penyisihan senyawa organik limbah air terproduksi

PENYISIHAN SENYAWA ORGANIK LIMBAH AIR
TERPRODUKSI PADA REAKTOR BATCH MENGGUNAKAN
BAKTERI INDOGENOUS DAN PENAMBAHAN NUTRISI
Syarif Hidayat1 dan Edwan Kardena2
Program Studi Magister Teknik Lingkungan
Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha No. 10 Bandung 40132
[email protected], [email protected]
Abstrak : Air terproduksi merupakan air produk sampingan yang terbawa ke permukaan pada saat
pengambilan minyak dan gas bumi, termasuk didalamnya adalah air formasi, air injeksi, dan bahan kimia
yang ditambahkan untuk pengeboran atau untuk proses pemisahan minyak atau air. Air terproduksi ini
dapat mencemari lingkungan apabila tidak ditangani dengan baik. Pada penelitian ini akan dikaji
mengenai penyisihan Chemical Oxygen Demand (COD) sebagai senyawa organik yang terdapat pada
limbah air terproduksi dengan menggunakan bakteri indogenous yang berasal dari lokasi fasilitas
pengolahan limbah air terproduksi TOTAL E&P. Bakteri ini di isolasi dari inlet WWTP, unit DAF
(Biofilm/slime), endapan/Lumpur WWTP, Outlet WWTP. Kinetika pertumbuhan bakteri dilakukan untuk
mengetahui afinitas bakteri terhadap limbah air terproduksi. Dari kinetika pertumbuhan bakteri didapat
bahwa bakteri mix culture campuran dari berbagai tempat memiliki afinitas yang paling tinggi dibanding
dengan bakteri yang lainnya dengan nilai Ks dan µmaks masing-masing sebesar 196,894 mg/l dan 0,621.
Pada percobaan selanjutnya dilakukan degradasi senyawa organik dengan variasi perbandingan C:N:P.
Variasi percobaan yang dilakukan adalah rasio C:N:P = 860:1:0,012, rasio C:N:P = 100:2:1, rasio C:N:P
= 100: 6:1, rasio C:N:P = 100:10:1, dan rasio C:N:P = 100:20:1. Dari hasil penelitian diketahui bahwa
kondisi optimum untuk penyisihan senyawa organik ini adalah pada saat rasio C:N:P = 100:10:1, dengan
nilai laju pertumbuhan spesifik (µ), laju kematian (µd), persentase penyisihan senyawa organik, dan Yield
(Y) masing masing sebagai berikut 3,46/hari, 0,12/hari, 88,21% dan 0,30 mgVSS/mgCOD. Dari hasil ini
dapat dilihat bahwa bakteri indogenous dapat digunakan dalam penyisihan senyawa organik, namun
demikian nitrogen dan fospor menjadi faktor pembatas bakteri indogenous dalam mendegradasi senyawa
organik.
Kata kunci :air terproduksi, bakteri indigenous, pengolahan biologi, senyawa organik, ratio C:N:P
PENDAHULUAN
Industri minyak dan gas merupakan salah
satu industri yang berpotensi menimbulkan
pencemaran dan kerusakan lingkungan. Salah
satu hasil dari kegiatan di industri minyak dan
gas yang berpotensi menimbulkan pencemaran
dan kerusakan lingkungan adalah air terproduksi
(Oilfield Produced Water). Air terproduksi
merupakan air produk sampingan yang terbawa
ke atas pada saat pengambilan minyak dan gas
bumi, termasuk didalamnya air formasi, air
injeksi, dan bahan kimia yang ditambahkan
untuk pengeboran atau untuk proses pemisahan
minyak atau air (Permenlh No.19, 2010). Sekitar
80% dari total volume limbah yang dihasilkan
oleh industri minyak dan gas merupakan air
terproduksi (Hayes, 2010). Kuantitas dan
karakteristik dari air terproduksi ini sangat
bergantung pada metode proses produksi minyak
bumi dan gas yang digunakan dan formasi alami
sumur pengeboran minyak (Veil et al, 2004
dalam Hayes dan Arthur, 2004).
Kuantitas air terproduksi ini akan semakin
meningkat setiap tahunnya seiring dengan
semakin lamanya sumur pengeboran tersebut
digunakan (Khatib, 2007). Menurut Khatib dan
Verbeek (2002), pada tahun 1999 rata-rata air
teproduksi yang dihasilkan diseluruh dunia
adalah 210 juta barrel per hari, jumlah ini
merupakan 3 kali lipat dari jumlah produksi
minyak didunia.
Berbagai teknologi digunakan untuk
mengolah limbah air terproduksi ini diantaranya
adalah gravity based separation – flotation,
separation technique based on filtration, dan
biological process treatment. Biological process
treatment merupakan salah satu teknologi yang
biasa digunakan dalam pengolahan air buangan.
Seperti contoh lumpur aktif dapat menyisihkan
total petroleum hydrocarbon yang terlarut dalam
air terproduksi sebesar 99% dengan umur lumpur
selama 20 hari, koefisien kinetik (Y) sebesar
0,69 mg/MLSS, laju kematian (kd) 0,01, laju
pertumbuhan spesifik (k) 0,44, konsentrasi
substrat (Ks) 2 mg/l dan laju pertumbuhan
maksimum µmaks sebesar 0,27 per hari (Tellez et
al, 2007). Selain itu penggunaan lumpur aktif
dengan biological aerated filter (BAF) mampu
manyisihkan minyak 76,3%-80,3%, COD
31,6%-57,9%,
BOD
86,3%-96,3%,
dan
suspended solid 76,4%-82,7% (Delin et al, 2007).
1
Dari penelitian-penelitian sebelumnya dapat
dilihat bahwa biological process treatment
merupakan salah satu teknologi yang masih
dapat dikembangkan untuk digunakan dalam
pengolahan air terproduksi. Penelitian ini
bertujuan
untuk
menentukan
pengaruh
penambahan nutrisi terhadap bakteri indogenous
dalam mendgradasi senyawa organik.
sebagai sumber nitrogen dan fosfor untuk
mikroorganisme.
Parameter yang diamati dalam penelitian ini
adalah Volatile Suspended Solid (VSS) yang
diasumsikan sebagai bakteri dan Chemical
Oxygen Demand (COD).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bakteri yang digunakan untuk mendegradasi
senyawa organik air limbah terproduksi ini
merupakan bakteri hasil isolasi dari fasilitas
pengolahan limbah air terproduksi, yaitu (1) Inlet
WWTP, (2) Unit DAF (Biofilm/slime), (3)
Endapan/Lumpur WWTP, (4) Outlet WWTP.
METODE PENELITIAN
Sumber limbah air terproduksi yang
digunakan pada penelitian ini berasal dari kilang
minyak Central Processing Unit milik TOTAL
E&P,
mikroorganime
yang
digunakan
merupakan hasil isolasi yang dilakukan di
fasilitas pengolahan limbah air terproduksi yaitu
(1)Inlet WWTP, (2)Unit DAF (Biofilm/slime),
(3)Endapan/Lumpur WWTP, (4)Outlet WWTP .
Media yang digunakan dalam penelitian ini
adalah Media Standard Basal Salts (SBS) cair
dan Media Standard Basal Salts (SBS) Padat.
Media ini gunakan untuk isolasi dan
pertumbuhan bakteri.
Isolasi bakteri dilakukan dengan mencampur
air/lendir/lumpur yang diambil dari fasilitas
pengolahan air terproduksi dengan media SBS
cair yang disterilkan. Dari media SBS cair
bakteri ditanam kedalam media SBS padat.
Sebelum digunakan sebagai bakteri pendegradasi
bakteri hasil isolasi diadaptasikan terhadap
limbah
air
terproduksi
dengan
menginokulasikan sebanyak 10% v/v kultur
murni kedalam media SBS cair yang telah
ditambah dengan limbah air terproduksi
sebanyak 20% v/v yang sebelumn ya telah
disterilkan dalam autoclave.
Penentuan kinetika pertumbuhan bakteri
dilakukan dengan cara pendekatan persamaan
monod yang ditunjukkan pada Persamaan 1
(Schulz, 1994). Dalam kinetika pertumbuhan ini
akan dicari nilai µmaks dan Ks dengan cara
melinierisasikan persamaan monod tersebut
menjadi persamaan lineweaver-burk yang
ditunjukkan pada Persamaan 2 (Schulz, 1994).
Gambar 1. Kurva pertumbuhan bakteri hasil
isolasi pada saat pengadaptasian terhadap limbah
air terproduksi
Pada Gambar 1. dapat dilihat bahwa
terdapat dua fase eksponensial dalam kurva
pertumbuhan bakteri hasil isolasi, yaitu fase
eksponensial 1 terjadi pada rentang waktu 2-6
jam waktu pengamatan dan fase eksponensial 2
pada rentang waktu 10-14 jam waktu
pengamatan. Menurut (Alexander, 1999) pada
fase eksponensial 1, bakteri menggunakan
sumber karbon dari yeast extract sementara sel
menyiapkan enzim untuk mengurai sumber
karbon kedua, hal seperti ini disebut dengan
istilah diauxie.
Untuk mengetahui afinitas bakteri terhadap
limbah air terproduksi maka dilakukan kinetika
pertumbuhan bakteri. Hasil perhitungan laju
pertumbuhan spesifik maksimum (µ maks )
dan konstanta kejenuhan Monod (Ks)
mengunakan Lineweaver-Burk plot di
tampilkan pada Tabel 1.
………………………Persamaan 1
…………… Persamaan 2
Percobaan ini dilakukan dalam reaktor bacth.
Sampel limbah air terproduksi yang digunakan
sebanyak 300 ml untuk setiap variasi percobaan.
Bakteri yang dimasukkan sebagai inokulum
adalah 20% v/v. sampel diinkubasi selama 4
(empat) hari, dan dianalisa setiap 6-12 jam sekali.
Variasi percobaan yang dilakukan adalah (1)
C:N:P = 860:10:0,12 (2) variasi C:N:P = 100:2:1
(3) variasi C:N:P = 100:5:1 (4) Variasi C:N:P =
100:10: 1(5) variasi C:N:P = 100:20:1.
Penambahan (NH4)2SO4 dan K2HPO4 dilakukan
Tabel 1. Nilai konstanta jenuh substrat
(Ks) dan laju pertumbuhan maksimum (µ maks)
bakteri hasil isolasi.
2
No.
Bakteri
Ks (mg/l)
µmak (/jam)
1
Mix Culture
196,894
0,621
2
Inlet WWTP
241,94
0,527
3
Unit DAF
238,39
0,566
4
Endapan
343,87
0,409
5
Outlet
210,1
0,769
1400
600
1200
500
sCOD (mg/l)
1000
400
800
300
600
200
400
100
200
0
0
0
12
24
36
48
60
72
84
96
Waktu (Jam)
sCOD
VSS
(d) C:N:P = 100:10:1
1600
500
sCOD (mg/l)
1000
400
800
300
600
200
400
500
1200
400
1000
800
300
600
200
400
100
200
100
200
0
0
0
0
0
0
12
24
36
48
60
72
84
1400
500
400
1000
800
300
600
200
400
100
200
0
0
48
60
72
84
96
Waktu (Jam)
sCOD
VSS
(b) C:N:P = 100:2:1
1600
600
1400
500
400
1000
800
300
600
VSS (mg/l)
sCOD (mg/l)
1200
200
400
100
200
0
0
0
12
24
36
48
60
72
84
96
Waktu (Jam)
sCOD
60
72
84
96
VSS
Variasi percobaan yang akan dilakukan
adalah variasi rasio perbandingan C:N:P. Pada
penelitian ini variasi yang dilakukan adalah (1)
Variasi C:N:P = 860:1:0,12 (2) variasi C:N:P =
100:2:1 (3) variasi C:N:P = 100:6:1 (4) Variasi
C:N:P = 100:10: 1 (5) variasi C:N:P = 100:20:1.
Pada Gambar 2. terlihat bahwa fase
adaptasi bakteri mix culture hasil isolasi
berlangsung sangat singkat dan langsung menuju
pada fase eksponensialnya. Hal ini menandakan
bahwa
bakteri
mix
culture
langsung
menggunakan senyawa organik yang ada dalam
limbah air terproduksi sebagai substratnya.
Pada Tabel 2. Dapat dilihat bahwa kondisi
optimum dalam penyisihan senyawa organik
limbah air terproduksi adalah pada saat rasio
C:N:P sebesar 100:10:1. Pada kondisi ini laju
pertumbuhan spesifik, laju kematian, persentase
penyisihan COD, dan Yield masing masing
sebesar 3,46 /hari, 0,144/hari, 88,21 %, dan 0,30
mgVSS/mgCOD.
VSS (mg/l)
sCOD (mg/l)
1200
36
48
Gambar 2. Profil penurunan Chemical Oxygen
Demand (COD) dan pertumbuhan bakteri
terhadap waktu pada berbagai variasi C:N:P
600
24
36
(e) C:N:P = 100:20:1
VSS
(a) C:N:P = 860:10:0,12
12
24
sCOD
1600
0
12
Waktu (Jam)
96
Waktu (Jam)
sCOD (mg/)
VSS (mg/l)
1200
600
1400
sCOD (mg/l)
600
VSS (mg/l)
1400
VSS (mg/l)
Pada Tabel 1. dapat dilihat bahwa
bakteri mix culture memiliki tingkat
afinitas
tertinggi
dibanding
dengan
konsorsium yang lain, hal ini ditunjukan
dengan nilai Ks yang paling rendah.. Nilai
Ks bakteri mix culture adalah 196,894 mg/l.
Hal ini berarti bahwa dengan konsentrasi
substrat sebesar 196,894 mg/l, bakteri
mampu tumbuh dengan laju pertumbuhan
spesifik sebesar ½ dari laju pertumbuhan
maksimumnya (µ m ). Jika konsentrasi
substrat berada dibawah 196,894 mg/l maka
laju
pertumbuhan
akan
mengalami
penurunan atau tumbuh dengan laju yang
rendah.
VSS
(c) C:N:P = 100:5:1
3
Tabel 2. Nilai laju pertumbuhan spesifik (µ), laju kematian (µ d), persetase penyisihan senyawa organik
dan nilai Yield (Y) dari bakteri mix culture
No.
1
2
3
4
5
Variasi
860:10:0,12
100:2:1
100:6:1
100:10:1
100:20:1
µd
(/hari)
µ
(/hari)
2,38
3,19
3,31
3,46
2,52
0,144
0,072
0,072
0,024
0,12
Penyisihan COD
(%)
57,04
67,35
72,41
88,21
54,28
Yield
(mg VSS/mg
COD)
0,39
0,24
0,312
0,30
0,49
The 11th Annual International Petroleum
Environmental Conference Albuquerque Hilton
Hotel. Alburquerque.
Pada percobaan rasio C:N:P = 100:20:1 laju
pertumbuhan spesifik bakteri mix culture
sebesar 2,52/hari, dan laju kematian yang cukup
besar jika dibandingkan dengan kondisi yang
lain yaitu sebesar 0,12/hari. Selain itu tingkat
degradasi senyawa organiknya hanya sebesar
54,28%.
Hal
ini
dikarenakan
selain
meningkatkan respirasi sel, pemberian senyawa
nitrogen dalam jumlah banyak dapat menekan
pertumbuhan mikroorganisme. Oleh karena itu,
sumber nutrisi yang mengandung nitrogen tidak
dapat diberikan dalam jumlah banyak pada awal
proses degradasi karena dapat terakumulasi
dalam bentuk nitrit yang bersifat toksik.
Keberadaan senyawa toksik ini akan
mengganggu proses biodegradasi, karena
kehadiran senyawa ini akan mengganggu
metabolisme sel mikroorganisme.
Khatib, Z., 2007. Produced Water Management: Is it
a Future Legacy or a Business Opportunity for
Field Development. International Petroleum
Technology Conference, 4-6 December 2007,
Dubai, U.A.E.
Khatib, Z., Verbeek, P., dan Shell., 2002. Water to
Value - Produced Water Management for
Sustainable Field Development of Mature and
Green Fields. SPE International Conference on
Health, Safety and Environment in Oil and Gas
Exploration and Production, 20-22 March 2002,
Kuala Lumpur, Malaysia.
Piubeli, F., Grossman, M.T., Garboggini, F.F., and
Durrant, L.C., 2012. Enhanched Reduction of
COD and Aromatics in Petroleum-Produced Water
Using Indigenous Microorganisme and Nutrient
Addition. International Biodeterioration and
Biodegradation,Vol 68 (2012), Page 78-84.
KESIMPULAN
Hasil penelitian menunjukan bahwa bakteri
indogenous hasil isolasi dari fasilitas
pengolahan limbah air terproduksi dapat
digunakan untuk penyisihan senyawa organik
yang terdapat pada limbah air terproduksi,
namun demikian nutrien (Nitrogen dan Fospor)
menjadi faktor pembatas bakteri indogenous
dalam mendegradasi senyawa organik limbah
air terproduksi. Oleh karena itu penambahan
nutrisi (Nitrogen dan Fosfor) menjadi sangat
penting karena limbah air terproduksi asli tidak
memiliki konsentrasi nitrogen dan fosfor yang
mencukupi untuk mendukung terjadinya
degradasi senyawa organik.
Republik Indonesia., 2010. Peraturan Menteri
Lingkungan Hidup No. 19 Tahun 2010 Tentang
Baku Mutu Limbah Bagi Usaha Dan/Atau Kegiatan
Minyak dan Gas Serta Panas Bumi. Indonesia.
Schulz. A.R., 1994. Enzyme Kinetics; from Diastase
to Multi-Enzime Systems. Cambridge University
Press. United State of America
Tellez, Gilbert, T., Nirmalakhandan, N., dan GardeaTorresdey, Jorge, L., 2007. Kinetic evaluation of a
field-scale activated sludge system for removing
petroleum hydrocarbons from oilfield-produced
water. Environmental Progress, Volume 24, Issue 1,
Pages 96-104, April 2008.
Daftar Pustaka
Alexander, M., 1999. Biodegradation and
Bioremediation. Academica Press, San Diego, USA.
Delin, SU., Jianglong, W., Kaiwen, L., dan Ding, Z.,
2007. Kinetic Performance of Oilfield Produce
Water Treatment by Biological Aerated Filter.
Chin.J.Chem.Eng, Vol 15, No. 4, Halaman 591-594.
Hayes, T., 2010. Produce Water Management :
Chalange and Solution. E&P Center Gas
Technology Institute.
Hayes, T., dan Arthur, D., 2004. Overview of
Emerging Produced Water Treatment technologies.
4