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.