## HOLLOW  FIBER MEMBRANE CHARACTERISTICS AS FILTRATION MEDIA IN LIQUID WASTE PROCESSING WITH ACTIVATED MUD
KARAKTERISTIK MEMBRAN HOLLOW FIBER SEBAGAI MEDIA FILTRASI DALAM PENGOLAHAN LIMBAH CAIR

## DENGAN LUMPUR AKTIF
Aisyah Endah Palupi Jurusan Teknik Mesin – Fakultas Teknik Universitas Negeri Surabaya (UNESA) Telp. (031)8299487; Fax.(031)8292957; email: aisyahep2000@yahoo.com

## ABSTRACT
Application of submerged membrane bioreactor (BRMt) has advantages over external BRM in  the  treatment  of  domestic  wastewater,  namely  in  terms  of  operating  energy  and  membrane fouling  BRMt  proper  tank  design  can  minimize  fouling  and  extend  the  operating  time  of  the membrane.  Installation  bafel  can  create  a  circulation  flow  of  water  between  the  wall  and membrane  bioreactor  (water  lift-type  reactor).  It  is  intended  to  create  the  shear  velocity  (shear rate)  is  high  on  the  membrane  surface  so  that  the  pile  of  material  on  the  membrane  apart  and lowering the hydraulic resistance of fouling layer. Flux on the  external BRM  BRMt and reached steady state, takes less than 60 minutes. This was achieved at 0.1333  bar TMP which is also the best operating pressure on BRMt, while the optimum TMP on external BRM obtained at 1.45 bar. To obtain a high flux and stable in the long term, the  operation of the membrane at BRMt  using aeration rate 12 l / minute with a close distance baffle membranes or 7.5 cm from the wall of the tank to increase the shear rate can reduce the occurrence of fouling.
Key words : BRMt, bafel, shear rate, MLSS, filtration

## PENDAHULUAN
Parameter  yang  dapat  dijadikan  sebagai ukuran  kinerja  BRM  adalah  selektivitas pemisahan  (rejeksi)  dan  permeabilitas  (laju filtrasi). Dengan mengguna-kan modul membran  yang  sama,  baik  konfigurasi,  bahan, dimensi,  dan  ukuran  pori-porinya,  maka  akan dapat  dilihat  apakah  mekanisme  aliran  filtrasi pada  membran  hollow  fiber  yang  berbeda memberikan  hasil  pengolahan  yang  berbeda pula. Pada BRM eksternal, influen dipompakan ke  bagian  dalam  membran  ( tube  side )  menuju sisi  luar  membran  ( shell  side ),  dikenal  sebagai aliran  ” inside-out ”.  Sedangkan  aliran  influen pada  BRMt  adalah  kebalikannya,  aliran ” outside-in ” yaitu dengan menyedot aliran dari dalam membran ( tube side ) dengan menggunakan  pompa  vakum,  sehingga  feed masuk dari arah shell side menuju ke tube side . Aplikasi  BRM  eksternal  untuk  pengolahan
limbah  cair  domestik  masih  terdapat  beberapa permasalahan  yaitu  energi  pengoperasian  yang tinggi dan fouling pada membran (Chriemchaisri,  1994;  Trouve,  1994;  Cicek, 1998)  dibandingkan  dengan  BRMt. Fouling adalah  perubahan  morfologi  membran  secara irreversible yag disebabkan oleh interaksi fisik dan/atau  kimia  spesifik  antara  membran  dan berbagai  komponen  yang  ada  dalam  aliran proses  (Zeman  dan  Sydney,  1996).  Peristiwa fouling membran  dicirikan  oleh  penurunan fluks  secara irreversible selama  operasi  jika semua  parameter  operasi,  seperti  beda  tekan antara  dua  sisi  membran  ( transmembrane pressure ,  TMP),  laju  alir,  temperatur,  dan konsentrasi dijaga konstan (Singh dan Cheryan, 1997).  Efek-efek  penyebab fouling pada membran sedapat mungkin diperkecil baik dari sisi  parameter  operasinya  maupun  geometri tangkinya,  dengan  mendesain  tangki  BRMt yang  tepat,  diharapkan  dapat  memperkecil
fouling dan  memperpanjang  waktu  operasi membran.  Pada  BRMt,  dipasang  bafel  untuk menciptakan  sirkulasi  aliran  air  antara  dinding bioreaktor  dan  membran  ( air  lift-type reactor ). Hal  ini  dimaksudkan  untuk  menciptakan kecepatan  geser  ( shear  rate )  yang  tinggi  pada permukaan  membran dengan tujuan agar  dapat melepaskan  tumpukan  material  dan  menu- runkan tahanan hidrolik dari lapisan fouling .
Pembahasan ini difokuskan pada pengaruh tekanan operasi, konsentrasi biomassa  (MLSS),  jarak  bafel,  dan  kecepatan laju udara  yang diberikan melalui difuser  yang juga  berfungsi  sebagai  aerasi  untuk  proses aerobik  pada  lumpur  aktif  yang  digunakan. Hasil-hasil yang diperoleh dalam studi ini akan menjadi  basis  untuk  kondisi  operasi  dan perancangan BRMt. Sistem BRMt, mempunyai kecenderungan besar digunakan dalam mendesain  BRM  karena  dianggap  potensial untuk  fabrikasi  dan  biaya  perawatan  rendah. Hal  penting  dalam  sistem  BRMt  adalah kemampuan  penyerapan  permeat  yang  dibantu oleh  tekanan  dari  gelembung  udara  yang digunakan  sebagai  kontrol  deposisi  pada metode mekanika fluida dan pencemaran (Fane dan  Chang,  2002).  Proses  pengolahan  limbah cair  dengan  BRMt,  mempunyai  banyak keuntungan  dilihat  dari  sisi  efektifitas  dan efisiensi  dari  proses  itu  sendiri  yang  lebih sederhana  dan  otomatis  biaya  operasinya  juga jauh lebih kecil dengan hasil yang lebih baik.
Yamamoto,  dkk  (1989),  meneliti  tentang pemisahan langsung padat cair dengan menggunakan  membran  hollow  fiber  pada perlakuan  air  limbah  sintetis  yang  meng- gunakan  lumpur  aktif.  Modul  membran  yang digunakan mempunyai  ukuran  pori 0,1  mikron yang  dicelupkan langsung  ke  dalam bak aerasi (sebagai  BRMt).  Perlakuan  yang  stabil  pada HRT  4  jam  dapat  dijaga  selama  120  hari. Operasi  dilakukan  pada  pembebanan  organik volumetris  1,5  kgCOD/(m 3 .hari)  dan  meng- gunakan  penyedotan  umpan  membran  secara intermittent  pada  tekanan  rendah  (13  kPa). Penyisihan  COD  lebih  dari  95%.  Pembebanan organik  kritis  antara  3-4  kgCOD/(m 3 .hari) untuk  menjaga  fluks  dan  kondisi  aerobik  yang stabil.  Penyedotan  umpan  membran  secara intermittent  dan  tekanan  operasi  yang  rendah tanpa  pencucian  dapat  mengurangi  fouling. Pierre  Côté,  dkk.  (1997),  menggunakan  BRMt untuk mengolah limbah domestik, dan membanding-kannya  dengan  BRM  eksternal dan  konvensional.  Hasilnya  menunjukkan bahwa  tanpa  pembersihan  secara  kimia, membran  yang  digunakan  dapat  beroperasi lebih lama dan  memberikan keuntungan dalam
hal  kualitas,  keamanan,  dan  kekompakan. Keunggulan  lainnya  adalah  dapat  meng- hilangkan  senyawa  nitrogen,  meminimalkan fouling , dan mereduksi produksi sludge hingga 50% dibandingkan dengan cara konvensional.
Penelitian  yang  bertujuan  untuk  menge- tahui  unjuk  kerja  BRMt  dan  lumpur  aktif  juga dilakukan  oleh  Michal  Bodzek  (1996),  yang menggunakan  membran  tubular  ultrafiltrasi polyacrylonitril  sebagai  pemisah  padatan  pada proses  lumpur  aktif.  Sistem  dioperasikan  pada tekanan  0,2  Mpa,  dengan  laju  alir  limbah  ke modu1  2,83  m 3 /jam. Karakteristik  limbah, COD 800 mg/l dan total solid l,4 g/dm 3 .

## METODOLOGI

## Bahan dan alat
1.  Air limbah domestik (sintetis)
Komposisi  limbah  sintetis  dapat  dilihat pada Tabel 1.  Komposisi air limbah sintetis ini dibuat  untuk  mendapatkan  kadar  COD  ±500 mg/l.  Sistem  BRMt,  mempunyai  kecenderun- gan  besar  digunakan  dalam  mendesain  BRM karena  dianggap  potensial  untuk  fabrikasi  dan biaya  perawatan  rendah.  Hal  penting  dalam sistem  BRMt  adalah  kemampuan  penyerapan permeat  yang  dibantu  oleh  tekanan  dari gelembung  udara  yang  digunakan  sebagai kontrol  deposisi  pada  metode  mekanika  fluida dan pencemaran (Fane dan Chang, 2002).
Tabel 1. Komposisi limbah domestik (sintetis)
Komponen Konsentrasi (mg/l) Glukosa * Asam glutamate* CH 3 COONH 4 * NaHCO 3 NH 4 Cl* KH 2 PO 4 K 2 HPO 4 MgSO 4 .7H 2 O MnSO 4 .H 2 O
FeCl 3 .6H 2 O CaCl 2 .2H 2 O NaCl 294 132 107 344 44 53 38 20 14 7 38 48
*dapat disesuaikan dengan merubah konsentrasi untuk menaikkan/menurunkan BOD-COD (Shim, Ik-Keun Yoo, Young Moo Lee, 2002)
2. Bioreaktor untuk pembibitan dan aklimatisasi
Bak aerasi untuk pembibitan dan aklimatisasi  terdiri  dari  3  (tiga)  buah  bak  kaca dengan  ukuran  panjang,  lebar,  dan  tinggi:  35, 28, dan 38 cm, dengan dimensi 37 liter, volume kerja  efektif  bioreaktor  adalah  11  liter  yang difasilitasi dengan kompresor untuk
mengalirkan  udara  melalui  difuser  yang dipasang di dasar bak.
3.  Bioreaktor membran eksternal Pada tahap pendahuluan, penelitian diawali  dengan  BRM  eksternal  hollow  fiber untuk  melihat  unjuk  kerja  membran  bila dioperasikan  dengan  aliran  silang  ( crossflow ). Modul  membran  sama  dengan  yang  dipakai  di BRMt, luas =0.075m 2 ; OD = 1,0 mm; ID = 0,5 mm;  dimensi  modul:    D  =  5  cm  ,  L  =  35  cm. Rangkaian  alat  penelitian  pada  BRM  eksternal adalah seperti terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram skematik BRM eksternal
Konfigurasi  membran  yang  umum dipakai  di  industri  antara  lain  berbentuk lembaran  datar  ( plate  and  frame ),  gulungan ( spiral  wound ),  pipa  ( tubular ),  dan  serat berongga ( hollow fiber ). Dibandingkan dengan bentuk  modul  lain,  membran  serat  berongga merupakan  rancangan  modul  ultrafiltrasi  yang relatif  lebih baru. Membran tersebut  berbentuk pipa self  supporting dengan  lapisan  yang  tebal pada  bagian  dalam  pipa.  Membran  serat berongga  ini  mempunyai  kisaran  diameter mulai  0,19-1,25  mm  dan  ketebalan  ±200 mikron. Setiap modul bisa berisi 50-3000 buah hollow  fiber ,  tergantung  pada  diameter  serat berongga dan cangkang.
Membran bentuk serat berongga mempunyai beberapa karakteristik yaitu:
a) kecepatan  aliran  antara  0,5-2,5  m/det  atau dengan  bilangan  Reynold  antara  500-3000, sehingga  hollow  fiber  beroperasi  dengan aliran laminer.
b) kecepatan  geser  ( shear  rate )  sangat  tinggi, yaitu antara 4.000-14.000 det -1
c) mempunyai  rasio  luas  permukaan  terhadap volume  paling  tinggi  dibandingkan  modul lain.
d) pressure  drop yang  rendah  yaitu  sekitar 0,33-1,25  atm  tergantung  pada  kecepatan aliran,  sehingga    modul  hollow  fiber
memerlukan  konsumsi  energi  yang  relatif rendah.
e) tekanan operasi maksimum 1,8 atm f) diameter  yang  kecil  dari  pipa  terkadang menye-babkan penyumbatan pada
pemasukan  membran,  sehingga  untuk mencegahnya perlu dilakukan filtrasi pendahuluan  sampai  kandungan  partikel- nya berukuran lebih kecil dari 100µ.
g) keuntungan  dari  hollow  fiber  adalah kemampuan dalam hal backflushing . Hal ini karena  fiber  bersifat self  supporting dan sangat memudahkan dalam pencucian.
h) biaya  penggantian  membran  cukup  tinggi, misalnya jika sebuah hollow fiber lepas dari modul maka membran keseluruhan mungkin harus dikeluarkan.
Berkaitan  dengan  modul  membran, keunggulan  yang  ditawarkan  dalam  teknologi ini  adalah  karena  modulnya  kompak  sehingga dapat  menghemat  pemakaian  lahan.  Modul membran  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah  serat  berongga ( hollow  fiber )  yang digabung  dengan  cara  mengikat  ujungnya menjadi  satu  menggunakan  agensia  seperti resin  epoksi,  poliuretan  atau  karet  silikon, kemudian  dimasukkan  ke  dalam  suatu  tempat ( housing ).  Densitas packing modul  serat berongga umumnya >30000 m 2 /m 3 (Gambar2).
Gambar 2. Modul membran hollow fiber
Proses  pencucian  modul  hollow  fiber menggunakan  metode  pencucian  hidraulik dengan  cara backflushing (pembilasan  balik) permeat  melalui  membran.  Pencucian  ini digunakan pada proses-proses bergaya pendorong tekanan, dimana arah aliran melalui membran  dibalikkan  dari  sisi  permeat  ke  sisi umpan. Periode waktu untuk backflushing lebih lama  dibandingkan  dengan back  shock . Prosedur  ini  biasanya  digunakan  untuk  meng- hilangkan fouling .  Pada  bioreaktor  hollow fiber, teknik ini digunakan untuk menempatkan biokatalis pada bagian pori membran.
Buangan backflushing Substrat & Unit Ultrafiltras Permeat Bak Aerasi Retenta Aerator
4.  Bioreaktor membran terendam (BRMt)
Unit BRMt terdiri dari bak aerasi, modul membran  hollow  fiber,  dan  unit  pendukung (pompa,  valve,  dan  sebagainya).  Skematik rancangan  unit  BRMt  dapat  dilihat  pada Gambar  3  yang  dirancang  untuk  volume operasi  50  L.  Panjang,  lebar,  dan  tinggi bioreaktor  adalah  37cm.  Bagian  bawah dipasang  difuser  untuk  aerasi  dengan  bantuan aerator,  dimana  kecepatan  aliran  udara  masuk dikontrol  dengan  flow-meter.  Bagian  dalam tangki  dipasang  bafel  untuk  men-ciptakan sirkulasi  aliran  air  antara  dinding  bioreaktor dan  membran  ( airlift-type  reactor ).  Hal  ini dimaksudkan  untuk  menciptakan  kecepatan geser ( shear rate ) yang tinggi pada permukaan membran untuk melepaskan tumpukan material dan  menurunkan  tahanan  hidrolik  dari  lapisan fouling . Membran  dengan  konfigurasi capillary type  DUC  108  dengan  bahan  polyacrylonitrile (PAN)  yang  mempunyai  pH  operasi  optimum 7–7,5;  temperatur  operasi  maximum  50 o C, φ pori  0,01-0,1µ; luas 0,80 m 2 ; dimensi:  ID= 1,0 mm; OD = 0,5 mm; dimensi modul: φ = 1” dan panjang = 8”.
Gambar 3. Diagram skematik unit BRMt
Perlakuan yang dijalankan Penelitian  eksperimental  dioperasikan pada  konsentrasi  biomassa  (MLSS)  2500  dan 10000 (mg/l); kecepatan aliran udara  8 dan 12 (l/mnt),  jarak  bafel  dari  dinding  reaktor  adalah 7,5;  10,5;  dan  13,5  cm.  Beda  tekanan  lintas membran  ( trans  membrane  pressure ,  TMP) adalah 0,093 dan 0,133 bar.
Prosedur Penelitian Untuk  dapat  memahami  proses  separasi membran  ultrafiltrasi  dengan  modul  hollow fiber, diperlukan eksperimen dengan mengintegrasikan  membran  dengan  lumpur aktif  pada  BRM  eksternal  dan  BRMt  dengan limbah  sintetis  sebagai  umpan.  Eksperimental
BRM eksternal juga dilakukan dalam penelitian  ini  untuk  membandingkan  dengan hasil  pengolahan  limbah  cair  pada  BRMt  dari sisi  persen  penyisihan  (% removal )  COD  dan MLSS,  fluks,  serta fouling pada  membran selama  waktu  operasi,  sehingga  akan  lebih memperkuat pendapat bahwa
proses pengolahan limbah cair dengan proses membran-lumpur  aktif  dengan  menggunakan BRMt  lebih  efektif  daripada  BRM  eksternal. Eksperimen  dilakukan  dalam  dua  tahap,  yaitu tahap pendahuluan dan tahap percobaan utama. Tahap  pendahuluan  terdiri  dari  analisis  COD- BOD limbah cair domestik sintetis, pembibitan, dan aklimatisasi, serta karakterisasi  membran. Tahap  percobaan utama adalah tahap operasi pengolahan limbah dengan  variabel-variabel  yang  ditentukan  pada BRMt.
Analisis pendahuluan mengetahui BOD- COD  limbah  sintetis,  temperatur,  pH,  dan padatan  total.  Data  ini  untuk  menghitung  jenis dan jumlah nutrisi yang perlu ditambahkan dan pengkondisian tahap aklimatisasi mikroba.
Lumpur aktif diambil dari IPLT Sukolilo.  Untuk  meningkatkan  MLSS,  lumpur aktif diaerasi dan ditambahkan substrat glukosa serta nutrien-nutrien. Glukosa yang ditambahkan diperkirakan cukup untuk kebutuhan  energi  mikroba  untuk  pertumbuhan dan  pemeliharaan.  Setelah  itu  dilakukan  tahap aklimati-sasi yaitu tahap penyesuaian mikroorganisme agar mampu mendegradasi air limbah domestik.
Karakterisasi  membran  dilakukan  untuk menge-tahui permeabilitas membran dan karakteristik  fluks  terhadap  variasi  tekanan, jarak  bafel,  dan  kecepatan  aliran  udara,  juga diperoleh  informasi  fluks  kritis  membran. Untuk  memperoleh  fluks  kritis  dilakukan kombinasi dengan menggunakan teknik backflushing.
Tahap penelitian utama adalah memasukkan  air  limbah  sintetis  dengan  laju alir ke dalam BRMt hollow fiber menggunakan pompa  sentrifugal.  Permeat  ditampung  dan tidak  dilakukan  pembuangan  lumpur  selama waktu operasi. Data yang diperoleh adalah laju alir  volumetrik  umpan,  COD-BOD  umpan,  di dalam  tangki,  dan  permeat.  Fluks  permeat, oksigen  terlarut,  MLSS  di  dalam  bak  aerasi, dan tekanan aliran masuk dan keluar membran. Oksigen  terlarut  di  bak  aerasi  dipertahankan minimal  2  mg/l.  Tekanan  operasi  diharapkan cukup  rendah  untuk  memperkecil  fouling  dan untuk  memperoleh  fluks  yang  stabil.  Untuk memperoleh  fluks  yang  stabil  selama  tahap percobaan utama, operasional membran
tan aliran ke bawah aliran ke atas Pembuangan lumpur bafel B on-off control P a e tangki permeat aliran backflushing limbah cair do difuser
dikombinasikan  dengan  teknik  intensive back- flushing yang dilakukan dengan cara mengambil aliran permeat  menggunakan udara tekan dengan interval dan tekanan tertentu.
Setelah  membran  beroperasi  selama  20- 30  jam  dan  fluks  permeat  tidak  efisien  lagi, maka dilakukan  pencucian  menggunakan asam dan  basa.  Asam  dan  basa  yang  digunakan untuk  pencucian  adalah  HCl  dan  NaOH  2%. Tiap pencucian dengan asam atau basa tersebut dilakukan selama 30 menit.
Metoda Analisis Metoda  analisis  COD-BOD  dan  MLSS menggunakan standart method , APHA (1992).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
1.  Tahap pembibitan dan aklimatisasi
Pertumbuhan  mikroorganisme  sampai hari  ke  83  pada  ketiga  bioreaktor  dirtunjukkan oleh  kurva  pada  Gambar  4.  Terjadinya penurunan  dan  kenaikan  MLSS  setelah memasuki  tahap  alklimatisasi  pada  hari  ke  41 (daerah  setelah  garis  putus-putus),  disebabkan karena  pemberian  aerasi  yang  tidak  stabil. Untuk  mengatasi  hal  tersebut,  aerator  yang dipasang sebelumnya diganti dengan kompresor yang bekerja secara kontinyu.
Gambar 4. MLSS pembibitan dan aklimatisasi.
2.  Karakterisasi membran
Karakterisasi  membran  dilakukan  untuk mengetahui permeabilitas membran ultrafiltrasi dan  karakteristik  fouling  pada  berbagai konsentrasi  biomassa  dan  TMP  eksperimen untuk BRMt dan BRM eksternal.
Pengukuran permeabilitas membran dilakukan  dengan  2  (dua)  tipe  aliran,  yakni aliran  silang- crossflow (BRM  eksternal)  dan aliran dead-end (BRMt).  Semakin  tinggi
permeabilitas berarti tahanan hidraulik membran  tersebut  semakin  kecil.  Besarnya permeabilitas membran sangat bergantung pada karakteristik  membran,  seperti  hidrofilisitas, ukuran  pori,  distribusi  ukuran  pori,  porositas, ketebalan dan tortuositas pori.
Pada  BRM  eksternal,  TMP  merupakan tekanan rata-rata dari tekanan masuk (P F,in ) dan keluar  (P F,out )  modul  membran  dikurangi dengan tekanan permeat (P P ):
F,in F,out P P P TMP P 2 + = − ....................1
Hasil pengukuran fluks air murni pada berbagai TMP  untuk  kondisi  awal  membran  ( fresh membrane )  hingga  setelah  pemakaian  untuk beberapa  variabel  operasi  ditampilkan  pada Gambar 5 berikut.
0 20 40 60 80 100 120 0.0 0.1 0.2 0.3 Tekanan lintas membran, TMP (bar ) F lu k s ai r d is ti la si , J ai r ( L /m 2 /j am ) awal setelah RUN 1 setelah RUN 2 setelah RUN 3 setelah RUN 4
Gambar  5.  Fluks  air  murni  versus  TMP  ( ∆ P) untuk  beberapa  kondisi  setelah operasi pada BRMt
Permeabilitas  membran  adalah slope dari kurva  fluks  air  murni  terhadap  TMP  seperti ditunjukkan  pada  Tabel  2    untuk  membran pada BRMt dan Tabel 3 untuk BRM eksternal.
Tabel 2. Data permeabilitas membran pada BRMt Membran Kondisi operasi membran Permeabilitas, l/m 2 /jam/bar Baru Awal pemakaian 191.69 RUN 1 MLSS = 2500 mg/l; kecepatan udara 12 l/mnt; TMP = 0,1333 bar 133.83 RUN 2 MLSS = 10000 mg/l; kecepatan udara 8 l/mnt; TMP = 0,1333 bar 155.24 RUN 3 MLSS = 10000 mg/l; kecepatan udara 12 l/mnt; TMP = 0,1333 bar 110.31 RUN 4 MLSS = 10000 mg/l; kecepatan udara 8 l/mnt; TMP = 0,0933 bar 70.686
Data  permeabilitas  yang  diperoleh  pada tangki  BRMt  menunjukkan  adanya fouling permanen  yang  tidak  mampu  dihilangkan
0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 25000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 waktu (hari) K o n se n tr as i M L S S ( m g /l ) BR 1 BR 2 BR 3
0 20 40 60 80 100 120 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Tekanan lintas membran, TMP (bar ) F lu k s a ir d is ti la si , J ai r ( L /m 2 /j a m ) setelah RUN 1 setelah RUN 2 setelah RUN 3 permeabilitas awal 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 waktu, menit F lu k s, L /m 2 /j am MLSS 5000 mg/l MLSS 7500 mg/l MLSS 10000 mg/l dengan  cara backflushing dan  pencucian  yang di terapkan untuk setiap kali setelah pengambilan data.
Gambar  6 .  Fluks  air  murni  versus  TMP  ( ∆ P) untuk  beberapa  kondisi  setelah operasi pada BRM eksternal
Bila dibandingkan dengan permeabilitas BRM  eksternal,  pada  BRMt  menunjukkan penurunan  permeabilitas  yang  tidak  begitu tajam.  Hal ini  disebabkan sistem  filtrasi antara aliran crossflow dan dead-end yang  berbeda, BRMt  mempunyai  banyak  sekali  keunggulan. BRMt  didesain  dengan  menambahkan  bafel  di antara membran dan difuser di bawahnya untuk menciptakan sirkulasi yang
mampu mengurangi penyumbatan pori membran ( clogging )  sehingga  waktu  operasi  bisa  lebih lama.
Tabel 3 . Data permeabilitas membran pada BRM eksternal
Membran Kondisi operasi membran
Permeabili tas, l/m 2 /jam/bar Baru Awal pemakaian 100.66 RUN 1 MLSS = 5000 mg/l; 1,45 bar 15.897 RUN 2 MLSS = 7500 mg/l; 1,45 bar 13.74 RUN 3 MLSS = 10000 mg/l; 1,45 bar 10.464 Pada  BRM  eksternal,  dilakukan  selama  3
(tiga)  jam  operasi,  TMP  1,45  bar  untuk  setiap ukuran MLSS. Fluks turun terus sejalan dengan bertambah-nya waktu operasi, tingginya konsentrasi MLSS (Stephenson, 2001;  Mulder, 1996).  Padatan  tersuspensi  merupakan  faktor yang  mempengaruhi  permeabilitas.  Partikel kecil seperti organik terlarut, dapat menurunkan  permeabilitas  melalui  adsorbsi langsung  ke  dalam  pori  membran  (Lee,  2002). Adanya penyumbatan pori ( clogging ) menyebabkan  penurunan  fluks  menjadi  lebih tajam  hingga  mencapai  harga  tertentu.  Pada keadaan ini, fluks tidak dapat ditingkatkan lagi dengan  mengubah  kondisi  operasi,  namun diperlukan pencucian membran.
Gambar  7 .  Pengaruh backflushing terhadap fluks  pada  BRM  eksternal  untuk eksperimen I, II, dan III
Membran  pada  BRMt,  secara  fisik sangat  mudah  dicuci  karena  membran  tidak terlapisi  dan  langsung  bersentuhan  dengan larutan yang akan difiltrasi. Eksperimen proses filtrasi  oleh  membran    dalam  BRMt  dilakukan selama  ±21  jam  untuk  setiap  kali  eksperimen. Backflushing  maupun  pencucian  membran dilakukan  setiap  kali  eksperimen  selesai. Backflushing  dilakukan  dengan  tekanan  3  bar menggunakan  air  distilasi  selama  1  jam. Sedangkan proses pencucian dilakukan pertama  kali  dengan  menggunakan  air  hangat (±40 o C),  dari  temperatur  tertinggi  yang diijinkan  untuk  membran  polimer  yaitu  60 o C. Kemudian  menggunakan  larutan  NaOH  dan HCl,  5%.  Setelah  pembilasan,  dilakukan pengukuran  permeabilitas  menggunakan  air distilasi. Perlu dijelaskan disini bahwa meskipun  pencucian  dan backflushing telah dilakukan, namun permeabilitas membran tidak akan  bisa  kembali  100%.  Secara  umum, permeabilitas setelah pencucian berkisar antara 50-65%  bergantung  pada  teknik  dan  lama waktu pencucian. Meskipun pencucian membran  dapat  mengembalikan  permeabilitas secara  signifikan,  namun  fluks  akan  kembali turun secara drastis dalam waktu singkat ketika digunakan kembali untuk filtrasi. Pada Gambar 8  menunjukkan  penurunan  fluks  yang  cukup tajam  pada  2  jam  pertama  untuk  semua eksperimen yang dilakukan.
5 10 15 20 25 30 35 0 250 500 750 1000 1250 waktu, menit F lu k s, L /m 2 /j am eksperimen 1, permeabilitas 133,8 l/m2/jam/bar eksperimen 2, permeabilitas 155,2 l/m2/jam/bar eksperimen 3, permeabilitas 110,3 l/m2/jam/bar eksperimen 4, permeabilitas 70,7 l/m2/jam/bar
Gambar  8.  Fluks  permeat  versus  waktu  pada filtrasi  limbah  sintetis  dalam lumpur  aktif  dengan  membran hollow  fiber terendam  di  dalam bioreaktor.
3.  Pengaruh konsentrasi biomassa (MLSS) Pengolah limbah dengan filtrasi membran
hollow  fiber di  dalam  BRMt  menunjukkan hasil  yang  sangat  baik.  Walaupun  ada  sedikit ketidak-konsistenan
antara besarnya
konsentrasi  biomassa  (MLSS)  lumpur  aktif pada  awal  pemakaian  dengan  kadar  COD-nya. Seperti pada data eksperimen I yang ditunjukkan  pada  Tabel  4,  bahwa  pada  MLSS 2500  mg/l,  COD  bisa  mencapai  6136  mg/l, sebaliknya  bila  dibandingkan  dengan  besarnya MLSS 10.000 mg/l seperti pada eksperimen III kandungan COD hanya sebesar 2863 mg/l. Hal ini  sangat  tergantung  pada  mikroorganisme yang  terdapat  di  dalam  lumpur  aktif,  karena mikroorganisme  merupakan  unsur  padatan yang  memberikan  kontribusi  pada  besarnya nilai COD. Sehingga MLSS yang rendah, tidak selalu  mempunyai  kandungan  mikroorganisme yang  rendah  pula.  Sebaliknya  pada  kondisi lumpur  aktif  yang  digunakan  pada  eksperimen III,  dengan  nilai  MLSS  yang  empat  kali  lebih besar dari MLSS lumpur aktif pada eksperimen I,  memberikan  nilai  COD  yang  hanya sepertiganya saja. Hal ini dimungkinkan bahwa konsentrasi  biomassa yang  tinggi  tidak menjamin  adanya  mikroorganisme  dalam bentuk partikulat yang banyak.
Tabel  4. Hasil  analisis  eksperimen  I,  COD umpan  ≈  540  mg/l  (MLSS  2500 mg/l; laju alir udara 12 l/menit; TMP 10 cmHg)
Pada  Gambar  9  ditunjukkan  adanya ketidak-sesuaian  antara  besarnya  konsentrasi biomassa  (mikroorganisme)  dengan  kemam- puannya  untuk  mendegradasi  limbah  organik yang  terdapat  di  dalam  tangki,  yaitu  terjadi penurunan kandungan COD pada saat mikroorganisme  juga  mengalami  penurunan akibat  kematian.  Menurut  teori  pertumbuhan biomassa  (mikroorganisme)  di  dalam  air limbah,  seharusnya  komposisi  biomassa  akan meningkat seiring dengan turunnya zat organik di dalam limbah (Metcalf & Eddy, 1991). Pada menit ke 150, 300, dan 600 yang sesuai dengan teori,  yaitu  terjadi  peningkatan  biomassa  yang disertai  dengan  penurunan  COD  permeat. Demikian  pula  dengan  kondisi  operasi  antara menit  ke  420  sampai  1082,  terjadi  fluktuasi antara  pertumbuhan  dan  kematian  mikroor- ganisme  yang  sesuai  dengan  penurunan  dan kenaikan  zat  organik  (COD)  di  dalam  efluen (permeat).
0 1000 2000 3000 4000 5000 0 30 60 90 120 150 180 300 420 600 1082 1224 waktu (menit) M L S S ( m g /l ) 0 50 100 150 200 250 C O D p er m ea t (m g /l ) MLSS COD permeat
Gambar 9. Pengaruh konsentrasi MLSS dalam BRMt terhadap COD permeat pada eksperimen I
menit ke BRMt Permeat Penyisihan Penyisihan MLSS COD MLSS COD COD (%) MLSS (%) 0 3968 6136 - - - - 30 2504 4576 212 228,8 57,63 91,53 60 1858 4472 462 197,6 63,41 75,14 90 1361 4368 481 176,8 67,26 64,66 120 1446 4264 274 156,0 71,11 81,05 150 2398 2912 360 145,6 73,04 84,99 180 1057 1768 395 124,8 76,89 62,64 300 3229 1144 197 119,6 77,85 93,90 420 1550 1549 241 114,4 78,81 84,45 600 2738 2374 211 72,8 86,52 92,29 1082 2316 3648 426 99,1 81,65 81,61 1224 2658 2598 611 104,0 80,74 77,01
Pada  Gambar  10  dan  11,  menunjukkan penurunan  MLSS  dan  kandungan  COD  yang cukup tinggi antara limbah dan lumpur aktif di dalam    BRMt  dengan  efluen  (permeat)  pada eksperimen I.
0 1000 2000 3000 4000 5000 0 200 400 600 800 1000 1200 waktu (menit) M L S S ( m g /l) BRMt Permeat
Gambar 10. Perbandingan konsentrasi  MLSS di  dalam  BRMt  dan  permeat terhadap waktu pada eksperimen I
Dilihat  dari  fluktuasi  grafik  MLSS  pada Gambar  10,  terjadi  kenaikan  konsentrasi biomassa  sebesar  300%  antara  menit  180  ke menit  300.  Hal  ini  disebabkan  adanya pertumbuhan  mikroba  yang  cukup  pesat diantara  waktu  tersebut.  Penyisihan  MLSS tertinggi  pada  eksperimen  I  mencapai  93,9%, sedangkan  kadar  COD  permeat  penurunan tertinggi  hingga  86,52%  dari  COD  input (limbah sintetis).
Kandungan  COD  dari  limbah  sintetis dalam  umpan  secara  kontinyu  diberikan  ke dalam tangki. Namun hal itu kurang memenuhi kebutuhan  makanan  bagi  mikroorganisme  di dalam BRMt. Meskipun demikian, ditinjau dari % removal COD-nya  yang  rata-rata  80%, menunjukkan  hasil  yang  cukup  bagus  untuk suatu proses pengolahan limbah.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 60 120 180 420 660 948 1080 1096 1125 1175 1200 waktu (menit) M L S S ( m g /l ) 0 20 40 60 80 100 120 C O D p er m ea t (m g /l ) MLSS COD permeat
Gambar  11. Pengaruh  konsentrasi  MLSS dalam  BRMt  terhadap  COD permeat pada eksperimen II
Hasil analisis eksperimen III,
menunjukkan  % removal COD,  dan  MLSS yang sangat bagus,  yaitu rata-rata di atas 90%. Gambar  12  dan  13,  memberi-kan  grafik  yang cukup  berfluktuasi.  Namun  demikian,  pada eksperimen  III  dan  IV  juga  terdapat  sedikit penyimpangan  dengan  teori  yaitu  penurunan COD  permeat  terjadi  pada  waktu  mikroba mengalami kematian di dalam tangki BRMt.
Ditinjau  dari  COD  permeat,  setiap eksperimen yang dilakukan memberikan
% removal antara 60-98%. Hal ini menunjukkan  bahwa  dalam  BRMt,  membran mempunyai  peranan  yang  penting  di  dalam menyaring suspended solid. Sedangkan kandungan  COD  yang  lolos  dari  membran sebagai permeat merupakan komponen organik yang  terlarut  ( soluble ).  Hal  itu  disebabkan karena  komponen  organik terlarut memberikan kontribusi terhadap nilai COD selain komponen  yang  berupa  partikulat.  Komponen terlarut  ( soluble )  tersebut  mempunyai  molekul yang  lebih  kecil  dari  pori-pori  membran ultrafiltrasi  yang  digunakan  dalam  penelitian ini,  sehingga  membran  tidak  mampu  untuk merejeksi komponen terlarut tersebut. Sedangkan  kandungan  COD  yang  sebagian besar berupa partikulat terejeksi oleh membran yang mempunyai ukuran pori-pori 0,01-0,1µm. Turunnya  kadar  COD  dari  BRMt  ke  permeat merupakan  hasil  kerja  membran  sebagai  filter dalam tangki BRMt tersebut.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 30 60 90 120 150 180 475 665 905 1145 1200 waktu (menit) M L S S ( m g /l ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 C O D p er m ea t (m g /l ) MLSS COD permeat
Gambar  12. Pengaruh  konsentrasi  MLSS dalam  BRMt  terhadap  COD permeat pada eksperimen III
Eksperimen  IV,  eksperimen  terakhir, dimana membran yang dipakai sudah digunakan  selama  tiga  kali  operasi  pada eksperimen  sebelumnya.  Pada  Gambar  8 memberikan  data  fluks  yang  paling  rendah. Dilihat  dari  sisi  pemisahan  padatan,  membran hollow  fiber yang  digunakan  menunjukkan kemampuan  yang  cukup  baik.  Data  analisis
memberikan  hasil  persen  removal  MLSS mencapai  lebih  dari  98%  dan  93,7%  untuk %removal  COD  yang  dapat  dicapai.  Masih tingginya  kemampuan  membran  filter  disini, di-prediksikan  akibat  penyempitan  pori-pori membran karena adanya flok-flok yang bersifat permanen  yang  tidak  bisa  dihilangkan  karena efek backflushing dan  pencucian.  Hal  ini sangat  menguntungkan  dari  fungsi  membran untuk merejeksi padatan yang berupa komponen  partikulat  tapi  tidak  dari  sisi  fluks yang dihasilkan. Gambar 13 menunjukkan adanya
signifikansi antara penurunan MLSS dan COD. Hal  ini  dikatakan  cukup  baik  ditinjau  dari membran,  karena  dapat  menfilter  komponen partikulat  yang  memberikan  nilai  COD  dalam limbah. Namun  bila  ditinjau  dari  sisi biologisnya, tugas mikroba
untuk
mendegradasi kandungan organik pada limbah, tidak  cukup  berhasil.  Turunnya  MLSS,  berarti bahwa  banyak  pula  mikroba  yang  mati, sehingga  proses  pendegradasian  kandungan organik tidak sepenuhnya dapat dilakukan oleh jumlah mikroba  yang sedikit itu. Dalam hal ini fungsi  membran  nampak  lebih  berperan  untuk di dalam tangki BRMt.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 45 75 105 135 165 195 435 685 915 1095 1235 waktu (menit) M L S S ( m g /l ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 C O D p er m ea t (m g /l ) MLSS COD permeat
Gambar  13. Pengaruh  konsentrasi  MLSS dalam  BRMt  terhadap  COD permeat pada eksperimen IV
Pada Gambar 14 berikut, ditunjukkan hasil foto  tentang  kekeruhan  lumpur  aktif  yang mengandung  limbah  sintetis  dan  permeat. Secara visual dapat dilihat bahwa produk  yang dihasilkan  bebas  dari  padatan  tersuspensi. Kualitas  warna  dan  kejernihan  permeat  sangat baik  dan  konsisten.  Penyisihan  kandungan COD  dari  eksperimen  I  sampai  IV  berkisar antara  60-95%,  sedangkan  penyisihan  MLSS hampir  mendekati  99%.  Hal  ini  sangat menguntung-kan  karena  tahap  pengolahan limbah menjadi lebih singkat, dapat memberikan  hasil  yang  maksimal  dan  tidak membutuhkan lahan yang luas.
Gambar  14. Foto  lumpur  aktif  dibandingkan dengan permeat ultrafiltrasi membran  hollow  fiber (a) MLSS 2500 mg/l (b) MLSS 10000 mg/l

## KESIMPULAN
Fluks pada BRMt maupun BRM eksternal  sampai  dicapai  kondisi  tunak, memerlukan  waktu  yang  relatif  singkat,  yaitu kurang  60  menit.  Hal  ini  dapat  dicapai  karena sistem  pengoperasian  yang  dilakukan  masih berkisar  pada  TMP  yang  cukup  rendah  yaitu 0,1333  bar  yang  sekaligus  merupakan  tekanan operasi  yang  paling  baik  pada  BRMt. Sedangkan TMP optimum pada BRM eksternal diperoleh  pada  1,45  bar.      Untuk  memperoleh fluks  yang  tinggi  dan  stabil  dalam  jangka waktu  yang  lama,  operasi  membran  pada BRMt  lebih  tepat  menggunakan  kecepatan aerasi  yang  cukup  besar  yaitu  12  l/menit  dan jarak  baffle  yang  mendekati  membran atau 7,5 cm  dari  dinding  tangki  untuk  memperbesar shear  rate yang  dapat  mengurangi  terjadinya fouling .
Permeabilitas  yang  diperoleh  pada  BRMt lebih  baik  dibanding  BRM  eksternal,  karena sistem  filtrasi  pada  BRMt  yang  cukup  mampu untuk  mengurangi fouling sehingga  flok-flok yang  tersumbat  pada  pori-pori  membran  tidak sebanyak yang terjadi pada BRM eksternal dan tidak banyak yang bersifat permanen.

## DAFTAR PUSTAKA
Bodzek, Michal, Z. Debkowska, E. Lobos, and K.  Konieczny,  (1996),  ‘Bio-membrane Wastewater Treatment by Activated Sludge  Method’, Desalination  Journal, Elsevier Science, 107, p.83-95. Bouhabil,  El  Hani,  Roger  Ben  Aim,  Herve Buisson  (2001),  Fouling  Characterization in  Membran  Bioreactor, Separation  and Purification Technology , 22-23; 123-132
lumpur aktif permeat (a) lumpur aktif permeat
(b)
.
Chriemchaisri,  C.,  and  Kazuo  Yamamoto (1994), Performance Of Membrane Separation Bioreactor At Various Temperature  For  Domestic  Wastewater
Treatment. Journal  of  Membrane Science , 87, 119-129.
Cicek,  N.,  Winnen,  H.,  Suidan,  M.T.,  Wirenn,
B.E.,  Urbain,  V.,  Manem,  J.,  (1998), Effectiveness of The Membrane
Bioreactor in  The  Biodegradation  of  High Molecular  Weight  Compounds. Water Research 32, 1553-1563 Fane,  A.G.,  and  Sheng  Chang  (2002), Membrane Bioreactors: Design & Operational Options. Filtration and Separation . 26 June 2002.
Lee,  Yonghun.,  et  al.  (2002),  Modeling  of Submerged  Membrane  Bioreactor  Process for Wastewater Treatment, Elsevier Science. Desalination  journal. 146,  451- 457. Lu,  S.G.,  T.  Imai,  M.  Ukita,  M.  Sekine,  T. Higuchi  dan  M.  Fukagawa,  (2001),  “A
Model  For  Membrane  Bioreactor  Process based  on  The  Concept  of  Formation  and Degradation of Soluble Microbial Product”, Water  Res. ,  Elsevier  Science, Vol. 35, No. 8, p.2038-2048.
Mulder,  M.  (1996),  Basic  Principles  of Membrane Technology. 2 nd edition.
Netherlands: Kluwer Academic Publishers Biochemistry Journal , Vol.38, pp.279-285.
Shim,  J.K.,  Ik-Keun  Yoo,  Young  Moo  Lee,
(2002), Design and operation consideration  for  wastewater  treatment using a flat submerged membrane bioreactor. Elsevier Sci., Process Biochemistry Journal , Vol.38, pp.279-285. Singh,  N.,  M.  Cheryan,  (1997),  Fouling  of  a ceramic microfiltration membrane by corn starch  hydrolysate, J.  Membr.  Sci. ,  135,
195-2002
Stephenson,  T.,  S.  Judd,  B.  Jefferson,  K. Brindle  (2000),  Membrane  Bioreactor  for Wastewater  Treatment.  IWA  Publishing Company. UK.
Trouve,  E.,  Urbain,  V.,  Manem  J.  (1994), Treatment  of  municipial  wastewater  by  a membrane  bioreactor:  result  of  a  semi- industrial  pilot-scale  study, Water  Science and Tecnology , 30, 151-157. Visvanathan, C.R., B. Aim, K. Parameshwaran,
(2000), “Membrane Separation
Bioreactors  for  Wastewater  Treatment”,
Critical  Review  in  Environmental  Science and Technology , 30 (1): 1-48.
Yamamoto, K., M. Hiasa, T. Mahmood, dan T. Matsuo,  (1989),  “Direct  Solid-Liquid Separation Using Hollow Fiber Membrane in  an  Activated  Sludge  Aeration  Tank” Water Science Tech ., 21 , p.43-54.
Zeman, L.J., A.L. Sydney (1996), Microfiltration and Ultrafiltration: Principles and Application, Marcel Dekker Inc., New York, 397-446