defenisi proses nitrifikasi dan denitrifikasi serta aplikasinya dalam studi kasus.

1. TUGAS UNIT PROSES
“NITRIFIKASI & DENITRIFIKASI”
OLEH :
KELOMPOK VI
DELIA PUTRI 0910941007
UTAMI LANGGA SARI HSB 0910942037
IHSAN APRIS 1010942013
JEFRI KURNIAWAN 1010942013
DOSEN:
Dr. PUTI SRI KOMALA
JURUSAN TEKNIK LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2013

2. BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Amoniak berasal dari nitrogen organik yang diuraikan oleh organisme heterotrop,
yaitu organisme yang membutuhkan nutrientnya dalam bentuk senyawa organik
dan memperoleh energi dengan cara mengoksidasi senyawa organik tersebut.
Nitrogen organik berasal dari beberapa sumber antara lain limbah domestik yang
termasuk didalamnya sampah, kotoran manusia dan binatang, kemudian berasal
dari limbah industri dan dapat pula berasal dari air alam yang terpapar oleh sisa-sisa
tumbuhan.
Limbah industri merupakan sumber terbesar yang mengalirkan nitrogen organik
ke dalam sistem perairan, industri yang banyak mengeluarkan buangan nitrogen
adalah jenis-jenis industri kimia yang memproduksi senyawa nitrogen atau
menggunakan bahan baku senyawa nitrogen atau unsur-unsur biologis seperti
binatang dan bahan makanan.
Mengingat perkembangan industri di Indonesia maka sudah saatnya dilakukan
pengkajian dan penelitian pengolahan limbah, khususnya limbah amoniak yang
lebih sesuai dengan kondisi lingkungan perindustrian di Indonesia.
Cara yang yang paling ekonomis adalah dengan proses biologis, salah satunya
yaitu dengan proses nitrifikasi dan denitrifikasi.
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah :
1. Memenuhi tugas mata kuliah Unit Proses pada Semester VI di Jurusan Teknik
Lingkungan Universitas Andalas;
2. Memahami lebih dalam mengenai proses biologi pada Unit Proses dalam
pengolahan air bersih dan air buangan, yaitu nitrifikasi dan denitrifikasi. Selain
itu juga untuk mengetahui seberapa efektif nitrifikasi dan denitrifikasi pada unit
proses dan mengetahui faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi prosesnya.

3. BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
+
pada pH
Amoniak (NH3) merupakan senyawa nitrogen yang menjadi NH4
rendah yang disebut dengan ammonium. Amoniak dalam air permukaan berasal
dari air seni, tinja serta penguraian zat organik secara mikrobiologis yang berasal
dari air alam atau air buangan industri ataupun limbah domestik. Besarnya
kandungan amoniak pada air permukaan tergantung pada beberapa faktor yaitu
sumber asalnya amoniak, keberadaan tanaman air yang menyerap amoniak ,
konsentrasi oksigen dan temperatur .
Konsentrasi amoniak dapat berubah-ubah sepanjang tahun. Pada musin panas
konsentrasi senyawa ini dapat sangat rendah, hal ini disebabkan amoniak
diserap oleh tumbuhan, disamping itu temperatur air yang tinggi dapat
mempercepat proses nitrifikasi. Sedangkan pada musim dingin yaitu pada saat
suhu rendah pertumbuhan bakteri berkurang sehingga proses nitrifikasi berjalan
lambat yang menyebabkan konsentrasi amoniak pada sungai tinggi.
Amoniak dapat menyebabkan kondisi toksik bagi kehidupan perairan. Masalah
polusi yang timbul sebagai akibat dari limbah nitrogen antara lain :
1) Dissolved Oxygen Depletion
Dissolved Oxygen Depletion adalah proses pengurangan oksigen terlarut dalam
air yang terjadi karena konsumsi oksigen terlarut oleh aktivitas mikroba. Secara
garis besar, pengurangan ini dapat ditinjau dari 2 mekanisme yaitu pertama, ion
ammonium dioksidasi menjadi ion nitrit, dan ion nitrit dioksidasi menjadi ion nitrat.
Yang kedua, ion ammonium, nitrit, dan nitrat merupakan nutrient nitrogen untuk
pertumbuhan lingkungan air, khususnya algae. Ketika algae mati, maka oksigen
terlarut digunakan oleh bakteri untuk mendekomposisikan material organik
tersebut.
2) Toxicity
Toxicity adalah racun yang diakibatkan oleh adanya ion ammonium, nitrit, nitrat
dikehidupan perairan terutama ikan. Ion nitrit adalah yang paling beracun.
Meskipun ion ammonium merupakan nutrient nitrogen yang paling disukai oleh
kebanyakan organisme, namun ion ammonium akan berubah menjadi ammonia
dengan meningkatnya pH. Ammonia ini yang dapat meracuni kehidupan air.

4. 3) Eutrophication
3-) merupakan sumber utama proses eutrofikasi, namun
Meskipun posphat (PO4
limbah nitrogen juga mempunyai kontribusi terhadap masalah ini. Eutrofikasi
adalah pelepasan nutrisi tumbuhan, khususnya yang mengandung phospor dan
nitrogen dimana kuantitasnya tidak diinginkan dalam badan air, seperti danau
dan kolam. Kehadiran nutrisi tumbuhan tersebut akan meningkatkan
pertumbuhan algae. Ketika algae ini mati maka badan air akan dipenuhi oleh
sejumlah algae yang tidak terdekomposisi.
4) Methemoglobinemia
Methemoglobinemia atau biasa disebut baby blue syndrome merupakan penyakit
yang dialami oleh bayi karena mengkonsumsi air tanah yang telah
terkontaminasi oleh nitrit. Jika seorang bayi mengkonsumsi makanan / minuman
yang terbuat dari air tanah yang telah terkontaminasi oleh ion nitrat, ion tersebut
sangat mudah untuk diubah menjadi ion nitrit di dalam pencernaan bayi. Ion nitrit
akan masuk kedalam sistem peredaran darah secara cepat, dan berikatan
dengan besi dalam hemoglobin atau sel darah merah. Kehadiran ion nitrit akan
menghambat aliran oksigen dalam hemoglobin melewati jantung. Kekurangan
oksigen akan membuat tubuh bayi menjadi biru. Jika kekurangan oksigen terjadi
di otak bayi maka bisa terjadi kematian.
2.2 Siklus Nitrogen
Senyawa nitrogen merupakan senyawa yang sangat penting dalam kehidupan,
karena nitrogen merupakan salah satu nutrien utama yang berperan dalam
pertumbuhan organisme yang hidup. Senyawa ini juga merupakan komponen
dasar protein yang keberadaannya di perairan digunakan untuk memproduksi sel
oleh hewan dan tumbuh-tumbuhan.
Jumlah nitrogen yang terdapat di atmosfir, paling banyak berada dalam bentuk
gas nitrogen sebesar 78 %. 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.
dapat diikat oleh sejumlah bakteri dan alga. Nitrogen organik yang disintesa oleh
tumbuhan dan alga merupakan sumber nitrogen bagi hewan. Dalam
metabolismenya hewan akan membuang nitrogen dan senyawa-senyawa lain,
senyawa tersebut kemudian dimineralisasi oleh mikroorganisme dan nitrogen

5. akan dilepaskan sebagai amoniak. Proses yang sama juga akan terjadi jika
tumbuh-tumbuhan dan hewan mati dan akan mengalami dekomposisi. Proses
pelepasan amoniak ini disebut juga dengan amonifikasi. Amoniak sangat
berguna bagi tumbuhan dan mikroorganisme untuk asimilasi menjadi sel baru
yang memberikan lebih banyak nitrogen organik.
Senyawa nitrat dan amoniak dalam air digunakan oleh tumbuhan dan
mikroorganisme dalam proses biosintesis (asimilasi) untuk membentuk sel baru
yang akan menghasilkan nitrogen organik.
-
+ 8H2O → 4NH3 + 4O2 + 4OH
4NO3
-
NH3 + CO2 + tumbuhan hijau + cahaya matahari → protein
Setelah hewan dan tumbuhan mati, maka akan didekomposisi melalui proses
biokimia dan bahan-bahan nitrogen organik yang terkandung akan diubah
kembali menjadi bentuk amoniak. Proses ini dinamakan sebagai proses
mineralisasi. Sebagian besar amoniak di alam akan dioksidasi menjadi bentuk
-
) dan kemudian menjadi nitrat (NO3
nitrit (NO2
-
) yang dilakukan oleh dua macam
bakteri autotrof melalui proses yang disebut nitrifikasi.
Gambar 1 : Siklus Nitrogen Di Lingkungan Perairan.
Senyawa nitrit merupakan bahan peralihan yang terjadi pada siklus biologi.
Senyawa ini dihasilkan dari suatu proses oksidasi biokimia ammonium, tetapi
sifatnya tidak stabil karena pada kondisi aerobik, selama nitrit terbentuk, dengan
cepat nitrit dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri nitrobacter. Sedangkan pada

6. kondisi anaerobik, nitrat dapat direduksi menjadi nitrit yang selanjutnya hasil
reduksi tersebut dilepaskan sebagai gas nitrogen.
Senyawa nitrat adalah bentuk senyawa nitrogen yang merupakan senyawa yang
stabil. Senyawa ini dapat berasal dari buangan industri bahan peledak, pupuk
dan cat. Secara alamiah kadar nitrat relatif rendah, tetapi kadar ini dapat menjadi
tinggi sekali pada air tanah di daerah-daerah yang diberi pupuk yang
mengandung nitrat.
2.3 Proses Nitrifikasi
Proses nitrifikasi adalah proses perubahan senyawa amonia (NH4
+) menjadi
senyawa nitrit (NO2
-). Selanjutnya nitrit yang terbentuk dioksidasi menjadi nitrat
(NO3
-). Proses ini berlangsung dalam suasana aerobik. Agar reaksi dapat
berjalan dengan sempurna, maka diperlukan tambahan udara dari luar, misalnya
disuplai dengan blower. Sedangkan bakteri nitrifikasi (nitrifying bacteria) yang
bekerja disini adalah jenis bakteri autotrop yang memerlukan karbon anorganik
untuk aktifitasnya serta pertumbuhannya. Untuk itu diperlukan tambahan karbon
anorganik dari luar. Secara sederhana reaksi nitrifikasi adalah sebagai berikut:
+
+ b O2 + c HCO3
a NH4
-
===> d C5H7NO2 + e H2O + f NO3
-
+ g H2CO3
a, b, c, d , e, f, g, = koefisien persamaan reaksi
2.3.1 Tahapan Proses Nitrifikasi
a. Tahap nitritasi
+
) menjadi ion nitrit
Tahap ini merupakan tahap oksidasi ion ammonium (NH4
-
) yang dilaksanakan oleh bakteri nitrosomonas menurut reaksi berikut :
(NO2
+
+ ½O2 + OH
NH4
-
→ NO2
-
+ H
+
+ 2H2O + 59,4 Kcal
Nitrosomonas
Reaksi ini memerlukan 3,43 gram O2 untuk mengoksidasi 1 gram nitrogen
menjadi nitrit.
b. Tahap nitrasi
-
) yang
Tahap ini merupakan tahap oksidasi ion nitrit menjadi ion nitrat (NO3
dilaksanakan oleh bakteri nitrobacter menurut reaksi berikut :

7. -
+ 1/2O2 → NO3
NO2
-
+ 18 Kcal
Nitrobacter
Reaksi ini memerlukan 1,14 gr O2 untuk mengoksidasi 1 gr nitrogen menjadi
nitrat.
Secara keseluruhan proses nitrifikasi dapat dilihat dari persamaan berikut:
+
+ 2O2 → NO3
NH4
-
+ 2H
+
+ H2O
Kedua reaksi diatas berlangsung secara reaksi eksotermik (reaksi yang
menghasilkan energi). Jika kedua jenis bakteri tersebut ada, baik di tanah
maupun di perairan, maka konsentrasi nitrit akan menjadi berkurang karena nitrit
yang dibentuk oleh bakteri nitrosomonas akan 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 di alam lebih banyak, proses
nitrifikasi dapat juga dilakukan oleh bakteri jenis heterotropik (Arthobacter) dan
jamur (Aspergillus).
Disamping itu dengan oksigen yang ada, maka senyawa N-NH4 yang ada
diperairan akan dioksidasi menjadi nitrat. Tetapi mengingat kebutuhan O2 yang
cukup besar, maka akan terjadi penurunan oksigen di dalam perairan tersebut
sehingga akan terjadi kondisi anaerobik.
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 lekat ini,
transfer O2 yang besar dapat diperoleh dengan cara menginjeksikan udara ke
dalam reaktor. Dengan adanya injeksi udara diharapkan terjadi kontak antara
gelembung udara dengan air yang akan diolah.

8. 2.3.2 Faktor Pengontrol Proses Nitrifikasi
Beberapa faktor pengontrol dari proses nitrifikasi dalam proses pengolahan air
antara lain adalah :
• Konsentrasi Oksigen Terlarut (Dissolved Oksigen)
Proses nitrifikasi merupakan proses aerob, maka keberadaan oksigen sangat
penting dalam proses ini. Dengan demikian dibutuhkan batasan DO yang
memungkinkan proses ini dapat berjalan dengan baik. Proses nitrifikasi akan
berjalan dengan baik jika DO minimum > 1 mg/l.
• Temperatur
Kecepatan pertumbuhan bakteri nitrifikasi dipengaruhi oleh temperatur antara 8 –
30°C, sedangkan temperatur optimumnya sekitar 30°C.
• PH
Pada proses biologi, nitrifikasi dipengaruhi oleh pH. pH optimum untuk bakteri
nitrosomonas dan nitrobacter antara 7,5 – 8,5. Proses ini akan terhenti pada pH
dibawah 6,0.
2.4 Proses Denitrifikasi
Denitrifikasi adalah proses tahap kedua dalam proses penghilangan amoniak
dengan sistem nitrifikasi-denitrifikasi. Proses denitrifikasi adalah perubahan
senyawa nitrat menjadi gas nitrogen (N2). Gas nitrogen adalah senyawa yang
sangat stabil.
Bakteri yang bekerja pada proses denitrifikasi adalah bakteri anaerobik, yaitu
bakteri yang tidak memerlukan oksigen dalam aktifitasnya, bahkan kehadiran
oksigen dapat menyebabkan bakteri ini mati. Untuk itu proses denitrifikasi
memerlukan bioreaktor tertutup yang tidak bersentuhan dengan udara luar.
Reaksi denitrifikasi senyawa nitrat adalah sebagai berikut :
-
==> c CO2 + d H2O + e N2 + fOH
A RCOOH + b NO3
-
a, b, c, d, e, f = koefisien reaksi
R = gugus alkil senyawa organik
Reaksi reduksi senyawa nitrat menjadi nitrogen memerlukan senyawa karbon
organik sebagai sumber elektron (elektron donor). Oleh karena itu pada proses
reduksi ini diperlukan penambahan senyawa karbon organik dari luar.

9. 2.4.1 Mekasnisme Denitrifikasi
Dua mekanisme penting pada proses biologi pengurangan nitrat yaitu asimilatory
pengurangan nitrat dan disimilatory pengurang-an nitrat :
a. Asimilatory Pengurangan Nitrat
Melalui mekanisme ini nitrat dirubah menjadi nitrit dan kemudian menjadi
amonium oleh mikroorganisme. Pada proses ini melibatkan enzim yang
-
menjadi NH3, yang kemudian bersatu kedalam protein dan asam
mengubah NO3
nucleic. Pengurangan nitrat didorong oleh asimilatory pengurangan nitrat, yang
aktifitasnya tidak dipengaruhi oleh oksigen.
Mikroorganisme tertentu (seperti pseudomonas aeruginosa) memiliki keduanya
yaitu asimilatory pengurangan nitrat dan disimilatory pengurangan nitrat, yang
sensitif terhadap oksigen. Kedua enzym diberi nama dengan gene yang berbeda.
b. Disimilatory Pengurangan Nitrat
-
berlaku
Proses ini adalah proses pernafasan anaerobic yang dalam hal ini NO3
-
direduksi menjadi nitrious oxide (N2O), dan gas
sebagai penerima elektron. NO3
nitrogen (N2). Pembebasan N2 adalah hal yang dominan pada denitrifikasi.
Namun N2 mempunyai kelarutan yang rendah dalam air sehingga cenderung
keluar naik sebagai gelembung
(2)
. Mikroorganisme yang terlibat dalam
denitrifikasi adalah aerobic autotrophic atau heterotrophic mikroorganisme, yang
dapat berubah menjadi anaerobic pada saat nitrat dipergunakan sebagai
penerima electron.
Denitirifikasi berlangsung menurut urutan sebagai berikut :
Nitrate  Nitrit  Nitric oxide  Nitrous oxide  Nitrogen
Reduksi Reduksi Reduksi Reduksi
NO3 ---------> NO2 ------------> NO ---------->N2O -----------> N2
Denitrifiers berasal dari beberapa grup fisiological dan taksonomi (organotrophs,
lithotrophs dan phototrophs) dan dapat menggunakan berbagai sumber energi
(kimia organik atau kimia anorganik atau cahaya).
Mikroorganisme yang mampu melakukan denitrifikasi berasal dari genera berikut
ini: Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium,
Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Corynebacterium, Cytophaga,

10. Thiobacillus dan Alcaligenes. Genera Pseudomonas (P. fluorescens, P.
aeruginosa, P.denitrificans) dan Alcaligenes merupakan yang paling banyak
terlibat. Mikroorganisme ini ditemukan di tanah, air dan air buangan.
Nitrous oxide (N2O) kemungkinan dihasilkan pada saat denitrifikasi, menyusul
terjadinya ketidak sempurnaan penghilangan nitrat. Gas ini merupakan polutan
udara, sehingga keberadaannya perlu dicegah atau dikurangi. Pada kondisi
tertentu, nitrat dirubah menjadi N2O sampai dengan 8 %. Kondisi yang diinginkan
adalah COD/NO3-N rendah, waktu tinggal pendek dan pH rendah.
2.4.2 Kondisi Proses Denitrifikasi
Faktor-faktor utama yang mempengaruhi denitrifikasi pada pengolahan air
buangan dan pada lingkungan lainnya adalah sebagai berikut :
a. Konsentrasi nitrat
Disebabkan nitrat berlaku sebagai elektron penerima untuk bakteri denitrifying,
maka laju pertumbuhan denitrifiers tergantung pada konsentrasi nitrat dan
mengikuti kinetik tipe Monod.
b. Kondisi anoxic
O2 bersaing secara efektif dengan nitrat sebagai penerima elektron dalam proses
pernafasan. Oksidasi glukosa mengeluarkan lebih banyak energi bebas dengan
adanya oksigen (686 kcal/mole glokosa) dari pada adanya nitrat (570 kcal/mole
glukosa). Inilah alasan mengapa proses denitrifikasi harus dilaksanakan tanpa
adanya oksigen. Denitrifikasi mungkin terjadi didalam flok lumpur aktif dan pada
biofilm walaupun tingkat oksigen relatif tinggi pada cairannya. Oleh karena itu
adanya oksigen pada air buangan tidak mencegah terjadinya denitrifikasi pada
tingkat lingkungan mikro.
c. Keberadaan zat organik
Bakteri denitrifying harus mempunyai elektron donor untuk melaksanakan proses
denitrifikasi. Beberapa sumber elektron telah dipelajari. Sumber- sumber tersebut
termasuk senyawa murni (contoh, asam asetat, asam sitrat, methanol), air
buangan domestik, buangan dari industri makanan (bir, molases) dan lumpur.
Sumber elektron yang disenangi adalah methanol walaupun agak mahal, dalam
hal ini berperan sebagai sumber karbon untuk mendorong denitrifikasi.
Biogas, mengandung methan hampir 60 %, dapat juga berlaku sebagai sumber
karbon pada denitrifikasi. Telah lama diketahui bahwa methan dapat digunakan

11. sebagai sumber karbon pada proses denitrifikasi, karena bakteri methanotrophic
mengoksidasi methan menjadi methanol.
6 NO3 + 5 CH3OH -----------> 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 (OH)
-
5/6 mol methanol diperlukan untuk denitrifying satu mol NO3. Namun sebagian
methanol digunakan untuk pernafasan cell dan sintesa cell. Penghilangan nitrat
maksimum dicapai apabila perbandingan CH3OH/NO3 mendekati 2,5. Dalam
saringan upflow anaerobic penghilangan nitrat hampir sempurna (99,8 %) dicapai
pada rasio > 2,65. Diusulkan pada nilai 3,0 dapat dicapai denitrifikasi sempurna.
d. Kemasaman Air Limbah (pH)
Dalam air buangan, denitrifikasi paling efektif pada pH antara 7,0 dan 8,5, dan
optimal sekitar 7,0. Alkalinity dan pH naik selama terjadi denitrifikasi. Secara
teoritis, denitrifikasi menghasilkan 3,6 mg alkalinity sebagai CaCO3, per 1 mg
nitrat yang berkurang menjadi N2. Namun dalam praktek, nilai ini lebih kecil dan
nilai 3,0 diusulkan untuk tujuan desain. Denitrifikasi menggantikan lebih kurang
setengah dari alkalinity yang dikonsumsi selama denitrifikasi.
e. Temperatur
Denitrifikasi terjadi antara 35
o
C dan 50
o
C. Tejadi pula pada temperatur rendah (5
– 10
o
C) namun dengan laju yang lebih rendah.
f. Efek logam
Denitrifikasi sangat terpengaruh dengan adanya molybdenum dan selenium,
yang aktif dalam pembentukan formate dehydrogenase, salah satu enzym yang
berpengaruh dalam metabolisme methanol. Molybdenum sangat penting pada
sintesa pengurangan nitrat.
g. Kimia beracun
Organisme denitrifying lebih kurang sensitif terhadap kimia beracun
dibandingkan organisme nitrifiers.
2.5 Reaktor Biologis (Biofilter)
Struktur reaktor biofilter menyerupai saringan (filter) yang terdiri atas susunan atau
tumpukan bahan penyangga yang disebut dengan media penyangga yang disusun baik
secara teratur maupun acak di dalam suatu bejana. Fungsi media penyangga adalah
sebagai tempat tumbuh dan berkembangnya mikroorganisme yang akan melapisi
permukaan media membentuk lapisan massa yang tipis (biofilm). Mikroorganisme ini

12. menguraikan bahan organik yang ada dalam air. Ketebalan lapisan biofilm menyebabkan
difusi oksigen berkurang terhadap lapisan terdalam biofilm tersebut sehingga dapat
menyebabkan terjadinya kondisi anaerobik pada lapisan permukaan media (Metcalf &
Eddy, 1991). Air yang diolah akan dikontakkan dengan sejumlah mikroba dalam bentuk
lapisan film (slime) yang melekat pada permukaan media.
Media penyangga merupakan salah satu kunci pada proses biofilter. Efektifitas dari suatu
media tergantung pada :
 Luas permukaan, semakin luas permukaan media maka semakin besar jumlah
biomassa per unit volume.
 Volume rongga, semakin besar volume rongga/ruang kosong maka semakin besar
kontak antara substrat dalam air buangan dengan biomassa yang menempel
Faktor terpenting yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri pada media penyangga
adalah kecepatan aliran air limbah serta bentuk dan jenis konfigurasi media. Media yang
digunakan dapat berupa kerikil, batu pecah (split), media plastik (polivinil chlorida), dan
partikel karbon aktif dan lainnya. Media yang sering digunakan pada proses biologis
khususnya biofiter adalah media plastik yang terbuat dari PVC. Kelebihan dalam
penggunaan media plastik ini antara lain :
 Ringan serta mempunyai luas permukaan spesifik besar (luas pemmukaan per satuan
volume) berkisar antara sebesar 85-226 m
2
/m
3
.
 Volume rongga yang besar dibanding media lainnya (hingga 95%) sehingga resiko
kebuntuan kecil.
Di dalam reaktor biofilter, mikroorganisme tumbuh melapisi keseluruhan permukaan
media dan pada saat beroperasi air mengalir melalui celah-celah media dan
berhubungan langsung dengan lapisan massa mikroba (biofilm). Mekanisme
perpindahan massa yang terjadi pada permukaan suatu media dinyatakan sebagai
berikut :
 Diffusi substansi air buangan dari cairan induk ke dalam massa mikroba yang
melapisi media.
 Reaksi peruraian bahan organik maupun anorganik oleh mikroba.
 Diffusi produk air yang terurai ke luar kecairan induk limbah.
Permukaan media yang kontak dengan nutrisi yang terdapat dalam air buangan
ini mengandung mikroorganisme yang akan membentuk lapisan aktif biologis.
Disamping itu oksigen terlarut juga merupakan faktor pembentukan lapisan film.
Proses awal pertumbuhan mikroba dan pembentukan lapisan film pada media
membutuhkan waktu beberapa minggu, yang dikenal dengan “proses
pematangan”. Pada awalnya tingkat efisiensi penjernihan sangat rendah yang
kemudian akan mengalami peningkatan dengan terbentuknya lapisan film.

13. 2.6 Lapisan Biomas
Lapisan biomassa atau biofilm didefinisikan sebagai lapisan sel mikroba yang
berkaitan dengan penguraian zat organik yang melekat pada suatu permukaan
media.
Kecepatan pertumbuhan lapisan biofilm pada permukaan akan bertambah akibat
perkembang-biakan dan adsorpsi yang terus berlanjut sehingga terjadi proses
akumulasi lapisan biomassa yang berbentuk lapisan lendir (slime). Pertumbuhan
mikroorganisme akan terus berlangsung pada slime yang sudah terbentuk
sehingga ketebalan slime bertambah. Difusi makanan dan oksigen akan terus
berlangsung sampai tercapai ketebalan maksimum sehingga pada kondisi ini
difusi makanan dan oksigen ini tidak mampu lagi mencapai permukaan padatan
yang akibatnya lapisan biomassa ini akan terbagi menjadi dua zona yaitu zona
aerob dan zona anaerob. Pada kondisi ini mulai terjadi pengelupasan lapisan
biomassa yang selanjutnya segera terbentuk koloni mikroorganisme yang baru
sehingga pembentukan biofilm akan terus berlangsung. Proses pengelupasan ini
juga disebabkan oleh pengikisan cairan yang berlebih yang mengalir melalui
biofilm.
Efisiensi penghilangan amoniak pada proses biofilter oleh lapisan biomassa
dapat mencapai maksimum bila lapisan tipis di sebelah luar lapisan biomassa
telah mencapai ketebalan maksimum untuk kondisi aerobik.
Mekanisme proses penguraian senyawa amoniak yang terjadi pada lapisan
biofilm secara sederhana dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2. Lapisan
terluar media penyangga adalah lapisan tipis zona aerobik, senyawa amoniak
dioksidasi dan diubah ke dalam bentuk nitrit. Sebagian senyawa nitrit ada yang
diubah menjadi gas dinitrogen oksida (N2O) dan ada yang diubah menjadi nitrat.
Proses yang terjadi tersebut dinamakan proses nitrifikasi.
Semakin lama, lapisan biofilm yang tumbuh pada media penyangga tersebut
semakin tebal sehingga menyebabkan oksigen tidak dapat masuk ke dalam
lapisan biofilm bagian dalam sehingga mengakibatkan terbentuknya zona
anaerobik. Pada zona anaerobik ini, senyawa nitrat yang terbentuk diubah ke
dalam bentuk nitrit yang kemudian dilepaskan menjadi gas nitrogen (N2). Proses
demikian tersebut dinamakan proses denitrifikasi.

14. Ketebalan lapisan aerobik antara 0.05-0.1 mm dari ketebalan total lapisan
biomassa yaitu 0.1-2 mm dan ketebalan lapisan biomassa yang terbentuk ini
tergantung pada karakteristik dari air buangan yang akan diolah.
Penghilangan substrat oleh lapisan mikroorganisme akan bertambah secara
linier dengan bertambahnya ketebalan film sampai dengan ketebalan maksimum,
sedangkan penghilangan akan tetap konstan dengan bertambahnya ketebalan
biomassa lebih lanjut.
Gambar 2 : Ilustrasi dari mekanisme proses penguraian amoniak di dalam biofilm

15. BAB III
METODOLOGI
(STUDI KASUS : PENGOLAHAN AIR LIMBAH PABRIK AMONIUM NITRAT)
3.1 Nitrifikasi
3.1.1 Pertumbuhan Mikroorganisme
Pertumbuhan mikroorganisme dilakukan secara alami dengan cara mengalirkan
air limbah domestik secara kontinyu ke dalam reaktor melalui media penyangga
sampai terbentuknya lapisan biofilm yang melekat pada media. Pertumbuhan
mikroorganisme ini juga didukung oleh suplai udara secara terus menerus
dengan menginjeksikan udara ke dalam reaktor melalui alat pompa udara.
Selanjutnya air limbah diinjeksikan sedikit-demi sedikit kedalam reaktor sampai
proses berjalan stabil.
3.1.2 Model Reaktor
Model dari reaktor biologis yang digunakan dalam penelitian ini adalah reaktor
biologis dengan biakan melekat yaitu reaktor nitrifikasi, dengan spesifikasi seperti
tertera pada Tabel 1. Sedangkan spesifikasi media yang digunakan dapat dilihat
pada Tabel 2. Diagram proses nitrifikasi dengan reaktor biofilter terlihat seperti
pada Gambar 3.
Tabel 1 : Spesifikasi Teknis Reaktor Biofilter.
ITEM SPESIFIKASI
1 REAKTOR :
Dimensi Total 15 cm x 20 cm x 150 cm (45 liter)
Volume Reaktor Biofilter 15 cm x 15 cm x 140 cm (31,5 liter)
Volume Bak Pengendap 15 cm x 5 cm x 140 cm (10,5 liter)
Tnggi Bed Media 120 cm
Volume Media 15 cm x 15 cm x 120 cm (27 liter)
Tinggi Ruang Lumpur 10 cm
Tinggi kolom air di atas media 10 cm
Tinggi Ruang Bebas 10 cm
2 POMPA DOSING :
Tipe Uni – Dose U04
Jumlah 1 unit
Kapasiata min. 0,95 liter per jam
Kapasitas maksimum 4,8 liter per jam
3 WAKTU TINGGAL :
Minimum 6 jam
Maksimum 33 jam

16. Tabel 2 : Spesifikasi Media BioFilter
No MEDIA BIOFILTER SPESIFIKASI
1 Bahan PVC Sheet
2 Tipe Sarang Tawon (Cross flow)
3 Ukuran Lubang 2 cm x 2 cm
4 Ketebalan Media 0,5 mm
5 Ukuran Modul Disesuaikan dengan ukuran reaktor
6 Luas Permukaan Spesifik 2
3
+ 226 m
/ m
7 Berat Spesifik Media 30 – 35 kg / m
3
8 Porositas Media 98 %
9 Warna Bening / transparant
Gambar 3 : Diagram Proses Nitrifikasi Menggunakan Reaktor Biofilter Aerobik
3.2 Denitrifikasi
Air baku (Influent) yang masuk ke dalam reaktor denitrifikasi merupakan hasil
olahan efluent dari reaktor nitrifikasi, sehingga kualitas air baku pada denitrifikasi
sangat tergantung pada proses nitrifikasi, dalam hal ini sangat diharapkan hasil
dari proses nitrifikasi sedikit atau sama sekali tidak mengandung amoniak,
karena pada proses denitrifikasi yang menjadi tujuan utama adalah mengurangi
kandungan nitrit dan nitrat. Reaksi yang terjadi pada reaktor denitrifikasi adalah

17. perubahan senyawa nitrit menjadi nitrat dan akhirnya nitrat menjadi gas nitrogen
(N2)
3.2.1 Mikroorganisme dan Nutrien
Kondisi reaktor denitrifikasi diatur dalam keadaan anaerobik. Pertama, reaktor
diiisi dengan sludge dari IPAL Industri Tahu-Tempe untuk proses pembiakan
bakteri (seeding). Proses pembiakan mikroba di dalam reaktor denitrifikasi
dilakukan selama kurang lebih 4 - 5 minggu, dengan waktu tinggal di dalam
reaktor sekitar 3 hari, sampai dengan tumbuhnya lendir pada permukaan biofilter.
Setelah ketebalan biofilm pada reaktor cukup tebal, selanjutnya air limbah hasil
proses nitrifikasi diinjeksikan ke dalam reaktor denitrifikasi. Oleh karena
kandungan Organik (C ) di dalam air limbah amonium nitrat sangat rendah, maka
agar proses denitrifikasi dapat berjalan dengan baik ditambahkan senyawa
organik agar perbandingan C/N cukup untuk proses denitrifikasi. Penambahan
senyawa organik dilakukan dengan menambahkan asam asetat atau larutan
gula.
3.2.2 Model Reaktor Biologis
Model dari reaktor biologis yang digunakan dalam penelitian ini adalah reaktor
biologis dengan sistem biakan melekat. Spesifikasi Reaktor Denitrifikasi tertera
pada Tabel 4. Sedangkan spesifikasi media yang digunakan dapat dilihat pada
Tabel 5. Air limbah dari pabrik amonium nitrat digunakan sebagai air baku limbah
reaktor nitrifikasi, sedangkan air olahan dari reaktor nitrifikasi ditampung dan
digunakan sebagai umpan atau air baku reaktor denitrifikasi.
Tabel 3. Spesifikasi Reaktor Denitrifikasi Anaerobik.
ITEM SPESIFIKASI
REAKTOR : DENITRIFIKASI-ANAEROBIK
Dimensi Total 15 cm x 30 cm x 150 cm (67,5 liter)
Volume Reaktor Biofilter 15 cm x 30 cm x 140 cm (63 liter)
Tnggi Bed Media 120 cm
Volume Media 15 cm x 30 cm x 120 cm (54 liter)
Tinggi Ruang Lumpur 10 cm
Tinggi kolom air di atas media 10 cm
Tinggi Ruang Bebas 10 cm
POMPA
DOSING :
Tipe Uni – Dose U04
Jumlah 2 unit
Kapasiata min. 0,95 liter per jam

18. ITEM SPESIFIKASI
Kapasitas maksimum 4,8 liter per jam
WAKTU TINGGAL :
Minimum 6 jam
Maksimum 33 jam
Tabel 4. Spesifikasi Teknis Media Biofilter
No MEDIA BIOFILTER SPESIFIKASI
1 Bahan PVC Sheet
2 Tipe Sarang Tawon
3 Ukuran Lubang 2 cm x 2 cm
4 Ketebalan Media 0,5 mm
5 Ukuran Modul Disesuaikan dengan ukuran
reaktor
6 Luas Permukaan Spesifik + 226 m
2
/ m
3
7 Berat Spesifik Media 30 – 35 kg / m
3
8 Porositas Media 98 %
9 Warna Bening / transparant
Gambar 4. Reaktor Nitrifikasi dan Denitrifikasi yang digunakan Untuk Percobaan.

19. BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Nitrifikasi
Tabel 5 Kolerasi Waktu Tinggal Dengan Penurunan Konsentrasi Amoniak
Rata-Rata Dan Efisiensi
NO
Waktu Tinggal
(Hari)
Amoniak
(mg/l)
Efisiensi
(%)
INLET OUTLET
1 3 1738 195,4 87,95
2 2 242 2,5 98,82
3 1 1219,7 7 98,06
Proses seeding (pembiakan) berjalan selama 5 minggu hingga dicapai air umpan
total 100 % adalah air limbah dari pabrik amonium nitrat yang akan diolah.
Percobaan dilakukan dengan umpan 100 % air limbah amonium nitrat, dimulai
setelah proses seeding selesai. Untuk mengkaji penurunan konsentrasi amoniak
dan waktu tinggal yang optimum, percobaan dilakukan secara bertahap. Tahap
pertama dicoba dengan waktu tinggal selama 3 hari, tahap kedua 2 hari dan
tahap ketiga 1 hari. Dilakukan beberapa kali percobaan untuk masing-masing
waktu tinggal tersebut. Dari hasil uji coba selama beberapa waktu, hasil
percobaan menunjukkan reaktor biofilter nitrifikasi yang digunakan, dapat
menurunkan konsentrasi amoniak, namun terjadi kenaikan konsentrasi nitrit dan
nitrat, hal ini memang sudah diperkirakan karena pada proses nitrifikasi amoniak
dikonversi menjadi nitrit dan nitrat. Percobaan dengan waktu tinggal 3 hari rata-rata
diperoleh efisiensi pengurangan amoniak sebesar 88,95 %. Percobaan
dengan waktu tinggal 2 hari rata-rata diperoleh efisiensi pengurangan amoniak
sebesar 98,82 %. Percobaan dengan waktu tinggal 1 hari rata-rata diperoleh
efisiensi pengurangan amoniak sebesar 97,06 %. Dari kondisi reaktor yang
semakin lama semakin baik, hal ini menunjukkan semakin lama lapisan mikro-organisme
semakin tebal/banyak. sehingga proses biologis nitrifikasi semakin
banyak terjadi. Efisiensi pada waktu tinggal 1 hari lebih kecil sedikit dari waktu
tinggal 2 hari tetapi masih diatas 90 %, perbedaan yang kecil ini menunjukkan
kondisi lapisan mikro-organisme sudah menunjukkan stabil, oleh karena itu
waktu tinggal 1 hari dapat diambil sebagai waktu tinggal yang optimal. Air baku
yang digunakan konsentrasinya tidak stabil, kadang-kadang diperoleh air baku
dengan konsentrasi amoniak yang kecil, hal ini terlihat pada percobaan dengan
waktu tinggal 2 hari, namun pada percobaan dengan waktu tinggal 1 hari air

20. baku yang diolah kembali mempunyai konsentrasi yang tinggi, jadi dalam hal ini
reaktor yang digunakan tetap mampu mengolah air baku dengan konsentrasi
amoniak tinggi.
Gambar 5 : Reaktor Biofilter Untuk Proses Nitrifikasi Yang Digunakan Untuk Percobaan.
Gambar 6 : Kurva Korelasi Antara Waktu Tinggal Dengan Sisa Konsentrasi
Amoniak Dan Efisiensi Pengurangan Konsentrasi Amoniak

21. 4.2 Denitrifikasi
Tabel 6 Korelasi Waktu Tingga dan Penurunan Konsentrasi Nitrat Serta
Efisiensi
NO
Waktu Tinggal
(Hari)
Amoniak
(mg/l)
Efisiensi
(%)
INLET OUTLET
1 5 4485 2199 46,38
2 3 291,75 2,75 99
3 1 589 462,5 23
Percobaan dilakukan dengan waktu tinggal 5 hari dan air baku yang digunakan
langsung dari pabrik tanpa pengenceran, konsentrsi nitrat berkisar 2324 – 6247
ppm. Pada awalnya percobaan hasilnya cukup bagus, efisiensi dapat mencapai
87,34%, tetapi secara perlahan efisiensinya turun mencapai 17,93% pada
minggu ke lima. Penurunan efisiensi ini dapat mengindikasikan kurangnya
pasokan nutrien untuk bakteri, terutama faktor karbon sehingga kemampuan
degradasi limbahnya menurun atau media biofilter yang digunakan kurang
banyak, sehingga maksimum loading-nya untuk penguraian limbah terlampaui.
Ada dua cara untuk megatasi ini, yaitu dengan menambah media biofilter atau
dilakukan pengenceran limbah yang masuk kedalam reaktor.
Dari hasil percobaan dapat diketahui bahwa reaktor denitrifiasi dapat bekerja
optimal dengan waktu tinggal 3 hari, dengan konsentrasi nitrat 250 – 337 ppm.
Keterbatasan kemampuan media biofilter dalam menguraikan limbah merupakan
hambatan utama, sehingga ketika reaktor dijalankan pada waktu tinggal 1 hari
terjadi penurunan efisiensi yang cukup signifikan. Untuk meningkatkan efisiensi
pada waktu tinggal satu hari dapat dilakukan dengan cara menambah media
biofilter yang digunakan atau penambahan pasokan nutrien untuk mikroba yang
bekerja.
Dengan volume media 0,054 m
3
dapat menurunkan nitrat 289 mg/l dengan waktu
tinggal 3 hari. Dengan demikian kemampuan biofilter dalam menurunkan nitrat
adalah 5 351 mg/liter tiap meter kubik.

22. BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari makalah ini adalah:
1. Nitrifikasi menggunakan reaktor aerobik yang memiliki efisiensi penyisihan
amoniak sebesar 98,82% pada waktu tinggal 3 hari;
2. Air olahan reaktor nitrifikasi sudah memenuhi baku mutu untuk parameter
amoniak namun belum untuk parameter nitrat dan nitrit, sehingga dapat
langsung dibuang ke badan air;
3. Denitrifikasi menggunakan reaktor anaerobik yang memiliki efisiensi sebesar
99% pada waktu tinggal 3 hari;
4. Pada konsentrasi nitrat tinggi peru penambahan nutrien, terutama untuk
menjaga keseimbangan karbon dan posfor sebagai unsur penunjang
pertumbuhan bakteri.
5.2 Saran
Saran yang dapat diberikan adalah:
1. Sebaiknya industri-industri di Indonesia harus sudah bisa menerapkan
teknologi ramah lingkungan dalam kegiatan produksinya sehingga
meminimalisis limbah yang mengandung pencemar berbahaya yang dibuang
ke lingkungan;
2. Sebaiknya dilakukan percobaan penambahan nutrient dan karbon yang
cukup, sehingga proses nitrifikasi dan denitrifikasi dapat berjalan dengan
waktu tinggal yang singkat;
3. Sebaiknya dilakukan pengujian juga untuk konsentrasi nitritnya supaya
diketahui apakah nitrit memenuhi baku mutu atau tidak.

23. DAFTAR PUSTAKA
Herlambang, A dan R, Marsidi. 2002. Proses Nitrifikasi Dengan Sistem Biofilter
Untuk Pengolahan Air Limbah Yang Mengandung Amoniak Konsentrasi
Tinggi. Badan Pengakjian dan Penerapan Teknologi, Jakarta
Herlambang, A dan R, Marsidi. 2003. Proses Denitrifikasi Dengan Sistem Biofilter
Untuk Pengolahan Air Limbah Yang Mengandung Nitrat. Badan
Pengakjian dan Penerapan Teknologi, Jakarta
Setiyawan, A dan B, Hari. 2010. Karakteristik Proses Klarifikasi Dalam Sistem
Nitrifikasi-Denitrifikasi Untuk Pengolahan Limbah Cair dengan Kandungan
N-NH3 Tinggi. Universitas Diponegoro. Semarang