Dwi Agustiyani

PENGELOLAAN LIMBAH CAIR NITROGEN DAN FOSFOR DI PERAIRAN TERGENANG

Oleh: Dwi Agustiyani

Dalam: Rosichon Ubaidillah dan Ibnu Maryanto ( Editor). Managemen Bioregional Jabodetabek: Profil dan Strategi Pengelolaan Situ, Rawa dan Danau. PUSLIT BIOLOGI LEMBAGA ILMU PENELITIAN INDONESIA Bogor, September 2003

Sumber:  http://docs.google.com/katalog.pdii.lipi.go.id/

Pendahuluan

Di perairan tergenang diantaranya danau, situ, empang dan  rawa, senyawa nitrogen dan fosfor sangat mudah terakumulasi karena  rendahnya kecepatan pergantian air. Akumulasi senyawa tersebut  menyebabkan eutrofikasi dan berkembangnya alga secara pesat  (Tchobanoglous dan Burton 1991). Eutrofikasi meningkatkan “algal  bloom”, “red tides” dan “blue tides” yang kesemuanya menyebabkan air  menjadi anoksik, sangat berbahaya bagi ikan dan organisme akuatik  lainnya serta sistem air minum. Senyawa nitrogen dalam bentuk nitrat  maupun nitrit yang berlebihan dalam air baku minum dapat  menyebabkan gangguan kesehatan manusia yang mengkonsumsi yang  disebut methanoglobimenia, yaitu gejala dimana nitrit menyerap oksigen dalam darah sehingga manusia kekukarangan oksigen (Anonim 2001).

Polutan nitrogen dan fosfor pada umumnya berasal dari limbah domestik,  industri dan sebagian berasal dari pupuk maupun senyawa kimia lainnya yang  tersebar di tanah. Senyawa nitrogen dalam limbah cair pada umumnya dalam  bentuk ammonia atau nitrogen organik. Nitrogen organik yang terlarut terutama  dalam bentuk urea dan asam amino. Sedangkan kandungan nitrit pada umumnya  sangat rendah, tidak melebihi lmg/1 di dalam limbah cair atau 0,1 mg/l di air  permukaan atau air dalam tanah. Walaupun terdapat dalam konsentrasi sangat  rendah, keberadaan nitrit di dalam limbah cair ataupun air yang tercemar harus  menjadi perhatian karena sangat toksik terhadap kehidupan ikan dan organisme  akuatik lainnya. Nitrat-nitrogen merupakan bentuk nitrogen teroksidasi yang  terdapat di dalam limbah cair. Konsentrasi nitrat pada limbah cair yang keluar  dari buangan (efluen) pada umumnya bervariasi dari 0-20 mg/l N. Fosfor dalam limbah cair biasanya dalam bentuk ortofosfat (PO;3) polifosfat (P207) dan fosfor organik.

Konsentrasi polutan nitrogen dan fosfor di perairan meningkat,  terutama pada daerah yang berpenduduk padat dan banyak aktivitas  industri. Mengingat konsentrasi nitrogen dan fosfor tinggi berbahaya  bagi lingkungan akuatik, maka pengontrolan kedua senyawa tersebut  di dalam perairan menjadi sangat penting dalam manajemen air dan desain pengolahan limbah cair.

Konservasi lingkungan perairan

Untuk mencegah berkurangnya potensi, dan kualitas perairan  umum, upaya konservasi lingkungan sangat penting untuk  dilaksanakan. Beberapa langkah konservasi yang perlu diperhatikan antara lain adalah:

1. Penetapan standar kualitas lingkungan

Standar kualitas lingkungan untuk senyawa pencemar air  merupakan target dalam peningkatan kualitas air yang harus dicapai  dan dipertahankan di perairan umum. Standar tersebut harus tersedia  sebagai baku mutu dan dipenuhi untuk mencapai dua sasaran, yaitu  proteksi terhadap kesehatan manusia dan konservasi lingkungan hidup.  Untuk hal pertama, standar nasional baku mutu secara seragam yang  dapat digunakan untuk semua perairan umum harus ditetapkan. Untuk  tujuan kedua, perairan termasuk sungai, danau atau reservoir lainya  dan perairan pantai diklasifikasikan berdasarkan penggunaan/ peruntukan airnya, selanjutnya nilai dari standar kualitas lingkungan  ditetapkan untuk masing-masing kelas. Nilai ini kemudian di  aplikasikan untuk masing-masing perairan umum. Standar kualitas  lingkungan untuk kesehatan manusia sangat spesifik, meliputi  kandungan senyawa kimia yang toksik dan berbahaya bagi kesehatan  masyarakat. Untuk kepentingan lingkungan hidup, standar kualitas  lingkungan yang harus diperhatikan adalah BOD, COD, DO dan  parameter lainnya. Untuk mencegah eutrophikasi, standar kualitas  lingkungan untuk nitrogen dan fosfor harus ditetapkan terutama bagi danau dan rawa.

2. Evaluasi sumber pencemaran dan upaya penanggulangan

Seperti telah dikemukakan di pendahuluan bahwa sumber  pencemaran air di perairan umum terutama berasal dari limbah domestik  dan limbah industri. Oleh karena itu, penekanan pada pengaturan luaran  limbah dari industri merupakan cara yang efektif dalam meningkatkan  kualitas air. Sistem pengolahan air buangan industri harus ditingkatkan  sehingga luarannya memenuhi standar yang telah ditetapkan pemerintah.

Masalah yang sulit adalah penanganan limbah domestik, upaya  kuat harus dilakukan mengingat infrastruktur sistem pengolahan limbah  domestik masih sangat memprihatinkan bahkan sama sekali belum  diatur. Ditambah lagi dengan permasalahan karakteristik fisik perairan  tertutup, dengan kecepatan pertukaran air yang rendah, padatnya  penduduk dan industri disekitarnya. Infrastuktur yang tidak memadai  untuk mengantisipasi perkembangan penduduk dan industri sangat  memperburuk kualitas perairan umum. Konservasi kualitas air salah  satunya memerlukan sistem pembuangan domestik yang baik dan diikuti  dengan pengaturan luaran limbah yang efisien dan tepat. Pengolahan  limbah domestik meliputi instalasi dan pemeliharaan tangki pengolahan  merupakan kunci untuk meningkatkan kualitas air di perairan umum.  Sampai saat ini masih belum ada sistem pengolahan limbah domestik  yang masuk perairan umum (public) yang memenuhi kriteria diatas.  Pemerintah lokal harus mulai memikirkan pembuatan sistem pembuangan limbah domestik yang masuk perairan umum.

Karena perairan tertutup hanya mempunyai kapasitas absorpsi  terbatas, upaya harus dilakukan untuk mereduksi muatan nutrisi/  polutan dari sumber lain misalnya peternakan hewan dan perikanan.  Dengan kata lain, konsentrasi nutrisi/polutan dari peternakan hewan  dan perikanan harus dieliminasi terlebih dahulu sebelum memasuki  perairan umum. Upaya ini dapat dilakukan dengan cara menampung  limbah dalam suatu tempat tertentu, berupa kolam permanen (terbuat  dari semen) sehingga perembesan cairan limbah kedalam air tanah dapat  dieliminasi. Limbah selanjutnya dapat diproses menjadi pupuk organik atau biogas.

3. Partisipasi masyarakat dan pemerintah

Partisipasi masyarakat dalam melakukan konservasi lingkungan  perairan umum sangat diharapkan terutama dalam menanggulangi  masalah limbah rumah tangga. Masyarakat dalam hal ini dapat  berpartisipasi dengan cara meningkatkan fasilitas drainasi rumah  tangganya. Disámping itu masyarakat harus memulai membuang limbah  makanan, minyak untuk memasak, dan limbah-limbah domestik lainnya  tidak di periaran umum. Menggunakan detergent dengan tepat, atau  tidak berlebihan merupakan saran yang harus dipertimbangkan.  Pemisahan sampah rumah tangga, terutama sampah organik dengan sampah lainnya seperti plastik, kertas, kaleng/botol sudah harus  diterapkan untuk mempermudah penanganan selanjutnya. Masyarakat  juga harus bekerjasama dalam membantu dan memelihara drainase rumah-tangga yang telah disedikan oleh negara atau pemerintah lokal.

Peran pemerintah lokal sangat diharapkan dengan cara  memantau dan mengukur beban pencemaran yang berasal dari limbah  rumah tangga dan tingkat pencemaran di perairan umum. Sedangkan  pemerintah pusat bertanggung jawab dalam konservasi lingkungan  dengan cara menyebarluaskan pengetahuan tentang lingkungan pada  umumnya, utamanya cara-cara penanggulangan pencemaran.  Disamping itu, pemerintah pusat harus memberi bantuan baik teknis maupun finansial untuk pengelolaan perairan umum.

Pengolahan air limbah secara biologi

Pengolahan limbah secara biologi merupakan proses yang  melibatkan mikroorganisme (metabolisme) untuk melakukan  transformasi biokomiawi di dalam air limbah. Tujuan utama dari  pengolahan air limbah secara biologi adalah untuk menyisihkan, atau  menurunkan konsentrasi senyawa-senyawa organik maupun anorganik  dengan memanfaatkan mikroorganisme, terutama bakteri (Metcalf dan  Eddy 1991). Ada dua kondisi lingkungan biokimia yang sangat  mempengaruhi berlangsungnya proses transformasi yaitu aerobik dan  anaerobik (Grady dan Lim 1974). Lingkungan aerobik adalah lingkungan  yang tersedia oksigen dalam jumlah yang cukup sehingga oksigen tidak  merupakan faktor pembatas dalam proses reaksi. Pada lingkungan ini,  oksigen berperan sebagai akseptor elektron akhir dalam metabolisme  mikroorganisme. Pertumbuhan mikroorganisme pada kondisi ini sangat  baik dan efisien. Sedangkan lingkungan anaerobik adalah lingkungan  yang tidak tersedia oksigen atau ada dalam jumlah terbatas. Akseptor  elektron pada kondisi ini adalah senyawa lain selain oksigen, antara lain C02 dan CH4

Berdasarkan konfigurasi reaktor, ada dua sistem pengolahan limbah secara biologi yaitu :

  1. Reaktor pertumbuhan tersuspensi (Suspended Growth Reactor),  mikroorganisme tumbuh dan berkembang dalam keadaan tersuspensi.
  2. Reaktor pertumbuhan terlekat (Attached Growth Reactor),  mikroorganisme tumbuh dan berkembang di dalam media/matriks  pendukung sehingga membentuk lapisan lendir (biofilm) pada  permukaan media tersebut. Media tempat perlekatan  mikroorganisme dapat berupa media sintetis (plastik), batu kerikil, keramik, arang karbon dan lain sebagainya.

Penggunaan lumpur aktif

Pengolahan limbah cair secara biologi dengan lumpur aktif  (Activated Sludge) merupakan cara yang umum diaplikasikan pada unit  pengolahan limbah industri maupun domestik. Disebut lumpur aktif  karena proses tersebut melibatkan sejumlah mikroorganisme yang  merupakan biomasa aktif yang mampu mereduksi substrat dan memiliki permukaan yang dapat menyerap (Metcalf dan Eddy 1991).

Mikroorganisme yang terlibat dalam proses Lumpur aktif  dikelompokkan menjadi empat yaitu orgnisme pembentuk flok, saprofit  predator dan organisme pengganggu (Grady dan Lim 1974).  Untuk merancang dan mengoperasikan sistem lumpur aktif  secara efisien, terlebih dahulu harus diketahui mikroba apa yang akan  berperan dalam reaksi transformasi senyawa pencemar yang akan  diperlakukan. Di dalam proses lumpur aktif ini, bakteri merupakan  mikroba terpenting karena mempunyai peran dalam mendekomposisi  material organik dan anorganik di dalam limbah cair yang masuk  (influen). Untuk mendapatkan lumpur (kumpulan mikroorganisme) yang  baik untuk digunakan dalam pengolahan limbah cair, langkah  pembenihan lumpur perlu dilakukan. Tujuan pembenihan adalah  membiakkan dan memperbanyak jumlah mikroorganisme. Lumpur  (sludge) yang dapat diperoleh dari tempat yang tercemar atau dari unit  pengolahan limbah (UPL) industri, dituangkan ke dalam bak  pembenihan. Kedalam bak pembenihan perlu ditambahkan larutan nutrisi untuk pertumbuhan mikroorganisme.

Komposisi kimiawi larutan nutrisi adalah sebagai berikut:

  1. Glukosa (sumber C),
  2. NH4Cl (sumber N),
  3. Pospat (sumber P),
  4. KH2P04,
  5. MgS047H20,
  6. CaCl2 2H20,
  7. FeCl2.

Pemberian nutrisi dilakukan setiap hari dengan aerasi selama  pembenihan hingga biomasa lumpur mencapai di atas 3000 mg/ L Untuk  menumbuhkan bakteri-bakteri yang berperan dalam transformasi  senyawa kimiawi dalam limbah cair, maka nutrisiharus diganti dengan  limbah yang akan diperlakukan. Setelah memperoleh lumpur yang siap  pakai, maka lumpur tersebut dapat dimasukkan kedalam reaktor atau  kolam-kolam pengolahan limbah dan dioperasikan pada kondisi yang sesuai dengan karakter mikroorganismenya.

Pengurangan kadar nitrogen dan fosfor secara biologi

Kadar senyawa nitrogen dan fosfor dapat diturunkan melalui  proses pengolahan kimia, fisika maupun biologi. Dibandingkan dengan  sistem kimia atau fisika, sistem biologi mempunyai keunggulan karena  efisiensinya cukup tinggi, prosesnya stabil, kontrol proses realatif mudah,  dibutuhkan area yang tidak terlalu luas, dan cukup ekonomis (Metcalf  dan Eddy 1991). Proses perombakan nitrogen (ammonia) secara biologi melibatkan dua tahapan reaksi, yaitu nitrifikasi dan denitrifikasi.

Proses nitrifikasi adalah konversi ammonium (NH4+) menjadi nitrat (N03-) melalui reaksi nitrifikasi sebagai berikut:

Proses nitrifikasi pada umumnya dilakukan oleh dua jenis  bakteri autotrof, yaitu Nitrosomonas dan Nitrobacter. Bakteri nitrifikasi  tumbuh sangat lambat dan sangat sensitif terhadap berbagai faktor  lingkungan, seperti pH, oksigen terlarut (DO), temperatur dan berbagai  senyawa toksik. Konsentrasi DO diatas 1 mg/l merupakan salah satu prasarat untuk terjadinya proses nitrifikasi.

Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat dan nitrit menjadi  nitrogen gas. Proses denitrifikasi berlangsung dalam kondisi anoksik,  dimana bakteri yang bersifat heterotrof memanfaatkan senyawa nitrogen  teroksidasi nitrat, nitrit dan sulfat sebagai aseptor elektron dalam proses metabolisme dan sintesa sel.

Proses reaksi denitrifikasi:

Pada sistem lumpur aktif, laju reaksi denitrifikasi sangat  tergantung pada konsentrasi lumpur (mikroba) dan beban limbah.  Denitrifikasi dapat terjadi jika tersedia cukup organik karbon sebagai  sumber energi untuk konversi nitrat menjadi nitrogen gas. Kebutuhan  karbon dapat dipenuhi dari dua sumber, yaitu 1) sumber internal, berasal  dari air limbah yang akan diolah dan material sel (respirasi endogenus),  2) sumber eksternal, berasal dari penambahan air limbah atau sumber  karbon yang lain (methanol). Populasi bakteri denitrifikasi terdiri dan  berbagai jenis yang mempunyai kemampuan reaksi berbeda. Sebagian  bakteri mampu mereduksi nitrat menjadi nitrit saja, sebagian mampu  mereduksi nitrit menjadi gas nitrogen dan sebagian lainnya mampu  mereduksi nitrat menjadi gas nitrogen secara sempurna (Winkler 1980).  Bakteri fakultatif anaerobik yang berperan dalam proses denitrifikasi  antara lain adalah: Achromobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibactenum,  Flavobacterium, Lactibacillus, Aerobacter, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas dan Spirillum.

Proses pengurangan kandungan fosfor dari larutan limbah dapat  berlangsung pada kondisi aerobik dan anaerobik. Pada kondisi aerobik,  mikroba akan menggunakan fosfor untuk sintesis sel dan transportasi  energi Pada proses.ini sekitar 10-30% fosfor dalam influen dapat  dikurangi. Pada kondisi aerobik yang tepat, lebih banyak fosfor dapat  digunakan oleh mikroba sehingga pengurangan muatan fosfor dalam  larutan meningkat. Fosfor dikeluarkan dari dalam sel pada kondisi  anaerobik. Pengurangan fosfor secara biologi dapat terjadi dengan cara  mengatur dan membuat kondisi lingkungan yang sesuai di dalam reaktor.

Desain pengolahan air limbah yang mengandung nitrogen dan fosfor

Proses pengolahan limbah nitrogen pada umumnya  menggunakan dua reaktor yang dioperasikan pada kondisi aerobik  (nitrifikasi) dan anaerobik (denitrifikasi). Pada proses denitrifikasi  diperlukan organik karbon sebagai donor elektron dan energi untuk  mereduksi nitrat. Karena mahalnya sumber karbon dari luar, maka  proses oksidasi karbon, nitrifikasi dan denitrifikasi dalam satu proses  menggunakan sumber karbon yang ada dalam limbah cair perlu  dikembangkan. Pada sistem semacam ini, salah satu hal yang perlu  dipertimbangkan adalah pertumbuhan bakteri nitrifikasi yang sangat  lambat dibandingkan dengan bakteri pengoksidasi organik dan bakteri  denitrifikasi. Untuk itu desain dan operasional pengolahan limbah  nitrogen harus memungkinkan bakteri nitrifikasi untuk tumbuh dan  berkembang dengan baik sehingga tidak terkompetisi oleh bakteri lain.  Untuk menanggulangi permasalahan ini, berbagai upaya dapat  dilakukan antara lain dengan memperpanjang waktu tinggal (retention  time) lumpur di dalam tangki atau kolam kecil nitrifikasi, atau menambah  filter/penyaring pada sistem, sehingga bakteri nitrifikasi yang tumbuh  dalam tangki aerasi dapat terakumulasi didalam sistem tersebut dan  tidak terbuang saat pengeluaran limbah. Sistem semacam ini dikenal  sebagai ” cross-flow filtration”. Untuk efisiensi ruang dan dana, proses  oksidasi karbon organik, nitrifikasi dan denitrifikasi dapat juga  dilakukan dalam satu tangki atau kolam dengan sistem SBR (Sequenching  Batch Reactor), yang dioperasikan pada kondisi anoksik/anaerobik dan oksik/aerobik secara bergantian (Gambar 19).

Gambar 19. Tangki pengelolaan limbah cair yang mengandung fosfor dan nitrogen dengan proses nitrifikasi dan denitrifikasi dengan sistem SBR

Pengolahan limbah cair yang mengandung karbon organik,  nitrogen dan fosfor dapat juga dilakukan dengan menggunakan dua  zone reaksi yang terpisah, zona pertama (aerobik) digunakan untuk  oksidasi karbon dan nitrifikasi dan yang kedua denitrifikasi secara  anoksik/anaerobik. Limbah cair pertama-tama masuk kedalam zona  anoksik denitrifikasi. Karbon yang ada dalam limbah cair digunakan  sebagai energi untuk mendenitrifikasi nitrat. Jika konsentrasi organik  cukup tinggi maka denitrifikasi dapat berlangsung cepat. Ammonia  dalam limbah cair tidak berubah pada kolam anoksik, amonia akan  dioksidasi menjadi nitrit dan nitrat (nitrifikasi) pada kolam aerasi  (aerobik). Campuran cairan nitrifikasi dari kolam aerasi melewati zone  noksikkedua, pada zona ini denitrifikasi terjadi kembali menggunakan  endogenus karbon. Zona aerobik kedua realatif kecil dan terutama  digunakan untuk mengosongkan gas sebelum masuk ke bak pengendap . Sistem ini dikenal dengan  nama proses Bardenpho (Gambar 20). Sistem ini dapat drgunakan untuk  mengolah limbah nitrogen dan fosfor, untuk keperluan ini biasanya  ditambah satu kolam anaerobik (Gambar 21)..

Untuk keperluan khusus seperti kolam ikan atau aquarium dapat pula menggunakan air yang berasal dari danau atau situ dengan terebih dahulu air danau diperlakukan menggunakan sistem yang lebih sederhana. Dua kolam digunakan, kolam pertama dioperasikan dalam  kondisi anoksik (tanpa oksigen) dan kolam kedua dioperasikan dalam  kondisi aerobik. Pada kolam pertama proses perombakan nitrat menjadi  gas (denitrifikasi) terjadi, COD dalam limbah dapat digunakan sebagai  donor elektron pada proses denitrifikasi sehingga pengurangan COD  juga terjadi pada kolam pertama. Pada kolam kedua ammonia dan nitrit dioksidasi menjadi nitrat (nitrifikasi) dan sisa COD juga dapat teroksidasi  di kolam kedua ini. Luaran dari kolam kedua di daur ulang ke dalam kolam pertama untuk menghilangkan nitrat kemudian masuk kembali  ke kelom kedua, kemudian keluar masuk dalam kolam ikan atau  akuarium (Gambar 22). Untuk memperluas volume reaksi nitrifikasi, di  kolam/tangki aerobik dapat dimodifikasi menggunakan sistem  pertumbuhan terlekat dengan media arang (karbon aktif) atau media lainnya yang cukup murah (Gambar 23).

Gambar 21. Pengelolaan limbah cair yang mengandung nitrogen dan fosfor dengan proses Bardenpho menggunakan kolom tambahan anaerobik.

Gambar 22. Pengelolaan limbah cair yang mengandung nitrogen dan fosfor dengan menggunakan dua kolom yaitu anoksik (tanpa oksigen) dan kolom aerobik.

Gambar 23. Pengelolaan limbah cair yang mengandung nitrogen dan fosfor dengan menggunakan dua kolom anoksik dan aerobik.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim., 2001. Water Environment Management in Japan. Water  Environment Department Environmental Management Bureau, Ministry of the Environment.

Grady, Jr., C.P.L. and Lim, H.C., 1980. Biological Wastewater Treatment, theory and application. Marcel Dekker, Inc. New York and Basel.

Metcalf and Eddy., 1991. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse, 3rd Eddition. Singapore: McGraw-Hill Book Co.

Tchobanoglous, G., Burton, F.L.,1991. Advanced Wastewater Treatment.  Wastewater Engineering, Treatment, Disposal, and Reuse. McGraw-Hill. Inc, Singapore, pp. 711-726

Winkler, M.A.,1981. Biological Treatment of Wastewater. Department of  Chemical Engineering University of Survey. England : Chichester Halsted Press, John Willey & Sons.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s


%d bloggers like this: