Setelah ammonia stripping, game belum selesai. Pabrik urea/amonia masih harus memoles residu nitrogen hingga lolos baku mutu—dan pilihan teknologi biologis akan menentukan biaya, jejak lahan, dan risiko operasional.
Air limbah pabrik pupuk—terutama urea dan amonia—datang dengan muatan nitrogen terlarut tinggi (NH₄⁺–N dan urea) dan, ironisnya, setelah ammonia stripping primer, sering kekurangan COD biodegradable untuk proses biologis lanjut. Regulasi Indonesia (Kepmen LH 51/1995) menuntut amonia sebagai NH₃–N di efluen <15 mg/L, yang secara praktis artinya nitrifikasi mendekati sempurna (id.scribd.com).
Artinya, tahap polishing biologis harus mengubah amonia menjadi nitrat (nitrifikasi) lalu nitrat menjadi gas N₂ (denitrifikasi). Pasca stripping kimia, NH₄–N influen masih bisa berada di puluhan mg/L; sistem lumpur aktif konvensional (CAS) dengan umur lumpur panjang bisa mencapai ~90–95% nitrifikasi, tetapi penghilangan total nitrogen (TN) biasanya tertinggal tanpa tambahan karbon.
Standar emisi dan kebutuhan BNR
BNR (biological nutrient removal, penghilangan nutrien secara biologis) di sini dimaksudkan sebagai “polishing” akhir setelah stripping—memastikan nitrifikasi (konversi NH₄⁺ menjadi NO₃⁻) dan denitrifikasi (konversi NO₃⁻ menjadi N₂). Target NH₃–N ≤15 mg/L di Indonesia menempatkan fokus pada nitrifikasi hampir lengkap (id.scribd.com), sementara denitrifikasi membutuhkan ketersediaan karbon terlarut.
Sebagai opsi paket, solusi BNR siap-pasang seperti sistem nutrient removal kerap dipertimbangkan untuk tahap ini—terutama ketika pabrik menginginkan format polishing yang ringkas dan terukur.
Kinerja CAS dan implikasi desain
CAS (conventional activated sludge, lumpur aktif konvensional) biasanya mengadopsi tangki aerob untuk AOB/NOB diikuti zona anoksik dengan resirkulasi internal; tanpa cukup karbon, sering perlu metanol eksternal. Secara operasional, CAS butuh SRT (solids retention time, waktu tinggal padatan) panjang (sering ≥10–20 hari) dan DO (dissolved oxygen, oksigen terlarut) ≈2–3 mg/L untuk mencapai 85–95% penghilangan amonia. Dalam satu studi, NH₄–N turun 45→2,7 mg/L (94%) pada MLSS (mixed liquor suspended solids) ~8 g/L (sustainenvironres.biomedcentral.com).
Namun, TN sering tertahan di kisaran ~50–80% tanpa karbon tambahan; contoh uji MLSS tinggi di atas hanya mencapai 72% TN removal (sustainenvironres.biomedcentral.com). CAS juga menghasilkan lumpur buangan besar (sekitar 0,5–1,0 kg lumpur per kg COD dihilangkan) dan memerlukan klarifier besar; pada studi air limbah dairy, CAS memproduksi lumpur terbanyak dan “memberikan kemampuan pengolahan terburuk” di semua OLR yang dievaluasi (mdpi.com).
Secara energi, beban aerasi dan pompa RAS menambah OPEX. Untuk kebutuhan denitrifikasi pada efluen kaya N namun miskin C, penambahan karbon (mis. metanol) via dosing pump akurat menjadi praktik umum. Bagi fasilitas yang bertumpu pada CAS, paket activated sludge relevan, namun ruang untuk klarifier sekunder tetap menjadi faktor penentu footprint.
Keunggulan biofilm MBBR
MBBR (moving bed biofilm reactor) menahan biomassa pada ribuan carrier plastik, secara efektif memisahkan SRT dari HRT (hydraulic retention time, waktu tinggal hidraulik). Hasilnya: densitas nitrifier per volume reaktor jauh lebih tinggi dan nitrifikasi lebih stabil saat beban berfluktuasi. Berbagai studi menunjukkan MBBR/IFAS (integrated fixed-film activated sludge) menyamai atau melampaui CAS dalam penghilangan nitrogen sembari menghasilkan lumpur lebih sedikit; satu perbandingan sistematis malah mendapati MBBR memproduksi biomassa paling sedikit dan CAS tertinggi (mdpi.com).
Pilot MBBR/IFAS pada limbah dairy mencapai >85% TN removal dan >95% COD removal pada berbagai beban; khusus SBMBBR (sequencing batch MBBR) konsisten di >85% TN dan >95% COD pada beban moderat (mdpi.com). Bahkan MBBR kontinu menyamai SBR pada penghilangan COD di beban tinggi 5,4 gCOD/L·d (mdpi.com).
Kunci lain: carrier menciptakan mikro‑zona aerob–anoksik, memfasilitasi SND (simultaneous nitrification/denitrification) ketika tersedia COD terlarut. Laporan Tek dkk. menegaskan MBBR/IFAS “dapat mengembangkan penghilangan nutrien pada berbagai kondisi operasi” dan biomassa lekat mendorong TN removal (mdpi.com; mdpi.com). Dalam praktik, MBBR untuk “polishing” limbah pupuk mencapai sekitar 80–90% TN removal bila dirancang dengan seksi anoksik atau alir balik.
Dari sisi densitas, carrier menopang populasi nitrifier pada kisaran 10⁵–10⁶ sel/mg biomassa (vs 10⁴–10⁵ di CAS), sehingga beban amonia per volume dapat 20–50% lebih tinggi pada efisiensi nitrifikasi yang sama. Unit MBBR kompak—tanpa klarifier sekunder besar—dan kelebihan lumpur minimal; beberapa studi mencatat pengurangan lumpur 20–50% dibanding CAS (mdpi.com). Produk seperti MBBR modular dengan media berpermukaan tinggi—contoh honeycomb bio media—memudahkan upgrade atau penambahan kapasitas.
Kasus menarik: pengoperasian MBBR/IFAS pada SRT sangat tinggi menghasilkan efluen BOD ~3 mg/L, COD ~12 mg/L dan TSS ~8 mg/L dengan hampir seluruh amonia ternitrifikasi—namun nitrat menumpuk ~45 mg/L karena konversi NH₄⁺→NO₃⁻ yang lengkap, menegaskan perlunya denitrifikasi anoksik tambahan (mdpi.com). Tren industri juga menunjukkan MBBR kerap dipakai untuk meng-upgrade instalasi CAS agar memenuhi batas TN lebih ketat dengan menambahkan carrier ke bak eksisting (sciencedirect.com).
MBR: kualitas tinggi, penjernihan membran
MBR (membrane bioreactor) menggabungkan aerasi lumpur aktif dengan filtrasi membran, memungkinkan MLSS sangat tinggi (hingga 15–20 g/L) dan pemisahan padatan nyaris sempurna. Banyak studi melaporkan >90–95% penghilangan BOD/COD dengan MBR; satu pilot menunjukkan MBR konvensional dan MBR fixed‑bed sama‑sama mencapai >95% penghilangan BOD, COD, dan TSS pada semua beban yang diuji (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Dalam kerja itu, seluruh NH₄–N efektif teroksidasi (nitrifikasi) di tangki aerob pada SRT >75 hari (pmc.ncbi.nlm.nih.gov).
Denitrifikasi di MBR murni kurang otomatis: operasi tercelup tipikal sangat aerob (aerasi juga untuk scouring membran), sehingga nitrat cenderung akumulatif kecuali ada zona anoksik atau dosis karbon. Pilot yang sama menemukan TN removal hanya 12–27% di MBR konvensional versus 25–49% ketika ditambahkan media biofilm tetap (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Plus‑minusnya: permeat seragam berkualitas tinggi dan relatif bebas patogen, dan nitrifikasi stabil di beban berat; fouling menjadi biaya kunci, dan penambahan fixed bed dilaporkan dapat menurunkan laju fouling hingga separuh (pmc.ncbi.nlm.nih.gov).
Dibanding CAS, MBR meniadakan klarifier dan mampu beroperasi pada loading lebih tinggi (HRT lebih pendek) dengan kinerja nitrifikasi setara, meski energi aerasi + hisap membran lebih besar. Studi lain melaporkan 90–95% COD removal pada HRT 4 jam dan SRT 15–80 hari dengan nitrifikasi penuh (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Untuk aplikasi pabrik pupuk yang mengejar kualitas efluen seragam, MBR terintegrasi menarik—namun desain harus memasukkan denitrifikasi efektif.
Perbandingan kinerja dan biaya
Nitrifikasi: ketiganya mampu mengoksidasi amonia residual jika SRT memadai. CAS perlu SRT ≥10 hari dan DO 2–3 mg/L; MBBR mencapai hal sama dalam volume lebih kecil karena retensi biomassa; MBR mudah mengadopsi SRT efektif sangat panjang. Efisiensi penghilangan amonia umumnya ~90–95%—contoh CAS 94% pada MLSS 8 g/L (45→2,7 mg/L; sustainenvironres.biomedcentral.com)—dengan MBBR/MBR sebanding. Pada MBBR, gradien DO di biofilm bahkan memungkinkan SND kecil yang meningkatkan efisiensi total.
Denitrifikasi: CAS memakai basin anoksik dengan resirkulasi internal (sering perlu karbon eksternal untuk efluen kaya N namun miskin C), dengan TN removal bervariasi (~50–80% tergantung C/N dan recycle). MBBR dengan carrier di zona anoksik atau SND tipikalnya lebih tinggi; SBMBBR melaporkan >85% TN removal di berbagai beban dan melampaui kinerja CAS sezaman (mdpi.com; mdpi.com). MBR tanpa adaptasi khusus sering menunjukkan denitrifikasi terbatas (mis. TN ~15–50% pada kondisi studi; pmc.ncbi.nlm.nih.gov).
Produksi lumpur: MBBR dan MBR menurunkan lumpur dibanding CAS; dalam satu perbandingan, AS menghasilkan lumpur paling banyak sementara MBBR paling sedikit (mdpi.com). Yield lumpur CAS dapat 2–3× lebih tinggi daripada MBBR (mdpi.com), dan untuk CAS sendiri berkisar 0,5–1,0 kg lumpur per kg COD dihilangkan.
Footprint dan operasi: unit MBBR lebih kompak daripada CAS (tanpa klarifier besar), dan MBR bahkan lebih ringkas (membran menggantikan pemisahan gravitasi). Secara praktik, MBR bisa setengah jejak lahan CAS, dengan MBBR sekitar 30–50% lebih kecil (mdpi.com; mdpi.com). Energi: MBR tertinggi (aerasi + hisap membran), MBBR moderat (aerasi), dan CAS terendah per unit volume—meski CAS butuh volume lebih besar.
Biaya dan tren: CAPEX CAS rendah tetapi OPEX lumpur tinggi; MBBR moderat di CAPEX/OPEX dengan hidrolika sederhana; MBR CAPEX/OPEX lebih tinggi, namun menghasilkan permeat siap pakai kembali. Ada tren menuju MBBR/IFAS untuk upgrading plant CAS agar memenuhi batas TN lebih ketat (sciencedirect.com), sementara MBR dipilih ketika kualitas efluen/ reuse sangat ketat.
Data kunci: efluen nitrifikasi >90% untuk semua sistem, tetapi TN removal berbeda: >85% (MBBR/IFAS) vs ~50–70% (CAS) vs ~25–50% (MBR tanpa zona anoksik) (mdpi.com; pmc.ncbi.nlm.nih.gov; sustainenvironres.biomedcentral.com). Peningkatan IFAS pada CAS menunjukkan efluen BOD ~3 mg/L dan COD ~12 mg/L dengan NO₃–N ~45 mg/L—gambaran nitrifikasi mendekati total dan penumpukan nitrat yang umum (mdpi.com).
Ringkasan pemilihan proses BNR
Pilihan CAS vs MBBR vs MBR untuk polishing BNR limbah pupuk kembali pada prioritas: CAS “bisa” mencapai target dengan tambahan karbon dan ruang, tetapi menghasilkan lumpur besar dan butuh footprint lebih. MBBR menawarkan jalur tengah berkinerja tinggi—nitrifikasi tangguh, TN tinggi, lumpur rendah, biaya moderat—menjadikannya kandidat kuat pasca stripping. MBR menghadirkan kualitas efluen dan resiliensi terbaik, dengan biaya energi/ investasi lebih tinggi serta kebutuhan desain denitrifikasi eksplisit.
Pada akhirnya, metrik setiap opsi (persentase penghilangan N, proyeksi lumpur, footprint, energi) perlu ditimbang terhadap regulasi lokal (mis. NH₃–N ≤15 mg/L; id.scribd.com) dan tujuan reuse untuk mengarahkan keputusan desain.
