggal. Bereproduksi

sebagian besar dengan membelah diri.

Bentuk bakteri dibagi menjadi 3 kategori : speris, silindris dan helix. Ukuran

bervariasi, diameter speris 0,5-1,0 μm, silindris (batang) lebar 0,5-1,0 μm dan

panjang 1,5 – 3 μm dan pada helix (spiral) lebar 0,5-5,0 μm, panjang 6-15

μm.

Struktur sel

Pada umumnya sel-sel bakteri hampir sama seperti yang diperlihatkan gambar

.....Bagian dalam sel, disebut sitoplasma mengandung suspensi koloid protein,

karbohidrat dan senyawa organik komplex lain. Siplasma mengandung asam

ribonukleat (RNA), yang berperanana penting dalam sintesa protein. Dalam

sitoplasma terdapat nukleus yang kaya akan asam doxyribonukleat (DNA).

DNA mengandung seluruh informasi yang diperlukan untuk reproduksi

seluruh komponen sel dan dianggap sebagai pencetak sel.

Komposisi sel

Penetesan sejumlah bakteri yang berbeda menunjukkan mereka terdiri dari

80% air dan 20% material kering yang terdiri dari 90% organik dan 10%

anorganik. Pendekatan rumus untuk sel-sel bakteri adalah C5H7O2N. Seperti

32

ditunjukkan oleh rumus sekitar 53% berat dari fraksiorganik adalah karbon.

Formulasi C60H87O23N12P dapat digunakan jika pospor juga diperhitungkan.

Komponen-komponen anorganik meliputi P2O5 (50%), SO3 (15%), Na2O

(11%), CaO (9%), MgO (8%), K2O (6%) dan Fe2O3 (1%). Karena semua

elemen-elemen dan komponen-komponen ini berasal dari lingkungan,

kekurangan senyawa-senyawa ini akan membatasi atau bahkan merubah

pertumbuhan.

Fungi

Fungi yang berperanan dalam pengolahan biologi adalah multiseluler, non

fotosintesis, protista heterotroph. Jamur biasanya diklasifikasikan berdasarkan

dari jenis reproduksinya. Bereproduksi secara seksual atau asexual, melalui

pembelahan atau pembentukan spora.

Jamur atau fungi sesungguhnya menghasilkan satuan mikroskopik (hyphae)

yang berkumpul membentuk massa filamen yang disebut mycellium. Yeasts

adalah fungi yang tidak dapat membentuk mycellium dan uniseluler.

Kebanyakan fungi merupakan strict aerob. Mereka mempunyai kemampuan

untuk tumbuh pada kelembaban rendah dan pH rendah. pH optimum

kebanyakan spesies adalah 5,6 dengan rentang 2-9. Fungi juga mempunyai

kebutuhan nitrogen yang rendah, sekitar setengah kali bakteri. Kemampuan

fungi untuk bertahan pada pH dan nitrogen rendah, dihubungkan dengan

kemampuan mereka untuk mendegradasi selulosa, membuat mereka sangat

penting dalam pengolahan biologi beberapa limbah industri dalam

pengomposan limbah organik padat.

Protozoa dan Rotifera

33

Protozoa bersifat motile, protista mikroskopik biasanya sel tunggal. Mayoritas

protozoa merupakan heterotroph aerobik, meskipun beberapaq anaerobik.

Protozoa biasanya lebih besar daripada bakteri dan sering mengkonsumsi

bakteri sebagai sumber energi, sehingga protozoa berfungsi sebagai pengolah

efluen dari proses pengolahan biologi dengan mengkonsumsi bakteri dan

senyawa organik partikulat. Rotifer merupakan hewan aerobik, heterotroph

dan multiseluler. Namanya berasal dari kenyataannya bahwa mereka

mempunyai dua kumpulan cilia yang dapat berputar di kepalanya, yang

digunakan untuk bergerak dan menangkap makanan. Rotifer sangat efektif

dalam mengkonsumsi bakteri yang menyebar dan terflokulasi serta partikel

kecil senyawa organik. Keberadaannya di dalam efluen menunjukkan proses

purifikasi biologi aerobik yang sangat efisien.

Alga

Alga merupakan protista uniseluler atau multiseluler, autotroph, fotosintesis.

Mereka berperanan penting dalam proses pengolahan biologi karena dua

alasan. Dalam kolam, kemampuan alga untuk menghasilkan oksigen oleh

fotosintesis adalah vital bagi ekologi lingkungan perairan. Pada kolam

oksidasi aerobik atau fakultatif untuk mengoperasikan secara efektif alga

diperlukan untuk mensuplai oksigen untuk bakteri aerobik, heterotroph.

Hubungan simbiosis alga dan bakteri ................ yang berhubungan dengan

kolam oksidasi aerobik dan fakultatif. Alga juga merupakan proses

pengolahan biologi yang penting, karena masalah pencegahan kelebihan

pertumbuhan alga dalam badan air penerima dititik beratkan pada penyisihan

nitrogen dalam proses pengolahan. Beberapa ahli menganjurkan penyisihan

nitrogen dari efluen instalasi pengolahan yang lain penyisihan phosphor dan

sisanya merekomendasikan penyisihan keduanya. Pemilihan sasaran

pengolahan mempengaruhi jenis proses biologi yang dipilih.

34

35

Kinetika Pertumbuhan Mikroorganisme

Faktor-faktor yang mempengaruhi : sumber energi, sumber karbon, akseptor

elektron external (jika dibutuhkan), lingkungan biokimia yang sesuai

Jika kebutuhan untuk pertumbuhan sesuai, dengan bertambahnya waktu (t),

pertambahan biomassa (x) ~ konsentrasi biomassa yang ada x

(x) ~ x . t …… (1)

Persamaan tersebut dapat disamakan dengan memasukkan konstanta :

(x) = x . t …… (2)

Dengan membagi kedua ruas dengan t dan limit t 0

………(3)

Derivatif (dx/dt)g laju pertumbuhan biomassa (massa/vol.waktu)

Jika xo konsentrasi biomassa pada t = 0, integrasi persamaan 3

ln x = ln xo + t …………(4)

Persamaan 4 diplot x vs t garis lurus dengan slope

………..(5)

………. (6)

= laju pertumbuhan spesifik (waktu-1)

Prtumbuhan yang mengikuti hukum laju dengan persamaan (6)

pertumbuhan exponensial

Declining increasing log declining endogenous lag log growth growth stationary death log death growth growth

log jumlahN sel viabel

waktu waktu

36

Fase Lag : terjadi langsung setelah “inokulasi” dan adaptasi terhadap

lingkungan yang baru, waktu generasi lama, laju pertumbuhan nol

Lama fase lag tergantung umur kultur anokulum (fase exponensial/log),

jumlah inokulum (5-10% volume)

Fase log : sel mulai beradaptasi, sel berlipat ganda dengan cepat

exponensial terhadap waktu (persamaan 6) log jumlah bakteri terhadap

waktu garis lurus

Laju aktivitas metabolisme maximum, karena jumlah nutrien besar pada

fase ini laju pertumbuhan tidak terhgantung nutrien, laju pertumbuhan

exponensial orde 1

Fase ‘declining growth’ : akhir fase log penurunan substrat dan nutrien

esensial, akumulasi produk akhir yang toxik waktu generasi dan laju

pertumbuhan spesifik

Fase stationary : laju pertumbuhan neto nol, laju pertumbuhan = laju

kematian, konsentrasi metabolit toxik tinggi, sel harus mengeluarkan

energi energi membran, bergerak dan memperbaiki kerusakan sel

(energi maintance) metabolisme endogenous

Fase increasing death : reproduksi sel lambat, laju kematian > laju

pertumbuhan, sel-sel mati lisis, nutrien extraseluler medium

digunakan oleh organisme hidup (mulai fase stationer)

Fase log death : Fase increasing death log death, laju kematian

kinetika orde 1

atau ………(7)

Ns = konsentrasi sel pada akhir fase stationer plot ln N vs t garis

lurus, slope = -kd

Monod (1949) kurva pertumbuhan

Meliputi fase exponensial dan declining growth

37

m

Ks konsentrasi substrat, S

Dari persamaan 3 …………… (8)

Dari penelitianlaju pertumbuhan tidak hanya fungsi konsentrasi organisme

juga konsentrasi substrat terbatas, juga konsentrasi pembatas

……………(9)

= laju pertumbuhan spesifik (waktu-1)

m = nilai maximum pada konsentrasi jenuh substrat pembatas

pertumbuhan (waktu-1)

S = sisa konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan massa,

volume-1

Ks = konsentrasi kejenuhan = konsentrasi substrat pada = m/2,

massa volume-1

koefisien ‘yield’ pertumbuhan : …………. (10)

x kenaikan biomassa penggunaan substrat S limit x/S, S 0 :

…………(11)

Biomassa awal (xo), konsentrasi substrat awal (So)

x – xo = Y (S – So) …………(12)

Pada substrat pembatas pertumbuhan, kultur mencapai konsentrasi biomassa

maximum xm, dekat akhir fase declining-growth. Pada titik ini diasumsikan

bahwa konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan adalah nol (S ≈ 0). Pada

kondisi ini persamaan 12 menjadi :

xm – xo = Y (S – So) …………(13)

38

Slope =Y

Xo

Konsentrasi awal substrat pembatas pertumbuhan, So

atau xm = xo + YSo ………….(14)

Maka, pada substrat pembatas pertumbuhan, persamaan 14 dengan

memplotkan xm versus So akan memberikan garis linier dengan slope Y

seperti yang diperlihatkan pada gambar ..... Jika garis linier ini dibagi pada

konsentrasi substrat tinggi, faktor-faktor selain daripada konsentrasi substrat

adalah pembatas pertumbuhan di wilayah ini.

Gambar . Pengaruh Konsntrasi

substrat

pembatas

terhadap

Pertumbuha

n Biomassa

Penggunaan substrat pada kultur mikroba

Pirt (1975) memperkirakan bahwa pada pertambahan waktu ∆t, pertambahan

konsentrasi substrat, ∆S sebanding dengan konsentrasi biomassa yang ada x,

∆S ∞ x ∆t .........(15)

Persamaan 15 dapat ditulis sebagai persamaan dengan memasukkan konstanta

q : ∆S = q x ∆t .........(16)

39

Membagi kedua sisi persaman 16 dengan ∆t dan mengambil limit ∆t → 0,

.............(17)

Turunan (dS/dt)u mewakili laju penggunaan substrat dan mempunyai dimensi

massa volume-1waktu-1. Persamaan 17 menjelaskan bahwa laju penggunaan

substrat fraksional x-1(dS/dt)u pada waktu tertentu adalah konstan dan

konstanta ini adalah q :

.............(18)

Parameter q merupakan laju penggunaan substrat per unit jumlah biomassa

dan disebut laju penggunaan substrat spesifik,

Mengingat kembali : .............(8)

dan ...................(11)

Maka hubungan antara laju penggunaan substrat spesifik, laju pertumbuhan

spesifik dan hasil pertumbuhan,

...........(21)

atau ................(22)

Pengaruh Konsentrasi Substrat terhadap Laju Pertumbuhan

Fase pertumbuhan exponensial dalam kultur batch memperkirakan bahwa laju

penggunaan substrat tidak dipengaruhi oleh konsentrasi substrat pada rentang

konsentrasi yang luas ; laju penggunaan substrat mengikuti kinetika orde nol

terhadap konsentrasi substrat. Lebih jauh, karena laju pertumbuhan berkurang

dalam fase pertumbuhan menurun (declining) adalah tidak logis untuk

mengasumsikan bahwa untuk substrat pembatas pertumbuhan, laju

penggunaan substrat akan sebanding dengan konsentrasi substrat saat

konsentrasi substrat rendah. Maka, penggunaan substrat dapat digambarkan

40

melalui persamaan yang mirip dengan persamaan Michaelis-Menten untuk

kinetika enzim,

..........(23)

Dimana qm, adalah laju penggunaan substrat spesifik maximum, yang

diperoleh jika S >>Ks. Substitusi dari persamaan 22 untuk q dan

menggunakan m/Y untuk qm, persamaan 23 menjadi persamaan Monod (12)

yang menggambarkan hubungan antara laju pertumbuhan spesifik dan

konsentrasi substrat.

Energi dan Kebutuhan Sumber Karbon

Pada mikroorganisme heterotroph menunjukkan bahwa substrat berfungsi

sebagai sumber karbon dan energi. Untuk organisme-organisme ini perlu

dibedakan antara fraksi substrat yang digunakan untuk fungsi sintesis (seperti

menyediakan pembentukan blok-blok untuk pertumbuhan organisme) dan

fraksi substrat yang disalurkan menjadi fungsi energi dan selanjutnya

dioksidasi untuk menyediakan energi pada seluruh sel. Perbedaan tersebut

dapat dibuat dengan membuat kesetimbangan substrat yang digunakan selama

pertambahan waktu, ∆t,

..........(24a)

Persamaan 24a, diungkapkan secara matematis adalah :

∆S =(∆S)S + (∆S)g ..............(24b)

Jika ∆x merupakan pertambahan konsentrasi biomassa selama pertambahan

waktu ∆t dan jika kedua bagian persamaan 24b dibagi oleh ∆x, dihasilkan

persamaan,

………….(25)

Jika Y= ∆x/∆S, persamaan 25 menjadi

41

………………(26)

YE bukan merupakan nilai nyata karena tidak ada biomassa yang diproduksi

dari substrat sehubungan dengan persamaan ini. Hal ini lebih menunjukkan

bahwa fraksi substrat yang disisihkan per unit biomassa yang diproduksi yang

disalurkan menjadi energi metabolisme. Maka, hal itu menunjukkan substrat

yang tidak disintesis menjadi sel baru dan nilainya selalu negatif. Juga perlu

diingat bahwa (∆S)s sebanarnya sama dengan ∆x sebenarnya, maka (∆S)s/∆x

selalu 1dan 1/Ys juga sama satuannya. Pirt (1975) melaporkan bahwa

mikroorganisme membutuhkan energi untuk pertumbuhan (sintesis) juga

untuk fungsi pemeliharaan seperti mengembalikan material sel, transport

aktif, motilitas dll. Maka, bagian kanan dari persamaan 25 menjadi,

………..(27)

Dimana (∆S)GE merupakan bagian substrat yang dioksidasi untuk energi yang

digunakan untuk fungsi pertumbuhan dan (∆S)ME merupakan jumlah total

substrat yang disalurkan menjadi fungsi energi pemeliharaan, yang mencakup

energi untuk biomassa yang ada dalam sistem juga sebagai energi untuk

biomassa yang diproduksi selama proses penggunaan substrat. Jika kebutuhan

energi pemeliharaan adalah nol, persamaan 27 mempunyai nilai minimum,

…………….(28)

Ini merupakam kondisi yield optimum, karena bagian substrat kemungkinan

telah dioksidasi untuk menyediakan energi pemeliharaan yang akan

diasimilasi menjadi biomassa baru. Pada kondisi tersebut parameter Y dalam

persamaan 26 akan mempunyai nilai maximum yang merupakan hasil

pertumbuhan yang sebenarnya YT,

……………(29)

Persamaan 24b dapat ditulis kembali dalam bentuk

42

..............(30)

Dimana (dS/dt)u merupakan laju penggunaan substrat seluruhnya, (dS/dt)us

merupakan laju penggunaan substrat untuk sintesis dan (dS/dt)uE merupakan

laju penggunaan substrat untuk energi. Parameter ini merupakan laju

penggunaan substrat untuk energi, yang selanjutnya dipisahkan,

................(31)

Dimana (dS/dt)uGE adalah laju penggunaan substrat untuk energi pertumbuhan

dan (dS/dt)uME merupakan laju penggunaan substrat untu energi pemeliharaan.

Asumsi bahwa hubungan antara jumlah substrat yang digunakan sebagai

pembentukan material sel baru dan energi yang dibutuhkan untuk

pertumbuhan adalah konstat, (dS/dt)uGE dan (dS/dt)uS dapat dikombinasikan

menjadi,

....................(32)

(dS/dt)uG merupakan laju penggunaan substrat untuk fungsi pertumbuhan yang

mencakup substrat untuk pembentukan blok pada meterial sel baru juga

substrat dioksidasi untuk menyediakan energi untuk sintesis. Pirt

mengemukakan bahwa laju penggunaan substrat untuk energi pemeliharaan

sebanding dengan biomassa yang ada

..................(33)

Dimana b adalah konstanta pembandinga yang merupakan substrat yang

digunakan untuk fungsi energi per unit biomassa per unit waktu yaitu laju

penggunaan substrat spesifik untuk energi pemeliharaan. Parameter b

mempunyai dimensi waktu-1 . Substitusi ke persamaan 30 dari persamaan 31,

32 dan 33 memberikan

..................(34)

Persamaan 11 dan 14 menunjukkan,

43

...........................(35)

Substitusi pada (dS/dt)u dan (dS/dt)uG dalam persamaan 34 dari persamaan 35

menghasilkan persamaan berikut,

.....................(36)

Dimana Yg adalah konstanta yaitu fraksi substrat yang disisihkan yang

disalurkan menjadi fungsi pertumbuhan. Ini meliputi substrat yang digunakan

untuk sintesis juga sebagai substrat yang dioksidasi untuk menyediakan

energi untuk sintesis. Pembagian kedua sisi persamaan 36 oleh x

menghasilkan,

..................(37)

Jika q disubstitusi pada μ/Y (lihat persamaan 22), persamaan 37 menjadi,

......................(38)

Parameter Yg dalam persamaan 38 sebenarnya adalah YT, hal ini dapat

digambarkan melalui setelah pertambahan waktu ∆t, terdapat pertambahan

biomassa ∆x dan penurunan substrat ∆S. Hubungan antara metabolisme dan

substrat yang disisihkan dapat dinyatakan secara matematis,

................

(39)

Karena ....................(13)

Dan .............(33)

Maka, ..........(40)

atau ................(41)

44

dimana YA= koefisien variabel hasil yang menggambarkan jumlah biomassa

sebenarnya yang diproduksi per unti substrat yang disisihkan, menghasilkan

persamaan untuk Yg

.............(42)

Pada kondisi dimana semua substrat yang disalurkan ke dalam fungsi

pertumbuhan, adalah jika tidak ada kebutuhan energi pemeliharaan b = 0 dan

YA = YT, maka

................(43)

Atau Yg = YT ................(44)

Maka, ................(45)

Persamaan 45 apabila diplot laju penggunaan substrat spesifi terhadap laju

pertumbuhan substrat akan menghasilkan garis linier dengan slope 1/YT dan

intersep b (gambar ...)

Gambar …Laju penggunaan substrat

Terhadap laju pertumbuhan spesifik

Slope =

b

Laju pertumbuhan spesifik, μ 45

Pemeliharaan ketika Respirasi Endogenous

Untuk menghitung pengurangan produksi biomassa yang diamati bila laju

pertumbuhan spesifik turun, Herbert (1958) telah memperkirakan bahwa

kebutuhan energi pemeliharaan dipenuhi melalui respirasi endogenous; yaitu

komponen seluler dioksidasi lebih untuk memenuhi kebutuhan energi

pemeliharaan dibanding mengoksidasi bagian dari substrat external. Pada

kondisi ini kesetimbangan biomassa dapat dituliskan sbb,

……… (46)

Persamaan 46 dapat dinyatakan dengan basis laju,

.................(47)

Laju dimana biomassa yang hilangmenjadi respirasi endogenous sebanding

dengan biomassa yang ada

..................(48)

Dimana Kd adalah konstanta yang merupakan biomassa yang hilang menjadi

resoirasi endogenous per unit biomassa per unit waktu. Konstanta Kd adalah

koefisien kematian mikroba dan mempunyai dimensi waktu-1. Substitusi pada

(dx/dt)E pada persamaan 47 dari persamaan 48, menghasilkan,

................(49)

Pertumbuhan total (dx/dt)T dapat dinyatakan sebagai,

........................(50)

Karena diasumsikan bahwa semua substrat yang digunakan disalurkan

menjadi fungsi pertumbuha, sedangkan energi untuk pemeliharaan berasal

46

dari oksidasi komponen seluler. Maka, substitusi (dx/dt)T dalam persamaan 49

dari persamaan 50, diperoleh persamaan berikut,

................(51)

Pembagian dua sisi dari persamaan 51 oleh x menghasilkan persamaan,

μ = YTq – Kd .....................(52)

atau .....................(53)

Persamaan ini menunjukkan bahwa laju pertumbuhan yang tinggi (jika μ jauh

lebih besar dari Kd) komponen μ/YT jauh lebih besar daripada komponen

Kd/YT. Ketika pertumbuhan turun, komponen pertama berkurang, mencapai

nol pada μ = 0 dimana q = Kd/YT. Maka, pada laju pertumbuhan spesifik

rendah, μ/YT dalam persamaan 53 rendah menunjukkan bahwa mayoritas

substrat yang digunakan menjadi fungsi pemeliharaan daripada untuk

pertumbuhan (fraksi substrat yang digunakan untuk energi pemeliharaan jauh

lebih besar daripada digunakan pada fungsi pertumbuhan). Persamaan 53 juga

memperlihatkan parameter b dala persamaan 45 sama dengan Kd/YT.

Aplikasi Untuk Disain Proses

Rumus-rumus disain untuk berbagai jenis proses pengolahan biologi dapat

dikembangkan melalui kesetimbangan material untuk kepentingan sistem

khusus.

.................(54)

Dimana

= Laju penggunaan substrat keseluruhan, massa volume-1 waktu-1

k = Laju penggunaan substrat spesifik maximum, yaitu laju

penggunaan substrat maximum per unit biomassa, waktu-1

S = Konsentrasi substrat di sekeliling biomassa, massa volume-1

47

Ks = Konstanta saturasi yang mempunyai angka sama dengan

konsentrasi substrat dimana (dS/dt)u/X = ½k, massa volume-1

x = Konsentrasi biomassa aktif, massa volume-1

Gambar Hubungan antara Laju Penggunaan Substrat dan Konsentrasi Substrat

Persamaan 54 menujukkkan hubungan antara laju penggunaan substrat dan

konsentrasi substrat adalah kontinu ke seluruh rentang konsentrasi substrat,

seperti yang diperlihatkan pada gambar ...

Persamaan 54 sama dengan persamaan 23, yang menggambarkan pengaruh

konsentrasi substrat terhadap laju pertumbuhan dan ditunjukkan juga pada

persamaan Monod (persamaan 12). Parameter k identik dengan parameter qm

dalam persamaan 23. dan akan digunakan untuk seluruh referensi untuk laju

penggunaan substrat spesifik maximum di seluruh buku ini. Pada pembatasan

khasus, jika S jauh lebih besar daripada Ks, K dapat diabaikan dalam jumlah

parameter dalam penyebut di persamaan 54. Dalam kasus ini persamaan 54

menjadi persamaan orde nol terhadap konsentrasi substrat.

................(55)

k

k/2

Laju maximum

Ks Konsentrasi Substrat, S

Laju penggunaan substrat spesifik, (dS/dt)u/X

48

Pada kasus pembatas akhir, jika S jauh lebih kecil daripada Ks, S dapat

diabaikan dalam penyebut. Pada situasi ini persamaan 54 menjadi persamaan

orde pertama tehadap konsentrasi substrat.

.................(56)

Dimana K = = konstanta laju penggunaan substrat spesifik, volume massa-

1 waktu ................(57)

Persamaan 55 merupakan reaksi orde nol terhadap konsentrasi substrat,

sementara persamaan 56 merupakan reaksi orde pertama. Gambar ...

menggambarkan hubungan antara laju penggunaan substrat dan konsentrasi

substrat yang diberikan melalui dua pembatas kasus persamaan 54, yang

keduanya dikenal sebagai model diskontinu untuk utilisasi substrat

Gambar Hubungan antara Laju

Penggunaan Substrat dan

Konsentrasi Substrat

Eckenfelder dan Ford (1970) melaporkan bahwa laju penggunaan substrat

pada kebanyakan proses pengolahan biologi air buangan digambarkan dengan

pendekatan persamaan 56 dan direkomendasikan penggunaannya sebagai

pengganti persamaan 54. Saat ini Grady dan Williams (1975) menyatakan

persamaan 54 dan 56 tidak menggambarkan pengaruh konsentrasi substrat

influen yang bervariasi terhadap laju penggunaan substrat. Pada kondisi ini,

persamaan yang diusulkan Grau dkk. (1975) lebih akurat menggambarkan

laju penggunaan substrat.

Laju maximum, k

K=

Konsentrasi substrat, S

Laju penggunaan substrat spesifik, (dS/dt)u/X

49

......................(58)

dimana

n = Orde reaksi dan biasanya diasumsikan mempunyai nilai 1

So = Konsentrasi substrat, massa volume-1

S = Konsentrasi substrat di sekeliling biomassa pada waktu tertentu,

massa volume-1

K1 = Konstanta laju penggunaan substrat spesifik, waktu-1

Sebuah persamaan yang menggambarkan hubungan antara laju pertumbuhan

neto nikroorganisme dan laju penggunaan substrat yang dikembangkan secara

empiris dari studi pengolahan limbah oleh Heulekian dkk (1951).

........................(59)

Persamaan diatas identik dengan persamaan 51, dimana dikembangkan

melalui perkiraan bahwa pengurangan produksi biomassa pada laju

pertumbuhan rendah akibat oksidasi komponen seluler untuk menyediakan

energi pemeliharaan.

Sherrard dan Scroeder (1973) memperkirakan bahwa laju pertumbuhan neto

yang terbaik digambarkan melalui persamaan

...................(60)

Dimana = laju pertumbuhan biomassa neto, massa volume-1 waktu-1

Persamaan 60 dasarnya sama seperti persamaan 59. Perbedaannya adalah

persamaan 59 menjelaskan bahwa kebutuhan pemeliharaan dibagi dari hasil

teoritis, sedangkan persamaan 60 menjelaskan hasil aktual setelah kebutuhan

energi total diperhitungkan.

Adalah mungkin untuk mengembangkan persamaan uang menghubungkan

hasil yang diobservasi terhadap laju pertumbuhan spesifik. Pertama perlu

membuat persamaan 60 dalam bentuk,

50

..........................(61)

Lalu, pengalian sisi kanan persamaan 61 dengan x/x, menghasilkan

......................(62)

atau .....................(63)

Substitusi dari persamaan 53 untuk q dalam persamaan 62 menghasilkan

suatu persamaan dalam bentuk,

..................(64)

Pada persamaan ini ketergantungan hasil yang diobservasi terhadap laju

pertumbuhan diperlihatkan.

PROSES LUMPUR AKTIF

Proses lumpur aktif mapu mengubah kebanyakan limbah organik menjadi

bentuk anorganik yang lebih stabil atau menjadi massa seluler. Dalam proses

ini material organik terlarut dan koloid yang tersisa setelah sedimentasi

primer dimetabolisme oleh berbagai grup mikroorganisme menjadi karbon

dioksida dan air. Pada waktu yang sama, fraksi yang berukuran dirubah

menjadi massa seluler yang dapat dipisahkan dari aliran limbah melalui

sedimentasi secara gravitasi. Lumpur aktif adalah kultur mikroba heterogen

yang terdiri dari bakteri, protozoa, rotifera dan fungi. Namun, bakteri yang

berperanan untuk asimilasi kebanyakan material organik, sedangkan protozoa

dan rotifera penting dalam penyisihan bakteri yang menyebar yang terdapat

pada efluen. Penggunaan substrat (material organik) oleh sel bakteri dapat

dijelaskan sebagai tiga tahap proses : (1) molekul substrat berkontak dengan

dinding sel, (2) molekul substrat ditransportasikan ke dalam sel (3)

berlangsung metabolisme molekul substrat melalui sel. Meskipun begitu,

51

karena bakteri membutuhkan substrat dalam bentuk terlarut, koloid atau

molekul yang tidak sesuai tidak dapat ditransportasikan langsung ke dalam

sel, harus sebelumnya diabsorbsi permukaan sel kemudian dipecahkan atau

ditransformasi secara eksternal menjadi fraksi yang dapat ditranportasikan

melalui exoenzim atau enzim yang terikat pada dinding. Untuk menghasilkan

efluen berkualitas tinggi, biomassa (setelah penyisihan material organik dari

ail limbah) harud dipisahkan dari larutan. Hal ini dilakukan dalam pengendap

sekunder dan hanya efektif jika spesies yang ada sudah beraglomerasi.

Pengendap sekunder merupakan langkah pembatas kualitas efluen. BOD5

efluen terlarut biasanya di bawah 5 mg/L, tetapi padatan biomassa yang

terbawa menghasilkan BOD5 efluen 20 mg/L atau lebih besar.

Beberapa penelitian menggambarkan mekanisme flokulasi biologis, Pavoni

(1972) melaporkan fungsi flokulasi biologis ditentukan oleh kondisi fisiologis

mikroorganisme dan tidak terjadi sampai mikroorganisme masuk ke dalam

substrat yang terbatas atau fase pertumbuhan endogenous. Flokulasi biologis

merupakan hasil dari interaksi polimer exoseluler yang berakumulasi di

permukaan sel selama pertumbuhan endogenous. Sel-sel dihubungkan dalam

matrix tiga dimensi sebagai hasil dari ikatan fisik dan elektrostatis polimer-

polimer ke permukaan sel. Setelah pemisahan fase cair dari fase padat,

peningkatan biomassa akibat sintesis selama penggunaan substrat dibuang

dan sisanya dikembalikan ke tangki aerasi. Maka, massa organisme yang

relatif konstan dijaga dalam sistem dan kinerja proses tergantung pada

recycle biomassa. Jika pemisahan dan pemekatan biomassa gagal, maka

keseluruhan proses pun gagal.

Skema aliran tipikal instalasi lumpur aktif diperlihatkan pada gambar ....

Biasanya proses ini meliputi (1) Aerasi air buangan dengan suspensi mikroba

(2) Pemisahan padatan-cairan diikuti aerasi (3) aliran efluen setelah

pengendapan dan (4) pembuangan kelebihan biomassa dan pengembalian

biomassa sisa ke tangki aerasi (Eckenfelder, 1972)

52

Pencampuran dalam Lumpur Aktif

Kebutuhan dasar dalam disain lumpur aktif adalah mengetahui jenis reaktor

terbaik untuk masalah yang ada. Umumnya, ada dua jenis pencampuran

dalam proses lumpur aktif. Pertama aliran sumbat (plug flow), aliran mixed

liquor secara teratur melalui tangki aerasi dimana tidak ada elemen dari mixed

liquor bercampur atau menyusul elemen lain, terjadi pencampuran lateral

mixed liquor tetapi tidak ada pencampuran dan difusi sepanjang jalur aliran.

Waktu retansi sama untuk semua elemen mixed liquor.

Jenis kedua pencampuran adalah pencampuran sempurna, dimana kandungan

dalam tangki aerasi teraduk sempurna dan uniform seluruhnya. Maka, pada

kondisi tunak efluen dari tangki aerasi mempunyai komposisi yang sama

seperti kandungan dalam tangki aerasi. Telah diakui bahwa, aliran sumbat dan

pencampuran sempurna sesungguhnya jarang terjadi pada operasi sebenarnya,

namun jika sistem direncanakan dengan layak, pendekatan akan memenuhi

perncanaan dan tujuan operasi. Jenis pencampuran sangat penting, karena

mempengaruhi (1) kebutuhan transfer oksigen dalam tangki aerasi (2)

Grit Chamber aerasi

Tangki Aerasi

Clarifier Primer

Clarifier Sekunder

Digesti anaerob atau Aerob

Solid inert

Pengembalian lumpur

Lumpur buangan lumpur aktif

Lumpur Primer

Campuran lumpur primer dan l.aktif

Lumpur stabil

a.b efluen

53

kerentanan biomassa terhadap perubahan beban (3) kondisi lingkungan lokal

dalam tangki aerasi seperti suhu (4) kinetika yang mengontrol proses

pengolahan

Model Kinetika

Model kinetika untuk menggambarkan proses lumpur aktif pada kondisi tunak

dalam sistem pengolahan. Tipikal skema aliran proses lumpur aktif tercampur

sempurna diperlihatkan pada gambar .... Q merupakan laju air buangan ke

dalam tangki aerasi ; S0 konsentrasi substrat dalam air buangan ; Va volume

tangki aerasi ; Se konsentrasi substrat kondisi tunak pada kondisi tunak ; Qr

laju lumpur recycle; R rasio lumpur recycle (Qr /Q) ; Qw laju pembuangan

lumpur dan Xr konsentrasi biomassa aliran bawah dari pengendap sekunder.

Pada gambar .., diperlihatkan dua alternatif pembuangan lumpur.

Pembuangan lumpur dapat dilakukan baik dari pipa pengembalian lumpur

atau langsung dari tangki aerasi. Meskipun pengembalian lumpur dari pipa

pengembalian lumpur adalah tradisi, pembuangan lumpur dari tangki aerasi

lebih diharapkan, karena metoda ini menawarkan peluang untuk kontrol yang

lebih baik dan juga lebih menguntungkan untuk melanjutkan ke operasi

pengentalan lumpur (thickening). Konsentrasi solid yang lebih tinggi dapat

diperoleh jika mixed liquor encer dibandingkan lumpur yang dikembalikan

yang pekat. Oleh karena itu, pengembangan model ini akan berlandaskan

pada skema pembuangan lumpur dari tangki aerasi.

54

Persamaan kesetimbangan material yang diturunkan dari gambar ...,

berdasarkan asumsi :

1. Pencampuran sempurna terjadi di tangki aerasi

2. Konsentrasi substrat influen tetap konatan

3. Tidak ada mikroba yang terdapat dalam air buangan yang masuk ke tangki

aerasi.

4. Tidak ada aktivitas mikroba terjadi dalam pengendap sekunder

5. Tidak ada akumulasi lumpur dalam pengendap sekunder dan efisiensi yang

baik pada pemisahan padatan-larutan

6. Semua substrat biodegradable dalam bentuk terlarut

7. Kondisi tunak terjadi di seluruh sistem.

Lawrenca dan McCarty (1970) menekankan pentingnya parameter

operasional yang disebut waktu retensi solid biologis (BSRT), dengan simbol

Өc yang didefinisikan sebagai waktu rata-rata unit biomassa yang tinggal

dalam sistem.

.........(1)

Dimana

(X)T = Biomassa aktif total dalam sistem, massa

=

Jumlah total biomassa aktif yang meninggalkan sistem setiap

hari, massa waktu-1; termasuk solid yang dibuang ditambah

Tangki AerasiVa, X, Se

Q, S0 Q(1+R), X

Se

Pengendap sekunder

(Q-Qw).X0, Se

RQ, Xr, Se X Qw , Xr, Se

Qw , X

55

yang hilang di efluen

Pada proses lumpur aktif tercampur sempurna dengan recycle solid,

mengikuti asumsi sebelumnya, persamaan 1 dapat ditulis kembali menjadi

.....................(2)

Pada kondisi tunak, persamaan 2.11 dan 4.1 menjadi

...................(3)

Өc merupakan parameter kontrol, melalui pengaturan Өc sekaligus mengontrol

laju pertumbuhan spesifik dan kondisi fisiologis organisme dalam sistem.

Persamaan kesetimbangan material biomassa di seluruh sistem pengolahan

dalam gambar ....

....(4)

Karena biomassa yang ada dalam sistem adalah hasil pertumbuhan dan yang

meninggalkan akibat aksi hidrolis baik pembuangan lumpur maupun efluen,

persamaan 4 dapat diformulasikan,

.....................(5)

Parameter Va terlihat dalam persamaan 5 karena biomassa, X merupakan

konsentrasi. Pengalian dengan volume menjadikan parameter massa per

satuan waktu. Substitusi dari persamaan 51 untuk (dX/dt)g dan dari persamaan

4.2 untuk QwX + (Q-Qw)Xe mengurangi persamaan 4.5 menjadi,

.................(6)

Pada kondisi tunak,

Yang menunjukkan bahwa,

Atau

56

..................(7)

Atau . ....................(8)

Parameter Sedapat didapatkan dengan substitusi (dS/dt)u dari persamaan 2-54.

Substitusi ke persamaan 4.8 memberikan,

....................(9)

Atau ......(10)

Perluasan persamaan ini, ...........(11)

Atau .....................(12)

Pengalian bagian kiri persamaan dengan Өc/ Өc memberikan,

....................(13)

Atau .................(14)

Kesetimbangan material untuk substrat yang masuk dan meninggalkan tangki

aerasi dapat dituliskan,

................. (15)

Yang dapat diformulasikan sebagai,

....................(16)

Persamaan 16 menunjukkan adanya substrat yang disisihlkan dari tangki

aerasi oleh penggunaan mikroba juga akibat dari aksi hidrolis

Pada kondisi tunak,

Yang menunjukkan bahwa,

57

Karena itu pada kondisi tunak persamaan 16 berkurang menjadi,

...........................(17)

Pengalian kedua sisi dengan 1/X persamaan 17 menjadi,

.......................(18)

Substitusi dari persamaan 18 untuk (dS/dt)u/X dalam persamaan 18, maka X

menjadi,

......................(19)

Pengalian bagian kanan persamaan 19 dengan Өc/ Өc menjadi,

.......................(20)

Persamaan 8, 14 dan 20 dikembangkan oleh Lawrence dan Mc Carty (1970)

dan telah diterima oleh masyarakat Teknik Lingkungan. Namun jika

persamaan 2.56 disubstitusi pada (dS/dt)u dalam persamaan 8, menghasilkan

........................(21)

Atau ................(22)

Pengalian bagian kanan dari persamaan ini dengan Өc/ Өc menghasilkan

persamaan untuk Se,

.....................(23)

Persamaan Se yang lain dapat dikembangkan melalui substitusi KXSe dari

persamaan 2.56 pada (dS/dt)u persamaan 17.

.....................(24)

Atau ........................(25)

58

Dimana q merupakan laju penggunaan substrat spesifik dan mempunyai

dimensi waktu-1. Persamaan ini akan memberikan garis lurus dengan slope K

jika Q(So-Se)/XVa vs Se (diukur sebagai BODu) diplot, seperti yang

ditunjukkan pada gambar ..... Seperti dijelaskan sebelumnya, konsentrasi

substrat akan diukur sebagai BOD5 atau COD degradable. Persamaan 25

dapat diubah menjadi,

.....................(26)

Persamaan 25 dan 26 menghasilkan, jika penggunaan substrat diasumsikan

mengikuti kinetika orde pertama. Namun, konsentrasi biomassa kondisi tunak

tidak tergantung persamaan laju penggunaan substrat. Maka, persamaan 20

menggambarkan X tanpa menghiraukan apakah (dS/dt)u digambarkan melalui

persamaan hiperbolis kontinu atau pendekatan orde pertama persamaan ini.

Gambar Laju penggunaan substrat spesifik vs konsentrasi substrat efluent

Hubungan antara rasio recycle Rs dan Өc dapat dikembangkan dari persamaan

kesetimbangan material untuk biomassa yang masuk dan meninggalkan

tangki aerasi. Dari gambar ..., kasetimbangan material dapat ditulis sebagai

berikut,

Slope = K

Konsentrasi substrat efluen (Se) (mg/l)

59

(27)

Atau ..............(28)

Substitusi pada (dX/dt)u dari persamaan 59 menghasilkan,

.............(29)

Yang menunjukkan

Maka, asumsi kondisi tunak dan sunstitusi (dS/dt)u dari persamaan 2.56 dan

persamaan 4.29 berkurang menjadi,

....................(30)

Substitusi untuk Se dari persamaan 23 menghasilkan,

.............(31)

Dengan penyesuaian kembali persamaan 31, maka Өc,

..................(32)

Persamaan 32 menunjukkan Өc menjadi fungsi rasio Xr/X dan rasio recycle R.

Rasio Xr/X adalah fungsi karakteristik pengendapan biomassa dan efisiensi

pengendap sekunder. Jika pengendap sekunder beroperasi baik, penangkapan

solid mendekati 100%. Untuk keadaan ini konsentrasi solid maximum dalam

jalur pengembalian solid dapat diestimasi,

.............(33)

Dimana SVI merupakan index volume lumpur. Nilai Xr dihitung berdasarkan

SVI yang merupakan suspended solid total. Nilai ini harus diubah menjadi

volatile suspended solid sebelum Xr digunakan dalam persamaan 32.

Jika ditentukan nilai Өc yang diinginkan dan efisiensi pengolahan, total berat

biomassa di tangki aerasi (XVa) dapat dihitung dengan persamaan 20 dengan

nilai Q, So, k, Ks, YT, dan Kd tertentu. Persamaan 32 dapat digunakan untuk

60

menghitung konsentrasi biomassa kondisi tunak dan volume tangki aerasi

untuk asumsi nilai R dan Xr . Gamabr .... memperlihatkan hubungan antara X,

Va, R dan Xr untuk kondisi operasi tertentu. Dalam gambar ini nilai-nilai Xr

diestimasi dari persamaan 33. Penggunaan persamaan 14 atau persamaan 23

dan persamaan 20 dan mengetahui nilai konstanta k, Ks, YT dan Kd pada air

buangan tertentu, kultur biologis dan pengaturan kondisi lingkungan tertentu,

konsentrasi biomassa kondisi tunak dan substrat dalam tangki aerasi dapat

diprediksi untuk nilai BSRT tertentu. Gambar 5 memperlihatkan pengaruh

konsentrasi substrat influen pada proses lumpur aktif tercampur sempurna.

Dari gambar dapat dilihat bahwa ada nilai Өc tertentu, dimana dibawah nilai

tersebut tidak ada substrat yang disisihkan. Nilai ini disebut waktu retensi

solid biologis minimum dan disebut . BSRT ini adalah dimana biomassa

yang disisihkan dari sistem lebih cepat dibandinbgkan yang diproduksi. Oleh

karena itu, jika suatu proses beroperasi pada BSRT di bawah nilai minimum,

pembuangan akan terjadi (artinya seluruh biomassa akan hilang dari sistem).

Setelah pembuangan terjadi, konsentrasi substrat efluen akan sama dengan

konsentrasi substrat influen, karena tidak ada mikroorganisme yang akan

menggunakan material organik. Maka, untuk kondisi ini, asumsi bahwa laju

penggunaan substrat mengikuti hubungan pada persamaan 54, pengembangan

persamaan untuk ,

...............(34)

Tetapi, jika diasumsi bahwa laju penggunaan substrat mengikuti kinetika orde

pertama, persamaan menjadi

....................(35)

Gambar 4.5 juga memperkirakan, bahwa untuk model kinetika yang

dikembangkan sebelumnya, konsentrasi substrat tidak tergantung pada

konsentrasi substrat influen. Karena dapat dilihat dari gambar ini, untuk nilai

61

Өc tertentu, konsentrasi substrat yang lebih tinggi dalam influen akan

menghasilkan konsentrasi biomassa pada kondisi tunak yang lebih tinggi

dalam tangki aerasi sementara konsentrasi substrat efluen tetap tidak berubah.

Ketidaktergantungan antara konsentrasi substrat efluen dan influen

diperlihatkan pada persamaan 14 dan 23, yang menentukan dalam

perencanaan dan pengontrolan instalasi pengolahan air buangan. Contohnya,

jika Өc digunakan untuk pengontrolan instalasi, tidak ada persyaratan untuk

mengontrol MLVSS, yang biasanya diambil untuk mengukur biomasaa dalam

sistem, tidak perlu juga untuk memonitor konsentrasi substrat influen dan

efluen (diukur sebagai BOD5, COD atau TOC). Selama Өc selalu konstan,

perubahan dalam konsentrasi substrat influen akan hanya menghasilkan

perubahan dalam konsentrasi biomassa pada kondisi tunak sementara kualitas

efluen akan tetap konstan. Karena hal tersebut, disarankan Өc dikontrol

dengan peralatan hidrolis (Walker,1971). Selanjutnya, karena

kesederhanaannya metoda kontrol hidrolis menjadi sangat populer dalam

instalasi sebenarnya. Ketidaktergantungan antara konsentrasi substrat influen

dan efluen juga menyarankan jika penentuan koefisien kinetika yang

diperlukan untuk perencanaan proses, tidak perlu menggunakan air buangan

dengan konsentrasi yang sama selama kondisi lapangan (Grady dan Williams,

1975). Pada kondisi ini perlu diingat bahwa tidak seorangpun dapat

membuktikan keunggulan persaman 54 atau persamaan 56 untu

menggambarkan laju penggunaan substrat sebenarnya dalam proses lumpur

aktif. Namun, dalam perencanaan instalasi, persamaan 56 memberikan 2

keuntungan : (1) secara matematis lebih mudah (2) tidak memerlukan nilai

koefisien k dan Ks yang akurat. Perlu ditekankan bahwa model kinetika

dikembangkan lebih jauh berdasarkan beberapa asumsi. Karena itu,

bermanfaat untuk mendiskusikan pengaruh asumsi-asumsi ini terhadap

validitas model.

Contoh soal :

62

Proses lumpur aktif tercampur sempurna digunakan untuk mengolah air

buangan 1 MGD yang mempunyai BODu 200 mg/L. Kriteria disain sbb:

X = 2000 mg/l sebagai MLVSS

Se = 10 mg/l BODu

R = 30 – 40% aliran air buangan

YT = 0,5

K = 0,1 l/mg hari

Kd = 0,1 hari-1

MLVSS = 0,8 MLSS

Hitung volume tangki aerasi yang diperlukan dan pengoperasian BSRT.

Tentukan pengaruh efisiensi proses jika perubahan SVI dari 80 sampai 160

dan tidak ada penyesuaian dilakukan dalam operasi BSRT

Jawab :

1. Dari persamaan 25 hitung volume tangki aerasi yang diperlukan

q = K Se = (0,1) (10) = 1,0 hari-1

maka,

2. Hitung pengoperasian BSRT dari persamaan 21

(0,5) (1,0) – 0,1

Atau Өc = 2,5 hari

3. Tentukan pengaruh perubahan SVI pada efisiensi proses melalui

persamaan 32 untuk memperoleh variasi X dengan recycle dan Xr untuk Өc

2,5 hari. Data ini diperlihatkan pada tabel berikut,

SVI R Xr (mg/l) X (mg/l)

80 0.3 12.500 x 0.8 = 10.000 2342

80 0.4 12.500 x 0.8 = 10.000 2897

160 0.3 6.250 x 0,8 = 5.000 1171

160 0.4 6.250 x 0,8 = 5.000 1448

63

Dengan konsentrasi biomassa kondisi tunak yang baru, konsenrtasi substrat

efluen sebenarnya untuk masing-masing kondisi operasi dapat dihitung dari

modifikasi persamaan 25, dimana q/K disubstitusi pada Sedengan rumus

dasar,

hari-1

Perhitungan yang sama menggunakan data yang tetap menghasilkan nilai Se

X (mg/l) Se (mg/l)

2342 8,6

2897 7,0

1171 16,5

1448 13,6

Maka, operasi BSRT disesuaikan bila SVI berubah dari 80 menjadi 160,

sehingga kualitas efluen akan terlampaui.

Telah diasumsikan pertama-tama bahwa pengadukan sempurna akan

diperoleh di seluruh tangki aerasi. Namun, jika plug flow ditetapkan

merupakan jenis pencampuran dalam tangki aerasi, model kinetika

dikembangkan dari persamaan kesetimbangan material akan berbeda dari

yang dikembangkan sebelumnya. Untuk tangki aerasi dimana pencampuran

jenis plug flow, konsentrasi substrat akan turun dan konsentrasi biomassa

akan meningkat ketika aliran air buangan melalui tangki. Karena itu, jika

kondisi tunak tidak ditetapkan dalam reaktor, sangat sulit mengembangkan

model matematis yang menggambarkan dengan baik kinetika pengolahan jika

terjadi tipe pencampuran ini. Di Bab 1 disebutkan, bahwa pada CSTR gaya

penggerak awal yang tinggi (konsentrasi substrat) segera berkurang menjadi

gaya penggerak akhir yang rendah di tempat keluar reaktor. Akibatnya, waktu

64

reaksi yang dibutuhkan untuk memperoleh efisiensi penyisihan yang

diinginkan akan lebih besar pada CFSTR dibandingkan reaktor PF. Dapat

dikatakan, untuk volume yang tetap, efisiensi reaktor PF lebih besar

dibandingkan CFSTR. Lawrenca dan Mc Carty (1970) telah membandingkan

konsentrasi substrat efluen dan efisiensi pengolahan baik pada pencampuran

sempurna dan plug flow. Perbandingan ini diperlihatkan pada gambar ....dan

menunjukkan sistem plug flow lebih efisien dibandingkan dengan sistem

tercampur sempurna. Karena terdapat bukti yang menunjukkan bahwa kondisi

plug flow ideal tidak benar-benar ada di praktek tetapi lebih mendekati

kondisi tercampur sempurna, model kinetika yang dikembangkan dimana

pengadukan sempurna diasumsikan dapat digunakan untuk disain sistem plug

flow. Prosedur disain tersebut adalah konservatif dan deviasi terhadap plug

flow pada kondisi operasi sebenarnya dapat mengakibatkan efisiensi

pengolahan yang lebih tinggi dibandingkan yang diprediksi dalam disain. Hal

ini bukan berarti, bahwa semua tangki aerasi harus didisain untuk pengadukan

sempurna dan kemudian dibangun sebenarnya untuk menghasilkan plg flow.

Masing-masing jenis pencampuran mempunyai keuntungan tertentu pada

kondisi tertentu.

Asumsi ke dua menyatakan, bahwa konsentrasi substrat influen akan tetap

pada nilai yang konstan tanpa variasi. Ini merupakan asumsi yang valid jika

perencanaan intalasi lumpur aktif pada beberapa proses industri atau jika bak

equalisasi disedikana untuk meredam fluktuasi beban limbah. Namun, jika

perencanaan instalasi air buangan dengan konsentrasi substrat yang

bervariasi, bukti experiment menunjukkan bahwa persamaan 54 dan 56 tidak

akurat lagi dalam menggambarkan laju penggunaan substrat.

Penelitian pada kultur murni menunjukkan bahwa substrat tunggal

ditransportasikan ke dalam sel seperti pada rumus yang ditunjukkan pada

persamaan 54, penelitian Riesing (1971) pada kondisi tersebut menunjukkan

bahwa konsentrasi substrat efluen tidak tergantung konsentrasi substrat

65

influen. Tetapi Grau dkk (1975) dan Grady dan William (1975) menunjukkan

data bahwa kultur mikroba tercampur ditumbuhkan pada substrat

multikomponen, konsetrasi substrat influen dan efluen tidak lagi saling

tergantung. Gambar 4.7 hasil dari penelitian Grady dan Williams (1975)

sesuai dengan rumus laju penggunaan substrat kinetka orde pertama yang

diberikan pada persamaan 25, yang merupakan kasus khusus jenis persamaan

Monod yang digunakan oleh Lawrence dan Mc Carty (1970). Gambar ini

menunjukkan bahwa konstanta laju penggunaan substrat K, sangat

dipengaruhi oleh konsentrasi substrat influen. Maka, harus diasumsi tidak

satupun dari persamaan laju penggunaan substrat pada persamaan 54 dan 56

menggambarkan secara akurat laju penggunaan substrat dalam proses lumpur

aktif jikar melibatkan kultur mikroba tecampur dan substrat organik

multikomponen dan beban bervariasi. Untuk kondisi demikian, Grau dkk

(1975) telah menggunakan persamaan 58 dimana n diambil 1.

Jika (dS/dt)u disubstitusi dalam persamaan 17 dari persamaan 58, persamaan

menjadi,

..................(36)

Atau ..................(37)

Gambar 4.8 menunjukkan data Grady dan Williams (1975) ssuai dengan

persamaan 4.37. Meskipun terdapat penyebaran data, kesesuaian lebih baik

dibandingkan yang diperoleh dari persaman 25, yang berasal dari persamaan

2.56, digunakan untuk menggambarkan hasil percobaan. Maka, persamaan 58

menggambarkan lebih akurat laju penggunaan substrat dalam proses lumpur

aktif jika kultur mikroba tercampur menggunakan beban bervariasi, substrat

multikomponen, yang keberadaannya diukur sebagai BOD5, COD atau TOC

dan n diasumsi 1.

66

Jika persamaan 58 diterima sebagai penggambaran lau penggunaan substrat,

maka K1X (Se/So) disubstitusi pada (dS/dt)u dalam persamaan 4.8 dan

diperoleh persamaan,

.......................(38)

Pemecahan Se persamaan 38

...........................(39)

Meskipun demikian, persamaan untuk konsentrasi biomassa tidak akan

berubah dari yang diberikan melalui persamaa. 20.

Persamaan 39 dapat digunakan untuk menentukan dengan mengingat

kembali bahwa pada , Se = So yang menunjukkan bahwa,

..........................(40)

Atau ...............................(41)

Gambar 4.9 memperlihatkan pengaruh konsentrasi substrat influen terhadap

konsentrasi efluen proses lumpur aktif tercampur sempurna jika persamaan 39

digunakan untuk menentukan se. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa untuk

menjaga kualitas efluen sama jika konsentrasi substrat influen meningkat,

BSRT harus ditingkatkan.

Hubugnan antara Өc, R dan X tidak dipengaruhi oleh laju penggunaan

substrat. Maka, persamaan 32 tetap berlaku meskipun jika persamaan Grau

digunakan,

67

68

69

Total O2 yang disyaratkan per hari =

70

71