## PERBAIKAN KUALITAS AIR BAKU OLEH ISOLAT BAKTERI NITRIFKASI INDIGENOUS
MENGGUNAKAN MOVING BED BIOFILTER REACTOR (MBBR)

## RAW WATER QUALITY IMPROVEMENT BY INDIGENOUS NITRIFYING BACTERIA ISOLATES USING MOVING BED BIOFILTER REACTOR (MBBR)
Ramiza Dewaranie Lauda, Suprihatin *) , dan Titi Candra Sunarti
Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana IPB University Kampus IPB Darmaga, PO Box 220 Bogor 16002, Indonesia
Email:
Makalah: Diterima 27 Agustus 2018; Diperbaiki 27 Juni 2019; Disetujui 10 Juli 2019

## ABSTRACT
Bio-filtration technology is considered as one of prevention solutions for declining raw water quality. The research purpose was to identify biofilm growth formation as viability cell in acclimatization period that can be  used  for  ammonia  elimination  by  using  various  indigenous  chemo-heterotroph  bacteria  isolated  from  bio- filter  media  specimen  and  moving  bed  bio-filter  reactor  performance.  Reactor  was  configured  within  aerobic system comparing two biofilm–attached support–medium filters (i.e. drinking-water-bottle-PET-chips and PVC). Bacteria  potency  on  ammonia  removal  in  kinetics  modeling  was  advance  investigated.  Kinetics  determination was  based  on  empirical  approach  in  first  order  by  using  formula  of  C out =  C in exp(-k.EBRT),  where  C out is ammonia  concentration  in  outlet,  C in is  ammonia  concentration  in  inlet,  k  is  first-order  reaction  rate  constant and Empty Bed Retention Time (EBRT) can be formulated about setting comparison the discharge ammonia load (Q)  and  volume  reactor  (V).  Total  thirteen  potential  biofilm  bacterias  were  successfully  isolated  in  24–hours– incubation at 37 o C and by using Bergey’s method successfully identified prime biofilm isolates of Bacillus sp and Pseudomonas  sp,  then  re-selected  to  determine  one  with  the  best  ammonia  removal  ability.  The  ammonia removal kinetics constant of each reactor was obtained as followed: (1) k PET =0.421h -1 (ɳ = 62.47%-NH 3 ) and (2) k PVC = 0.412 h -1 (ɳ = 58.80%-NH 3 ).
Keywords:ammonia removal, biofilm viability, bio-filtration, raw water, polyethylene terephthalate chips

## ABSTRAK
Teknologi  bio-filtrasi  merupakan  salah  satu  usaha  teknologi  pencegahan  penurunan  kualitas  air  baku. Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengidentifikasi  pola  pertumbuhan  biofilm  sebagai  jumlah  sel  hidup  yang diperoleh selama periode aklimatisasi, sehingga dapat digunakan dalam proses eliminasi amonia oleh beberapa jenis bakteri indigenous jenis kemo-heterotrof. Bakteri tersebut berhasil diisolasi dari spesimen media bio-filter selama  pengukuran  kinerja moving  bed  bio-filter  reactor .  Konfigurasi  reaktor  dirancang  menggunakan  sistem aerobik  dengan  memanfaatkan  dua  jenis  media  pendukung  untuk  penempelan  biofilm  (botol  plastik  minuman PET  chips  dan  PVC).  Potensi  bakteria  dalam  penyisihan  amonia  dilakukan  investigasi  lanjutan  menggunakan pemodelan kinetika. Kinetika mengikuti pendekatan empiris orde pertama menggunakan formula C out = C in exp(- k.EBRT), dimana C out merupakan konsentrasi amonia di outlet, C in adalah konsentrasi amonia di inlet, k adalah konstanta  kinetika  dan Empty  Bed  Retention  Time (EBRT)    dengan  merumuskan  dari  perbandingan  laju  alir umpan (Q) terhadap volume reaktornya (V). Total 13 koloni isolat indigenous biofilm berhasil diisolasi selama 24  jam-inkubasi  37 o C,  dan  menggunakan  metode  Bergey  berhasil  didefinisikan  enam  isolat  terbaik  sebagai Bacillus sp  dan Pseudomonas sp,  kemudian  diseleksi  kembali  untuk  mendapatkan  isolat  unggul  dalam penyisihan  amonia.  Konstanta  kinetika  penyisihan  amonia  pada  masing  reaktor  secara  berturut  :  (1)  k PET = 0,421jam -1 (ɳ = 62,47%-NH 3 ) dan (2) k PVC = 0,412jam -1 (ɳ = 58,80%-NH 3 ).
Kata kunci : amonia, biofilm, bio-filtrasi, air baku, moving bed biofilter reactor

## PENDAHULUAN
Air bersih sebagai sumber kehidupan mulai menghadapi  permasalahan  persediaan  yang  terbatas dan  kualitas  yang  semakin  menurun  akibat  cemaran hasil kegiatan manusia, sehingga semakin sulit untuk mendapatkan  akses  air  bersih.  Akibat  penurunan kualitas  air,  terutama  pada  sumber-sumber  air  baku seperti  air  sungai  yang  dipergunakan  dalam  proses pengolahan  air.  Padahal  air  sungai  dimanfaatkan
sebagai  sumber  air  baku  tersebut  dimanfaatkan kembali  dalam  produksi  air  bersih.  Terjadinya penurunan kualitas air baku menyebabkan peningkatan  biaya  produksi  untuk  pengolahan  air baku  menjadi  air  bersih  yang  semakin  mahal, sehingga  akan  berimplikasi  kepada  pelayanan penyediaan air bersih bagi masyarakat yang menjadi tidak  maksimal,  karena  tidak  memenuhi  tentang Persyaratan Kualitas Air Baku (PPRI, 2001). Upaya yang  dilakukan  oleh  perusahaan  air  bersih  agar
Jurnal Teknologi Industri Pertanian 29 (2):183-192 (2019) Nomor DOI: 10.24961/j.tek.ind.pert.2019.29.2.183 ISSN: 0216-3160    EISSN: 2252-390
Terakreditasi Peringkat 2 Dirjen Penguatan Riset dan Pengembangan No 30/E/KPT/2018 Tersedia online http://journal.ipb.ac.id/index.php/jurnaltin
pelayanan  air  bersih  untuk  masyarakat  dapat  tetap berlangsung adalah dengan menggunakan klor untuk mereduksi mikroorganisme (disinfektasi) dan penggunaan  filter  karbon  aktif  dalam  teknologi pengolahan  lanjut  ( advanced  treatment ).  Cara  ini dapat meningkatkan kualitas olahan air baku, namun disisi  lain  menambah  beban  biaya  pengolahan. Berdasarkan  hasil  survei  BPS  (2017)  diperoleh  data akses  sumber  air  minum  yang  layak  di  Indonesia pada  provinsi  yang  padat  penduduk  seperti  Bali, DKI Jakarta, Riau, Kalimantan Utara, dan Kalimantan  Timur  mulai  mengalami  penurunan. Penurunan  paling  signifikan  terjadi  untuk  provinsi DKI  Jakarta  yaitu  92,44%  menjadi  88,93%  akibat pencemaran sumber air baku .
Penelitian Lopez-Ponnada et al. (2017) dan Krishnan et  al. (2008)  merumuskan    beberapa substrat berupa kontaminan (amonia) akan memberikan  efek  toksik  sehingga  konsorsium mikroba  biofilm  terhambat  pertumbuhannya  atau mati.  Suprihatin et  al. (2013)  menggunakan biofiltrasi  sebagai  upaya  peningkatan  kualitas  air baku didasarkan pada langkah antisipasi permasalahan  buruknya  kualitas  air  baku  dengan solusi  teknologi  yang  lebih  ramah  lingkungan. Mekanisme  proses  pelekatan  biofilm  mikroba indigenous pada  medianya  disebut  aklimatisasi. Aklimatisasi (Spigno et al., 2003) merupakan upaya penyesuaian fisiologis oleh suatu organisme terhadap  lingkungan  baru  yang  akan  dilewatinya, sampai  kondisi  pertumbuhannya steady  state (tunak).
Agar  diperoleh  kualitas  air  baku  yang mendekati  standar  air  baku  di  Indonesia  (PPRI, 2001),  maka  penelitian  ini  bertujuan  untuk melakukan:  (1)  mengidentifikasi  pola  pertumbuhan biofilm  sebagai  jumlah  sel  hidup  yang  diperoleh selama periode aklimatisasi, sehingga dapat digunakan  dalam  proses  eliminasi  amonia  oleh beberapa  jenis  bakteri indigenous jenis  kemo- heterotrof.    Bakteri  diperoleh  dari  tahapan  isolasi dan  karakterisasi  spesimen  media  bio-filter  selama pengukuran  kinerja moving  bed  bio-filter  reactor . Isolat bakteri nitrifikasi indigenous dari biofilm yang diperoleh,  akan  digunakan  untuk  perbaikan  kualitas air  baku  menggunakan Moving  Bed  Biofilter Reactor/ MBBR,  dan  (2)  mengkaji  kandungan pengaruh pembebanan air baku melalui simulasi laju alir dan amonia berdasarkan pendekatan empiris.

## METODE PENELITIAN
Karakterisasi  Air  Baku  dan  Perancangan Reaktor Biofilter MBBR
Air  baku  diambil  dari intake  Water Treatment Plant/WTP Sungai Cihideung yang sudah dilakukan screening dan settling sebelum  masuk  ke unit  pengolahan  air  bersih.  Karakterisasi  air  baku terdiri  atas  parameter  kimia  dan  mikrobiologis
mengikuti  standar  pengujian  analisa  kualitas  air (APHA,  2012).    Parameter  yang  dimonitoring adalah:  parameter  kimia  (COD,  NH 4 -N,  NO 3 –N, fosfat) serta parameter mikrobiologis (total koliform dan Salmonella sp.).  karakteristik  air  baku  yang diperoleh  dibandingkan  mengacu  pada  standar  air baku di Indonesia (PPRI, 2001; PPRI, 2015).
Reaktor yang digunakan merupakan reaktor biofilm  tipe Moving  Bed  Biofilter  Reactor/MBBR , dimana  matriks  filternya  menggunakan  jenis  bahan berupa  potongan  botol  plastik  berbahan poly- ethylene-trepthalate /PET chips ukuran  5  cm 2 dan Bioball yang menggunakan bahan plastik poly-vinyl- chloride /PVC.  Reaktor  didesain  menggunakan sistem  aerobik  untuk  memaksimalkan  proses nitrifikasi  air  baku  yang  dialirkan  masuk  ke  dalam MBBR  oleh  biofilm  yang  terbentuk  pada  matriks filternya  (Gambar  1).  Biofilm  didapatkan  dari tahapan  aklimatisasi  yang  dilangsungkan  selama  35 hari  hingga  mencapai  kondisi steady-state yang ditandai kestabilan proses penyisihan kontaminan air baku  serta  kestabilan  pertumbuhan  sel  biofilm. Selama proses aklimatisasi, reaktor MBBR dioperasikan  menggunakan  sistem  kontinu  untuk memudahkan penyesuaian debit air.
Stanbury
dan Whitaker (1984) menggunakan  pendekatan dissolved  oxygen/DO sebagai  parameterkontrol  sistem  aerobik.  Jika kurang  dari critical  dissolved  oxygen (0,004-0,022 mg/L) akan menganggu proses metabolisme mikroba, maka aerasi dilakukan untuk pengoptimuman  kinerja  mikroba.  Nilai  DO  pada outlet  biofilter  PET chips berada  pada  kisaran  4,7- 6,2  mg/L,  sedangkan  outlet  biofilter  PVC  selama aklimatisasi berada pada rentang 4,9-5,3 mg/L.
Isolasi,  Seleksi,  Karakterisasi  Isolat  Bakteri Nitrifikasi Indigenous Biofilm Isolasi  dan  seleksi  mikroba  nitrifikasi dilakukan  dari  biofilm indigenous yang  menempel pada  dua  spesimen  matriks  PET  dan  PVC  selama proses  aklimatisasi.  Isolasi  tahap  awal  dilakukan pada  media  agar  selektif  umum  meliputi Nutrient Agar (bakteri), PDA (kapang), YMEA (khamir), PCA (total  mikroba)  yang  ditumbuhkan  secara  spontan selama  24  jam  suhu  37 0 C.  Isolat  yang  didapat sebanyak 13 buah isolat, kemudian dilakukan seleksi menggunakan  teknik enrichment (E)  sebanyak  tiga tahap  pada  kaldu  amonia  (NH 4 Cl)  1000  ppm  yang diberikan penambahan buffer phosfat dan phenol red pada  beberapa  rasio Nutrient  Broth berbeda  secara berturut-turut E1 (0,8% b/v), E2 (0,4% b/v), dan E3 (0,2%  b/v).    Kemampuan  nitrifikasi  positif  jika diperoleh  perubahan  warna  kaldu  dari  kuning menjadi merah.  Modifikasi metode isolasi diperoleh dari penelitian Harley dan Prescott (2002), Burrel et al. (2001)  dan  Welch et  al. (2012).  Modifikasi metode isolasi secara ringkas disajikan pada diagram alir Gambar 2.
Gambar  1.  Skema  desain  sistem  pengolahan  air  baku  menggunakan  MBBR  modus  operasi  kontinu  aerobik. Terbagi  dalam  tiga  tahapan  utama  :  (a)  proses  penampungan  air  baku  dari intake ,  (b)  proses pembebanan  amonia  melalui  pencampuran  amonia  dari  tangki mixer ,  (c)  proses  MBBR  secara aerobik  pada  yaitu  skala  lab  untuk  pengujian  viabilitas  dan  kinerja  mikroba  nitrifikasi,  dan  skala pilot  untuk  pengujian  beban  laju  alir  &  amonia.  Modifikasi  desain  MBBR  dan  media  dari  Lopez- Ponnada et al. (2017).
Gambar 2. Skema tahapan isolasi dan seleksi isolat bakteri biofilm indigenous hingga mendapatkan isolat unggul bakteri nitrifikasi indigenous
Hasil  isolat  yang  mampu  bertahan  dalam proses  seleksi  media  spesifik  kaldu  amonia, dilakukan  identifikasi  tingkat  genus  menggunakan kunci  determinasi  Bergey’s  Manual,  sehingga diperoleh  6  kultur  isolat  potensial  nitrifikasi  yang merupakan  campuran  konsorsium  dari Bacillus sp. dan Pseudomonas sp.
Isolat terpilih dari kultur stok 2, diuji untuk memilih  isolat  bakteri  nitrifikasi indigenous yang unggul  berdasarkan  kemampuan  viabilitas  untuk mendapatkan  µ maks (Diduch et  al,. 2016;  Welch et al .,  2012;  dan  Biesta-Peters et  al., 2009), pembentukan  kapsul/film  (Harley  dan  Prescott, 2002),  penempelan  biofilm  menggunakan  SEM (Azeredo et  al., 2016  dan  Goldstein et  al .,  1992), kecepatan  laju  pertumbuhan  maksimum  mengacu penelitian Stanbury dan Whitaker (1984), kemampuan  oksidasi  amonia  dan  kemampuan nitrifikasi.  Karakterisasi  juga  dilakukan  secara paralel  untuk  mengidentifikasi  isolat indigenous biofilm sampai tingkat genus mengacu pada metode Bergey’s  Manual  Determinative  Bacteriology yang dikembangkan  oleh  penelitian  Harley  dan  Prescott (2002) menggunakan pendekatan karakteristik morfologi  (bentuk  sel :  cocci/rods ;  jenis  Gram: positif/negatif;  kemampuan  pembentukan  spora hingga  kapsul)  dan  karakteristik  kemampuan fisiologi/biokimiawi  (produksi  enzim  pereduksi nitrat/ nitrate  reductase; kemampuan  fermentasi glukosa: positif/negatif terbentuknya asam; kemampuan produksi urease ).
Pemanfaatan  Isolat Nitrifying Bakteri  Biofilm Unggul Isolat nitrifying bakteri biofilm unggul yang terpilih  pada  tahapan  sebelumnya,  dikembangkan menjadi  starter  cair  untuk  dimanfaatkan  dalam tahapan pengujian beban laju alir dan beban. Starter cair  yang  dikembangkan  dibuat  menggunakan parameter optical  density (OD)  menggunakan panjang  gelombang  puncak  430  nm  dan  560  nm untuk  membuat  kurva  turbiditas.  Starter  cair  siap dipanen  saat  kecepatan  pertumbuhan  spesifik maksimum  (µ maks )  tercapai.    Penyiapan  starter  cair ini bertujuan untuk menyiapkan inokulum aktif yang akan  memberikan  fase  adaptasi/lag  yang  pendek untuk proses pembebanan biofiltrasi. Media pertumbuhan  yang  digunakan  adalah  kaldu  amonia dari  NH 4 Cl broth .  Jumlah  inokulum  isolat  bakteri nitrifikasi indigenous (kode I-12) yang ditambahkan saat  kondisi  µ maks mencapai  1,7x10 8 CFU/mL.
Inokulum  tersebut  ditambahkan  ke  dalam  reaktor MBBR sebanyak 1% (v/v) dari volume total reaktor sehingga  konsentrasi  bakteri  unggul  pada  MBBR sebesar 10 6 CFU/mL.

## Pengujian  Beban  Laju  Alir,  Substrat  dan Pemodelan Kinetika Pembebanan
Pembebanan  laju  alir  dilakukan  dengan menambahkan  starter  cair  biofilm  unggul  kemudian dilakukan  pengaturan Hydrolic  Retention  Time (HRT) untuk volume reaktor biofilter sebanyak 6000 mL,  yang  divariasikan  pada  masing-masing  aliran reaktor biofilter yaitu selama 1, 2, dan 3 jam dengan laju  alir  inlet  yang  digunakan  100  mL/menit,  50 mL/menit dan 34mL/menit. Analisa yang difokuskan meliputi  analisa  kondisi  biologis  yaitu  laju pertumbuhan  spesifik  bakteri  biofilm/µ  dan  laju dilusi/D (Jannasch, 1969). Penentuan beban laju alir secara ringkas disajikan pada Gambar 3.
Pembebanan  substrat  (amonia)  dilakukan untuk  mengetahui  kemampuan  biofilter  dalam menahan  tambahan  beban  berupa  amonia  yang digunakan  sebagai  substrat  untuk  proses  nitrifikasi, dalam  hal  ini  penambahan  substrat  yang  spesifik mampu  didegradasi  oleh  konsorsium  biofilm. Pembebanan  dilakukan  ketika  masa  aklimatisasi sudah steady  state .  Pengoperasian  pembebanan dilaksanakan  dengan  cara  melarutkan  substrat  yang mengandung komposisi C:N:P = 200:5:1 dicampurkan  dalam  tangki dosing  pump kemudian dialirkan  ke  saluran  umpan  air  baku  yang  secara kontinyu  mengalir  ke  reaktor  MBBR.  Perhitungan C:N:P  diwakili  oleh  nilai  COD  (sebagai  C),  amonia (N)  dan  fosfat  (P)  untuk  penyesuaian  kebutuhan substrat  bakteri  kemo-heterotrof  maupun  kemo- autotrof  yang  berperan  pada  proses  nitrifikasi (Gambar 3).
Level  pembebanan  amonia  di  inlet  yang dilakukan  secara  berturut  0,  10,  20,  30  mg  NH 3 /L hingga  dicapai  efisiensi  penyisihan  beban  amonia berada dibawah 50%. Pemodelan kinetika pembebanan  untuk  proses  biologis  menggunakan reaksi  orde  pertama  (Tcnobaloglos et  al., 2014). Persamaan kinetika disajikan menggunakan perhitungan  laju  perubahan  konsentrasi  (C)  per satuan waktu (r c = 𝑑 C 𝑑 𝑡 =   −𝑘 𝐶) . Penguraian persamaan  kinetika  reaksi  untuk  perhitungan kinetika  laju  reaksi  penyisihan  amonia,  dapat disederhanakan  sebagai berikut:
r C = 𝑑 C
𝑑 𝑡 = −𝑘 𝐶 ............................................................................................................... (1)
∫ 𝑑 𝐶 𝐶 = -k ∫ 𝑑 𝑡 .....................................................................................................
(2)
k = (Q/V) ln (C in / C out ) dengan t = V/Q ; V: volume reaktor Q: debit...................
(3)
𝐶 𝐶0 𝐶 = −𝑘(𝑡 0 𝑡 ) ......................................................................................................... (4) ln C – ln C 0 = -k (t).................................................................................................. (5)
e ln C =e ln C0 – k (t) ......................................................................................................... (6) -ln[C out / C in ] = k (t)................................................................................................. (7) C = C 0 (e -k (t) ) .......................................................................................................... (8) C outlet =C inlet . (e -k . EBRT ) ........................................................................................... (9)
ɳ = (1 − 𝐶 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡
𝐶 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 ) 100 % = (1 – e – k . EBRT ) 100% ................................................ (10) C outlet = C inlet (e -k.V/Q ) ...............................................................................................
(11)
(a)
(b)
Gambar 3. Skema penyiapan uji pembebanan laju alir (a) dan kebutuhan substrat amonia (b)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Karakteristik  Air  Baku  untuk  Perancangan Reaktor Biofilter MBBR
Karakterisasi  kualitas  air  baku  pada  musim kemarau dan  hujan mempengaruhi fluktuasi kualitas air  baku.  Karakterisasi  kontaminan  kimia  (Tabel  1) dalam  air  ditunjukkan  dengan  menentukan  kualitas mutu  air  baku  yang  mencakup  pengukuran  bahan kimia  agregat  (bahan  organik,  senyawa  nitrogen). Kondisi  kualitas  air  baku  saat  musim  hujan mengalami  penurunan  kualitas,  nilai  COD  pada kedua  musim  tersebut  melebihi  ambang  baku  mutu yang  mengindikasikan  bahwa  kandungan  bahan organik masih tinggi.
Shafi et  al. (2013)  melaporkan  sebagian kecil  mikroorganisme  yang  dapat  hidup  di  air tergolong jenis patogen/menyebabkan penyakit pada manusia.  Bakteri  patogen  penting  yang  dijadikan parameter  standar  pada  air  dalam  penelitian  ini adalah Salmonella sp.  Dantotal  koliform.  Hasil kontaminan mikrobiologis terdeteksi 7 CFU/100 mL untuk  total  koliform  sehingga  masih  aman  dari standar  baku  mutu  yang  ditetapkan.  Peningkatan populasi Salmonella sp.  sebesar  200  CFU/mL  erat kaitan  dengan  kondisi  rasio  substrat  dalam  air  baku yaitu  rasio  COD  :  NH 3 :  PO 4 sebesar  110:  0,140  : 5,74  yang  menunjukkan  konsentrasi  fosfor  berlebih lima kali lipat dari kebutuhan minimumnya mikroba untuk  hidup  dimana  memerlukan  rasio  COD:  NH 3 : PO 4 sebesar  100:5:1  (modifikasi  Krishnan et  al., 2008).  Kondisi  karakteristik  kualitas  air  baku  yang belum  memenuhi  standar  yang  ditentukan    dari ketiga aspek kontaminan fisik, kimia dan mikrobiologi memerlukan strategi pengelolaan mutu air  baku  agar  tidak  menjadi  beban  operasi  dalam instalasi  pengelolaan  air  bersih.  Oleh  karena  itu, pada studi kasus penelitian yang ini kondisi air mutu air  baku  harus  berhubungan  dengan  kondisi  bahan organik  termasuk  didalamnya  substrat  organik (Gambar 3) dan mikroba tertentu untuk mengoptimalkan  proses  pendegradasian  kontamian kimia  berbahaya  seperti  COD,  amonia,  dan  nitrat (Tabel 1).
Karakteristik Isolat Bakteri Nitrifikasi Indigenous Biofilm Penggunaan starter isolat biofilm indigenous unggul  bermanfaat  untuk  mempercepat fase  adaptasi  biofilm  dan  meningkatkan  peforma dalam  proses  nitrifikasi.  Hasil  isolasi  diperoleh sebanyak 13 koloni isolat yang dominanjenis bakteri (Gambar  2).  Kemudian  secara  bertahap  diseleksi pada media NH 4 Cl dan kaldu Nutrient Broth (Oxoid) sehingga  diperoleh  enam  isolat  bakteri  yang potensial  (Tabel  2).  Keenam  isolat  tersebut dilakukan  karakterisasi  untuk  memperoleh  isolat bakteri nitrifikasi unggul yang berpotensi dikembangkan menjadi starter cair.
Keseluruhan  isolat  dilakukan  identifikasi sampai tingkat genus menunjukkan mengandung dua jenis  strain  bakteri  yaitu  strain Bacillus sp . yang merupakan  jenis  bakteri  Gram  positif  berbentuk batang/ rods dan  mampu  menghasilkan  spora,  serta strain Pseudomonas sp.  merupakan  jenis  bakteri Gram  negatif  berbentuk  batang/ rods ,  tidak  mampu memfermentasi  glukosa  serta  positif  menghasilkan enzim urease yang  berguna  dalam  mendegradasi urea menjadi nitrat (Harley dan Prescott, 2002).
Tabel  2  menunjukkan  dua  isolat  yang memenuhi  seluruh  kriteria  isolat  biofilm  unggul yaitu  I-03  dari  matriks  filter  Bioball/PVC  dan  I-12 PET chips .  Berdasarkan  aspek  viabilitas,  laju pertumbuhan  maksimum (µ maks), dan kemampuan eliminasi  amonia  isolat  I-12  secara  relatif  lebih unggul  dibandingkan  isolat  I-03.  Maka  isolat  I-12 terpilih untuk diperbanyak menjadi starter cair.

## Pemanfaatan Isolat Unggul
Kurva  pertumbuhan  bakteri  nitrifikasi indigenous unggul  dilakukan  dengan  mengukur turbiditas kultur (Gambar 4) untuk  menentukan fase eksponensial  bakteri  biofilm.  Bakteri  biofilm mencapai kecepatan spesifik maksimum (µ maks ) pada jam  ke-6.    Bakteri  biofilm  masih  berada  pada  fase lag  pada  jam  ke-0  hingga  jam  ke-3.  Bakteri  biofilm berada  pada  fase  eksponensial  setelah  jam  ke-4 hingga jam ke-7 dan memasuki fase stasioner setelah jam  ke-8.  Dalam  penyiapan  starter  isolat  akan ditumbuhkan  dan  diinokulasikan  pada  jam  ke-6.
Tabel 1. Pengaruh musim terhadap kualitas intake air baku mengacu pada standar baku mutu kualitas air baku (PPRI, 2001).
Jenis Kontaminan Musim Kemarau Musim Hujan Baku Mutu Kelas 1 Baku Mutu Kelas 2 a. Kontaminan Kimia : COD (mg/L) 90 110 10 25 Amonia (mg/L) <0,140 0,140 0,5 - Nitrat (mg/L) 0,370 28,08 10 10 Fosfat (mg/L) 0,149 5,74 0,2 0,2 b. Kontaminan Mikrobiologis : Salmonella sp.(CFU/mL) 0 200 0 0 Total Koliform (CFU/100 mL) 7 1100 1000 5000
Tabel  2.  Hasil  karakterisasiisolat  bakteri  nitrifikasi indigenous biofilm  unggul  serta  kemampuan fisiologi/biokimiawi (produksi enzim nitrate reductase ) Isolat Bakteri Viabilitas Isolat 72jam pH 72h µmaks (/jam) Pembentukan Kapsul Nitrate Reductase Eliminasi ammonia [NH 4 ] Elimasi Nitrit- Nitrat (Cfu/mL) % % I-01 2,10 x 10 20 8,22 0,1396 + - 17,50 98,45 I-02 2,40 x 10 19 8,00 0,1051 + - 18,89 94,73 I-03 1,51 x 10 20 7,94 0,0503 ++ + 27,78 97,82 I-05 9,30 x 10 19 8,21 0,0965 + - 8,33 97,71 I-10 2,50 x 10 20 8,19 0,0775 + _ 30,56 97,72 1-12 2,50 x 10 20 8,21 0,0970 ++ + 30,56 97,32
Gambar  4.  Kurva  turbiditas  bakteri  nitrifikasi indigenous isolat I-12

## Penentuan Beban Laju Alir
Fenomena washout yaitu  tercucinya  sel bakteri dari matriks biofilm akibat variasi HRT akan berdampak  pada  kestabilan  dari  sistem  biofilter dalam  mempertahankan  kondisi steady  state- nya. Kestabilan pertumbuhan konsorsium biofilm  unggul yang  ditambahkan,  dalam    mempertahankan  fase steady  state saat  diberikan  beban  variasi  laju  alir inlet secara kontinu (Gambar 5).
Gambar 5.   Pengaruh pembebanan laju alir terhadap profil  kecepatan  pertumbuhan  spesifik bakteri biofilm indigenous pengoksidasi amonia  (Cfu/mL)  terhadap  laju  dilusi (D-jam -1 )

## Penentuan Beban Substrat Amonia
Simulasi  pembebanan  amonia  sebagai substrat  sumber  nitrogen  pada  proses  nitrifikasi dilakukan  untuk  mengukur  kinetika  variabel  inlet dan  outlet  pada  proses  biofiltrasi  secara  aerobik dengan  mengkondisikan  HRT  selama  2  jam.  Kurva hubungan  linier  dari  konsentrasi  C inlet dan  C outlet (Gambar 6a) pada konsentrasi 0-30 mg/L menghasilkan  persamaan  liniear  Y PET =  0,703x dengan  koefisien  korelasi  0,880,  sedangkan  Y PVC = 0,751x  dengan  koefisien  korelasi  0,963.  Deteksi perkiraan  laju  reaksi  penyisihan  amonia  oleh  starter bakteri  nitrifikasi indigenous unggul  ( Bacillus sp . dan Pseudomonas sp.)  memiliki  selektivitas  dan kecermatan deteksi yang cukup baik pada rentang 0- 30 mg/L.
Biofilter  MBBR  menunjukkan  adanya peningkatan  efisiensi  dari  penambahan  amonia  10 mg/L  dan  starter  bakteri  nitrifikasi indigenous (Gambar 6b) sebesar 49,94% menjadi 57,19%  untuk PET chips, sedangkan  untuk  PVC  menurun  dari 49,94% menjadi 47,27%. Selanjutnya pada peningkatan  konsentrasi  20  mg/L  hingga  30  mg/L, PET chips mampu  menyisihkan  amonia  48,51% menjadi  18,50  %,  sedangkan  untuk  PVC  mampu menyisihkan  amonia  33,90%  menjadi  18,89%. Persamaan  linieritas  yang  dihasilkan  menunjukkan kesesuaian pola laju reaksi orde satu (Tchnobanoglous et  al .,  2014)  yang  berlaku  pada tingkat  pembebanan  amonia  pada  rentang  1,16  – 31,95 mg/L. Berdasarkan performa dalam mempertahankan steady  state pertumbuhan  bakteri nitrifikasi  terjaga  saat  konsentrasi inlet 20  mg/L (Gambar 6b).
Kestabilan  fase steady  state pada  biofilter MBBR PET chips (Δ), PVC(x) berhasil dicapai pada tingkat  HRT  2  jam  dengan  laju  dilusi  sebesar  0,5 jam -1 (Gambar  7a)  yang  ditandakan  dari  kestabilan konsorsium  biofilm  unggul  mempertahankan  fase stationer-nya/kondisi steady-state ,  dimana  jumlah bakteri  heterotrof  ( Bacillus sp.  dan Pseudomonas sp.)  hidup  sebanding  dengan  jumlah  bakteri heterotrof  yang  mati  dan    ikut  tercuci  keluar  (laju washout ) dari sistem biofilter MBBR (Gambar 7b).
Gambar 6.   Kurva  pengaruh  peningkatan  beban  amonia  pada  (a) inlet terhadap  konsentrasi  amonia  pada outlet MBBR; (b) laju penyisihan amonia MBBR
Gambar 7.   Efek  laju  dilusi  maksimum  (D maks =  0.5/jam)  dan  peristiwa  pencucian  sel  biofilm /  washout (A) terhadap profil produktivitas sel biofilm maksimum (DX) : (a). Perlakuan laju alir untuk menentukan D maks , dan (b). Perlakuan konsentrasi umpan amonia di inlet

## Pemodelan Kinetika Pembebanan Amonia
Konstanta  kinetika  yang  dihasilkan  untuk laju  reaksi  penyisihan  amonia  dengan  penambahan starter  mengikuti  Persamaan  (7).    Nilai  dari konstanta kinetika diplotkan seperti pada Gambar 8a, berturut  adalah  k PET :0,421  jam -1 dan  k PVC :  0,412 jam -1 .  Nilai  konstanta  laju  penyisihan  (k)  yang dihasilkan  mampu  menunjukan  perbaikan  kinerja penyisihan  amonia  dibandingkan  tanpa  penambahan starter  bakteri  nitrifikasi  biofilm  unggul,  dimana nilai konstanta penyisihan ammonia tanpa penambahan  starter  adalah  k PET :  0,153  jam -1 (Kertasana, 2017), sedangkan pada k PVC : 0,358 jam -1 (Syarif, 2017).  Efisiensi penyisihan kinetika amonia (Persamaan 10) untuk PET adalah 62,47% dan PVC adalah 58,80%.  Hasil dari persamaan 10, digunakan untuk  pengembangan  model  kinetika  penyisihan amonia  (Gambar  8b)  untuk  biofilter  tipe  MBBR jenis  PET chips dan  PVC  untuk  memperkirakan konsentrasi  outlet  amonia  yang  sesuai  dengan kriteria mutu air baku diatur (PPRI, 2001)
Model  kinetika  yang  diperoleh  hanya signifikan  pada  kondisi Empty  Bed  Biofilter Reactor /EBRT  yaitu  1-7  jam.  Kelebihan  dari penelitian  ini  dibandingkan  dengan  penelitian sebelumnya  (Kertasana,  2017;  Salas,  2016;  Syarif ,2017;  Widayat,  2010)  adalah  penggunaan  starter isolat  bakteri  nitrifikasi indigenous kelompok heterotrof,  dapat  meningkatkan  eliminasi  amonia pada air baku. Penggunaan model kinetika eliminasi amonia  (Gambar  8)  dapat  diaplikasikan  untuk kebutuhan scale  up instalasi  reaktor  MBBR, dibantukan  dengan  mengubah  perbandingan  volume kerja  (V)  dengan  debit  reaktor  (Q)  dari  penurunan rumus  matematik  mengikuti  Persamaan  10  menjadi seperti  pada  Persamaan  11.  Disamping  itu,  perlu ditetapkan tingkat kualitas air baku yang diinginkan
C outlet = C inlet . e -k V/Q ………………………..       (11)
(a)
(b)
Gambar 8. Hasil pemodelan kinetika pembebanan dengan penambahan starter nitrifikasi unggul dari indigenous biofilm: (a) data mengikuti persamaan kinetika orde 1, dan (b) perkiraan efisiensi penyisihan amonia

## KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Isolat  konsorsium  biofilm  unggul  dalam penyisihan  amonia  teridentifikasi  sebagai  kelompok bakteri heterotrof yaitu Bacillus sp. dan Pseudomonas sp  yang  berhasil  diseleksi  dari  13 koloni  isolat indigenous biofilm  yang  ditumbuhkan secara spontan (inkubasi 24 jam, 37 o C). Starter isolat biofilm unggul dalam penyisihan  amonia  berhasil  memperbaiki  kinerja proses  biofiltrasi  air  baku  terhadap  kondisi  beban amonia  (tanpa  starter),  mengikuti  profil  model kinetika  orde  1  yaitu  C out =  C in exp(-k.EBRT). Sehingga  dapat  digunakan  sebagai  dasar  desain estimasi kebutuhan operasi scale up instalasi reaktor MBBR  dengan  mengubah  perbandingan  volume kerja (V) dengan debit reaktor (Q).
Konstanta kinetika penyisihan amonia pada masing  reaktor  MBBR  yang  telah  diberikan  starter secara  berturut  :  (1)  k PET =  0,421jam -1 ( ɳ =  62,47%-
NH 3 )  and (2)  k PVC =  0,412jam -1 ( ɳ =  58,80%-NH 3 ) yang  memiliki  nilai  efisiensi  lebih  baik  daripada yang tanpa perlakuan starter biofilm unggul.
Saran Terkait perbaikan untuk penelitian berikutnya,  dapat  dikaji  interaksi  dari  peranan kelompok  bakteri  nitrifikasi  kelompok  autrotrof ( Nitrosomonas sp., Nitrobacter sp.)  dan  kelompok bakteri pendegradasi fosfat, kemampuan pembentukan  film  secara  kuantitatif  ( Exo-poly- saccharides /EPS),  kemampuan  pembentukan  kapsul secara  kuantitatif,  pengaruh  efek  penambahan  isolat bakteri  nitrifikasi indigenous terhadap  eliminasi COD, nitrat dan fosfat serta identifikasi isolat bakteri nitrifikasi  biofilm  unggul  hingga  tingkat  spesies menggunakan analisis molekular (DNA).

## DAFTAR PUSTAKA
[APHA] American Public Health Association. 2012. Standard  methods  for  examination  of  water and  wastewater,  22 nd Ed. Washington  DC (US): APHA.
Azeredo  J,  Azevedo  NF,  Briandet  R,  Cerca  N, Coenye  T,  Costa  AR,  Desvaux  M, Bonaventura GD, Hebraud M, Jaglic Z, et al . 2016.  Critical  review  on  biofilm  methods. Crit Rev Microbiol .43(3):313-351, doi 10.1080/1040841X.2016.1208146.
Biesta-Peters  EG,  Reiji  MW,  Joosten  H,  Gorris LGM, Zwietering MH. 2009. Comparison of two optical density based  methods and plate count  method  for  estimation  of  growth parameters  of Bacillus  cereus . Journal  Appl Environ Microbiol. 76(5):1399-1405, doi 10.1128/AEM.02336-09.
Burrel  PC,  Phalen  CM,  Hovanec  TA.  2001. Identification  of  bacteria  responsible  for amonia  oxidation  in  freshwater  aquaria.
Journal Appl Environ
Microbiol . 67(12):5791-5800, doi 10.1128/AEM. 67.12.5791-5800.2001.
[BPS]  Badan  Pusat  Statistik.  2017.  Survei  Sosial Ekonomi. Jakarta (ID) : BPS.
Costa-Lima JJ, Alves LR, Jacome PRLA, Neto JPB,
Maciel  MAV,  Morais  MMC.  2018.  Biofilm production by clinical isolates of Pseudomonas  aeruginosa and  structural changes  in  LasR  protein  of  isolates  non biofilm-producing.  Elsevier. Braz  Journal Infct Dis, doi : 10.1016/j.bjid. 2018. 03, 003.
Diduch M, Polkowska Z, dan Namiesnik. 2016. The role  of  heterotrophic  plate  count  bacteria  in bottled  water  quality  assesment. Journal Food  Cont .  61:188-195,  doi  10.1016/ j.foodcont.2015.09.024.
Goldstein  JI,  Newbury  DE,  Echlin  P,  Joy  DC, Ronsig  AD.  Jr,  Lyman  CE,  Fiori  C,  Lifshin
E. 1992. Scanning Electron Microscopy and X-ray  Microanalysis:  A  Text  for  Biologist, Material  Scientist  and  Cytologists  2 nd Ed . New York (US): Plemun Press. Harley  JP  dan  Prescott  LM.  2002. Laboratory Exercises  in  Microbiology  (Fifth  edition). New York (US): The McGraw-Hill Companies.
Hui C, Guo X, Sun P, Khan RA, Zhang Q, Liang Y,
Zhao  YH.  2017.  Removal  of  nitrite  from aquous solution by Bacillus
amyloliquefaciens biofilm adsorption.
Journal Bioresour Technol . 1-20.
Jannasch HW. 1969. Estimations of bacterial growth rates in natural water. Journal Bacteriol. 99(1):156-160. Kertasana  H.  2017. Kinerja  proses  biofiltasi  media potongan botol bekas AMDK dalam penyisihan  amonium .  [skripsi].  Bogor  (ID): Institut Pertanian Bogor.
Krishnan V, Ahmad D, dan Jeru JB. 2008. Technical note  influence  of  COD  :  N:  P  ratio  dark greywater  treatment  using  a  sequencing batch  reactor. Journal  Chem  Technol
Biotechnol . 83(5):756-762, doi
10.1002/jctb.1842.
Kuroda  M,  Notaguchi  E,  Sato  A,  Yoshioka  M, Hasegawa A,  Kagami  T,  Narita  T,
Yamashita  M,  Sei  K,  Soda  S,  Ike  M.  2011. Characterization  of Pseudomonas  stuzuri
NT-1  capable  of  removing  soluble  selenium from  the  aquous  phase  under  aerobic condition. Journal  Biosci  Bioeng .  112(3)  : 259-264.
Lalucat    J,  Bennasar  A,  Bosch  R,  Garcia-Valdes  E, Palleroni NJ. 2006. Biology of Pseudomonas stutzeri . Journal  Microbiol  Mol  Bio  Rev. 70 (2) : 510-547.
Lauda  RD.  2018.  Perbaikan  kualitas  air  baku  oleh isolat bakteri nitrifikasi indigenous menggunakan moving  bed  biofilter  reactor (MBBR).  [Tesis].  Bogor  (ID)  :  Institut Pertanian Bogor.
Lopez-Ponnada EV, Lynn TJ, Peterson M, Ergas SJ, Michelcic JR. 2017. Application of denitrifying  wood  chip  bioreactors  for management of residential non-point sources of  nitrogen. Journal  Biol  Eng. 11(16):1-14, doi 10.1186/s13036-017-0057-4.
Ozen  AI  dan  Usserry  DW.  2012.  Defining  the Pseudomonas genus : where do we draw line with Azetobacter . Journal Microb Ecol. 63 : 239-248.
[PPRI]  Peraturan  Pemerintah  Republik  Indonesia No.  82  Tahun  2001  tentang  Pengelolaan Kualitas  Air  dan  Pengendalian  Pencemaran Lingkungan. Jakarta (ID): PPRI.
[PPRI]  Peraturan  Pemerintah  Republik  Indonesia No.  122  Tahun  2015  tentang  Sistem Penyediaan Air Minum. Jakarta (ID): PPRI.
Salas  AA.  2016.  Penurunan  bahan  polutan  air  baku menggunakan  biofiltrasi  dengan  media potongan  bekas  botol  kemasan  air  minum. [skripsi].  Bogor  (ID):  Institut  Pertanian Bogor.
Sarikhani M, Kermanshahi RK, Ghadam P, Gharavi S.  2018.  The  role  of  prebiotic Lactobacillus acidophilus ATCC  4356  Bacteriocin  on effect  of  Hbsu  on  planktonic  cells  and biofilm  formation  of Bacillus  subtilis . Journal Bio Mac . BIOMAC 9309. Iran, doi : 10.1016/j.ijbiomac.2018.03.087.
Shafi  S,  Kamili  AN,  Shah  MA,  Bandh  SA.  2013.
Coliform  bacterial  estimation:  a  tool  for assessing water quality of Manasbal Lake of Kashmir, Himalaya. Afr. Journal Microbiol Res . 7 (31):3996-4000, doi 10.5897/ AJMR2013.5863.
Stanbury  PF  dan  Whitaker  A.  1984. Principles  of Fermentation  Technology .  Oxford  (UK):
Pergamon Press.
Spigno  G,  Pagella  C,  Fumi  MD,  Molteni  R,  De Faveri DM. 2003. VOC removal from waste gases: gas-phase bioreactor for the abatement  of  hexane  by Aspergillus  niger . Journal  Chem  Eng  Sci .  58:739-746,  doi 10.1016/S0009-2509(02)00603-6.
Suprihatin,  Romli  M,  Yusuf  MA,  Putri  BC.  2013. Quality improvement and quality fluctuations  equalization  of  raw  water  for drinking water supply by using a packed bed bioreactor . Proceeding  of  2 nd International Conference  on  Adaptive  and  Intelligent Agroindustry  2013. Bogor  (ID):  Institut Pertanian Bogor. 16-17 September 2013. Syarif  RI.  2017. Pemodelan  kinetika  penyisihan amonium  pada  reaktor  biofilter  media bioball dengan pendekatan empiris.
[skripsi].  Bogor  (ID):  Institut  Pertanian Bogor.
Tchnobanoglous  G,  Stensel  HD,  Tsuchihashi  R,
Burton  F.  2014. Wastewater  Engineering Treatment  and  Resource  Recovery  (5 th Ed). New  York  (USA):  Metcalf  &  Eddy.
McGraw-Hill Education. NY.
Welch  K,  Cai  Yanling,  dan  Maria  S.  2012.  A method  for  quantitative  determination  of biofilm  viability. Journal  Func  Biomater .3
(2) :418-431, doi 10.3390/jfb3020418.
Widayat  W.  2010.  Peningkatan  kualitas  air  baku perusahaan  air  minum  dengan  proses biofiltrasi  menggunakan  media  plastik  tipe sarang  tawon.  [Tesis].  Bogor  (ID)  :  Institut Pertanian Bogor.