2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian terdahulu

Beberapa penelitian tentang perlakuan pendahuluan dengan menggunakan

teknologi fixed bed reactor telah dilakukan. Lucero et al. (2003) telah berhasil

menggunakan teknologi up flow fixed bed reactor yang dilakukan untuk mengolah

limbah persawahan dengan Waktu Tinggal Hidrolik(WTH) selama 32-42 menit,

laju ar influen = 1 – 5 Liter/menit dan menghasilkan efisiensi penyisihan COD

sebesar 90-91%. Westermandan Bicudo (2006) menggunakan biofilter dengan

media plastik (poly styrene) untuk mengolah limbah pada pabrik minuman keras

dan menghasilkan penyisihan nitrat sebesar 62% dan BOD sebesar 34%.

Farizogluet al. (2003) mengadakan penelitian untuk mengetahui kinerja biofilter

aerobik menggunakan media batu kerikil sebagai biofilter untuk mengolah limbah

pabrik tahu dan menghasilkan penyisihan COD sebesar 73% dan MLSS = 75%.

Watten dan Sibrell (2006) menentukan parameter kualitas (kelembaban,

persen konten , pH dan konduktivitas) pada limbah landfill serta mengevaluasi

efektifitas terhadap penghilangan nitrat pada air permukaan menggunakan

biofilter dengan bahan pengisi batu, potongan rumputdan kompos dari landfill dan

dari pencampuran tersebut dapat meningkatkan penghilangan nitrat sebesar

70%.Widayat (2010) mengkaji karakteristik reaktor biofilter dengan media plastik

tipe sarang tawon terhadap penyisihan konsentrasi senyawa organik, amonia,

deterjen, dan TSS dalam air baku perusahaan air minum danan menghasilkan

WTH semakin pendek, laju pembebanan semakin besar dan efisiensi penyisihan

organik, amonia, deterjen, dan TSS semakin kecil.Kondisi operasi terpilih pada

waktu tinggal hidrolik adalah 2 jam dan suplai udara 20 L/menit dengan efisiensi

penyisihan organik, amonia, deterjen, dan TSS adalah 68%, 65%, 64%, dan

74%.Li (2010) melakukan pengolahan limbah landfill dengan up flow fixed bed

reactor terbaik pada WTH = 8 hari, menggunakan konsentrasi COD influen

sebesar 6000 mg/L dan penyisihan COD sebesar 76%.

2.2 Teori yang Mendasari

2.2.1 Karakteristik Air Baku dan Air Permukaan

Menurut Watten dan Sibrell (2006) karakteristik air baku permukaan secara

umum digolongkan menjadi :

1. Air permukaan dengan tingkat kekeruhan tinggi

Air permukaan ini telah melalui permukaan tanah yang rentan terhadap erosi

atau ditutupi dengan vegetasi yang rendah kerapatannya. Air ini umumnya

telah stagnant di waduk atau di danau yang sedikit mengandung gulma atau

tanaman air.

2. Air permukaan dengan tingkat kekeruhan rendah sampai sedang

Air ini adalah seperti pada golongan yang pertama hanya telah mengalami

pengendapan yang cukup lama di suatu badan air

3. Air permukaan dengan tingkat kekeruhan temporer

Air permukaan ini biasanya dari daerah pegunungan, dimana pada saat tidak

turun hujan airnya jernih tetapi pada saat hujan terjadi kekeruhan sesaat. Air

ini mengalir melalui permukaan yang tertutup oleh vegetasi yang cukup lebat

dan curam sehingga pada waktu tidak hujan menghasilkan air yang jernih,

tetapi pada waktu hujan menjadi keruh karena terjadi lonjakan tingkat

sedimen akibat erosi. Setelah hujan selesai sekitar 2-3 jam air kembali ke

aliran dasar (base flow) dan jernih kembali.

4. Air permukaan dengan kandungan warna sedang sampai tinggi

Air yang demikian umumnya telah melalui daerah dengan tingkat humus

tinggi dan akibat terlarutnya zat tanin dari sisa-sisa humus tingkat warnanya

menjadi tinggi, selain itu akibat proses alami pH air menjadi asam. Air ini

umumnya terdapat di daerah rawa dan gambut.

5. Air permukaan dengan kesadahan tinggi

Kesadahan paling banyak dijumpai di air laut, dan pada air permukaan tawar

umumnya diakibatkan oleh Ca dan Mg dalam kadar yang tinggi yaitu lebih

besar dari 200 mg/L CaCO3, sehingga air yang mengalir pada daerah batuan

kapur akan mempunyai tingkat kesadahan yang tinggi.

6. Air permukaan dengan kekeruhan sangat rendah

Air seperti ini dapat dijumpai pada danau-danau yang masih belum tercemar

atau air yang masih baru saja keluar dari mata air.

7. Air permukaan dengan polutan rendah sampai tinggi

Air seperti ini sering dijumpai di kota-kota besar. Aktivitas manusia melalui

kegiatan domestik maupun industri mengakibatkan pencemaran, sehingga

kadar polutan seperti organik, amonia, detergen, logam-logam dan pencemar

lainnya meningkat seiring dengan peningkatan jumlah penduduk.

2.2.2 Senyawa Organik dalam Air

Metcalf dan Eddy (2003) mengatakan bahwa bahan organik terdiri dari

karbon, hidrogen dan oksigen. Zat organik di alam dapat dijumpai pada air

permukaan maupun bawah tanah. Senyawa organik dalam air berasal dari:

1 Alam : minyak/lemak hewan, tumbuh-tumbuhan, dan gula

2 Sintesa : berbagai macam persenyawaan yang dihasilkan oleh industri

3 Fermentasi : alkohol, aseton, gliserol, asam-asam dan sejenisnya yang berasal

dari kegiatan mikroorganisme tehadap bahan organik.

Zat organik dalam air dapat diketahui dengan menentukan angka

permanganatnya, walaupun KMnO4 sebagai oksidator tidak dapat mengoksidasi

semua zat organik yang ada, namun cara ini sangat praktis dan cepat

pengerjaannya. Penentuan bilangan permanganat ditujukan untuk menentukan

kandungan zat organik dalam air alam, seperti air sungai, sumur dan danau

(Horran 1990). Menurut Winkler (1981) di dalam pengolahan zat organik akan

menghasilkan efek rasa dan bau, akibat dari pembusukan secara biologi. Warna

dalam air merupakan hasil kontak air dengan reruntuhan organik, seperti

tumbuhan, kayu, dan pembusukan dalam beberapa tingkatan variasi dekomposisi.

Asam humat dan humus yang berasal dari pembusukan lignin dianggap sebagai

penyebab utama timbulnya warna. Warna dapat dikelompokkan menjadi 2 (dua)

yaitu warna semu (apparent color) disebabkan adanya partikel tersuspensi dan

warna nyata (true color) disebabkan oleh ekstraksi dari asam organik tumbuhan

yang berbentuk koloid.

Zat organik dapat disisihkan secara biologi, dengan beberapa variabel yang

berpengaruh antara lain jumlah oksigen terlarut (DO), waktu kontak, senyawa

pengganggu (inhibitor), jenis dan jumlah mikroorganisme pengurai (Bitton 1994).

Adanya oksigen menyebabkan proses oksidasi aerob dapat berlangsung, bahan–

bahan organik akan dirubah menjadi produk – produk akhir yang relatif stabil dan

sisanya akan disintesis menjadi mikroba baru. Secara umum mekanisme

penguraian organik dapat dilihat pada persamaan di bawah ini:

Standar maksimum kandungan zat organik khususnya kloroform dalam air

minum menurut Keputusan Menteri Kesehatan Republik Indonesia Nomor

907/MENKES/SK/VII/2002 tentang syarat-syarat dan pengawasan kualitas air

minum sebesar 200μg/liter. Bila telah melampaui batas maksimum yang telah

ditentukan tersebut maka dapat menyebabkan bau yang tidak sedap pada air

minum dan dapat menyebabkan sakit perut. Adanya zat organik dalam air dapat

diketahui dengan perubahan fisik dari air terutama dengan timbulnya warna, rasa,

bau dan kekeruhan.

2.2.3 Senyawa Amonia

Barnes (1980) mengatakan amonia (NH3) merupakan senyawa nitrogen

yang menjadi NH4+ atau disebut dengan amonium. Nitrogen amonia

keberadaannya di dalam air adalah sebagai amonium (NH4+), yaitu berdasarkan

reaksi kesetimbangan:

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH

-

Amonia dalam air permukaan berasal dari air seni, tinja dan oksidasi secara

mikrobiologis zat organik yang berasal dari air alam atau air buangan industri dan

domestik. Adanya amonia tergantung pada beberapa faktor yaitu, sumber amonia,

tanaman air yang menyerap amonia sebagai nutrien, konsentrasi oksigen dan

suhu. Konsentrasi amonia dapat berubah-ubah sepanjang tahun, pada musim

panas konsentrasi senyawa ini lebih rendah, hal ini disebabkan amonia diserap

CO2 + H2O + Energi

Mikroba

Sel-sel baru

Bahan organik + O2

oleh tumbuhan, selain itu dapat dipengaruhi oleh suhu. Suhu air yang tinggi yang

dapat mempengaruhi proses nitrifikasi, sedangkan pada suhu yang rendah yaitu

musim dingin pertumbuhan bakteri berkurang dan proses nitrifikasi berjalan

lambat sehingga menyebabkan konsentrasi amonia pada sungai tinggi (Jennings

1991).

Menurut Dewi (1998) amonia banyak ditemukan pada air permukaan dan

air tanah dari mulai kadar rendah hingga mencapai 30 mg/L lebih (air limbah).

Kadar amonia yang tinggi pada air sungai menimbulkan gangguan kehidupan

perairan. Keberadaan amonia pada air minum menimbulkan rasa kurang enak

serta mengganggu kesehatan, sehingga pada air minum kadarnya harus nol dan

pada air sungai harus dibawah 1 mg/L. Barnes (1980) juga mengatakan bahwa

amonia dapat menyebabkan kondisi toksik bagi kehidupan perairan. Kadar

amonia bebas dalam air meningkat sejalan dengan meningkatnya pH dan suhu.

Kehidupan di perairan terpengaruh oleh kehadiran amonia, dimana pada

konsentrasi 1 mg/L dapat menyebabkan hewan air mati lemas karena oksigen

terlarut berkurang. Senyawa amonia dalam air dapat dihilangkan secara

mikrobiologi melalui proses nitrifikasi hingga menjadi nitrit dan nitrat dengan

penambahan oksigen melalui proses aerasi.

Senyawa amonia dapat mengurangi keefektifan klor yang biasanya

digunakan sebagai tahap akhir dalam pengolahan air untuk mereduksi

mikroorganisma dan bahan organik yang tersisa. Asam hipoklorid dapat bereaksi

dengan amonia membentuk kloramin dengan daya disinfektan rendah (Benefiled

dan Randall 1980).

2.2.4 Proses Nitrifikasi

Senyawa nitrogen merupakan senyawa yang sangat penting dalam

kehidupan, karena nitrogen merupakan salah satu nutrien utama yang berperan

dalam pertumbuhan organisme hidup. Senyawa ini merupakan komponen dasar

protein yang keberadaannya di perairan digunakan oleh hewan dan tumbuh-

tumbuhan untuk memproduksi sel. Nitrogen di atmosfir sebagian besar dalam

bentuk gas nitrogen, jumlahnya ± 78% dan sangat terbatas dalam lingkungan air.

Pada umumnya gas nitrogen ini tidak dapat dipergunakan secara langsung

oleh makhluk hidup, hanya beberapa organisme khusus yang dapat mengubahnya

ke dalam bentuk organik nitrogen dan proses yang terjadi dinamakan fiksasi.

Peran senyawa nitrogen dalam proses pertumbuhan diketahui dari bentuk serta

perubahannya yang terjadi di alam dalam suatu siklus yang disebut siklus

nitrogen. Gambar 1 menunjukkan siklus nitrogen yang terjadi di lingkungan

perairan (Manahan 1994).

Gambar 1 Siklus Nitrogen (Manahan 1994)

Senyawa nitrit merupakan bahan peralihan dalam siklus biologi. Senyawa

ini dihasilkan dari proses oksidasi biokimia amonium, tetapi sifatnya tidak stabil

karena pada kondisi aerobik terbentuk nitrit, dan dengan cepat nitrit dioksidasi

menjadi nitrat oleh bakteri nitrobacter. Nitrat dalam kondisi anaerobik direduksi

menjadi ntrit yang selanjutnya hasil reduksi tersebut dilepas sebagai gas nitrogen.

Nitrit yang ditemui pada air minum dapat juga berasal dari bahan inhibitor korosi

yang dipakai industri untuk mengalirkan air dari sistem distribusi PAM. Pada air

permukaan, konsentrasi nitrit sangat rendah, tetapi konsentrasi yang tinggi

ditemukan pada air limbah dan rawa atau tempat dimana kondisi anaerobik sering

dijumpai. Di Indonesia konsentrasi nitrat di dalam air minum tidak boleh melebihi

10 mg/L (Alerts dan Santika 1984). Proses nitrifikasi didefinisikan sebagai

konversi nitrogen amonium (N-NH4) menjadi nitrit (N-NO2) yang kemudian

menjadi nitrat (N-NO3) yang dilakukan oleh bakteri autotropik dan heterotropik

(Grady dan Lim 1980).

Proses nitrifikasi ini dapat dibagi dalam dua tahap yaitu:

1 Tahap nitritasi, merupakan tahap oksidasi ion amonium (NH4+) menjadi ion

nitrit (NO2-) oleh bakteri nitrosomonas dengan reaksi berikut:

NH4++ 1½ O2→ NO2

- + 2H

++ H2O + 2,75 KJ

Nitrosomonas

2 Tahap nitrasi merupakan tahap oksidasi ion nitrit menjadi ion nitrat (NO3-)

oleh bakteri nitrobacter dengan reaksi berikut:

NO2-+ ½O2→ NO3

-+ 75 KJ

Nitrobacter

Secara keseluruhan proses nitrifikasi adalah sebagai berikut:

NH4++ 2 O2→ NO3- + 2H

++ H2O

Menurut Arifin (1994) kedua reaksi diatas adalah reaksi eksotermik (reaksi

yang menghasilkan energi). Jika kedua jenis bakteri tersebut ada, baik di tanah

maupun di perairan maka konsentrasi nitrit akan berkurang karena nitrit dioksidasi

oleh bakteri Nitrobacter menjadi nitrat. kedua bakteri ini dikenal sebagai bakteri

autotropik yaitu bakteri yang dapat mensuplai karbon dan nitrogen dari bahan-

bahan anorganik dengan sendirinya. Bakteri ini menggunakan energi dari proses

nitrifikasi untuk membentuk sel sintesa yang baru. Sedangkan bakteri heterotropik

merupakan bakteri yang membutuhkan bahan-bahan organik untuk membangun

protoplasma. Walaupun bakteri nitrifikasi autotropik keberadaannya lebih banyak

di alam, proses nitrifikasi dapat juga dilakukan oleh bakteri jenis heterotropik

(Arthobacter) dan jamur (Aspergillus).

Horran (1990) berpendapat bahwa senyawa N-NH4+ yang ada di perairan

akan dioksidasi menjadi nitrat tetapi mengingat kebutuhan O2 yang cukup besar

maka akan terjadi penurunan oksigen di dalam perairan tersebut sehingga

mengakibatkan kondisi septik. Pada proses pengolahan senyawa N-NH4+ secara

biologis kebutuhan O2 cukup besar sehingga kebutuhan O2 yang tinggi dapat

dipenuhi dengan cara memperbesar transfer O2 ke dalam instalasi pengolahan.

Pada reaktor biofilter seperti yang digunakan dalam penelitian ini transfer O2 yang

besar dapat diperoleh dengan cara menginjeksikan udara ke dalam reaktor.

Adanya injeksi udara menggunakan blower diharapkan akan terjadi kontak antara

gelembung udara dan air yang diolah, dengan luas kontak yang sebesar-besarnya.

Miwa (1991) menyatakan ada beberapa faktor pengontrol proses nitrifikasi

dalam pengolahan air , yaitu:

1 Konsentrasi oksigen terlarut (Dissolved Oksigen)

Proses nitrifikasi merupakan proses aerob dan berjalan baik jika oksigen

terlarut > 1 mg/L.

2 Suhu

Kecepatan pertumbuhan bakteri nitrifikasi dipengaruhi oleh temperatur antara

8 – 30°C, sedangkan temperatur optimalnya sekitar 30°C.

3 pH

pH optimal bakteri nitrosomonas dan nitrobacter antara 7.5 – 8.5 dan

aktivitasnya akan mengalami penurunan pada pH di bawah 6 atau diatas 9.

2.2.5 Pengaruh Senyawa Nitrogen

Manahan (1994) mengatakan bahwa senyawa nitrogen dalam jumlah yang

berlebih dengan berbagai bentuk dalam siklusnya dapat menyebabkan

pencemaran lingkungan dan gangguan kesehatan, diantaranya:

1 Proses eutrofikasi yaitu dengan kehadiran senyawa nitrat dengan konsentrasi

tinggi dapat menstimulasi pertumbuhan ganggang dalam jumlah yang tidak

terkendali sehingga air kekurangan oksigen terlarut dan akibatnya kondisi

perairan menjadi septik.

2 Proses nitrifikasi mengakibatkan konsentrasi oksigen terlarut berkurang

sehingga mengakibatkan kerusakan kehidupan air.

3 Senyawa nitrit dapat membahayakan kesehatan karena dapat bereaksi dengan

hemoglobin dalam darah sehingga pengikatan oksigen oleh hemoglobin

terganggu (metahaemoglobin).

4 Nitrat direduksi menjadi nitrit di dalam usus manusia, sehingga dapat

menyebabkan penyakit eyanosis (metahemoglobin) terutama terjadi pada bayi

atau yang lebih dikenal dengan penyakit blue-baby.

5 Konsentrasi senyawa amonia> 1 mg/L akan menyebabkan korosi pada pipa,

terutama yang terbuat dari tembaga.

2.2.6 Padatan Tersuspensi dan Kekeruhan

Air mengandung bermacam-macam senyawa polutan baik yang tersuspensi,

berupa koloid maupun yang terlarut.Senyawa-senyawa polutan yang ada dalam air

tersebut, secara umum dapat digolongkan menjadi tiga kelompok yakni senyawa

atau zat yang terlarut (dissolved substances), padatan tersuspensi (suspended

solids, SS), dan partikel koloid (colloidal particles).Zat terlarut adalah semua

senyawa yang larut dalam air, dengan ukuran kurang dari beberapa

nanometer.Senyawa-senyawa ini umumnya berupa ion positif atau ion

negatif.Selain itu juga termasuk gas-gas yang terlarut misalnya oksigen,

karbondioksida, hidrogen sulfida dan lain-lain.Zat padat tersuspensi merupakan

senyawa bentuk padat yang berada dalam kondisi tersuspensi dalam air.Padatan

tersebut kemungkinan berasal mineral-mineral misalnya pasir yang sangat halus,

silt, lempung atau berasal dari zat organik misalnya asam humus, asam vulvat

yang merupakan hasil penguraian jasat tumbuh-tumbuhan atau binatang yang

telah mati.Di samping itu, padatan tersuspensi ini juga dapat berasal dari

mikroorganisme misalnya plankton, bakteria, alga, virus dan lain-lainnya.Semua

elemen-elemen tersebut umumnya menyebabkan kekeruhan atau warna dalam

air.Kekeruhan dalam air juga dapat disebabkan oleh keberadaan partikel koloid

dalam air. Partikel koloid hampir sama dengan padatan tersuspensi hanya

mempunyai ukuran yang lebih kecil yakni kurang dari 1 μm (mikron), dengan

kecepatan pengendapan yang sangat rendah sekali. Proses koagulasi-flokulasi

adalah merupakan proses dasar pengolahan air untuk menghilangkan padatan

tersuspensi dan partikel-partikel koloidal. Poses ini biasanya dilakukan pada tahap

akhir dari proses pemisahan zat cair dan zat padat (Degremont 1991).

Dispersi koloid dalam air merupakan partikel-partikel bebas yang tertahan

dalam air dalam bentuk suspensi.Hal ini disebabkan karena ukuran partikel yang

sangat halus (1-200 nm), hidrasi oleh air dan adanya muatan listrik

permukaan.Suatu koloid dikatakan stabil apabila tidak dapat menggumpal secara

alami.Faktor yang paling mempengaruhi stabilitas koloid dalam air adalah ukuran

partikelnya.Partikel dengan ukuran yang lebih besar, ratio luas permukaan partikel

terhadap berat partikel kecil sehingga pengendapan secara gravitasi menjadi

dominan.Beberapa contoh waktu pengendapan untuk berbagai jenis partikel dapat

dilihatseperti pada Tabel 1.

Tabel 1 Waktu pengendapan untuk berbagai macam partikel

Diameter partikel Tipe

partikel

Waktu pengendapan

dalam 1 meter air

Luas spesifik

m2/m

3 mm µm Å

10 104 10

8 Kerikil 1 detik 6.10

2

1 103 10

7 Pasir 10 detik 6.10

3

10-1

102 10

6 Pasir halus 2 menit 6.10

4

10-2

10 105 Lempung 2 jam 6.10

5

10-3

1 106 Bakteri 8 hari 6.10

6

10-4

10-1

105 Koloid 2 tahun 6.10

7

10-5

10-2

104 Koloid 20 tahun 6.10

8

10-6

10-3

103 Koloid 200 tahun 6.10

9

Sumber : Dumont (2009)

2.2.7 Efisiensi Proses Penyisihan

Perhitungan penyisihan senyawa polutan didasarkan atas perbandingan

pengurangan konsentrasi zat pada titik masuk dan keluar terhadap konsentrasi zat

di titik masuk. Tingkat efisiensi yang didapat merupakan gabungan antara hasil

asimilasi oleh mikroorganisme heterotrof dan proses biologis oleh

mikroorganisme. Perhitungan tingkat efisiensi ini dilakukan dengan menggunakan

rumus perhitungan sebagai berikut:

Eff-C = Cin - Cout

X 100 % Cin

dimana ;

Eff-C = Persentase penyisihan konsentrasi zat (%)

Cin = Konsentrasi zat dalam titik masuk (mg/L)

Cout = Konsentrasi zat dalam titik keluar (mg/L)

2.2.8 Pengertian Mikroorganisme

Menurut Lay dan Hastowo (1992), mikroorganisme atau mikroba adalah

substansi bersel satu yang membentuk koloni atau kelompok dimana satu sama

lain dalam koloni tersebut saling berinteraksi. Dalam pertumbuhannya

mikroorganisme memerlukan sumber energi, karbon dan nutrisi. Berdasarkan

kebutuhan nutrisinya bakteri dikelompokkan menjadi 3 bagian, yaitu:

1. Heterotrop yaitu bakteri yang mengambil karbon dari karbon organik saja.

2. Autotrop yaitu bakteri yang menggunakan CO2 dan HCO3- sebagai sumber

karbon tunggal.

3. Fakultatif autotrop yaitu bakteri yang menggunakan senyawa organik maupun

CO2 sebagai sumber karbon.

Lay dan Hastowo (1992) juga menyatakan bahwa bakteri memerlukan

energi untuk melakukan aktivitasnya. Berdasarkan sumber energi bakteri dapat

dibedakan menjadi:

1. Phototrop yaitu bakteri yang menggunakan cahaya sebagai sumber energi.

2. Chenamotrop yaitu bakteri yang menggunakan reaksi kimia (reaksi reduksi

oksidasi bahan organik).

Setiap jenis mikroorganisme dapat hidup baik pada rentang temperatur

tertentu. Temperatur yang paling baik utuk aktivitas mikroorganisme disebut

temperatur optimal. Berdasarkan hal itu bakteri dapat digolongkan menjadi tiga

yaitu:

1. Bakteri Psikrofil (oligotermik) yaitu bakteri yang hidup pada temperatur

antara 0oC – 30

oC dengan temperatur optimum 10

oC – 20

oC.

2. Bakteri Mesofil (mesotermik) yaitu bakteri yang hidup pada temperatur

antara 5oC – 60

oC dengan temperatur optimum 25

oC – 40

oC.

3. Bakteri Termofil (politermik) yaitu bakteri yang hidup pada suhu antara 40oC

-80oC dengan temperatur optimum 55

oC – 65

oC.

Metcalf dan Eddy (2003) menyatakan bahwa jenis-jenis mikroorganisme

yang sering dijumpai pada proses pengolahan biologis adalah bakteri, jamur,

protozoa, alga, crustacea dan virus. Sel bakteri adalah sel yang paling berperan

dan banyak dipakai secara luas di dalam proses pengolahan air baku sehingga

struktur sel mikroorganisme lainnya dapat dianggap sama dengan bakteri.

Menurut Miwa (1991), beberapa jenis dari mikroorganisme seperti bakteri,

jamur, lumut, protozoa dan invertebrata adalah habitat dalam biofilm tertentu,

walaupun demikian bakteri, jamur dan lumut biasanya merupakan mayoritas.

Bakteri dan jamur mengambil zat-zat gizi dan zat-zat lainnya, sedangkan protozoa

dan invertebrata diharapkan hidup dari mereka. Kematian biomassa dari

mikroorganisme akan diuraikan oleh bakteri dan di dalam biofilm tersebut ada

sejenis rantai makanan.

2.2.9 Pengolahan Biologis

Miwa (1991) mengatakan bahwa di dalam proses pengolahan air yang

mengandung polutan senyawa organik, teknologi yang digunakan sebagian besar

menggunakan aktifitas mikroorganisme untuk menguraikan senyawa polutan

organik tersebut. Proses pengolahan air limbah dengan aktifitas mikroorganisma

biasa disebut dengan proses biologis. Proses pengolahan secara biologis dapat

dilakukan pada kondisi aerobik (dengan udara), kondisi anaerobik (tanpa udara)

atau kombinasi anaerobik dan aerobik. Proses biologis aeorobik biasanya

digunakan untuk pengolahan air dengan beban BOD yang tidak terlalu besar,

sedangkan proses biologis anaerobik digunakan untuk pengolahan air dengan

beban BOD yang sangat tinggi. pengolahan air yang mengandung polutan zat

organik dapat dilakukan secara biologis. Pada prinsipnya proses biologis akan

mengubah bahan-bahan pencemar yang berbentuk koloid atau terlarut yang ada

didalam air baku menjadi bentuk lain dalam bentuk gas, maupun jaringan sel yang

dapat dipisahkan dengan proses fisis seperti pengendapan. Begitupun juga dengan

Pelezar dan Chan (1996) mengatakan bahwa pengolahan biologis didefinisikan

sebagai proses pemurnian sendiri di dalam air dengan penyesuaian kondisi yang

sesuai untuk meningkatkan efisiensi. Dalam beberapa penelitian kualitas air

sungai menyatakan apabila zat pencemar dibuang pada hulu mengalir ke hilir

melalui sungai, dengan berjalannya waktu sejumlah konsentrasi polutan akan

berkurang, hilang atau tereduksi pada derajat konsentrasi tertentu, gejala ini

dikenal dengan pemurnian sendiri oleh sungai (self cleaning service). Aktivitas ini

berjalan alami, mikroorganisme sebagai peran utama pada proses penyisihan ini

tumbuh, menempel pada permukaan kerikil dan tumbuhan air di sungai.

Pengolahan air limbah secara bilogis secara garis besar dapat dibagi menjadi

tiga yakni proses biologis dengan biakan tersuspensi (suspended culture), proses

biologis dengan biakan melekat (attached culture) dan proses pengolahan dengan

sistem lagoon atau kolam. Proses biologis dengan biakan tersuspensi

menggunakan aktifitas mikro-organisme untuk menguraikan senyawa polutan

yang ada dalam air dan mikro-organime yang digunakan dibiakkan secara

tersuspesi di dalam suatu reaktor. Beberapa contoh proses pengolahan dengan

sistem ini antara lain : proses lumpur aktif standar/konvesional (standard

activated sludge), step aeration, contact stabilization, extended aeration,

oxidation ditch (kolam oksidasi sistem parit) dan lainya. Proses biologis dengan

biakan melekat berbeda dengan biakan tersuspensi dimana proses pengolahan air

dimana mikro-organisme yang digunakan dibiakkan pada suatu media sehingga

mikroorganisme tersebut melekat pada permukaan media. Proses ini disebut juga

dengan proses film mikrobiologis atau proses biofilm. Beberapa contoh teknologi

pengolahan air limbah dengan cara ini antara lain : trickling filter, biofilter

tercelup, reaktor kontak biologis putar (rotating biological contactor, RBC),

contact aeration/oxidation (aerasi kontak) dan lainnnya (Bitton 1994). Secara

garis besar klasifikasi proses pengolahan air limbah secara biologis dapat dilihat

pada Gambar2.

Gambar 2 Proses pengolahan air secara biologis (Bitton 1994)

2.2.10 Teknologi Fixed Bed Reactor

Dalam proses pengolahan air yang mengandung polutan senyawa organik,

teknologi yang digunakan sebagian besar menggunakan aktivitas mikroorganisme

untuk menguraikan senyawa organik polutan tersebut (Miwa 1991). Fixed bed

reactor adalah reaktor berbentuk pipa besar yang didalamnya berisi katalisator

padat. Bisanya digunakan untuk reaksi fasa gas atau cair dengan katalisator

padat.Katalisator disini digunakan sebagai media pertumbuhan

mikroorganisme.Cara pemurnian limbah dengan bantuan bahan pengendali

biologis yang sangat efektif dan tidak membahayakan perairan maupun

mencemari perairan.

Fixed bedreactor biasanya terdiri dari katalis partikel padat (stationary

solid catalyst particle) yang bereaksi dengan aliran fluida. Aliran fluida bisa

berupa gas atau liquid (atau campuran keduanya) (Elma2010).Keuntungan

penggunaan fixed bed reactor, antara lain relatif stabil terhadap perubahan

kualitas influen dan keberadaan senyawatoksik, konsentrasi biomassa yang tinggi

dan waktu retensi solid yang panjang dapat dicapai (Malone and Timothy 2006),

mudah dalam proses aklimatisasi dan mampu mengatasi influen limbah yang

bervariasi tanpa kesalahan proses (Umana 2008).

Salah satu penjelasan mengenai peningkatan aktivitas biodegradasi yaitu

dimulai dengan peningkatan jumlah dari konsentrasi biomassa dalam

pertumbuhan sistem.Aktivitas yang tinggi ini juga dilengkapi untuk meningkatkan

konsentrasi dari nutrien yang melekat di dalam biofilm.(Madigan1997).

Sehubungan dengan bentuknya yang berlumpur, biofilm tersebut menjerab zat

partikulat dari pengolahan air, jadi konsentrasi nutrien dalam biofilm biasanya

lebih tinggi dibandingkan air yang bebas dari kandungan organik. Tingginya

konsentrasi nutrien dapat menyebabkan tinggi pula laju pertumbuhan

mikroorganisme dan mempertinggi aktivitas degradasi.Penjelasan mengenai

peningkatan aktivitas biodegradasi lainnya dapat dilihat dari perbedaan fisik

antara lekatan dan suspensi mikroorganisme.Perbedaan ini dapat menunjukkan

kecepatan laju pertumbuhan, aktivitas metabolik yang meningkat, dan hambatan

besar atau keracunan (Cohen 2000).

Menurut Bitton (1994), mekanisme proses metabolisme di dalam sistem

biofilm dalam suasana aerobik secara sederhana dapat dilihat pada Gambar3.

Gambar3 Mekanisme metabolisme di dalam reactor (Bitton 1994)

Gambar ini menunjukkan suatu sistem metabolisme yang terdiri dari

medium penyangga, lapisan biofilm yang melekat pada pada medium, lapisan air

yang diolah dan lapisan udara yang terletak di luar. Senyawa polutan yang ada di

dalam air seperti amonium, nitrat, phospor, dan senyawa organik lainnya akan

terdifusi ke dalam lapisan atau film biologis yang melekat pada permukaan

medium. Pada saat yang bersamaan dengan menggunakan oksigen yang terlarut di

dalam air, senyawa polutan tersebut akan diuraikan oleh mikroorganisme yang

ada di dalam lapisan biofilm dan energy yang dihasilkan akan diubah menjadi

biomassa. Suplai oksigen pada lapisan biofilm dapat dilakukan dengan beberapa.

Cara misalnya pada sistem RBC yakni melalui kontak dengan udara luar, pada

sistem trickling filter dengan aliran balik udara, sedangkan pada sistem fixed

bedreactor tercelup dengan mengunakan blower udara dan dibantu dengan pompa

sirkulasi.

Di dalam proses biologis ini apabila ini apabila lapisan biofilm cukup

tenang, maka pada bagian luar lapisan biofilm akan berada dalam kondisi aerobik

sedangkan pada bagian dalam biofilm yang melekat pada medium akan berada

dalam kondisi anaerobik. Pada kondisi anaerobik akan terbentuk gas H2S,dan jika

konsentrasi oksigen terlarut cukup besar maka gas H2S yang terbentuk tersebut

akan diubah menjadi sulfat (SO4) oleh baktri sulfat yang ada di dalam biofilm.

Pada zona aerobik, nitrogen-amonium akan diubah menjadi nitrit dan nitrat

kemudian pada zona anaerobik nitrat yang terbentuk mengalami proses

denitrifikasi menjadi gas nitrogen. Dalam proses biologis terjadi kondisi aerobik

dan anaerobik pada saar bersamaan , oleh karena itu dengan sistem biofilm ini

proses penyisihan senyawa nitrogen menjadi lebih mudah (Bitton 1994).

Menurut Metcalf dan Eddy (2003) proses metabolisme pada

mikroorganisme adalah sebagai berikut:

Oksidasi

COHNS + O2 + bakteri CO2 + NH3 + produk +energy akhir (Materi organik)

Sintesa

COHNS + O2 + bakteri + energi C5H7NO2(Materi organik)

Respirasi

C5H7NO2 + 5 O2 5 CO2 + NH3 + 2H2O + energi

Pelezar dan Chan (1996) mengatakan bahwa pengolahan biologi efektif

dalam menyisihkan bahan-bahan organik. Beberapa factor yang mempengaruhi

efisiensi proses pengolahan antara lain:

1. Suhu (temperatur) air

Suhu optimal antara 20oC-30

oC dan efisiensi pengolahan akan berkurang pada

temperature yang lebih rendah atau lebih tinggi.

2. Nilai pH

Nilai pH optimal antara 7-7,5

3. Oksigen terlarut

Oksidasi dan penguraian dari zat-zat organik, nitrifikasi amonia dengan

mikroorganisme membutuhkan oksigen, sehingga apabila menginginkan

efisiensi lebih tinggi perlu ditambahkan aerasi atau suplai udara.

4. Penghambat

Kehadiran dari beberapa pencemar seperti logam berat, minyak, zat organik

berbahaya, tanah dan pasir halus yang tersuspensi menutup lapisan biofilm

dapat menghambat aktivitas biologis.Sehingga efisiensi pengolahan berkurang.

5. Frekuensi kontak

Frekuensi kontak dapat diartikan sebagai kapasitas pengolahan per unit luas

permukaan biofilm. Frekuensi kontak antara air yang akan diolah dengan

biofilm semakin tinggi maka efisiensi penyisihan akan meningkat.

Dalam proses pengolahan air yang mengandung polutan senyawa organik,

teknologi yang digunakan sebagian besar menggunakan aktivitas mikroorganisme

untuk menguraikan senyawa organik polutan tersebut (Miwa 1991). Fixed bed

reactordidefinisikan sebagai suatu tube silindrikal yang dapat diisi dengan

partikel-partikel katalis. Selama operasi, gas atau liquid atau keduanya akan

melewati tube dan partikel-partikel katalis, sehingga akan terjadi reaksi, baik reksi

kimia maupun raksi biologis (Yariv 2001). Katalisator disini digunakan sebagai

media pertumbuhan mikroorganisme. Cara penanganan limbah dengan bantuan

bahan pengendali biologis sangat efektif dan tidak membahayakan perairan

maupun mencemari perairan.

Fixed bed reactorbiasanya terdiri dari katalis partikel padat (stationary solid

catalyst particle) yang bereaksi dengan aliran fluida. Aliran fluida bisa berupa gas

atau liquid (atau campuran keduanya) (Elma 2010). Keuntungan penggunaan fixed

bed reactor, antara lain relatif stabil terhadap perubahan kualitas influen dan

keberadaan senyawa toksik, konsentrasi biomassa yang tinggi dan waktu retensi

solid yang panjang dapat dicapai, mudah dalam proses aklimatisasi dan mampu

mengatasi influen limbah yang bervariasi tanpa kesalahan proses (Umana et al.

2008).

Biofilm heterogen biasa tumbuh di dalam media yang digunakan bioreaktor.

Biofilm tersebut dapat menyebabkan korosif bila berada di air permukaan, namun

pada bioreaktor-bioereaktor tertentu biofim ini menjadi sesuatu yang

menguntungkan seperti pada bioreaktor trickling filters, submerged, aerated fixed

bed reactors, dan rotating disc reactors (Wiesmann et al.2007).

Fixed bed reactorberoperasi secara aerobik dimana pada area bawah reaktor

terdapat aerator, fixed bed reactorini memproduksi aliran dua fase pada sistem

tiga fase dengan aliran naik ke atas (up flow) (Westerman 2006). Biomassa yang

terdapat dalam bioreaktor ini dapat melekat pada permukaan media dan juga

tersuspensi didalam air seperti flok. Hal yang tidak mudah untuk menghindari

hambatan pada daerah biofilm yang memiliki ketebalan yang besar dan dengan

laju alir yang rendah. Sehingga fixed bed reactorharus dibersihkan sewaktu-waktu

dengan meningkatkan laju alir air (Schulz dan Menningmann 1999).

Dalam rangka meningkatkan efisiensi penyisihan bahan organik dan kotoran

yang berada dalam air (influent) dibutuhkan laju bioreaksi yang rendah dalam

reaktor yang memiliki biofilm di dalamnya sehingga dibutuhkan juga laju substrat

yang rendah.Tujuan lainnya yaitu untuk mengontrol kesatabilan biofilm karena

adanya aliran air ke dalam biofilm tersebut (Martinov et al.2010). Menurut

Blackwell (2010), energi yang digunakan pada bioreaktor dengan sistem aerasi

(sehingga terbentuk gas dalam CO2) dalam pengolahan limbah cair memiliki

empat fungsi utama, yaitu untuk menghilangkan karbon (senyawa organik),

proses nitrifikasi, menghillangkan phosphor, pencuci hama, menghilangkan

kotoran berupa mikroorganisme.

Grady dan Lim (1980) menyatakan ada beberapa keuntungan dari jenis

reaktor biofilter ini antara lain:

1. Pengoperasiannya mudah

Di dalam proses pengolahan air sistem biofilm, dengan dilakukan ataupun

tanpa dilakukan sirkulasi lumpur tidak menimbulkan masalah bulking seperti

yang terjadi pada proses dengan biakan tersuspensi misalnya pada sistem

lumpur aktif, oleh karena itu pengelolaannya lebih mudah.

2. Lumpur yang dihasilkan sedikit

Lumpur yang dihasilkan proses biofilm relatif lebih kecil dibandingkan

dengan proses lumpur aktif, dimana 30–60% dari organik yang dihilangkan

diubah menjadi lumpur aktif (biomasa) sedangkan pada proses biofilm hanya

sekitar 10-30%. Hal ini disebabkan karena pada proses biofilm rantai

makanan lebih panjang dan melibatkan aktifitas mikroorganisme dengan orde

yang lebih tinggi dibandingkan pada proses lumpur aktif.

3. Tepat untuk mengolah air dengan konsentrasi polutan rendah maupun tinggi.

Proses pengolahan air dengan sistem biofilm ini mikroorganisme melekat

pada permukaan media penyangga, sehingga pengontrolan proses pengolahan

terhadap aktivitas mikroorganisma lebih mudah. Proses biofilm cocok

digunakan untuk mengolah air limbah dengan konsentrasi rendah sampai

konsentrasi tinggi.

4. Tahan terhadap fluktuasi jumlah air baku maupun konsentrasi polutan

Mikroorganisma dalam proses biofiltrasi melekat pada permukaan unggun

media, akibatnya konsentrasi biomassa mikroorganisme persatuan luas atau

volume media relatif besar sehingga tahan terhadap fluktuasi beban organik

maupun fluktuasi beban hidrolik.

5. Pengaruh penurunan suhu terhadap efisiensi pengolahan kecil

Jika suhu air baku turun aktifitas mikroorganisme berkurang, tetapi oleh

karena didalam proses biofilm substrat maupun enzim dapat terdifusi sampai

ke bagian dalam lapisan biofilm dan lapisan biofilm cukup tebal maka

pengaruh penurunan suhu (suhu rendah) tidak begitu besar.

2.2.11 Biofilm

Biofilm adalah kumpulan selmikroorganisme, khususnya bakteri, yang

melekat di suatu permukaan dan diselimuti oleh pelekat karbohidrat yang

dikeluarkan oleh bakteri.Biofilm terbentuk karena mikroorganisme cenderung

menciptakan lingkungan mikro dan relung (niche) mereka sendiri.Biofilm

memerangkap nutrisi untuk pertumbuhan populasi mikroorganisme dan

membantu mencegah lepasnya sel-sel dari permukaan pada sistem yang

mengalir.Permukaan sendiri adalah habitat yang penting bagi mikroorganisme

karena nutrisi dapat terjerap pada permukaan sehingga kandungan nutrisinya

dapat lebih tinggi daripada di dalam larutan.Konsekuensinya, jumlah dan aktivitas

mikrobaa pada permukaan biasanya lebih tinggi daripada di air.Bukti-bukti

menunjukkan bahwa pembentukan biofilm lebih disukai oleh mikroorganisme,

dan hampir semua permukaan yang terkena kontak dengan mikroba dapat

mendukung pembentukan biofilm. Selain bakteri, mikroorganisme lainnya seperti

alga dan khamir (fungi bersel satu) juga dapat membentuk biofilm (Madigan et al.

2006)

Biofilm terbentuk karena prakarsa koloni bakteri dan sianobakteri yang

melekat pada batuan tersebut.Sampai saat ini, fosil tersebut adalah fosil organisme

hidup tertua yang diketahui sehingga biofilm diperkirakan sudah ada pada awal

mula kehidupan di bumi.Komposisi biofilm terdiri dari sel-sel mikroorganisme,

produk ekstraseluler, detritus, polisakarida sebagai bahan pelekat, dan air yang

adalah bahan penyusun utama biofilm dengan kandungan hingga 97% (Rodser et

al. 2004).Polisakarida (polimer dari monosakarida atau gula sederhana) yang

diproduksi oleh mikroba untuk membentuk biofilm termasuk eksopolisakarida

(EPS) yaitu polisakarida yang dikeluarkan dari dalam sel. EPS yang disintesis

oleh sel mikrobaa berbeda-beda komposisi dan sifat kimiawi dan

fisikanya.Beberapa adalah makromolekul yang bersifat netral, namun mayoritas

bermuatan karena keberadaan asam uronat (Asam D-glukuronat), Asam D-

galakturonat, dan Asam D- manuroniat. Ada biofilm yang bersifat kaku karena

EPS-nya terdiri dari ikatan ß-1,4 atau ß-1,3 glikosida (ikatan monosakarida

monomer penyusun polisakarida) seperti EPS xanthan gum yang dihasilkan oleh

Xanthomonas campestris tetapi ada juga yang bersifat fleksibel karena memiliki

ikatan α-1,2 atau α-1,6 glikosida yang banyak ditemukan pada dekstran. Beberapa

contoh EPS selain xanthan gum adalah asam kolanat yang diproduksi oleh

Escherichia coli, alginat oleh P. aeruginosa, dan galaktoglukan oleh Vibrio

cholerae. Bahan-bahan penyusun biofilm yang lain contohnya adalah protein,

lipid, dan lektin (Prescott et al. 2002).

Struktur dari suatu biofilm adalah unik tergantung dari lingkungan

tempatnya berada, contohnya adalah kandungan nutrisi dan keadaan fisik.Selain

itu, di alam, sangat jarang terdapat biofilm yang hanya terdiri dari satu spesies,

biasanya biofilm tersusun dari beberapa spesies dalam lapisan-lapisan yang

berbeda (Romeo 2008).Mikroorganisme fotosintetik ada di permukaan paling

atas, mikroorganisme kemoorganotrof anaerob fakultatif di bagian tengah,

sedangkan di bagian dasar adalah mikroorganisme anaerob pereduksi sulfat. Pada

bagian atas, cahaya matahari lebih mudah didapat sehingga dapat digunakan

untuk fotosintesis, sedangkan bagian tengah dapat dihuni oleh mikroba

kemoorganotrof fakultatif anaerob karena dapat mentolerir kandungan udara yang

sedikit serta banyak dapat mengakses bahan organik sebagai sumber energinya

(Zhang et al. 1998).

Pada bagian dasar, tidak terdapat kandungan udara sehingga mikroba

anaerob pereduksi sulfat dapat tumbuh dan energi dengan cara mereduksi sulfat.

Pemodelan habitat mikroba-mikroba tersebut dapat diamati menggunakan Kolom

Winogradsky. Struktur biofilm yang lebih kompleks dapat berbentuk empat

dimensi (x,y,z, dan waktu) dengan agregat sel, pori-pori, dan saluran penghubung.

Tergantung dari kondisi lingkungannya, biofilm dapat menjadi sangat besar dan

tebal sehingga dapat dilihat dengan mata telanjang contohnya pada lingkungan air

laut dapat terbentuk stromatolit.Struktur dan ukuran biofilm sangat bergantung

pada konsentrasi substrat (Rigent et al. 1999).

Gambar 4 Pembentukan biofilm (Rigent et al. 1999)

Komunikasi antar sel penting bagi perkembangan dan pemeliharaan

biofilm.Pelekatan suatu sel pada suatu permukaan adalah hasil dari sinyal untuk

mengekspresikan gen-gen pembentuk biofilm.Gen-gen ini mengkodekan protein-

protein untuk mensitensis sinyal komunikasi antarsel dan memulai pembentukan

polisakarida. Pada bakteri gram negatif seperti Pseudomonas aeruginosa, molekul

sinyal yang utama adalah komponen yang disebut homoserin lakton yang

berfungsi sebgai agen kemostatik untuk mengumpulkan sel-sel P. aeruginosa

yang berdekatan (melalui mekanisme quorum sensing) dan membentuk biofilm.

Ada 5 tahap pembentukan biofilm yaitu:

1. Pelekatan awal: mikroba melekat pada permukaan suatu benda dan dapat

diperantarai oleh fili (rambut halus sel) contohnya pada P.aeruginosa.

2. Pelekatan permanen: mikroba melekat dengan bantuan eksopolisakarida

(EPS).

3. Maturasi I: proses pematangan biofilm tahap awal.

4. Maturasi II: proses pematangan biofilm tahap akhir, mikroba siap untuk

menyebar.

5. Dispersi: Sebagian bakteri akan menyebar dan berkolonisasi di tempat lain

(Stoodley et al. 1999).

Alasan bakteri membentuk biofilm adalah karena daya tahan hidup/sintasan

(survival) meningkat dan pertumbuhan menjadi lebih baik (Wimpenny dan

Colasanti 1997). Setidaknya ada empat alasan yang mendasari hal tersebut:

1. Pertahanan

Biofilm berfungsi sebagai mekanisme pertahanan bagi bakteri dengan cara

meningkatkan resistensi terhadap gaya fisik yang dapat menyapu bersih sel-

sel yang tidak menempel, fagositosis oleh sel-sel sistem imun (kekebalan)

tubuh, dan penetrasi dari senyawa beracun seperti antibiotik. Bakteri di dalam

biofilm lebih resisten 10-1.000 kali dibandingkan bila tidak di dalam biofilm.

2. Pelekatan pada relung

Dengan menggunakan biofilm, bakteri dapat melekat pada permukaan yang

kaya akan nutrisi seperti jaringan sel hewan, atau permukaan substrat pada

sistem yang mengalir contohnya permukaan batu di dalam aliran air.

3. Kolonisasi

Pembentukan biofilm membantu sel-sel bakteri untuk hidup berdekatan dan

membentuk koloni.Contohnya adalah Pseudomonas aeruginosa yang

berkoloni dengan biofilm sehingga memfasilitasi komunikasi antar sel dengan

molekul sinyal, dan meningkatkan peluang pertukaran materi genetik. Di

alam, biofilm adalah cara hidup alami bagi beberapa bakteri tertentu dengan

alasan terbatasnya nutrisi, tidak seperti medium buatan yang kaya akan nutrisi

bagi bakteri.

Tabel 2 Jenis bakteri pembentuk biofilm pada air dan limbah cair

Bakteri gram positif Bakteri gram negatif Mikroorganisme lain

Corynebacterium spp. Acinetobacter spp. Candida spp.

Enterococcus spp. Escherichia coli Candida albicans

Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa Candida tropicalis

Streptococcus pneumoniae Serratia marcescens Mycobacterium chelonae

4. Pengolahan limbah

Pemanfaatan biofilm untuk mengolah limbah sudah diaplikasikan saat ini

contohnya untuk mengolah limbah cair.Pada biofilm di fasilitas pengolahan

limbah cair, terdapat berbagai macam mikroba yang dapat menguraikan

senyawa-senyawa baik organik maupun inorganik pada limbah.Misalnya saja

bakteri pengoksidasi sulfur (S) yang berperan untuk mendaur ulang sulfur,

lalu bakteri pengikat Uranium (U) yaitu Desulfovibrio desulfuricans.Alat

yang digunakan untuk mengolah limbah dengan biofilm berupa bioreaktor

yang memiliki biofilm contohnya sequencing batch biofilm reactor (SBBR).

2.2.12 Media pada Fixed Bed Reaktor

2.2.12.1 Batu Apung

Batu Apung Batu apung (pumice) adalah jenis batuan yang berwarna terang,

mengandung buih yang terbuat dari gelembung berdinding gelas, dan biasanya

disebut juga sebagai batuan gelas volkanik silikat. Batuan ini terbentuk dari

magma asam oleh aksi letusan gunung api yang mengeluarkan materialnya ke

udara, kemudian mengalami transportasi secara horizontal dan terakumulasi

sebagai batuan piroklastik. Batu apung mempunyai sifat vesicular yang tinggi,

mengandung jumlah sel yang banyak (berstruktur selular) akibat ekspansi buih

gas alam yang terkandung di dalamnya, dan pada umumnya terdapat sebagai

bahan lepas atau fragmen-fragmen dalam breksi gunung api (Fauzi2010). Menurut

Dinas Pertambangan dan Energi Propinsi Sumatera Utara (2009) komposisi kimia

dari batu apung adalah sebagai berikut : CaO = 2.86%, MgO = 2.57%, Al2O3 =

17.59%, SiO2 = 60.56%, Fe2O3 = 4.08%.

Batu apung ini mempunyai sifat hydraulis. Pumice berwarna putih abu-abu,

kekuningan sampai merah, tekstur vesikuler dengan ukuran lubang yang

bervariasi baik berhubungan satu sama lain atau

tidak struktur skorious dengan lubang yang terorientasi. Kadang-

kadang lubang tersebut terisi oleh zeolit atau kalsit. Batuan ini tahan terhadap

pembekuan embun (frost), tidak begitu higroskopis (mengisap air).Mempunyai

sifat pengantar panas yang rendah dan kekuatan tekan antara 30-20

kg/cm2(Wesley 2001).

2.2.12.2 Media Biakan Kemasan Plastik Tipe Sarang Tawon

Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme pada media

biakan (penyangga) adalah kecepatan aliran bentuk, jenis dan konfigurasi media.

Media biakan yang baik harus mempunyai beberapa syarat antara lain :

1. Luas permukaan besar

2. Tidak bersifat racun (toksik) terhadap mikroorganisme

3. Sifat fisika dan kimia stabil

4. Celah difusi udara dapat dilewati oleh lapisan biofilm yang mati dan terlepas.

Media yang digunakan dapat berupa kerikil, batu pecah (split), media

plastik (polivinil klorida), dan partikel karbon aktif dan lainnya. Media yang

sering digunakan pada proses biologis khususnya biofilter adalah media plastik

tipe sarang tawon. Kelebihan media plastik tipe sarang tawon ini antara lain :

1. Luas permukaan per satuan volume (luas spesifik) besar antara 85-226 m2/m

3

2. Volume rongga besar (±95%) sehingga resiko kebuntuan kecil

3. Ringan, mudah diaplikasikan dan dapat disusun sampai ketinggian 10 m.

Di dalam reaksi biofilter, mikroorganisme tumbuh melapisi keseluruhan

permukaan media dan pada saat beroperasi air mengalir melalui celah-celah media

kemudian kontak dengan lapisan mikroba (biofilm). Proses awal pertumbuhan

mikroba dan pembentukan lapisan film pada media membutuhkan waktu 14-60

hari, yang dikenal dengan proses pematangan (Watten 2006). Pada awalnya

tingkat efisiensi penyisihan sangat rendah yang kemudian akan mengalami

peningkatan setelah terbentuknya lapisan film biologis. Mekanisme perpindahan

masa yang terjadi pada permukaan media dinyatakan sebagai berikut :

1. Difusi substansi air (mengandung polutan) ke dalam masa mikroba yang

melapisi media

2. Reaksi peruraian bahan organik maupun anorganik oleh mikroba

3. Difusi hasil penguraian ke luar dari badan air yang mengandung polutan.

2.3 Kerangka Pemikiran

Sejalan dengan pertambahan jumlah penduduk, air baku mengalami

penurunan kualitas sehingga sumber air baku berupa air sungai di beberapa

tempat sudah tidak memenuhi kriteria mutu air baku. Penurunan kualitas air baku

menyebabkan pemakaian bahan kimia untuk proses koagulasi meningkat sehingga

biaya pengolahan semakin mahal. Zat pencemar yang berasal dari limbah

domestik maupun industri seperti organik, amonia, nitrit dan nitrat dapat direduksi

dengan proses biologis. Penerapan perlakuan pendahuluan air baku menggunakan

teknologi fixed bed reactordengan beberapa media yang diberikan berupa media

batu apung,plastik komersil dan plastik AMDK diharapkan dapat mereduksi zat

pencemar, sehingga kualitas air baku meningkat dan pemakaian bahan kimia

dapat ditekan sehingga biaya operasional lebih murah.

Indikator keberhasilan pada teknologi fixed bed reactoryang dilakukan ini

dapat ditentukan dengan cara melihat efisiensi reduksi polutan, kecepatan reduksi

polutan yang berkaitan dengan waktu tinggal hidrolik yang paling singkat namun

efisiensi penyisihan zat pencemarnya tinggi, serta kualitas hasil air olahan dilihat

dari beberapa parameter yang diamati. Berdasarkan uraian kerangka pemikiran di

atas kemudian dirumuskan dalam bentuk diagram alir seperti disajikan dalam

Gambar4.

Limbah pertanian,

peternakan,

perikanan, dll.

Limbah industri Limbah domestik

Pencemaran

Air sungai

Penerapan Fixed

bed reactor

-kualitas air

olahan meningkat

-biaya pengolahan

turun

Gambar5 Bagan kerangka pemikiran