BNR di Limbah F&B: A2O vs Bardenpho, plus Kapan Kimia Turun Tangan

Limbah industri makanan dan minuman (F&B) berfluktuasi tinggi. Studi mencatat COD (chemical oxygen demand, ukuran beban organik) dari beberapa g/L hingga >30 g/L, TN (total nitrogen) 0,5–2,0 g/L, dan TP (total phosphorus) sekitar ~0,01 hingga 0,5 g/L tergantung subsektor www.mdpi.com www.mdpi.com. Di sisi lain, regulasi Indonesia menuntut efleuen kelas tinggi dengan TP ≈0,2 mg/L dan TN ≈15 mg/L—target yang membuat strategi BNR (biological nutrient removal) menjadi krusial.

BNR memadukan zona anaerobik (tanpa oksigen terlarut), anoksik (tanpa oksigen terlarut namun ada nitrat), dan aerobik (beroksigen) di tahap biologis sekunder untuk mencapai nitrifikasi (oksidasi amonia), denitrifikasi (reduksi nitrat ke N₂), dan EBPR (enhanced biological phosphorus removal). Dalam EBPR, PAO (polyphosphate‑accumulating organisms) di zona anaerobik menyerap VFA (volatile fatty acids) sambil melepas fosfat anorganik; di zona oksik, PAO mengambil fosfat kembali secara “luxury uptake”, memberi penurunan P sekitar ~80–90% www.mdpi.com. Tantangan utamanya: menyeimbangkan ketersediaan karbon, waktu tinggal, dan konfigurasi reaktor agar TN/TP efleuen stabil rendah.

A2O: susunan sederhana, hasil solid

Proses A₂O (Anaerobic–Anoxic–Oxic) memisahkan tiga zona: anaerobik → anoksik → oksik (lihat Fig. 2‑22). RAS (return activated sludge, lumpur balik dari klarifier) yang kaya nitrat dikembalikan ke zona anoksik untuk denitrifikasi. Organik tinggi pada limbah F&B memasok VFA: PAO di anaerobik menyerap VFA dan melepas fosfat; di anoksik, bakteri heterotrof denitrifikasi mereduksi nitrat ke N₂; di oksik, nitrifier mengubah NH₄⁺ ke NO₃⁻ dan PAO menyerap fosfat berlebih.

Desain tipikal: volume anaerobik ~10–15% dari total BNR, anoksik ~20–30%, dan oksik ~50–60%. A₂O relatif mudah dan sering bisa mempartisi bak activated sludge yang ada menjadi zona-zona terpisah. Kinerja lapangan menunjukkan penghilangan TN ~70–90% dengan TN efleuen 5–10 mg/L; studi EPA melaporkan TN efleuen ~7,3–9,0 mg/L dan TP ~0,03–0,98 mg/L di berbagai instalasi (COV 16–42%) nepis.epa.gov. Dalam praktik, A₂O saja sering menghasilkan TP efleuen ~0,5–1 mg/L (80–90% removal) pada kondisi baik www.mdpi.com, dan untuk P lebih rendah (≪0,5 mg/L) biasa ditambah kimia. A₂O perlu volume sedang dan aliran balik internal (RAS ke anoksik, dan bila VFA rendah dapat ditambah recycle campuran ter‑nitrifikasi ke anaerobik); proses ini kurang kompleks dibanding multistage, namun bisa kekurangan karbon jika rasio COD/N influen rendah—umumnya bukan masalah di F&B yang kaya VFA.

Bardenpho lima tahap: footprint lebih besar, nutrien lebih rendah

Bardenpho (konfigurasi 5‑tahap) memperpanjang A₂O dengan anoksik–oksik tambahan (lihat Fig. 2‑23). Rangkaian tipikal: influen → anaerobik → anoksik → aerobik → anoksik → aerobik → klarifier, dengan RAS kembali ke anoksik terakhir. Tahap anoksik ekstra menaikkan kapasitas denitrifikasi, dua tahap oksik mendorong nitrifikasi berurutan dan uptake P tambahan oleh PAO. Metanol atau VFA eksternal bisa ditambahkan ke anoksik kedua jika COD tidak cukup nepis.epa.gov. Konsekuensinya, kebutuhan volume reaktor bertambah ~20–30% dengan pompa recycle internal ekstra; kadang perlu head tambahan untuk recycle mixed liquor ter‑nitrifikasi.

Kinerja: studi kasus menunjukkan TN efleuen 0,9–5,6 mg/L dan TP 0,06–1,09 mg/L saat dipadukan dengan pascatreatment (mis. penambahan kimia) nepis.epa.gov. Di Clearwater, FL, Bardenpho 5‑tahap plus polishing kimia mencapai ~2,3 mg/L TN dan 0,11 mg/L TP nepis.epa.gov. Tanpa kimia pun, Bardenpho umumnya memberikan TP lebih rendah dibanding A₂O, sering mendekati beberapa ratus μg/L. Data EPA menunjukkan Bardenpho multistage andal menurunkan TP efleuen <0,2 mg/L ketika dipoles; misalnya 0,13 mg/L TP dilaporkan setelah A₂O ditambah filter, dan pabrik Bardenpho lazim melaporkan ~0,1–0,2 mg/L TP nepis.epa.gov nepis.epa.gov. Trade‑off‑nya: lebih kompleks, kontrol lebih banyak, biaya modal lebih tinggi—namun reduksi nutrien unggul (>90% TN dan >90% TP removal) menarik untuk limit ultra-rendah.

Konfigurasi lain dan intensifikasi biomassa

Skema BNR lain juga dipakai. Proses UCT/“Phoredox” menata anaerobik → anoksik → aerobik dengan recycle internal (dari anoksik → anaerobik dan aerobik → anoksik) untuk mendukung EBPR nepis.epa.gov. Sementara itu, sequencing batch reactor (SBR) dapat menerapkan EBPR dengan pola waktu: feed anaerobik lalu fase anoksik/aerasi—fleksibel dan footprint kompak.

Membrane bioreactor (MBR) dan sistem hibrida IFAS/MBBR (moving bed biofilm reactor, biofilm tersuspensi) mengintensifkan konsentrasi biomassa dan kapasitas nitrifikasi pada footprint kecil, dan bisa menyertakan selektor anaerobik untuk P. Pada praktik F&B, MBR laju tinggi (flux 30–40 L/m²·h) mencapai ~80–95% removal COD dan TSS pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Tren industri condong ke BNR terintegrasi dalam proses activated sludge eksisting (konversi ASP menjadi A₂O/Bardenpho) atau ke unit kompak (MBR/IFAS) demi memenuhi limit nutrien ketat.

Presipitasi kimia fosfor: stoikiometri dan polishing

Saat EBPR belum cukup, presipitasi kimia mengambil alih. Garam logam—umumnya ferric chloride atau sulfate, aluminum sulfate, atau kapur—bereaksi dengan fosfat terlarut membentuk endapan tak larut (FePO₄, AlPO₄, Ca₃(PO₄)₂) yang kemudian dipisahkan lewat sedimentasi atau filtrasi. Secara stoikiometri, diperlukan sekitar 2,0–2,5 g Fe atau 1,2–1,5 g Al per g‑P yang diambil.

Efektivitasnya tinggi: pada dosis moderat (misal 6 L/jam FeCl₃ untuk ~6 mg/L P influen), penghilangan bisa mencapai ~80% atau lebih iwaponline.com. Dalam studi skala penuh, dosis ferric konvensional menghilangkan ~78% total P (turun ke ~1,3 mg/L dari 6 mg/L influen) iwaponline.com. Untuk target lebih rendah lagi, diperlukan dosis lebih tinggi atau digabung filtrasi tersier. Praktik umum: kimia sebagai polishing setelah BNR—misalnya FeCl₃ setelah MBR atau ASP dapat menurunkan TP efleuen dari ~0,5 mg/L menjadi <0,1 mg/L. Di sisi operasi, presisi injeksi koagulan sangat bergantung pada akurasi dosing pump, sementara endapan fosfat diambil di unit sedimentasi seperti clarifier atau melalui polishing dengan cartridge filter. Dibanding EBPR, metode kimia kurang sensitif terhadap variasi organik atau kontrol proses, dan andal untuk target P sangat rendah; namun menghasilkan sludge kimia tambahan dan menaikkan biaya OPEX. Dalam kasus yang dikutip, untuk memenuhi baku 2 mg/L, dosis FeCl₃ harus digandakan—menunjukkan diminishing returns dan lonjakan biaya pada target ketat iwaponline.com.

Strategi gabungan dan opsi pemulihan

Pada banyak pabrik F&B, strategi gabungan mengandalkan BNR untuk menghapus sebagian besar N dan P, lalu dosis koagulan kecil untuk mengejar limit. Contoh: membidik ~0,5 mg/L TP via EBPR dan menambahkan ~5 mg/L FeCl₃ untuk mendorong TP akhir ke <0,2 mg/L. Beberapa sistem bahkan memulihkan endapan (mis. kristalisasi struvite) untuk digunakan kembali. Alternatif teknologi juga ada: studi yang sama menunjukkan ion exchange dapat mencapai hingga ~95% penghilangan P dibanding ~78% dengan presipitasi kimia pada dosis moderat—relevan saat mempertimbangkan lini ion exchange resin iwaponline.com.

Ringkasan desain dan operasi

Baik A₂O maupun Bardenpho, dirancang tepat (waktu tinggal, recycle internal, SRT/solids retention time, dan suplai karbon), mampu menghapus >90% N dan P di limbah F&B—sering menghasilkan TN efleuen <5 mg/L dan TP sekitar 0,1–0,5 mg/L pada kondisi baik nepis.epa.gov nepis.epa.gov. Bardenpho umumnya melampaui A₂O untuk angka nutrien ultra‑rendah, meski dengan biaya modal/kompleksitas lebih tinggi. Saat regulasi mensyaratkan TP <0,2 mg/L, presipitasi kimia menjadi polishing andal—menghapus ~80–90% sisa P iwaponline.com. Tren implementasi: integrasi BNR ke activated sludge eksisting (konversi ke A₂O/Bardenpho) atau unit kompak seperti MBR dan MBBR untuk footprint minimum.

Sumber data inti berasal dari studi skala penuh dan tinjauan: nepis.epa.gov nepis.epa.gov iwaponline.com www.mdpi.com www.mdpi.com, dengan konteks regulasi Indonesia (TP ≈0,2 mg/L; TN ≈15 mg/L) menentukan target efleuen.

Referensi

- Nikolić, I.; Mijić, K.; Mitrović, I. Characteristics of Food Industry Wastewaters and Their Potential Application in Biotechnological Production. Processes 2025, 13(8), 2401. doi:10.3390/pr13082401 (www.mdpi.com).

- U.S. EPA. Municipal Nutrient Removal Technologies Reference Document, Vol.1. EPA832-R-08-006, 2008. (Bab 2, “Treatment Technologies and Matrix”). Contoh: TN efleuen ~7,3–9,0 mg/L dan TP ~0,025–0,98 mg/L untuk A₂O skala penuh; Bardenpho 5‑tahap dengan kimia mencapai TN ~0,87–5,59 mg/L dan TP ~0,06–1,09 mg/L (nepis.epa.gov nepis.epa.gov).

- Chiavola, A.; Bongirolami, S.; Di Francesco, G. Technical-economic comparison of chemical precipitation and ion exchange processes for the removal of phosphorus from wastewater. Water Sci. Technol. 2020, 81(7), 1329–1335. doi:10.2166/wst.2020.023. (Menunjukkan presipitasi kimia menghapus ~78% P pada dosis moderat vs. 95% oleh ion exchange) (iwaponline.com).

- Abdoli, S.; Asgari Lajayer, B.; Dehghanian, Z.; et al. A Review of the Efficiency of Phosphorus Removal and Recovery from Wastewater… Water 2024, 16(17), 2507. doi:10.3390/w16172507. (Meninjau EBPR dan presipitasi P, mencatat EBPR biasanya menghapus 80–90% P influen) (www.mdpi.com).

- Ng, S.M.; Idrus, S.; Ahsan, A.; et al. Treatment of Wastewater from a Food and Beverage Industry… MBR Case Study. Membranes 2021, 11(6), 456. doi:10.3390/membranes11060456. (Data pilot MBR limbah F&B – removal COD/TSS ~84–95% pada MLSS tinggi) (pmc.ncbi.nlm.nih.gov).