Limbah oil & gas sarat amonia dan minim karbon mudah terurai. Solusi yang konsisten bekerja: reaktor biologis dua zona—nitrifikasi di aerobik, denitrifikasi di anoksik—dengan kendali DO, pH/alkalinitas, dan karbon yang ketat.
Limbah minyak dan gas kerap datang dengan NH4+ (amonia) tinggi dan sedikit organik yang mudah dicerna bakteri. Desain yang teruji adalah reaktor biologis bertahap yang memisahkan zona aerobik untuk nitrifikasi dan zona anoksik untuk denitrifikasi. Dalam praktik, konfigurasinya bisa berupa activated sludge (lumpur aktif) atau biofilm yang dibagi beberapa kompartemen—arus masuk terlebih dulu ke kolam aerobik dengan DO (dissolved oxygen/oksigen terlarut) sekitar 2–4 mg/L agar nitrifier mengubah NH4+ → NO2− → NO3−.
Secara stoikiometri: NH4+ + 2.0 O2 → NO3− + 2H+ + H2O. Artinya, sekitar 4,57 mg O2 dikonsumsi per mg NH4–N (nepis.epa.gov), dan proses ini menghasilkan keasaman setara ±7,14 mg sebagai CaCO3 per mg‑N (nepis.epa.gov). Karena itu, reaktor butuh suplai alkalinitas atau buffer agar pH stabil di kisaran 7–8. Kultur nitrifikasi tumbuh lambat; operator menahan biomassa lewat SRT (solids retention time) panjang atau media biofilm terpasang. Campuran lumpur (MLVSS, mixed liquor volatile suspended solids) lazim dijaga ribuan mg/L atau memakai media biofilm tetap.
Konfigurasi reaktor dua zona
Setelah nitrifikasi, efluen yang kaya NO3− dialirkan ke zona anoksik (DO jauh di bawah 0,5 mg/L). Denitrifier (bakteri heterotrof) menggunakan NO3− sebagai akseptor elektron dan melepaskan N2. Untuk denitrifikasi penuh, perlu donor elektron setara ±2,5–3,0 mg COD per mg NO3–N; secara praktis, banyak desainer memberi metanol atau asetat untuk mencapai rasio M/N ≈3,0 (COD:N) yang memberikan ≈95% penghilangan NO3− (nepis.epa.gov). Rasio lebih rendah sekitar 2,6 memadai untuk penghilangan parsial (nepis.epa.gov).
Supaya nitrat “bertemu” karbon, efluen aerobik biasanya didaur ulang ke tangki anoksik (internal recycle) dengan rasio 1–3× debit. Desain bertahap/step‑feed semacam ini konsisten memberikan >90% penghilangan nitrogen (NH4‑N + NO3‑N). Pada contoh reaktor membran‑aerasi yang mengolah beban tinggi (COD 370–390 mg/L, TN 500–600 mg/L), total N terangkat 82% (≈100 mg N/L·hari) tanpa penambahan karbon eksternal (researchgate.net).
Laboratorium SBR (sequence batch reactor) berbasis mobile‑bed melaporkan efisiensi nitrifikasi 44–63% selama aklimatisasi pada rasio COD/N tinggi (iwaponline.com), sementara sistem yang dioptimalkan rutin menekan NH4–N efluen ke satuan rendah (single digit). Catatan: standar limbah migas Indonesia KEP‑42/1996 mensyaratkan NH3‑N efluen jauh di bawah 10–15 mg/L, menegaskan kebutuhan nitrifikasi/denitrifikasi penuh.
Penerapan di lapangan memperlihatkan skenario yang efisien: pada satu kilang, stripper awal mengurangi ±50% NH4+ masuk melalui air‑stripping, sisanya dinetralkan lewat nitrifikasi (aerasi) dan denitrifikasi (anoksik), sehingga air bisa dipakai ulang untuk pendinginan dan menghemat “millions of cubic meters” air baku (pubs.acs.org).
Untuk opsi biofilm, media berpermukaan tinggi mendukung retensi nitrifier; unit seperti media sarang lebah dapat dipertimbangkan sebagai carrier biofilm (honeycomb bio media). Alternatif proses tersuspensi yang ringkas tersedia dalam bentuk moving bed bioreactor (MBBR) dan sequence batch reactor (SBR), yang keduanya tercatat mencapai >80% penghilangan N pada limbah berkekuatan tinggi di sistem lanjutan (researchgate.net) (pubs.acs.org).
Baca juga:
Mengapa Sterilizer Horizontal & Kontrol Otomatis PLC/SCADA Jadi Pilihan Utama di Pabrik Kelapa Sawit
Parameter operasi kritis
DO (dissolved oxygen/oksigen terlarut). Nitrifier butuh oksigen memadai; target desain lazim ≥2 mg/L DO di zona nitrifikasi (nepis.epa.gov). Kebutuhan teoretis oksigen 4,57 mg O2 per mg NH4–N (nepis.epa.gov), di luar keperluan pertumbuhan biomassa. DO rendah (<1 mg/L) menghentikan nitrifikasi. Sebaliknya, denitrifikasi mensyaratkan DO ≈0 (sering <0,5 mg/L); sisa aerasi di tangki anoksik menghilangkan denitrifikasi. Praktiknya, dipakai kontrol DO atau aerasi diferensial.
Alkalinitas dan pH. Nitrifikasi menghasilkan H+; sekitar 7,14 mg CaCO3 (alkalinitas) dikonsumsi per mg‑N yang dinitrifikasi (nepis.epa.gov). Tanpa buffer, pH bisa jatuh di bawah 6,5 dan menghambat nitrifier. Operator karenanya sering menambahkan NaHCO3 atau kapur untuk menjaga pH ≈7–8; alkalinitas umpan biasanya dinaikkan ke ≈150–200 mg/L sebagai CaCO3. Denitrifikasi bersifat “menetralisasi” (mengkonsumsi proton saat NO3− direduksi). Monitoring pH kontinu krusial; penurunan pH mendadak sering menandai gangguan nitrifikasi. Dosis kimia yang presisi umumnya disalurkan lewat dosing pump.
Ketersediaan karbon organik. Denitrifier memerlukan karbon. Pada limbah migas yang kerap rendah BOD, donor eksternal diperlukan. Rasio M/N ≈3:1 lazim dipilih—metanol ±3,0 mg COD per mg NO3–N yang dihilangkan (nepis.epa.gov). Jika COD:N influen tinggi (mis. terkontaminasi hidrokarbon), karbon internal bisa cukup; bila tidak, metanol atau asetat ditambah. Kekurangan karbon memicu breakthrough NO3−. Operator biasanya memantau COD dan mengatur umpan untuk menjaga stoikiometri menuju ~90–95% penghilangan nitrat (nepis.epa.gov).
Suhu. Laju biologis meningkat dengan suhu. Nitrifier aktif pada ~15–35 °C; di bawah ~10 °C nitrifikasi merosot tajam. Instalasi oilfield di air laut/iklim dingin mungkin butuh pemanasan atau SRT lebih lama; suhu tinggi (>40 °C) juga merugikan. Limbah gas treating yang hangat cenderung mudah dinitrifikasi. Denitrifikasi juga melambat di bawah ~10 °C. Di Indonesia tropis (25–30 °C ambien), laju umumnya menguntungkan.
Retensi padatan (SRT/MLSS). Nitrifier tumbuh lambat (waktu gandaan ~1–2 hari pada 30 °C, lebih lama di suhu rendah). SRT desain tipikal 10–15 hari atau lebih untuk mencegah tercuci. Sistem MBBR mengatasi ini dengan mempertahankan nitrifier pada biofilm. MLSS (mixed liquor suspended solids) tinggi 3–5 g/L atau lebih sering digunakan. Aerasi berlebihan atau SRT terlalu pendek bisa “memutihkan” (menghilangkan) nitrifier, memicu lonjakan NH4. Media berbasis busa ber-efisiensi tinggi juga digunakan pada beberapa MBBR seperti levapor foam MBBR.
Beban kejut dan toksikan. “Ammonia shocks are the only crisis that disrupts nitrification,” berpotensi merusak kultur (pubs.acs.org). Praktiknya, NH4+ influen harus diequalisasi atau sebagian dihilangkan (mis. stripper hulu) untuk menghindari lonjakan >70–100 mg/L (pubs.acs.org). Minyak, pelarut, H2S, atau logam berat dalam produced water bersifat menghambat; padatan tersuspensi dan droplet minyak sebaiknya disaring atau diflotasi sebelum proses biologis. Tahap awal dapat memakai automatic screen untuk debris dan DAF untuk flotasi padatan. Pemisah minyak juga relevan untuk menurunkan oil bebas sebelum biologi (oil removal). Denitrifier relatif lebih tangguh, namun akan gagal jika ada intrusi oksigen atau karbon habis.
Pencampuran dan hidraulika. Kedua zona butuh mixing baik (mekanik atau aerasi difus). Aliran laminar atau short‑circuit menurunkan waktu kontak efektif. HRT (hydraulic retention time) aerobik tipikal 8–24 jam (lebih lama di suhu rendah atau beban NH4 tinggi), sedangkan HRT anoksik ~1–4 jam. Pembuangan lumpur (sludge wasting) disesuaikan untuk menjaga SRT.
Baca juga: Pengolahan Limbah Secara Kimia
Kinerja lapangan dan standar
Dengan kendali parameter yang rapi, kombinasi nitrifikasi/denitrifikasi lazimnya mencapai penghilangan N sangat tinggi. Satu reaktor percontohan melaporkan total N hampir lengkap (≈82–90%) terhapus (researchgate.net). Dalam praktik, NH4–N efluen sering didorong ke 1–3 mg/L dengan sistem modern. Laju penghilangan pada orde puluhan mg N/L·hari adalah tipikal; reaktor industri berbeban tinggi bisa mendekati ~100 mg N/L·hari, sebagaimana pada contoh MABR di atas (researchgate.net). Untuk fokus regulasi N dan P, solusi proses dapat diarahkan pada platform nutrient removal.
Baca juga:
Kondensat Sterilizer Sawit: Limbah Panas yang Bisa Diubah Jadi CPO dan Penghematan Energi
Daya tahan terhadap salinitas
Nitrifier mampu mentoleransi salinitas tinggi—penghilangan NH4 lengkap tercatat bahkan hingga ~100 g NaCl/L—namun kolaps di atas ~125 g/L (liebertpub.com). Ini relevan untuk produced water asin dan menggarisbawahi peran pra‑perlakuan fisik sebelum biologi. Sistem pemisahan awal untuk padatan/minyak dapat dirakit sebagai paket physical separation sebelum masuk ke bioreaktor.
Baca juga:
Catatan proses dan sumber teknis
Manual desain dan studi kasus melaporkan bahwa nitrifikasi mengonsumsi 4,57 mg O2 per mg NH4–N () dan 7,14 mg alkalinitas sebagai CaCO3 per mg‑N (). Denitrifikasi anoksik tipikal memerlukan COD/N ≈3:1—umpan metanol ~2,6–3,0 mg per mg‑N (nepis.epa.gov) (nepis.epa.gov). Sistem lanjutan seperti MBBR, MABR, dan SBR telah mencapai penghilangan N >80% pada limbah berkekuatan tinggi (researchgate.net) (pubs.acs.org), menegaskan efektivitas urutan zona nitrifikasi–denitrifikasi ketika beroperasi dalam koridor parameter kunci. Pengendalian aerasi, pH/alkalinitas, serta umpan karbon yang stabil adalah jangkar kinerja; platform lumpur aktif konvensional dapat dipadankan dengan activated sludge dan peralatan bantu wastewater ancillaries untuk menjaga reliabilitas operasional.
