Menjinakkan Toksisitas Air Limbah Kilang: Stripping H₂S/NH₃ di Hulu, PAC di Bioreaktor

Air proses dari kilang sering berisi konsentrasi toksin sangat tinggi—terutama hidrogen sulfida (H₂S), amonia (NH₃), fenol, sianida, dan sejumlah logam berat seperti Ni dan V—yang berasal dari unit destilasi minyak mentah, catalytic cracking, reforming, hingga spent caustic. Kondensat “sour water” dari unit-unit ini tipikal menjadi sumber terbesar H₂S dan NH₃ (climate-policy-watcher.org).

Bagi mikroba, H₂S bersifat mematikan; amonia pada level ratusan mg/L dapat meruntuhkan nitrifikasi. Bahkan logam berat pada level beberapa mg/L (mis. Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺) dikenal menghambat nitrifikasi (mdpi.com). Tanpa pretreatment, limbah kilang bisa memiliki COD (chemical oxygen demand) ratusan hingga ribuan mg/L dan NH₃ ratusan mg/L, plus minyak dan fenol pada kadar akut yang toksik bagi proses biologis. Artinya, pengurangan toksin di hulu menjadi syarat stabilitas unit biologis.

Profil toksin dan beban awal

“Sour water” dari CDU, FCC, coker, dan reforming perlu ditangani sebelum memasuki unit biologis. Strateginya jelas: menurunkan beban toksik sehingga activated sludge (proses lumpur aktif) tidak terkena shock load. Upstream removal menjadi garis pertahanan pertama terhadap racun terlarut maupun dispersi minyak.

Sour‑water stripping: penghalang pertama

Inti program pengendalian toksisitas di kilang adalah sour‑water stripping (steam stripping untuk menguapkan H₂S/NH₃ dari air sebelum biologi). Dalam praktik, sour water dari CDU, FCC, coker, reforming dialirkan ke stripper berpemanas uap—sering dua tahap seri (pall.com). Unit ini lazim menurunkan 85–99% sulfida (H₂S/NH₃S) melalui distilasi uap (climate-policy-watcher.org).

Pada kondisi normal kolom bertingkat (tray column) 2–3 bar dan ~230–270 °F, sekitar 90% H₂S bisa disingkirkan bahkan pada ~100 °F, sementara ~90% NH₃ butuh ≥230 °F (climate-policy-watcher.org). Desain yang baik dapat menurunkan H₂S hingga mendekati nol dan NH₃ hingga kisaran ~50 mg/L di efluen (climate-policy-watcher.org); beberapa pabrik bahkan mengejar ~1 mg/L NH₃ sebagai target nutrien (climate-policy-watcher.org). Pendekatan teknisnya bisa berupa pengasaman atau desain dua kolom untuk memisahkan stripping H₂S dan NH₃, dengan capaian ~90%+ untuk masing‑masing (climate-policy-watcher.org).

Catatan samping: stripper wajib terlindungi dari minyak/partikel halus. Kontaminasi minyak atau padatan dapat memicu fouling dan carryover minyak yang kemudian membebani WWTP. Insinyur Pall mencatat, kontaminasi minyak pada stripper menyebabkan carryover “excess oil in the stripped water…creating an overload condition” (pall.com). Di hulu, pemisahan minyak dan penyaringan padatan—misalnya melalui oil removal dan automatic screen—menjadi langkah proteksi praktis untuk mencegah fouling.

Pra‑perlakuan tambahan untuk fraksi berbahaya

Pemisahan minyak & lemak: free oil dan padatan tersuspensi disingkirkan lebih dulu lewat pemisah gravitasi (API), dissolved‑air flotation/DAF, atau coalescing filter. Pemisahan ini lazimnya mengurangi >90% free oil dan menurunkan O&G ke kisaran mg/L rendah, sehingga hidrokarbon terdispersi—yang cenderung mengadsorpsi toksin dan menghambat aktivitas biologis—tidak lolos. Bahkan setelah skimming, air limbah Coker masih bisa membawa fenolik puluhan mg/L yang kemudian meracuni nitrifier bila tidak dibiotratasi. Sistem DAF kerap menjadi unit polishing pada tahap ini.

Penghilangan logam berat: bila Ni, V, Cr, dan sebagainya hadir, presipitasi atau penyerapan sebaiknya dilakukan sebelum biologi. Dosis kimia (mis. sulfida atau hidroksida) dapat menurunkan Ni/V ke <1 mg/L, karena konsentrasi logam pada level satuan mg/L dapat “completely inhibit” penghilangan nutrien oleh mikroba (mdpi.com). Kontrol pH dan injeksi kimia presisi lazim memakai dosing pump agar reaksi presipitasi konsisten.

Fenol, sianida, dan toksin “keras”: fraksi COD sukar degradasi seperti fenol, sianida, atau tiosianat mungkin butuh oksidasi (catalytic/ozone) atau reaktor biofilm. Contoh, wet‑air oxidation (WAO) untuk spent caustic/stream fenolik: unit “Zimpro WAO” di Sinopec Jiujiang mengoksidasi sulfida dan fenolik sebelum polishing (chemistryviews.org). Untuk biofilm, opsi teknologinya termasuk fixed‑bed bio‑reactors bila diperlukan.

pH dan equalization: sour water sering memiliki pH ekstrem/fluktuatif; penetralan ke ~7,5–8 (dengan asam atau kaustik) dibutuhkan agar nitrifier berfungsi. Kolam equalization meredam fluktuasi dan memberi waktu off‑gas bagi H₂S residual (bila terintegrasi dengan stripping). Banyak kilang menjalankan resirkulasi melalui equalization basin untuk meratakan beban dan mencegah shock pada bioreaktor. Pada tahap awal, paket waste‑water physical separation membantu mengkondisikan aliran ke unit-unit berikutnya.

Dampak gabungan pretreatment

Dengan kombinasi tahap di atas, “toxic COD” dan beban kejut biasanya turun drastis. Selepas API skimming dan ammonia stripping, influen ke reaktor biologis sering turun ke ratusan mg/L COD (bukan ~1000+), dan NH₃ tinggal puluhan mg/L. Unit pemisah minyak dilaporkan mencapai penghilangan COD 16–45% dan TSS 33–68% (climate-policy-watcher.org).

PAC di bioreaktor: buffer toksin in‑situ

Bahkan setelah pretreatment ketat, masih ada toksin terlarut/refraktori. Penambahan powdered activated carbon/PAC (karbon aktif bubuk; PACT = Powdered Activated Carbon Treatment) ke bak aerasi mengadsorpsi senyawa toksik residu dan menstabilkan proses—bioreaktor berubah menjadi hibrida biodegradasi‑adsorpsi. Media karbon aktif yang relevan secara umum tersedia sebagai activated carbon untuk aplikasi penghilangan organik.

Studi menunjukkan 50–100 mg/L PAC meningkatkan penghilangan aromatik terklorinasi; pada 100 mg/L PAC, removal 1,2‑diklorobenzena dan organik non‑biodegradabel serupa melampaui 90% (nepis.epa.gov). Pada start‑up atau beban kejut, PACT lebih stabil: uji lain menunjukkan removal etilbenzena stabil di unit 100 mg/L PAC (~79%) tanpa deviasi, sementara kontrol berfluktuasi luas (nepis.epa.gov). Waktu aklimasi juga pendek: nitrifikasi steady‑state tercapai ~21 hari dengan PAC vs ~35 hari tanpa PAC (nepis.epa.gov; nepis.epa.gov).

Kinerja COD, O&G, dan pengendapan

Dalam studi multi‑skala EPA di kilang, penambahan PAC 80 kg/hari pada bak aerasi penuh menurunkan COD efluen 11–33% dibanding kontrol—setara kenaikan efisiensi penghilangan COD sekitar ~2–6% (nepis.epa.gov). O&G efluen turun tipis (~0,5–2,0 mg/L) (nepis.epa.gov), sementara fenol dan total fosfor “essentially unchanged” (nepis.epa.gov).

Nilai tambah utama PAC justru pada pengendapan/pengelolaan padatan: flok karbon‑lumpur lebih kompak dan cepat mengendap (nepis.epa.gov). Namun, karena partikelnya halus, PAC cenderung sedikit menaikkan suspended solids dan NH₃ efluen bila tidak tertangkap penuh (nepis.epa.gov). Penangkapan PAC lazim dilakukan via hydrocyclone atau clarifier sebelum efluen keluar sistem.

Regenerasi karbon dan biaya operasi

Secara mekanisme, PAC bekerja dengan adsorpsi; tidak ada “regenerasi biologis” karbon di dalam bak. Laporan EPA 1982 menyatakan “essentially no evidence” adanya biodegradasi karbon itu sendiri (nepis.epa.gov). Artinya, PAC yang jenuh harus disingkirkan kontinu dan dibuang atau diregenerasi eksternal.

Banyak fasilitas kini mengombinasikan PAC dengan regenerasi on‑site. Di Sinopec Jiujiang, unit wet‑air oxidation (WAR) dipakai untuk menghancurkan beban organik pada karbon dan memulihkan ~95% untuk digunakan ulang (chemistryviews.org). Ini memangkas biaya pembuangan: WAR memulihkan sebagian besar karbon dan mengoksidasi sisanya bersama biosolid menjadi gas bersih.

Secara kinerja, PACT skala pilot mampu menghasilkan efluen nyaris setara tersier: satu pilot EPA mencapai ~5 mg/L COD dan toksin sangat rendah (nepis.epa.gov). Demonstrasi lain menunjukkan PACT memenuhi batas ketat BOD, COD, warna, dan bahkan fish‑toxicity lebih baik dibanding skema konvensional (nepis.epa.gov). Namun, payback sangat kasus‑spesifik: EPA mencatat biaya tambahan sekitar US$7 per pound COD ekstra yang dihilangkan (nepis.epa.gov), sehingga pilot techno‑economic disarankan sebelum adopsi penuh.

Rangkuman dan penentuan investasi

Kombinasi pretreatment kuat plus polishing biologis ber-PAC membuat WWTP jauh lebih stabil. Dengan menyingkirkan H₂S/NH₃ di hulu, menghapus minyak massal, mempresipitasi logam, serta mengoksidasi/segregasi stream ekstrem, bioreaktor menerima beban “organik menengah.” Sisa toksin disapu oleh adsorpsi PAC—100 mg/L PAC mendorong penghilangan organik refraktori >90% (nepis.epa.gov) dan menghasilkan efluen aromatik yang sangat reprodusibel (nepis.epa.gov), meskipun kenaikan COD removal agregat relatif moderat.

Dari sisi bisnis, metrik kunci adalah pengurangan beban toksik vs investasi. Sour‑water stripper bernilai jutaan dolar tetapi langsung menghapus >90% masalah; kinerjanya terukur: 85–99% removal sulfida (climate-policy-watcher.org), ~90% NH₃ pada kondisi desain (climate-policy-watcher.org). Biaya add‑on PAC bergantung harga karbon (umumnya US$2–4/kg) dan dosis; contoh uji 80 kg/hari hanya memberi ~2% ekstra COD removal (nepis.epa.gov), tetapi “menghindari proses upsets.” Keputusan sebaiknya dipandu data pilot dan studi kasus yang tersedia, termasuk instalasi Sinopec Jiujiang (chemistryviews.org); regulator kian menuntut pendekatan multi‑barrier dalam WWT kilang.