MEKANISME PENGOLAHAN LIMBAH DENGAN LUMPUR AKTIF (ACTIVATED SLUDGE)

Limbah adalah buangan yang dihasilkan dari suatu proses produksi baik industri maupun domestik (rumah tangga) yang kehadirannya pada saat dan tempat tertentu tidak dikehendaki karena tidak memiliki nilai ekonomis. Kehadiran limbah dapat berdampak negatif bagi lingkungan terutama kesehatan manusia sehingga perlu dilakukan penanganan limbah. Tingkat bahaya keracunan yang ditimbulkan oleh limbah tergantung jenis dan karakteristik limbah (Sulaeman, 2009). Karakteristik limbah meliputi:

-       Berukuran mikro

-       Dinamis

-       Berdampak luas (penyebarannya)

-       Berdampak jangka panjang (antar generasi)

Berdasarkan karakteristiknya, limbah industri digolongkan menjadi:

1.    Limbah cair

2.    Limbah padat

3.    Limbah gas dan partikel

4.    Limbah B3 (Bahan Berbahaya dan Beracun)

Pengelolaan limbah adalah kegiatan terpadu yang meliputi kegiatan pengurangan (minimization), segregasi (segregation), penanganan (handling), pemanfaatan dan pengolahan limbah. Kegiatan pendahuluan pada pengelolaan limbah (pengurangan, segregasi dan penanganan limbah) dapat membantu mengurangi beban pengolahan limbah di IPAL (Instalasi Pengolahan Air Limbah). Saat ini, tren pengelolaan limbah di industri adalah menjalankan secara terintergrasi kegiatan pengurangan, segregasi dan handling llimbah sehingga menekan biaya dan menghasilkan output limbah yang lebih sedikit serta minim tingkat pencemarnya. Integrasi dalam pengelolaan limbah tersebut kemudian dibuat menjadi berbagai konsep seperti: produksi bersih (cleaner production), atau minimasi limbah (waste minimization) (Badjoeri et al., 2002).

Pengolahan limbah adalah upaya terakhir dalam sistem pengelolaan limbah setelah sebelumnya dilakukan optimasi proses produksi dan pengurangan serta pemanfaatan limbah. Pengolahan limbah dimaksudkan untuk menurunkan tingkat cemaran yang terdapat dalam limbah sehingga aman untuk dibuang ke lingkungan. Limbah yang dikeluarkan dari setiap kegiatan akan memiliki karakteristik yang berlainan. Hal ini karena bahan baku, teknologi proses, dan peralatan yang digunakan juga berbeda. Namun akan tetap ada kemiripan karakteristik diantara limbah yang dihasilkan dari proses untuk menghasilkan produk yang sama (Badjoeri et al., 2002).

Karakteristik utama limbah didasarkan pada jumlah atau volume limbah dan kandungan bahan pencemarnya yang terdiri dari unsur fisik, biologi, kimia dan radioaktif. Karakteristik ini akan menjadi dasar untuk menentukan proses dan alat yang digunakan untuk mengolah air limbah. Adapun tahapan dan jenis proses serta alat yang digunakan untuk mengolah air limbah adalah sebagai berikut:

a. Tahapan proses

Pengolahan air limbah biasanya menerapkan 3 tahapan proses yaitu pengolahan pendahuluan (pre-treatment), pengolahan utama (primary treatment), dan pengolahan akhir (post treatment). Pengolahan pendahuluan ditujukan untuk mengkondisikan alitan, beban limbah dan karakter lainnya agar sesuai untuk masuk ke pengolahan utama. Pengolahan utama adalah proses yang dipilih untuk menurunkan pencemar utama dalam air limbah. Selanjutnya pada pengolahan akhir dilakukan proses lanjutan untuk mengolah limbah agar sesuai dengan baku mutu yang ditetapkan.

b. Jenis proses dan alat pengolahan

Ada tiga jenis proses yang dapat dilakukan untuk mengolah air limbah yaitu: 1. Proses secara fisik

Proses fisik dilakukan dengan cara memberikan perlakuan fisik pada air limbah seperti menyaring, mengendapkan, atau mengatur suhu proses dengan menggunakan alat screening, grit chamber, dan settling tank (settling pond).

2. Proses secara biologi

Proses biologi dilakukan dengan cara memberikan perlakuan atau proses biologi terhadap air limbah seperti penguraian atau penggabungan substansi biologi dengan lumpur aktif (activated sludge), attached growth filtration, aerobic process dan an-aerobic process.

3. Proses kimia

Proses kimia dilakukan dengan cara membubuhkan bahan kimia atau larutan kimia pada air limbah agar dihasilkan reaksi tertentu.

Untuk suatu jenis air limbah tertentu, ketiga jenis proses dan alat pengolahan tersebut dapat diaplikasikan secara sendiri-sendiri atau dikombinasikan dengan mempertimbangkan aspek teknis, ekonomi dan pengelolaannya. Sebagian besar limbah cair industri pangan dapat ditangani dengan mudah dengan sistem biologis, karena polutan utamanya berupa bahan organik, seperti karbohidrat, lemak, protein, dan vitamin. Polutan tersebut umumnya dalam bentuk tersuspensi atau terlarut.

Tujuan dasar pengolahan limbah cair adalah untuk menghilangkan sebagian besar padatan tersuspensi dan bahan terlarut, kadang-kadang juga untuk pemisahan unsur hara (nutrien) berupa nitrogen dan fosfor. Secara umum, pengolahan limbah cair dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu:

1.    Pengolahan Primer

Pengolahan primer merupakan pengolahan secara fisik untuk menyisihkan benda-benda terapung atau padatan tersuspensi terendapkan (seltleable solids). Pengolahan primer ini berupa penyaringan kasar, dan pengendapan primer untuk memisahkan bahan inert seperti butiran pasir (tanah). Saringan kasar digunakan untuk melewatkan benda berukuran relatif besar. Karena butiran pasir (tanah) merupakan bahan non-biodegradable dan dapat terakumulasi di dasar instalasi pengolahan limbah cair, maka bahan tersebut harus dipisahkan dari limbah cair yang akan diolah. Pemisahan butiran pasir (tanah) dapat dilakukan dengan bak pengendapan primer. Pengendapan primer ini umumnya dirancang untuk waktu tinggal sekitar 2 jam.

Pengolahan primer hanya dapat mengurangi kandungan bahan yang mengambang atau bahan yang dapat terendapkan oleh gaya gravitasi. Sebagian polutan limbah cair industri pangan terdapat dalam bentuk tersuspensi dan terlarut yang relatif tidak terpengaruh oleh pengolahan primer tersebut. Untuk menghilangkan atau mengurangi kandungan polutan tersuspensi atau terlarut diperlukan pengolahan sekunder dengan proses biologis (aerobik maupun anaerobik).

2.    Pengolahan Sekunder

Pengolahan sekunder (secara biologis) pada prinsipnya adalah pemanfaatan aktivitas mikroorganisme seperti bakteri dan protozoa. Mikroba tersebut mengkonsumsi polutan organik biodegradable dan mengkonversi polutan organik tersebut menjadi karbondioksida, air dan energi untuk pertumbuhan dan reproduksinya. Oleh karena itu, sistem pengolahan limbah cair secara biologis harus mampu memberikan kondisi yang optimum bagi mikroorganisme, sehingga mikroorganisme tersebut dapat menstabilkan polutan organik biodegradable secara optimum.

Upaya yang dilakukan untuk mempertahankan agar mikroorganisme tetap aktif dan produktif, mikroorganisme tersebut harus dipasok dengan oksigen yang cukup, cukup waktu untuk kontak dengan polutan organik, temperatur dan komposisi medium yang sesuai. Perbandingan BOD5 : N : P juga harus seimbang. BOD5 : N : P juga = 100 : 5 : I dianggap optimum untuk proses pengolahan limbah cair secara aerobik. Sistem pengolahan limbah cair yang dapat diterapkan untuk pengolahan sekunder limbah cair industri pangan skala antara lain adalah sistem lumpur aktif (activated sludge), trickling filter, Biodisc atau Rotating Biological Contactor (RBC), dan Kolam Oksidasi.

Mikroorganisme anaerobik telah dapat juga diterapkan untuk pengolahan limbah cair dengan kandungan padatan organik tersuspensi tinggi. Pengolahan limbah cair dengan sistem ini memiliki berbagai keuntungan seperti rendahnya produksi lumpur (Sludge), rendahnya konsumsi energi, dan dihasilkannya gas metana (gas bio) sebagai produk samping yang bermanfaat. Sistem anaerobik untuk pengolahan limbah cair industri pangan skala kecil, antara lain sistem septik dan UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket).

Pengolahan limbah secara sekunder dapat mengurangi BOD dan TSS secara signifikan, tetapi efluen masih mengandung amonium atau nitrat, dan fosfor dalam bentuk terlarut. Kedua bahan ini merupakan unsur hara (nutrien) bagi tanaman akuatik. Jika unsur nutrien ini dibuang ke perairan (sungai atau danau), akan menyebabkan pertumbuhan biota air dan pertumbuhan yang berlebih dapat mengakibatkan eutrofikasi dan pendangkalan badan air tersebut. Oleh karena itu, unsur hara tersebut perlu dieliminasi dari efluen.

Nitrogen dalam efluen instalasi pengolahan sekunder kebanyakan dalam bentuk senyawa amonia atau ammonium, tergantung pada nilai pH. Senyawa amonia ini bersifat toksik jika konsentrasinva cukup tinggi. Permasalahan lain yang berkaitan dengan amonia adalah penggunaan oksigen terlarut selama proses konversi dari amonia menjadi nitrat oleh mikroorganisme (nitfifikasi). Oleh karena itu, untuk meningkatkan kualitas efluen dibutuhkan pengolahan tambahan atau pengolahan tersier (advanced waste waten treatment) untuk mengurangi atau menghilangkan konsentrasi BOD, TSS dan nutrien (N,P).

3.    Proses Tersier

Proses pengolahan tersier yang dapat diterapkan antara lain adalah filtrasi pasir, eliminasi nitrogen (nitrifikasi dan denitrifikasi), dan eliminasi fosfor (secara kimia maupun biologis).

Sistem Lumpur Aktif

Sistem lumpur aktif adalah salah satu proses pengolahan air limbah secara biologi, dimana air limbah dan lumpur aktif dicampur dalam suatu reaktor atau  tangki aerasi. Padatan biologis aktif akan mengoksidasi kandungan zat di dalam air limbah secara biologis, yang di akhir proses akan dipisahkan dengan sistem pengendapan. Proses lumpur aktif mulai dikembangkan di Inggris pada tahun 1914 oleh Ardern dan Lockett (Metcalf dan Eddy, 1991), dan dinamakan lumpur aktif karena prosesnya melibatkan massa mikroorganisme yang aktif, dan mampu menstabilkan limbah secara aerobik.

Prinsip dasar sistem lumpur aktif yaitu terdiri atas dua unit proses utama, yaitu bioreaktor (tangki aerasi) dan tangki sedimentasi. Dalam sistem lumpur aktif, limbah cair dan biomassa dicampur secara sempurna dalam suatu reaktor dan diaerasi. Pada umumnya, aerasi ini juga berfungsi sebagai sarana pengadukan suspensi tersebut. Suspensi biomassa dalam limbah cair kemudian dialirkan ke tangki sedimentasi (tangki dimana biomassa dipisahkan dari air yang telah diolah). Sebagian biomassa yang terendapkan dikembalikan ke bioreaktor, dan air yang telah terolah dibuang ke lingkungan (Badjoeri et al., 2002). Agar konsentrasi biomassa di dalam reaktor konstan (MLSS = 3 - 5 gfL), sebagian biomassa dikeluarkan dari sistem tersebut sebagai excess sludge. Skema proses dasar sistem lumpur aktif dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema proses lumpur aktif

Dalam sistem tersebut, mikroorganisme dalam biomassa (bakteri dan protozoa) mengkonversi bahan organik terlarut sebagian menjadi produk akhir (air, karbon dioksida), dan sebagian lagi menjadi sel (biomassa). Oleh karena itu, agar proses perombakan bahan organik berlangsung secara optimum syarat berikut harus terpenuhi bahwa:

1.    polutan dalam limbah cair harus kontak dengan mikroorganisme,

2.    suplai oksigen cukup,

3.    kecukupan nutnien,

4.    kecukupan waktu tinggal (waktu kontak),

5.    kecukupan biomasa (jumlah dan jenis).

Tujuan pengolahan limbah cair dengan sistem. lumpur aktif dapat dibedakan menjadi 4 (empat) yaitu:

1.    pemisahan senyawa karbon (oksidasi karbon)

2.    pemisahan senyawa nitrogen

3.    pemisahan fosfor

4.    stabilisasi lumpur secara aerobik simultan

Mekanisme Pengolahan Limbah dengan Sistem Lumpur Aktif

Aliran umpan air limbah atau subtrat, bercampur dengan aliran lumpur aktif yang dikembalikan sebelum masuk rektor. Campuran lumpur aktif dan air limbah membentuk suatu campuran yang disebut cairan tercampur (mixed liquor). Memasuki aerator, lumpur aktif dengan cepat memanfaatkan zat organik dalam limbah untuk didegradasi. Kondisi lingkungan aerobik diperoleh dengan memberikan

oksigen ke tangki aerasi. Pemberian oksigen dapat dilakukan dengan penyebaran udara tekan, aerasi permukaan secara mekanik, atau injeksi oksigen murni. Aerasi dengan difusi udara tekan atau aerasi mekanik mempunyai dua fungsi, yaitu pemberi udara dan pencampur agar terjadi kontak yang sempurna antara lumpur aktif dan senyawa organik di dalam limbah (Badjoeri et al., 2002).

Pada tangki pengendapan (clarifier ), padatan lumpur aktif mengendap dan terpisah dengan cairan sebagai effluent. Sebagian lumpur aktif dari dasar tangki pengendap dipompakan kembali ke reaktor dan dicampur dengan umpan (subtrat) yang masuk, sebagian lagi dibuang. Dalam reaktor mikroorganisme mendegradasi bahan-bahan organik dengan persamaan stoikiometri pada reaksi di bawah ini (Metcalf dan Eddy,1991):

Proses Oksidasi dan Sintesis :

bakteri

CHONS  +  O₂  +  Nutrien                      CO₂ + NH₃ + C₅H₇NO₂ + Produksi lainnya

sel bakteri baru

Proses Respirasi Endogenus :

C₅H₇NO₂ + 5 O₂                       5CO2 + 2H2O + NH3 + Energi

       sel

Pada pemisahan senyawa karbon (bahan organik), polutan berupa bahan organik dioksidasi secara enzimatik oleh oksigen yang berada dalam limbah cair. Jadi, senyawa karbon dikonversi menjadi karbon dioksida. Eliminasi nutrien (nitrogen dan fosfor) dilakukan terutama untuk mencegah terjadinya eutrofikasi pada perairan (Badjoeri et al., 2002).
 

Bidang Aplikasi

Hampir semua jenis limbah cair industri pangan dapat diolah dengan sistem lumpur aktif seperti limbah cair industri tapioka, industri nata de coco, industri kecap, dan industri tahu. Sistem lumpur aktif dapat digunakan untuk mengeliminasi bahan organik dan nutrien (nitrogen dan fosfor) dari limbah cair terlarut (Anonim, 2007).

Desain dan Operasi

Parameter desain penting untuk sistem lumpur aktif adalah tingkat pembebanan, konsentrasi biomassa, konsentrasi oksigen terlarut, lama waktu aerasi, umur lumpur, dan suplai oksigen. Konsentrasi mikroorganisme (biomassa) diukur dari konsentrasi padatan tersuspensi (Mixed Liquor Suspended Solids/MLSS). Untuk pengolahan limbah cair dalam jumlah kecil, sistem lumpur aktif didesain dan dioperasikan pada beban rendah (< 0,05 kg BOD5/kgMLSS.hari) atau umur lumpur sangat tinggi (< 25 hari), sehingga tidak diperlukan pembuangan sludge (stabilisasi sludge), karena laju pertumbuhan sama dengan laju perombakan mikroorganisme (Anonim, 2007).

Selain tangki aerasi, unit operasi lain yang penting dalam sistem lumpur aktif adalah unit sedimentasi untuk memisahkan biomassa dari limbah cair yang telah diolah. Tangki sedimentasi untuk sistem lumpur aktif biasanya didesain untuk waktu tinggal hidrolik 2 sampai 3,5 jam dengan laju pembebanan sekitar 1 sampai dengan 2 m/jam (Anonim, 2007).

Kelebihan dan Kekurangan

Sistem lumpur aktif dapat diterapkan untuk hampir semua jenis limbah cair industri pangan, baik untuk oksidasi karbon, nitrifikasi, denitrifikasi, maupun eliminasi fosfor secara biologis. Kendala yang mungkin dihadapi oleh dalam pengolahan limbah cair industri pangan dengan sistem ini kemungkinan adalah besarnya biaya investasi maupun biaya operasi, karena sistem ini memerlukan peralatan mekanis seperti pompa dan blower. Biaya operasi umumnya berkaitan dengan pemakaian energi listrik (Anonim, 2007).

Referensi:

Anonim. 2007. Pengelolaan Limbah Industri Pangan. Direktorat Jenderal Industri Kecil Menengah Departemen Perindustrian. Jakarta.

Badjoeri, M., dan Suryono, T. 2002. Pengaruh Peningkatan Limbah Cair Organik Karbon terhadap Suksesi Bakteri Pembentuk Bioflok dan Kinerja Lumpur Aktif Beraliran Kontinyu. Jurnal LIMNOTEK, Vol IX no.1 (hal.13-22).

Sulaeman, Dede. 2009. Pengelolaan Limbah Agroindustri. Makalah disampaikan pada acara penyusunan “Pedoman Desain Teknik IPAL Agroindustri” di Bogor, Mei 2009.