KINERJA SEQUENCING BATCH REACTOR (SBR) UNTUK PENYISIHAN COD DALAM AIR LIMBAH PENYAMAKAN KULIT

Kamis, 27 Agustus 2009

KINERJA SEQUENCING BATCH REACTOR (SBR) UNTUK PENYISIHAN COD DALAM AIR LIMBAH PENYAMAKAN KULIT DENGAN PARAMETER RASIO WAKTU PENGISIAN TERHADAP WAKTU REAKSI

Sudaryati Cahyaningsih*, Widyarani*
* Pusat Penelitian Kimia - LIPI
Kampus LIPI Cisitu - Sangkuriang Bandung 40135
telf. 62 22 2503051/ fax. 62 22 2503240
email:widyarani@gmail.com

Abstrak

Industri penyamakan kulit menghasilkan air limbah yang memiliki kandungan organik tinggi, di mana konsentrasi COD berkisar antara 125—25.520 mg/l. Percobaan untuk menguji kinerja Sequencing Batch Reactor (SBR) untuk penyisihan COD dilakukan dengan variasi perbandingan waktu pengisian dan waktu reaksi (p/r) 2:4, 2:6, dan 2:8 jam dan variasi beban organik 1.500 mg/l COD, 2.500 mg/l COD, dan 3.500 mg/l COD. Laju penyisihan substrat pada beban rendah terutama didominasi selama fase pengisian, sedangkan untuk beban tinggi laju penyisihan organik dominan terjadi pada fase reaksi.Untuk beban organik 2.500 mg/l COD dan 3.500 mg/l COD, kinerja optimal dicapai pada rasio p/r 2:6 dengan efisiensi penyisihan COD rata-rata 74,61% dan 85,47%. Untuk beban organik 1.500 mg/l COD, kinerja optimal dicapai pada rasio p/r 2:8 dengan efisiensi penyisihan COD rata-rata 69,63%.

Kata Kunci:air limbah penyamakan kulit; SBR; COD; p/r


SEQUENCING BATCH REACTOR PERFORMANCE ON COD REMOVAL FROM TANNERY WASTEWATER WITH FILL-REACTION TIME RATIO VARIATION

Abstract

Tannery industry generates wastewater with high organic content, that COD concentration ranges from 125 to 25,520 mg/l. Experiment to measure Sequencing Batch Reactor (SBR) performance for COD removal was performed with fill time/reaction time (f/r) ratio variation of 2:4, 2:6 and 2:8 hours and organic load variation of 1,500 mg/l COD; 2,500 mg/l COD and 3,500 mg/l COD. Substrate removal rate on low organic load was dominant during fill phase, while on high organic load was dominant during react phase. For 2,500 mg/l COD and 3,500 mg/l COD load, optimum performance were achieved on f/r ratio 2:6 with average COD removal efficiency of 74,61% and 85.47% respectively. For 1,500 mg/l COD, optimum performance was achieved on f/r ratio 2:8 with average COD removal efficiency of 69.63%.

Keywords:tannery wastewater; SBR; COD; f/r



1. Pendahuluan
Meningkatnya kebutuhan akan barang-barang kulit memicu peningkatan aktivitas industri kulit, termasuk industri penyamakan mengolah kulit mentah menjadi kulit samak. Pada proses penyamakan, semua bagian nonkolagen dari kulit dihilangkan karena hanya kolagen yang bereaksi dengan bahan penyamak. Terdapat tiga tahapan pokok dalam industri penyamakan kulit yaitu pengerjaan basah (beamhouse), penyamakan (tanning), dan penyelesaian akhir (finishing). Masing-masing tahapan ini terdiri atas beberapa macam proses yang membutuhkan tambahan bahan kimia dan umumnya menggunakan air dalam volume besar. Teknologi konvensional menggunakan + 34-56 m3 air/ton bahan mentah dan + 300 kg bahan kimia/ton bahan mentah, antara lain berupa sodium sulfida, kapur, garam amonium, enzim, asam sulfat, NaCl, krom, dan Na2CO3.
Karakteristik air limbah penyamakan kulit sangat dipengaruhi oleh jenis dan karakteristik kulit serta teknologi yang digunakan. Tiap tahapan proses menghasilkan air limbah dengan karakteristik yang berbeda. Komposisi air limbah umumnya terdiri atas 40% air dan 60% padatan termasuk kolagen, lemak, protein, dll. Karakteristik air limbah penyamakan kulit keseluruhan ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Karakteristik Air Limbah Penyamakan Kulit
Parameter Satuan Kualitas Air Limbah
pH
TSS
COD
BOD
Grease
NH3
Khromium
Sulfida
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l 6 – 10
295 – 3.320
125 – 25.520
100 – 10.500
7 – 185
0 06 – 45
0 – 1.621
0 – 103
• Sumber: BBKKP (1995) dalam Cahyaningsih (2001)

Sistem pengolahan limbah industri penyamakan kulit saat ini lebih banyak dilakukan secara fisik-kimia yang dapat mereduksi khromium hingga 95%, sulfida hingga 100%, dan BOD hingga 80%, namun umumnya tinggi dalam biaya operasional dan menghasilkan lumpur hasil olahan yang mengandung khromium. Pengolahan air limbah secara biologis merupakan alternatif terhadap pengolahan fsik-kimia, terutama untuk menyisihkan bahan organik terlarut dan koloid. Kelebihan pengolahan biologi adalah efektif, mudah dioperasikan, dan ekonomis. Meskipun demikian, kinerja proses biologi sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan dan aktivitas mikroorganisme.
Sistem Sequencing Batch Reactor (SBR) adalah modifikasi activated sludge dari sistem kontinu menjadi diskontinu (batch). Pada SBR proses aerasi dan sedimentasi berlangsung dalam satu tangki. Pengoperasian SBR terdiri atas lima siklus yaitu fill (pengisian), react (reaksi), settle (pengendapan), decant/draw (pembuangan), dan idle (stabilisasi/pelaparan).
Pada penelitian ini akan dilihat kemampuan SBR untuk mengolah COD dalam air limbah industri penyamakan kulit dengan variasi waktu pengisian dan waktu reaksi, agar didapatkan kinerja reaktor yang optimal.

2. Metodologi
Pada penelitian ini digunakan reaktor dari bahan gelas dengan volume operasi 20 liter. Reaktor dilengkapi dengan aerator yang dipasang pada dasar reaktor. Gelembung udara yang terbentuk selain berfungsi untuk memberikan suplai oksigen juga berfungsi untuk mengaduk mixed liquor yang ada di dalam reaktor. Rangkaian model instalasi pengolahan air limbah ditunjukkan pada Gambar 1.


Gambar 1. Model Instalasi Pengolahan Air Limbah

Lamanya waktu pengisian dijaga konstan selama 2 jam sedangkan waktu reaksi divariasikan selama 4, 6, dan 8 jam. Beban organik yang digunakan adalah 3.500 mg/l COD yang juga dibandingkan dengan 2.500 mg/l COD dan 1.500 mg/l COD. Pengoperasian reaktor dilakukan dalam kondisi aerob di mana konsentrasi DO dijaga agar > 2 mg/l O2.
Seeding dan aklimatisasi dilakukan secara batch. Benih ditumbuhkan secara aerob dalam media amilum dengan pengayaan nutrisi NH4Cl, MgSO4.7H2O, K2HPO4, CaCl2, dan FeCl3.
Pengumpulan data diambil secara berturut-turut untuk 3 siklus. Sampel diambil pada titik umpan, kondisi awal reaktor, 1 jam pengisian, 2 jam pengisian yang merupakan awal reaksi, setengah reaksi, akhir reaksi, dan akhir sedimentasi (keluaran). Parameter yang diukur adalah COD (Standard Methods 5220.C), VSS (Standard Methods 2540.E), pH dengan pHmeter glass electrode, konsentrasi DO dengan DO-meter, dan temperatur.

3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengukuran konsentrasi COD dengan rasio pengisian:reaksi (p/r) 2:4 jam ditunjukkan pada Gambar 2.


Gambar 2. Kurva Pengaruh Rasio p/r 2:4 jam Terhadap Perubahan COD Pada Beban + 3.500 mg/l COD

Fenomena perubahan konsentrasi COD dari jam ke jam pada setiap siklusnya relatif sama. Pada saat pengisian 1 jam terjadi penurunan materi organik, karena adanya pengenceran dan adanya aktivitas mikroorganisme dalam mendegradasi substrat. Kemudian pada akhir pengisian terlihat adanya sedikit kenaikan konsentrasi organik. Hal ini disebabkan bioreaktor tidak lagi melakukan pengenceran sedangkan laju aktivitas mikroorganisme mendegradasi substrat tampaknya tidak mampu mengimbangi laju penambahan substrat. Selama reaksi, konsentrasi organik terus menurun seiring dengan adanya aktivitas biomassa dalam penguraian substrat.
Efisiensi penyisihan organik COD rasio p/r 2:4 jam dari ketiga siklus yang diamati relatif cukup konstan, berkisar antara 80,35% sampai 82,18%. Dengan beban yang tinggi, waktu reaksi 4 jam tidak cukup bagi biomassa untuk menguraikan materi organik sampai tingkat yang memuaskan. Kestabilan tingkat penyisihan substrat pada variasi ini, antara lain disebabkan oleh konsentrasi COD awal bioreaktor untuk setiap siklus relatif sama.
Untuk beban yang lebih rendah, rasio p/r 2:4 juga memberikan hasil yang kurang memuaskan yaitu rata-rata 62,49% dan 42,28% untuk beban 1.500 mg/l COD dan 2.500 mg/l COD.
Hasil pengukuran konsentrasi COD dengan rasio p/r 2:6 jam ditunjukkan pada Gambar 3.


Gambar 3. Kurva Pengaruh Rasio p/r 2:6 jam Terhadap Perubahan COD Pada Beban + 3.500 mg/l COD

Sebagaimana terlihat pada Gambar 3, pada rasio p/r 2:6 jam ini fenomena perubahan konsentrasi COD dari jam ke jam pada setiap siklusnya relatif tidak stabil dibandingkan rasio p/r 2:4. Pada siklus ke-2 di awal pengisian tampaknya biomassa relatif lamban beradaptasi dengan substrat daripada siklus lainnya. Akibatnya di akhir masa pengisian tingkat penyisihan hanya mencapai 20,83%, sedangkan tingkat penyisihan pada siklus ke-1 dapat mencapai 52,00% dan siklus ke-3 47,50%. Adanya penumpukan materi organik di akhir pengisian menyebabkan pembebanan yang relatif besar pada bioreaktor selama fase reaksi. Dari Gambar 3 terlihat bahwa fase sedimentasi selama 4 jam cukup berperan dalam menyisihkan materi organik. Efisiensi penyisihan pada akhir reaksi berkisar antara 59,17% sampai 84,00%, sedangkan efisiensi penyisihan keseluruhan berkisar antara 78,61% sampai 89,09%.
Hasil pengukuran konsentrasi COD dan efisiensi penyisihan COD dengan rasio p/r 2:8 jam ditunjukkan pada Gambar 4.
Pada rasio p/r 2:8 jam, perubahan konsentrasi COD dari jam ke jam dan efisiensi penyisihan substrat dari setiap siklus relatif konstan. Pada waktu reaksi 6 jam, penumpukan materi yang terjadi di akhir fase pengisian mempengaruhi penyisihan pada akhir reaksi namun terkompensasi oleh pengendapan. Pada rasio p/r 2:8 jam, panjangnya waktu reaksi sehingga dapat mengatasi penumpukan materi di akhir periode reaksi, dalam hal ini materi organik yang tidak tersisihkan selama fase pengisian akan dioksidasi lebih lanjut oleh biomassa pada fase reaksi. Meskipun demikian pada akhir fase sedimentasi tampaknya terjadi penumpukan kembali materi organik yang menurunkan efisiensi penyisihan.


Gambar 4. Kurva Pengaruh Rasio p/r 2:8 jam Terhadap Perubahan COD Pada Beban + 3.500 mg/l COD

Untuk beban 1.500 mg/l COD didapatkan efisiensi penyisihan rata-rata 69,63% yang hanya sedikit lebih tinggi dari hasil yang didapatkan untuk rasio p/r 2:6. Untuk beban 2.500 mg/l COD didapatkan efisiensi penyisihan rata-rata 72,91% yang lebih rendah dari hasil yang didapatkan untuk rasio p/r 2:6.
Efisiensi penyisihan COD yang didapatkan pada percobaan ini untuk rasio p/r 2:6 dan beban 3.500 mg/l COD (85,5%) mendekati hasil percobaan Goltara dkk (2003) yang mengolah air limbah penyamakan kulit dari proses pengerjaan basah (beamhouse) menggunakan Membrane SBR, di mana setelah tahap aklimatisasi penyisihan COD berkisar antara 85% - 95%. Air limbah pada proses beamhouse memiliki beban organik relatif rendah, berkisar antara 732-1.576 mg/l COD.
Untuk semua variasi beban dan waktu, penyisihan organik cukup besar terjadi pada fase pengisian. Untuk beban rendah (1.500 mg/l COD), hasil ini bersesuaian dengan hasil yang didapatkan pada percobaan Handayani (2003) yang menggunakan SBR untuk mengolah air limbah rumah pemotongan hewan. Untuk beban sedang dan tinggi, fase reaksi dan sedimentasi berperan dalam penyisihan organik karena adanya penumpukan materi organik pada akhir fase pengisian.
Pada SBR sebagai proses cyclic, terdapat keterkaitan antara suatu siklus dengan siklus berikutnya, dalam hal ini kinerja siklus pertama akan mempengaruhi siklus kedua, dan seterusnya. Pada percobaan ini siklus tidak memberikan perbedaan efisiensi. Hal ini dapat disebabkan masukan substrat yang seragam pada tiap siklus.
Dari percobaan ini, terlihat bahwa untuk tahap operasional, rasio p/r 2:6 lebih tepat digunakan untuk beban organik sedang dan tinggi (2.500 dan 3.500 mg/l COD). Untuk beban 1.500 mg/l COD, efisiensi tertinggi yang didapatkan dari rasio p/r 2:8 hanya mencapai rata-rata 69,63%. Waktu operasi yang lama menjadi tidak ekonomis untuk penyisihan beban organik yang rendah sehingga diperlukan modifikasi siklus operasi dengan pendekatan yang berbeda. Alternatif lainnya adalah dengan menstabilkan masukan air limbah dan mempertahankan nilai yield biomassa (Y) rendah agar kinerja tiap siklus seragam dan optimal.

4. Kesimpulan
Secara keseluruhan kinerja SBR cukup optimum untuk mengolah air limbah industri penyamakan kulit dengan beban organik sedang dan tinggi (2.500 mg/l COD dan 3.500 mg/l COD). Rasio p/r berpengaruh terhadap penyisihan COD, di mana efisiensi penyisihan optimum sebesar 74,61% (beban sedang) dan 85,47% (beban tinggi) tercapai pada rasio p/r 2:6. Laju penyisihan substrat pada beban rendah terutama didominasi selama fase pengisian, sedangkan untuk beban tinggi laju penyisihan organik dominan terjadi pada fase reaksi.

Daftar Pustaka
[1] ---, (2002), “Treatment of Tannery Wastewater”, Infogate, Naturgerechte Technologien, Bau- und Wirtschaftsberatung (TBW) GmbH, Frankfurt, Germany.
[2] Cahyaningsih, S., (2001), “Kinerja Bioreaktor Anaerob Media Tetap Aliran ke Atas Bermedia Bambu untuk Mengolah Air Limbah Industri Penyamakan Kulit”, Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung, Bandung.
[3] Goltara, A., J. Martinez, dan R. Mendez., (2003), “Carbon and Nitrogen Removal from Tannery Wastewater with a Membrane Bioreactor”, Water Sci. Tech., Vol. 48 No. 1, halaman 207-214.
[4] Handayani, D.A., (2003), “Kinetika Sequencing Batch Reactor Aerob Setelah Flotasi Udara Terlarut Pada Pengolahan Air Buangan Rumah Potong Hewan”, Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung, Bandung.
[5] Metcalf & Eddy, (1991), “Wastewater Engineering: Treatment Disposal Reuse”, edisi 3, McGraw Hill International Edition, Singapore.