Peningkatan Pengolahan Mikroba Air Limbah Bawang Putih Menggunakan Proses MBBR + A/O
Ringkasan
Air limbah bawang putihterutama berasal dari proses mengiris dan membilas selama pengolahan bawang putih. Hal ini ditandai dengankonsentrasi bahan organik yang tinggi, stingkat nitrogen dan fosfor yang signifikan, dan mengandung sejumlah besar allicin. Allicin (diallyl thiosulfinate) adalah cairan mudah menguap yang menyebabkan bau menyengat pada bawang putih dan secara kimia tidak stabil serta sangat reaktif. Allicin dapat menghambat pertumbuhan berbagai mikroorganisme. Membuang air limbah bawang putih dengan konsentrasi tinggi-tanpa pengolahan akan menyebabkan dampak lingkungan yang serius. Beberapa peneliti telah menggunakan teknik seperti filtrasi membran, oksidasi Fenton, dan mikro-elektrolisis, namun metode ini belum efektif untuk mengolah air limbah bawang putih, dan penggunaan bahan kimia dalam dosis besar meningkatkan biaya pengolahan selanjutnya. Banyak sarjana telah mengusulkan metode pengolahan biologis menggunakan proses gabungan anaerobik-aerobik. Namun, karena sifat antibakteri allicin, mikroorganisme sulit untuk dibudidayakan, dan efisiensi pengobatannya tidak ideal. Oleh karena itu, fokus pengobatan biologis adalahmembudidayakan dan menyesuaikan diri dengan strain mikroba yang mampu beradaptasi dengan air limbah bawang putih dan meningkatkan biodegradasinya.
Penelitian ini melibatkan budidaya dan penyaringanstrain bakteri yang efektif dalam mendegradasi air limbah bawang putih, yang kemudian diperkenalkan ke aReaktor Biofilm Tempat Tidur Bergerak (MBBR). Dengan menggunakan lumpur yang diinokulasi dan metode pembentukan biofilm yang meningkatkan laju aliran, biofilm dibuat untuk meningkatkan pembuangan nitrogen dan fosfor dari air limbah. Ini diikuti dengan perlakuan biokimia A/O (Anoxic/Oxic) lebih lanjut. Menurut standar GB18918-2002, kadar COD limbah dan Nitrogen Amonia (NH₃-N) dapat memenuhi standar sekunder (COD: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). Proses ini secara efektif mengurangi kandungan organik dalam limbah, sehingga menurunkan kesulitan tahap pengolahan selanjutnya.
1. Bagian Eksperimental
1.1 Desain Aliran Proses
Alur proses keseluruhan untuk pengolahan air limbah bawang putih ditunjukkan padaGambar 1, dengan komponen inti adalahbiodegradasi dalam sistem MBBR + A/O. Tiga strain yang disaring dan diisolasi efektif dalam mendegradasi air limbah bawang putih – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp., dan Achromobacter sp. – dicampur dengan lumpur aktif dan dimasukkan ke dalam unit MBBR untuk memfasilitasi permulaan yang cepat-up.
1.2 MBBR + Proses Perawatan A/O
Setelah melewati saringan kasar dan halus untuk menghilangkan padatan tersuspensi, air limbah bawang putih langsung dipompa ke MBBR. Kualitas berpengaruh ditunjukkan padaTabel 1. Limbah dari MBBR mengalir langsung ke sistem A/O. Karena kandungan organik yang rendah dalam limbah MBBR, air limbah bawang putih mentah ditambahkan ke tangki Oxic (O) untuk menambah sumber karbon untuk proses A/O. Untuk menguji ketahanan dampak sistem, laju pemuatan organik MBBR ditingkatkan secara bertahap selama pengoperasian berkelanjutan, dan kualitas limbah dipantau.
1.3 Parameter Proses
1.3.1 Oksigen Terlarut (DO)
DO yang terlalu tinggi dalam biofilm dapat mencegah denitrifikasi, menyebabkan MBBR kehilangan kemampuan nitrifikasi dan denitrifikasi secara bersamaan. DO yang terlalu rendah dapat menyebabkan perkembangbiakan bakteri berfilamen, mempengaruhi kualitas limbah dan menghambat proses nitrifikasi.
1.3.2 Waktu Retensi Hidraulik (HRT)
HRT yang terlalu pendek menyebabkan kondisi reaksi yang intens, dimana air limbah yang mengandung sebagian besar bahan organik dibuang sebelum terserap seluruhnya. Aliran masuk yang terus menerus membuat mikroorganisme berada dalam kondisi biodegradasi yang konstan, mengurangi efisiensi dan meningkatkan konsumsi energi. HRT yang terlalu lama menyebabkan penipisan nutrisi; tanpa nutrisi, mikroorganisme mengurangi aktivitas dan kebutuhan metabolismenya hanya untuk mempertahankan kelangsungan hidup.
1.3.3 Rasio-karbon terhadap-Nitrogen (C/N)
Rasio C/N yang rendah dapat menyebabkan katalisis konversi amonia menjadi zat lain, sehingga mempengaruhi penghilangan nitrogen amonia. Hal ini juga dengan mudah menyebabkan penggemburan filamen, pertumbuhan terus menerus mempengaruhi flokulasi, menyebabkan penggemburan lumpur dan lumpur mengambang. Rasio C/N yang tinggi tidak menguntungkan bagi biodegradasi dan pertumbuhan mikroba, sehingga meningkatkan beban organik pada mikroorganisme.
1,4 MBBR Biofilm-Permulaan
Permulaan Biofilm: Metode lumpur yang diinokulasi + peningkatan laju aliran digunakan. Lumpur aktif yang diperkaya MBR-diinokulasi ke dalam reaktor, dengan konsentrasi awal Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) sekitar 5,82 g/L. Aerasi dimulai, dan pembawa polietilen ditambahkan ke reaktor dengan arasio pengisian sekitar 60%. ItuMELAKUKANdalam reaktor terkendalidi atas 4,0mg/L. Laju aliran influen ditingkatkan secara bertahap sebanyak 20 L/jam: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/jam, dengan masing-masing laju aliran dipertahankan selama 1 hari. Tidak ada lumpur yang terbuang selama fase ini. Biofilm berwarna kuning muda terbentuk pada permukaan pembawa tempat mikroorganisme menempel dan tumbuh. Setelah pengaktifan biofilm berhasil, operasi yang stabil terus berlanjut, mempertahankan aWaktu Retensi Lumpur (SRT) 30 hari. Selama operasi yang stabil, laju pembebanan organik MBBR disesuaikan untuk mengamati dampaknya terhadap penghilangan COD, nitrogen, dan fosfor.
2. Hasil dan Pembahasan
2.1 Analisis Kualitas Limbah MBBR Selama Pengaktifan Biofilm.-
Intensitas aerasi di MBBR disesuaikan untuk mengontrol konsentrasi DO. Ketika DO berada di bawah 4,0 mg/L, intensitas aerasi tidak cukup untuk mendukung gerakan turbulen aliran tinggi yang seragam dan turbulen, sehingga mencegah pencampuran yang memadai dan menyulitkan pembentukan biofilm pada permukaan pembawa. Ketika DO antara 4,0–6,0 mg/L, pembawa tercampur rata dengan lumpur aktif dan air limbah. Terjadi perubahan warna dari putih menjadi-coklat kekuningan pada media pembawa, yang menunjukkan keberhasilan perlekatan dan pertumbuhan mikroba pada intensitas aerasi ini, seperti yang ditunjukkan padaGambar 2.
Kurva variasi COD influen dan efluen selama fase permulaan-ditunjukkan padaGambar 3(a). Penurunan awal dalam efisiensi pengobatan disebabkan oleh sangat sedikitnya jumlah mikroorganisme yang menempel pada pembawa; degradasi oleh mikroorganisme dalam lumpur aktif saja tidak cukup untuk menghilangkan sejumlah besar bahan organik. Seiring berjalannya-permulaan, jumlah mikroorganisme yang menempel pada pembawa meningkat, secara bertahap membentuk biofilm. Konsentrasi COD limbah secara bertahap stabil, dan efisiensi penyisihan COD stabil di atas 90%.
Kurva variasi influen MBBR dan efluen NH₃-N ditunjukkan padaGambar 3(b). Nitrifikasi oleh bakteri aerobik dalam lumpur aktif secara efektif menghilangkan nitrogen amonia. Mulai hari ke 7, konsentrasi NH₃-N influen meningkat secara bertahap. Pada hari ke-23, meskipun NH₃-N yang masuk masih meningkat, laju pembuangannya juga meningkat. Hal ini karena bakteri nitrifikasi awalnya tumbuh lambat; seiring berjalannya waktu, populasinya meningkat, biofilm menjadi matang, dan laju penghilangan NH₃-N secara bertahap meningkat dan stabil.
Kurva variasi TN influen dan efluen MBBR ditunjukkan pada gambarGambar 3(c). Berbeda dengan penghilangan nitrogen amonia, efisiensi penghilangan TN pada awalnya menurun. Hal ini karena lingkungan reaktor memiliki sumber oksigen dan karbon yang cukup sehingga membatasi pertumbuhan bakteri denitrifikasi. Namun, seiring terbentuknya biofilm, efisiensi penyisihan TN mulai meningkat. Pada hari ke 20, meskipun konsentrasi TN influen meningkat, TN limbah dan laju pembuangannya stabil, berkisar antara 50% –60%.
Kurva variasi TP influen dan efluen MBBR ditunjukkan pada gambarGambar 3(d). Dari awal-hingga operasi stabil, tingkat penghapusan TP tetap stabil. Meskipun konsentrasi TP influen pada awalnya tinggi dan kemudian menurun, efisiensi penyisihan tidak menunjukkan perubahan yang signifikan, yang menunjukkan kemampuan sistem untuk menghilangkan fosfor. Tingkat penghapusan TP dalam sistem dipertahankan antara 80% –90%.
Singkatnya,mempertahankan sistem MBBR DO antara 4–6 mg/L, biofilm matang berkembang setelah 20 hari pemberian makanan terus menerus. Dibandingkan dengan proses lumpur aktif tradisional, sistem MBBR menawarkan ketahanan terhadap benturan yang kuat dan efisiensi pengolahan yang tinggi, sehingga secara efektif mengurangi kesulitan tahap pengolahan selanjutnya untuk pengolahan air limbah bawang putih.
2.2 Analisis Kualitas Limbah Selama Operasi Stabil
Setelah fase permulaan biofilm, biofilm menjadi matang. Untuk menguji ketahanan dampak sistem MBBR, laju pembebanan organik terus ditingkatkan selama pengoperasian stabil.
Kurva variasi COD influen dan limbah MBBR selama operasi stabil ditunjukkan pada gambarGambar 4(a). Dari hari ke 1–5, dengan aliran masuk yang konstan, efisiensi penyisihan COD tetap di atas 95%, dan konsentrasi COD limbah mencapai sekitar 100 mg/L. Dari hari ke 5–20, laju aliran masuk ditingkatkan, secara bertahap meningkatkan muatan organik dari 20 kgCOD/m³·d menjadi 30 kgCOD/m³·d. Tidak ada perubahan signifikan dalam efisiensi pembuangan yang diamati, dan COD limbah cair tetap berada di antara 80–100 mg/L, yang menunjukkan ketahanan terhadap dampak yang kuat. Setelah hari ke 20, laju aliran masuk semakin ditingkatkan, secara terus menerus meningkatkan muatan organik dalam reaktor dari 30 kgCOD/m³·d menjadi 37 kgCOD/m³·d, dipertahankan selama 5 hari. Kapasitas penyisihan COD MBBR tetap di atas 95%.
Gambar 4(b) dan (c)tunjukkan kurva variasi masing-masing untuk NH₃-N dan TN, selama operasi stabil. Dari hari ke 1–5, dengan aliran masuk yang konstan, biofilm MBBR menunjukkan nitrifikasi dan denitrifikasi secara simultan. Bakteri nitrifikasi aerobik yang menempel pada lapisan luar biofilm, tercampur sepenuhnya dengan air limbah melalui aerasi, mengonsumsi sumber nitrogen yang signifikan melalui nitrifikasi. Bakteri denitrifikasi di lapisan anoksik bagian dalam secara efektif menghilangkan nitrogen nitrat melalui denitrifikasi. Dari hari ke 5–20, seiring dengan meningkatnya laju aliran masuk, efisiensi penghilangan NH₃-N dan TN pada awalnya menurun secara signifikan. Setelah sekitar 7 hari beroperasi terus-menerus, sistem secara bertahap beradaptasi. Meskipun efisiensi penghilangan NH₃-N dan TN kemudian meningkat, efisiensi tersebut tetap lebih rendah dibandingkan periode aliran rendah. Dengan aliran masuk yang konstan, penyisihan NH₃-N mencapai lebih dari 90%, dengan limbah NH₃-N antara 10–15 mg/L, dan penyisihan TN pada dasarnya dipertahankan di atas 80%, dengan TN limbah sekitar 30 mg/L. Setelah meningkatkan aliran masuk dan sistem mencapai keseimbangan baru di bawah dampak yang berkelanjutan, pembuangan NH₃-N menjadi stabil sekitar 80%, dengan limbah NH₃-N antara 50–70 mg/L, dan pembuangan TN sekitar 60%, dengan TN limbah di bawah 50 mg/L.
Kurva variasi untuk TP selama operasi stabil ditunjukkan padaGambar 4(d). Konsentrasi TP limbah pada dasarnya dipertahankan sekitar 10 mg/L. Awalnya, dengan aliran rendah yang konstan dan konsentrasi TP influen yang rendah, efek pengobatannya terbatas. Seiring dengan meningkatnya laju aliran masuk dan konsentrasi TP yang masuk, efisiensi pengolahan yang tinggi tercapai sepanjang fase dampak dan operasi beban tinggi berikutnya, dengan laju penghilangan TP yang berfluktuasi sekitar 90%.
Singkatnya,di bawah guncangan pembebanan organik yang tinggi, efisiensi penyisihan COD sistem sebagian besar tetap tidak berubah, namun penyisihan NH₃-N dan TN menurun lebih signifikan. Ketika pembebanan organik mencapai maksimum 37 kgCOD/m³·d, efisiensi penyisihan sistem untuk NH₃-N dan TN menurun secara nyata.
2.3 Analisis Kualitas Efluen Sistem MBBR + A/O
Setelah fase permulaan biofilm dan satu bulan operasi stabil, proses A/O ditambahkan di bagian hilir untuk pengolahan lanjutan limbah MBBR. Peningkatan laju aliran masuk secara bertahap diterapkan untuk meningkatkan pemuatan organik secara keseluruhan, yang bertujuan untuk menentukan laju aliran masuk yang optimal, sesuai dengan HRT optimal.
Kurva variasi COD ditunjukkan padaGambar 5(a). Laju aliran masuk meningkat secara berurutan: 100, 120, 130, 150, 170 L/jam. Dari awal hingga laju aliran maksimum, pembebanan organik pada sistem MBBR meningkat dari 20 kgCOD/m³·d menjadi 37 kgCOD/m³·d. Efluen akhir dari sistem gabungan tetap stabil, dengan konsentrasi COD di bawah 100 mg/L. Di bawah guncangan pembebanan organik tinggi yang berkelanjutan, sistem MBBR bekerja dengan baik, meskipun COD limbahnya menunjukkan sedikit peningkatan ketika laju aliran mencapai 150 L/jam. Setelah mempertahankan laju aliran 170 L/jam selama beberapa hari, terlihat adanya tren peningkatan COD limbah MBBR. Namun, dengan proses A/O selanjutnya, efluen sistem gabungan akhir masih dipertahankan di bawah 100 mg/L. Hal ini menunjukkan bahwa bahkan di bawah guncangan pembebanan organik yang tinggi sebesar 37 kgCOD/m³·d, proses gabungan tersebut masih memiliki efek penghilangan yang kuat pada air limbah pengolahan bawang putih.
Kurva variasi untuk NH₃-N dan TN ditunjukkan padaGambar 5(b) dan (c), masing-masing. Air limbah pengolahan bawang putih memiliki konsentrasi nitrogen amonia dan nitrogen total yang tinggi, yang selanjutnya dapat meningkat seiring waktu karena oksidasi. Biasanya, konsentrasi nitrogen amonia berkisar antara 300–500 mg/L, dan nitrogen total berkisar antara 450–600 mg/L. Dengan nitrifikasi dan denitrifikasi secara bersamaan di MBBR, penghilangan nitrogen amonia menjadi lebih efektif, kemungkinan karena bakteri nitrifikasi memanfaatkan air limbah secara lebih efisien dalam kondisi aerasi. Bakteri denitrifikasi memerlukan kondisi anoksik dan seringkali bergantung pada karbon organik yang dikonsumsi untuk denitrifikasi. Saat meningkatkan laju aliran masuk, efisiensi penghilangan NH₃-N dan TN menjadi pertimbangan utama. Dari hari ke-1–4, karena laju aliran yang rendah dan NH₃-N yang moderat, laju penyisihan NH₃-N tetap di atas 90%, dan efisiensi penyisihan TN secara bertahap meningkat. Selanjutnya, tingkat arus masuk meningkat secara signifikan. Terlihat jelas bahwa seiring dengan meningkatnya laju aliran masuk, konsentrasi limbah NH₃-N dan TN pada tahapan yang berbeda secara berurutan meningkat, dengan laju aliran masuk yang lebih tinggi menyebabkan konsentrasi limbah yang lebih tinggi. Ketika laju aliran meningkat, biomassa pada pembawa biofilm meningkat, meningkatkan nitrifikasi, dimana nitrogen amonia dioksidasi oleh bakteri nitrifikasi menjadi nitrat dan nitrit di bawah oksigen.
Kurva variasi konsentrasi TP ditunjukkan padaGambar 5(d). Mengingat tingginya konsentrasi COD dan TN influen, konsentrasi TP optimal teoritis untuk pertumbuhan mikroba adalah di atas 100 mg/L. Namun, konsentrasi TP yang berpengaruh jauh di bawah persyaratan teoritis. Oleh karena itu, konsentrasi TP limbah MBBR tetap sekitar 10 mg/L, dan konsentrasi TP limbah sistem gabungan akhir dipertahankan antara 2–3 mg/L.
Karakteristik lumpur sistem MBBR dan sistem A/O selanjutnya sebelum dan sesudah pengoperasian diukur, seperti ditunjukkan pada gambarTabel 2.
Singkatnya,ketika laju aliran ditingkatkan menjadi 150 L/jam, laju penghilangan COD, NH₃-N, TN, dan TP lebih unggul dibandingkan pada laju aliran lainnya. HRT pada laju aliran ini adalah 27 jam. Selain itu, konsentrasi lumpur di sistem MBBR dan A/O meningkat secara signifikan setelah pengoperasian.
3. Kesimpulan
Setelah pembentukan biofilm di MBBR, efisiensi penyisihan COD, NH₃-N, TN, dan TP stabil. Selama satu bulan pengoperasian terus-menerus dalam kondisi stabil, penyisihan COD mencapai lebih dari 95%, penyisihan NH₃-N dan TN stabil sekitar 80%, dan penyisihan TP stabil sekitar 90%.
Limbah MBBR diolah lebih lanjut dalam sistem A/O. Proses gabungan ini dapat menahan pemuatan organik hingga 37 kgCOD/m³·d. Pengoperasian optimal untuk keseluruhan proses berada di bawah HRT 27 jam. COD limbah akhir distabilkan di bawah 100 mg/L, NH₃-N antara 10–20 mg/L, TN di bawah 30 mg/L, dan TP di bawah 10 mg/L. Konsentrasi lumpur dalam sistem MBBR setelah pengoperasian adalah 8,5 g/L, dan dalam sistem A/O adalah 4,1 g/L, keduanya jauh lebih tinggi dibandingkan sebelum pengoperasian, yang menunjukkan peningkatan substansial dalam biomassa mikroba. Tingkat COD dan nitrogen amonia setelah pengolahan biologis memenuhi standar pembuangan sekunder GB18918-2002. Untuk pengolahan lebih lanjut, teknologi oksidasi canggih Fenton dapat digunakan untuk pengolahan mendalam terhadap limbah yang diolah secara biologis guna mencapai standar pembuangan tingkat pertama.