Karakteristik Fisiko-Kimiawi (Morfologi, Higroskopisitas ...
Rancang Bangun Proses Penyisihan Nitrogen dalam Limbah ... I... · Proses-proses ini dapat...
Transcript of Rancang Bangun Proses Penyisihan Nitrogen dalam Limbah ... I... · Proses-proses ini dapat...
I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Secara umum industri yang berbasis hasil pertanian mempunyai persoalan
dengan limbahnya. Hal ini memaksa industriawan yang bergerak dalam
agroindustri tersebut untuk melakukan usaha untuk mengelola limbah yang
dihasilkannya. Komponen utama Iimbah agroindustri antara lain: BOD, COD,
massa padatan terIarut (SS), nitrat, amonium dan fosfor (orto-fosfut). Agro
industri yang banyak menghasilkan limbah cair adalah industri karet, perikanan,
dan makanan. Nitrogen merupakan pencemar yang banyak terdapat dalam Iimbah
industri ini. Contoh lain industri yang menghasilkan limbah cair dengan
kandungan nitrogen tinggi adalah industri pupuk. Pabrik pupuk PT Aceh Asean
Fertilizer melaporkan bahwa limbah cairnya sebanyak 260 m3 jam-1 mengandung
405 mg N-NH/ L-1. Industri pupuk urea memegang peranan yang penting dalam
produktivitas hasil pertanian pada umumnya. Di samping itu, berbagai jenis pupuk
umumnya disintesis dengan memanfaatkan urea sebagai komponen utama. Oleh
sebab itu keberadaan industri ini perlu dipertahankan dengan mengurangi dampak
limbah yang ditimbulkannya.
Nitrifikasi dan denitrifikasi, yang pada dasarnya adalah proses-proses
oksidasi dan reduksi, telah diketahui sebagai proses untuk menyisihkan komponen
yang mengandung nitrogen. Proses-proses ini dapat berlangsung secara kimiawi
atau biologis.. Kelebihan proses kimiawi adalah bahwa proses ini merupakan
pengolahan lanjut yang memungkinkan pemanfaatan kembali air limbah yang
dikeluarkan oleh industri-industri tersebut di atas. Proses nitrifikasi secara
kimiawi dapat dilakukan dengan prinsip selektivitas kimiawi (seperti penukar ion)
dan potensial kimiawi (seperti reaksi-reaksi redoks). Proses-proses tersebut secara
teknis mungkin untuk diterapkan. Hal penting untuk diketahui sebelum
menerapkan proses tersebut adalah seberapa cepat proses tersebut dapat
berlangsung dan bagaimana proses tersebut berlangsung.
Suatu penelitian tentang pemanfaatan zeolit dalam penyisihan komponen
komponen yang mengandung nitrogen pada limbah cair telah diteliti pada
disertasi ini. Beberapa hal penting yang terkait dengan penelitian ini adalah
sebagai berikut:
2
1 Karakteristik unik dari zeolit adalah fungsinya sebagai penyerap air,
penyaringan molekular (molecular sieving), penukar kation dan penjerap
(adsorber). Penelitian ini banyak membahas karakteristik zeolit sebagai
penukar kation dan penjerap.
2 Amonium adalah kation yang dapat melakukan proses penukaran ion dengan
kation yang terdapat pada kerangka zeolit. Kapasitas tukar kation zeolit dapat
ditingkatkan dengan memodiftkasi zeolit.
3 Penyisihan amonium dapat juga berlangsung melalui proses oksidasi secara
kimia, mirip dengan proses nitriftkasi. Pelapisan zeolit dengan oksidator
memungkinkan teljadinya reaksi oksidasi amonium menjadi nitrat.
4 Zat-zat organik merupakan sumber energi yang potensial. Konversi zat
organik yang mengandung unsur N menjadi zat lainnya yang lebih aman dapat
dilakukan dengan memanfaatkan aktivitas mikro-organisme yang mampu
melakukan proses nitrifikasi atau denitrifikasi.
5 Amonium dan nitrat banyak ditemukan sebagai komponen utama limbah.
Kedua zat tersebut sangat berbahaya bagi lingkungan jika dibuang tanpa
kendali.
3
1.2. Identifikasi Masalah
Senyawa nitrogen yang terkandung dalam limbah cair menyebabkan
penurunan kualitas lingkungan karena sifat reduksi dan oksidasi yang
ditimbulkannya. Zayed dan Winter (1998) melaporkan bahwa tingginya senyawa
nitrogen pada sungai mengakibatkan penurunan konsentrasi oksigen terlarut dan
tumbuhnya algae dan berbagai tumbuhan air lainnya. Jika air ini dikonsumsi akan
mengakibatkan teIjadinya methaemoglobinaemia pada bayi dan gangguan fungsi
jantung. Oleh sebab itu, senyawa nitrogen dalam limbah cair harus diturunkan
serendah-rendahnya dengan melakukan pengolahan limbah dengan teknologi
yang sesuai sehingga konsentrasi senyawa nitrogen tidak membahayakan.
Pengolahan limbah utama (primary treatment) tidak dapat menurunkan
senyawa nitrogen. Konsentrasi amonium pada limbah cair dapat diturunkan secara
biologis pada pengolahan limbah sekunder. Meskipun demikian, penurunan ini
tidak efektif jika larutan masukannya mempunyai konsentrasi arnonium yang
terlalu tinggi. Suatu kombinasi proses nitrifikasi-denitrifikasi secara biologis
diperlukan, dan biasanya senyawa nitrogen masih tersisa pada keluaran
pengolahan Iimbah ini. Dengan demikian, suatu pengolahan Iimbah tersier
diperlukan untuk mengatasi limbah cair dengan konsentrasi senyawa nitrogen
yang relatif tinggi. Lebih dari itu, keluaran air yang dihasilkan pada pengolahan
tersier dapat dirancang sedemikian rupa sehingga memenuhi persyaratan untuk
digunakan kembali.
Dengan memanfaatkan sifat zeolit, yaitu sebagai penukar kation, penjerap
dan pendukung bagi biomassa, suatu perlakuan khusus terhadap zeolit diperlukan
untuk memungkinkan teIjadinya proses penyisihan senyawa nitrogen. Percobaan
dan simulasi kinetika proses nitrifikasi kimiawi dan denitrifikasi biologis
diarahkan untuk mendapatkan dasar rancangan suatu pengolahan Iimbah tersier.
Parameter kinetika proses-proses tersebut bermanfaat dalam aplikasinya pada
skala teknis jika fenomena proses dapat diketahui atau diprediksi. Clay secara
kimiawi memiliki komposisi yang hampir sarna dengan zeolit. Perbedaannya
adalah bahwa zeolit tidak mengembang dan tidak terdispersi dalarn air. Clay tidak
diteliti pada pekerj aan ini.
4
Pada prinsipnya penyisihan zat-zat yang mengandung nitrogen (misalnya
NH/ atau N03) dapat dilakukan secara biologis, fisik dan kimiawi. Teknologi
membran yang memanfaatkan perbedaan ukuran molekul adalah contoh
pengunaan proses fisiko Proses kimiawi memanfaatkan selektivitas (misalnya
penukar ion) dan/atau aktivitas elektron yang terkait dalam reaksi reduksi dan
oksidasi. Dengan perbedaan eksploitasi pemisahan tersebut, pendekatan yang
dilakukan dalam proses fisik sangat berbeda dibandingkan dengan proses kimiawi
dan biologis. Proses kimiawi dan biologis memiliki fenomena yang hampir sarna,
yaitu reduksi dan oksidasi. Perbedaannya adalah bahwa proses biologis
menggunakan mikro-organisme sebagai biokatalis yang mengharnskan
ketersediaan molekul karbon sebagai substrat. Perbandingan jumlah sumber
karbon terhadap jumlah biomassa dalam proses biologis merupakan salah satu
faktor penentu keberhasilannya. Sumber karbon misalnya glukosa, metanol atau
etanol harns ditambahkan pada proses biologis ini. Energi reaksi redoks
dimanfaatkan oleh mikro-organisme untuk melakukan sintesis sel-sel barn dan
perawatan sel-sel yang sudah terbentuk.
5
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan rancang bangun pengolahan
limbah cair yang mengandung amonium dan/atau nitrat re1atif tinggi dengan zeolit
sebagai material penunjang. Secara spesifik, rancangan pengolahan limbah
dilakukan melalui kajian kinetika proses:
I Nitrifikasi kimiawi, yang dapat dilakukan dengan cara pertukaran kation atau
oksidasi kimia, dengan menentukan kapasitas penyisihan amonium dan
parameter yang mengendalikan laju perpindahan massa. Kedua proses tersebut
tercakup pada penelitian ini.
2 Denitrifikasi biologis, dengan mengembangkan model laju reaksi bioproses
dengan dua substrat, yaitu COD dan N-N03-.
3 Integrasi kedua proses tersebut untuk mendapatkan suatu proses pengolahan
limbah cair dengan kandungan amonium dan/atau nitrat relatif tinggi secara
sinambung.
1.4. Ruang Lingkup Penelitian
1 Penelitian proses nitrifikasi kimiawi dan denitrifikasi biologis dengan zeolit
sebagai material penunj ang dilakukan secara terpisah.
2 Perlakuan khusus terhadap zeolit (pengaktifan dan pengecilan ukuran) untuk
memperbaiki proses penyisihan amonium pada limbah cairo
3 Pengembangan proses pengolahan limbah cair lanjut (tersier) dengan
memanfaatkan karakteristik unik zeolit dengan menggunakan limbah cair
tiruan (sintetik).
4 Penelitian proses curah terhadap penyisihan amonium dan denitrifikasi
dipelajari untuk menjelaskan fenomena yang tidak tercakup pada proses
sinambung.
5 Pengembangan model denitrifikasi secara biologis dengan 2 substrat (N-N03-
dan COD) sebagai pembatas pertumbuhan (limiting growth) secara simultan.
6 Simulasi proses denitrifikasi sinambung secara biologis dengan zeolit sebagai
material pendukung untuk memprediksi konsentrasi substrat pada ke1uaran.
7 Perancangan proses berdasarkan pada hasil perhitungan kinetika.
6
1.5. Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan memberi informasi rinci tentang:
1 Kapasitas atau kemampuan proses nitrifikasi kimiawi pada penyisihan
amonium, melalui pertukaran kation atau oksidasi kimia dengan zeolit sebagai
material penunjang. Pada proses pertukaran kation, amonium terikat pada
zeolit, sedangkan pada proses oksidasi kimia sebagian besar amonium
terkonversi menjadi nitrat karena proses oksidasi yang teIjadi pada permukaan
zeolit yang dilapisi permanganat. Proses oksidasi secara kimia harus diikuti
dengan denitrifikasi biologis untuk mereduksi nitrat menjadi komponen
nitrogen yang tidak berbahaya. Kinerja proses pertukaran kation dan oksidasi
secara kimia masing-masing dinyatakan sebagai kapasitas tukar kation (KTK)
dan kapasitas oksidasi amonium (KOA).
2 Kinerja proses denitrifikasi dinyatakan dengan hubungan antara waktu tinggal
hidrolik (t) dengan persen penyisihan nitrat.
3 Kinetika dan fenomena yang melandasi proses nitrifikasi kimiawi, yaitu
pertukaran kation atau oksidasi kimia, dan denitrifikasi biologis dengan zeolit
sebagai material penunjang.
Kedua informasi tersebut di atas dapat diterapkan untuk merancang sistem
pengolahan limbah tersier (penyisihan nitrogen) untuk tujuan penggunaan kembali
(reuse) air yang dihasilkan sebagai limbah suatu proses.
Dari sisi zeolit sebagai suatu sumber alam, pengaktifan atau modifikasi
zeolit diharapkan dapat meningkatkan nilai tambahnya. Dengan meningkatnya
pemanfaatan sumber alam tersebut, ekonomi regional terutama di daerah
penghasil zeolit diharapkan dapat ditingkatkan.