pengurangan kadar amonium pada limbah cair industri terasi

Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2011 – ISBN : 978-979-028-378-7
Surabaya, 19 Pebruari 2011
PENGURANGAN KADAR AMONIUM PADA LIMBAH CAIR INDUSTRI TERASI
MELALUI PROSES NITRIFIKASI DAN ANAMMOX MENGGUNAKAN
KOMBINASI KULTUR AEROB-ANAEROB
AMMONIUM REMOVAL ON INDUSTRIAL WASTEWATER OF SHRIMP PASTE BY
NITRIFICATION AND ANAMMOX PROCESS BY COMBINATION OF
AEROB-ANAEROB CULTURE
Gabriela Nindrasari 1,*, Irene Meitiniarti 1,2, Jubhar Christian Mangimbulude 1,2
1
Program Magister Biologi, Universitas Kristen Satya Wacana
2
Fakultas Biologi, Universitas Kristen Satya Wacana
*Korespondensi: Magister Biologi UKSW, Jl. Diponegoro 52-60 Salatiga 50714
E-mail: [email protected]
Abstrak - Industri pembuatan terasi menghasilkan limbah cair dengan kadar amonium yang
relatif tinggi, yang besarnya kira-kira di atas 200 mg/L. Tingginya kadar amonium pada air
limbah ini akan mengganggu lingkungan. Pengurangan senyawa amonium secara biologis
dapat dilakukan dengan memanfaatkan proses nitrifikasi dan anammox yang dilakukan oleh
bakteri. Studi ini dilakukan dengan tujuan menggunakan prinsip dari proses-proses tersebut
untuk menurunkan kadar amonium dalam limbah cair industri terasi agar aman bagi
lingkungan. Dalam penelitian ini, pengurangan amonium dilakukan melalui proses nitrifikasi
dan anammox secara simultan dalam satu reaktor curah yang dibuat menjadi dua zona aerob
dan anaerob. Hasil dari percobaan ini adalah terjadinya pengurangan kadar amonium, nitrit dan
nitrat sebesar 27%, 40%, dan 74% pada zona aerob serta 27%, 59%, dan 83% pada zona
anaerob.
Katakunci: anammox, pengurangan amonium, limbah industri terasi.
Abstract - Shrimp paste industry produces wastewater contained with relatively high
ammonium concentration, approximately at more than 200 mg/L. The high level of ammonium
in wastewater can cause bad effect to the environment. Biological ammonium removal can be
prepared by nitrification and anammox process of microbes. The aim of this study is to use
these processes to decrease the ammonium level of shrimp paste industrial wastewater, so it
would be environmental-friendly. In this research, ammonium removal is done simultaneously
by nitrification and anammox process in one batch reactor built by two zones, aerobic and
anaerobic. The result is the decrease of ammonium, nitrite, and nitrate concentration at 27%;
40%; 74% in aerobic zone and 27%; 59%; 83% in anaerobic zone.
Keywords: anammox, ammonium removal, shrimp-paste industrial wastewater.
Pendahuluan
Manusia merupakan salah satu
komponen ekologi yang memiliki peran
besar
terhadap
kondisi
bumi.
Berkembangnya peradaban dan ilmu
pengetahuan
menimbulkan
kegiatan
pemanfaatan bahan alam yang seringkali
kurang memperhatikan efek buruk bagi
ekosistem dan lingkungan. Salah satunya
adalah dengan munculnya industri-industri
yang menyumbang pencemaran lingkungan
dan eutrofikasi, mengakibatkan tingginya
kadar senyawa nitrogen seperti amonium
yang terkandung dalam hidrosfer. Amonium
yang dibentuk sebagai hasil metabolisme
dekomposisi
yang
selanjutnya
akan
teroksidasi menjadi nitrit dan nitrat.
Kehadiran senyawa-senyawa ini di habitat
B - 223
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2011 – ISBN : 978-979-028-378-7
Surabaya, 19 Pebruari 2011
organisme akuatik dapat menyebabkan
penurunan tingkat perkembangan tubuh dan
secara akumulatif mengakibatkan kematian
ikan dan udang. Efek toksik amonium
bervariasi tergantung pada daerah kontak,
konsentrasi, dan lama pemaparan, misalnya
paparan amonium pada manusia berdurasi
30-60 menit akan menyebabkan iritasi
hidung dan mata pada konsentrasi 50 ppm
hingga letal pada 5000 ppm [ATSDR,
2004]. Oleh sebab itu, senyawa-senyawa ini
perlu dipecah hingga menjadi gas karena
secara normal gas nitrogen (N2) merupakan
salah satu komponen dari udara atmosfer
yang aman bagi lingkungan.
Limbah
cair
industri
terasi
merupakan
salah
satu
penyumbang
amonium yang sangat tinggi di perairan.
Pada sebuah pengukuran sampel limbah cair
industri terasi di Semarang diperoleh kadar
amonium lebih dari 200 mg/L, sedangkan
baku mutu amonium untuk pembuangan
limbah industri hasil perikanan menurut
Peraturan Menteri Negara Lingkungan
Hidup nomer 6 tahun 2007 adalah 5 mg/L.
Berbagai
upaya
dilakukan
untuk
memanfaatkan prinsip-prinsip alami yang
telah dipelajari untuk mengatasi tingginya
kadar amonium pada air limbah, salah
satunya adalah dengan proses biologis yaitu
nitrifikasi-denitrifikasi dan anammox.
Nitrifikasi
merupakan
proses
oksidasi aerobik senyawa amonium menjadi
nitrit oleh bakteri dari genus Nitrosomonas,
yang dilanjutkan dengan oksidasi nitrit
menjadi nitrat oleh bakteri genus
Nitrobacter. Kedua jenis bakteri ini
termasuk
kelompok
autotrof
yang
pertumbuhannya lambat. Reaksi kimia dari
proses nitrifikasi diawali oleh proses
amonifikasi nitrogen organik menjadi
amonium oleh bakteri heterotrof, yang
diantaranya adalah bakteri dari genus
Bacillus, Clostridium, Proteus, Pseudomonas,
dan Streptomyces. Lalu bakteri nitrifikasi
akan mengubah amonium menjadi nitrat
sehingga meningkatkan kebutuhan oksigen
beberapa
hari
setelah
penambahan
amonium. Tingkat oksidasinya ditentukan
oleh faktor suhu, persediaan oksigen, dan
pH air (Anthonisen, et al., 1976).
Pemecahan nitrat menjadi gas terjadi
melalui tahap denitrifikasi, yang merupakan
proses anaerobik yang memanfaatkan nitrat
sebagai akseptor elektron dan dengan
perantara nitrit dan nitrit oksida akan
memproduksi gas nitrogen. Denitrifikasi
membutuhkan sumber karbon organik dan
tanpa karbon organik hanya nitrit yang akan
dihasilkan. Denitrifikasi dilakukan oleh
bakteri
heterotrof
seperti
genus
Pseudomonas, Alkaligenes, dan Vibrio.
Proses anammox adalah proses
oksidasi amonium menjadi gas nitrogen
yang menggunakan nitrit sebagai penerima
elektron. Anammox dilakukan oleh mikrob
anaerobik
Candidatus
Brocadia
anammoxidans dan Candidatus Kuenenia
stuttgartiensis. Anammox atau anaerobic
ammonium oxidation dikembangkan pada
tahun 1990-an oleh Delft University of
Technology di Belanda (Strous, 1999)
sebagai teknologi pengurangan nitrogen
yang cukup efektif dalam produksi emisi
CO2 dibandingkan metode nitrifikasidenitrifikasi konvensional (Yi Y, et al.,
2010).
Prokariot
anammox
juga
mengoksidasi 30-50% amonium di seluruh
bumi menjadi gas nitrogen dengan
menggunakan nitrit sebagai akseptor
elektron (Bauman, 2009). Anammox unik
karena prosesnya berlangsung anaerob
sehingga cukup sulit dikultur.
Nitrifikasi dan anammox sama-sama
merupakan proses oksidasi amonium
sehingga apabila kedua proses ini dilakukan
bersamaan akan jauh lebih efektif untuk
menurunkan amonium. Pengaturan yang
melibatkan gabungan nitrifikasi parsial dan
anammox telah dilakukan dengan metode
yang dikenal dengan nama SHARON –
Anammox (Jetten, 1999). SHARON atau
single reactor high activity ammonium
removal over nitrite berlangsung dengan
oksidasi sebagian amonium menjadi nitrit
sebagai nitrifikasi fase pertama. Amonium
B - 224
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2011 – ISBN : 978-979-028-378-7
Surabaya, 19 Pebruari 2011
dan nitrit yang berperan sebagai produk
SHARON akan bertindak sebagai substrat
untuk melakukan proses anamox.
Pertanyaan ilmiah yang ingin
dijawab dalam penelitian ini adalah mampu
atau tidaknya bakteri nitrifikasi dan
anammox untuk tumbuh dalam medium
pertumbuhan yang telah dirancang. Zonasi
oksik dan anoksik dibuat sehingga kedua
jenis bakteri ini sebagai bakteri aerobik dan
anaerobik autrotrof dapat melakukan
aktivitasnya secara bersamaan dalam satu
reaktor yang dibatasi dengan dua zona
berbeda.
Metode Penelitian
Alat dan Bahan
Alat
yang
digunakan
adalah
spektrofotometer Varian Cary® UV-Vis 50
dengan aplikasi perangkat komputer Simple
Reads; alat-alat gelas seperti Erlenmeyer,
gelas ukur, pipet ukur, dan tabung reaksi;
dan reaktor yang dibuat dari botol plastik
bekas air minum dengan aerasi melalui
selang kecil dari pompa dengan airflow 2.5
L/jam.
Bahan yang digunakan adalah
limbah cair yang berasal dari sebuah outlet
pabrik pembuatan terasi yang berlokasi di
kawasan industri Semarang. Limbah cair ini
digunakan untuk medium pertumbuhan dan
inokulum bakteri. Sampel limbah diambil
menggunakan botol plastik dan disimpan di
suhu 0oC sebelum diuji. Bahan lainnya
adalah reagen-reagen untuk pengujian kadar
amonium, nitrit, nitrat pada limbah cair.
Prosedur
Penyiapan Inokulum
Pertumbuhan
dan
Inokulum yang digunakan berasal
dari limbah cair yang diduga memiliki
bakteri nitrifikasi dan anammox. Medium
pertumbuhan yang digunakan adalah limbah
cair yang disterilkan dengan autoklaf pada
121oC selama 15 menit, lalu dibiarkan
hingga suhu ruang. Ke dalam medium
ditambahkan 1 g CaCO3 untuk sumber
nutrisi pertumbuhan bakteri autotrof, lalu pH
medium diatur menjadi 7.
Penyiapan Reaktor
Sebanyak 1 L medium pertumbuhan
steril dimasukkan ke dalam botol reaktor,
kemudian 5 mL inokulum ditambahkan.
Aerasi dilakukan secara sinambung di
bagian atas reaktor, yaitu sekitar 5 cm dari
permukaan medium limbah cair, sehingga
diasumsikan daerah aerob terbentuk di
bagian atas dan anaerob di bawah tabung.
Kondisi oksik dan anoksik berlangsung
dalam kultur statis dan tidak terpisah.
Pengambilan Sampel dan Uji Amonium,
Nitrit, Nitrat
Sampel yang akan diuji diambil pada
hari ke-1, ke-3, ke-5, ke-7, lalu selanjutnya
hari ke-14, ke-21, dan ke-28. Sampel dari
zona aerob diambil di daerah permukaan
medium, sedangkan sampel dari zona
anaerob diambil dari bagian paling dasar
tabung. Tujuh cuplikan ini kemudian diuji
kandungan amonium, nitrit, dan nitratnya.
Pengulangan dilakukan sebanyak 3 kali
untuk masing-masing cuplikan.
Pengujian kadar amonium, nitrit, dan
nitrat dilakukan pada sampel dari kedua
zona, masing-masing menggunakan metode
Nessler, kolorisasi, dan asam salisilat.
Selanjutnya pengukuran dilakukan dengan
metode spektrofotometri pada panjang
gelombang 425, 520, dan 410 nm (Kruis,
1995; Alef and Nanipieri, 1985).
Medium
B - 225
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2011 – ISBN : 978-979-028-378-7
Surabaya, 19 Pebruari 2011
Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil pengukuran pada
sampel harian dan mingguan dari sampel
limbah cair, pertumbuhan inokulum
menyebabkan terjadinya perubahan kadar
amonium, nitrit, dan nitrat. Data pengukuran
yang diperoleh disajikan pada Tabel 1,
sedangkan grafik nitrifikasi dan anammox
ditunjukkan oleh Gambar 1 dan Gambar 2.
Tabel 1. Data Konsentrasi Amonium, Nitrit, dan Nitrat pada Zona Aerob dan Anaerob
Zona Aerob
Waktu (hari)
NH4 (mg/L)
Zona Anaerob
NO2 (mg/L)
NO3 (mg/L)
NH4 (mg/L)
NO2 (mg/L)
NO3 (mg/L)
1
32.08
4.34
0.13
29.4
12.35
0.13
3
40.66
16.03
0.14
45.32
18.11
0.18
5
32.85
7.02
0.10
49.87
7.11
0.10
7
31.93
3.33
0.08
38.62
5.05
0.07
14
38.61
2.38
0.05
39.93
2.41
0.05
21
40.24
2.40
0.05
35.16
4.46
0.05
28
23.33
2.59
0.03
21.37
5.10
0.02
8.75
1.75
0.09
8.03
7.25
0.11
27
40
74
27
59
83
Amonium dan Nitrit (mg-N L-1)
Dari Tabel 1 dapat dilihat nilai
konsentrasi amonium, nitrit, dan nitrat untuk
zona aerob dan anaerob pada hari ke-1, 3, 5,
7, 14, 21 dan ke-28. Selisih amonium, nitrit,
nitrat dari sampel hari pertama dengan
sampel hari ke-28 masing-masing adalah
8.75; 1.75; 0.0946 mg/L pada zona aerob,
dan 8.03; 7.25; 0.0946 mg/L. Tingkat
pengurangannya adalah 27; 40; dan 74% pada
zona aerob serta 27; 58; dan 83% pada zona
anaerob.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
150
135
120
105
90
75
60
45
30
15
0
0
7
14
21
Nitrat (mg-N L-1)
Selisih hari ke-1 dan
ke-28 (mg/L)
Tingkat pengurangan
(%)
28
Waktu (hari)
Gambar 1. Perubahan Amonium (), Nitrit (), dan Nitrat () pada Proses Nitrifikasi di
Limbah Cair Industri Terasi
Pada Gambar 1 ditunjukkan fluktuasi
kadar amonium, nitrit dan nitrat pada zona
aerob yang mengalami proses nitrifikasi. Di
zona ini ammonium, nitrit, dan nitrat
berlangsung hingga hari ke-3, lalu
mengalami penurunan. Setelah itu, kadar
B - 226
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2011 – ISBN : 978-979-028-378-7
Surabaya, 19 Pebruari 2011
nitrat dan nitrit terus menurun oleh adanya
dua fase nitrifikasi yang berlangsung
beriringan. Reaksi stoikiometrik nitrifikasi
adalah NH4+ + 2HCO3- + 1.5O2  NO2- +
3H2O + 2 CO2 untuk fase pertama lalu NO2+ 0.5 O2  NO3- untuk fase kedua.
Amonium dan Nitrit (mg-N L-1)
Namun lain hal dengan amonium.
Setelah mengalami penurunan karena
dioksidasi, jumlah amonium kembali naik
mulai dari hari ke-7. Kenaikan amonium ini
disebabkan oleh amonifikasi, dimana
nitrogen organik diubah menjadi amonium
oleh bakteri heterotrof. Laju pertumbuhan
bakteri heterotrof lebih tinggi daripada
bakteri
autotrofik
sehingga
menjadi
penyebab fluktuasi pada minggu kedua dan
ketiga.
Denitrifikasi
diduga
juga
berlangsung di zona aerob dan anaerob,
karena penurunan kandungan nitrat hingga
hari ke-28 cukup tinggi, yaitu 74% dan 83%.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
7
14
21
28
Waktu (hari)
Gambar 2. Perubahan Amonium () dan Nitrit () pada Proses Anammox di Limbah Cair
Industri Terasi
Terjadinya
anammox
yang
mengubah kadar amonium dan nitrit pada
zona anaerob ditunjukkan pada Gambar 2.
Kenaikan amonium dan nitrit terjadi mulai
dari hari pertama hingga ke-3. Kemudian
pada hari ke-3 hingga hari ke-5 nitrit
mengalami penurunan sedangkan amonium
masih terus naik. Hal ini menjelaskan
tereduksinya nitrit dalam proses anammox
menurut reaksi stoikiometrik: NH4+ + NO2 N2 + H2O
Pada zona ini juga terjadi proses
amonifikasi. Kondisi minim oksigen pada
zona ini membantu bakteri heterotrof
anaerobik untuk didekomposisi nitrogen
organik
menjadi
amonium.
Pada
pengamatan mingguan pada hari ke-7, ke14, ke-21, dan ke-28, kadar amonium turun
sedangkan kadar nitrit cenderung stabil.
Kesimpulan
Berdasarkan sifat-sifat alami bakteri
nitrifikasi dan anammox dapat diduga
bakteri-bakteri ini dapat tumbuh dalam
medium pertumbuhan yang dibuat walaupun
bakteri heterotrofik yang melakukan
amonifikasi
masih
lebih
dominan.
Sedangkan dalam perannya sebagai bakteri
aerobik dan anaerobik autrotrof, kedua jenis
bakteri dengan dua zona berbeda tersebut
mampu melakukan aktivitasnya secara
bersamaan dalam satu reaktor.
B - 227
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2011 – ISBN : 978-979-028-378-7
Surabaya, 19 Pebruari 2011
Dari percobaan ini disimpulkan
bahwa nitrifikasi dan anammox berlangsung
baik sehingga kadar amonium, nitrit, dan
nitrat mengalami pengurangan baik di zona
aerob maupun di zona anaerob.
Daftar Pustaka
Alef, K and Nanipieri, P. 1995. Method
Applied in Soil Microbiology and
Biochemistry. London. Academic
Press.
Anthonisen, A. C.; Loehr, R. C.; Prakasam,
T. B.; Srinath, E. G., 1976, Inhibition
of nitrification by ammonia and
nitrous acid, J. Water Pollut. Control
Fed., 48(5), 835-52
[ATSDR] Agency of Toxic Substances and
Disease Registry. 2004. Toxicological
Profile
for
Ammonia.
http://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp1
26.pdf. Diakses tanggal 1 Februari 2010.
Bauman, R. W. 2009. Microbiology with
diseases by body system, Ed. ke-2.
California.Pearson Education, Inc.
Jetten, M. S. M., 1999, The Anaerobic
Oxidation of Ammonium, FEMS
Microbiology Reviews, 22, 421-37
Kruis, F. 1995. Environmental Chemistry
Selected Analytical Methods.
Strous, M.; Kuenen, J. G.; Jetten, M. S. M.,
1999, Key Physiology of Anaerobic
Ammonium Oxidation, Applied and
Environmental Microbiology, 65(7),
3248-50
Yi Y., Yong H., Huiping D., Yong L. dan Yang
P. 2010. Research on Enrichment for
Anammox Bacteria Inoculated via
Enhanced Endogenous Denitrification.
Life System Modeling and Intelligent
Computing: Lecture Notes in Computer
Science 6330:700-707
Peraturan Menteri Negara Lingkungan
Hidup nomer 6 tahun 2007.
B - 228