Optimizing Surface Area of Moving Bed Biofilm Reactor Media Coupled with Electrocoagulation for Treating Palm Oil Mill Effluent

Abstract

Palm Oil Mill Effluent (POME) contains high organic matter, suspended solids, oil and grease, and nitrogen concentrations that often exceed discharge standards. This study evaluated a Moving Bed Biofilm Reactor coupled with electrocoagulation and kapok fiber pretreatment (KF–EC–MBBR), compared three Kaldnes media (K1, K3, K5), estimated biokinetic parameters using Activated Sludge Model No. 3 (ASM3), and optimized operational parameters under unsteady-state conditions. The system achieved removal efficiencies of 91–97% TSS, 91–94% O&G, 49–71% sCOD, 42–76% BOD, and 72–82% TN. Although the integrated system achieved high percentage removals, the final sCOD and BOD concentrations remained above the applicable discharge limits because of the very high influent strength. The calibrated ASM3 model predicted the best operating region within the evaluated parameter ranges at a biofilm thickness of 900 µm, an HRT of 52-62 h, and pH 7.5. K1 showed the best observed performance during its operating phase; however, the result may also reflect temporal changes in influent quality and biomass maturity because the carrier phases were operated sequentially. The calibrated ASM3 showed varying goodness of fit across the carrier operational phases, with R² values ranging from 0.77 to 0.94 for sCOD and from 0.33 to 0.94 for NH3. Optimization identified a 900 µm biofilm thickness, 56–62 h HRT, and pH 7.5 as optimal, indicating these parameters must be managed jointly to maximize performance. These findings provide a basis for further optimization and pilot scale evaluation of the integrated KF–EC–MBBR system for POME treatment.

Limbah cair pabrik kelapa sawit (LCKS) mengandung bahan organik, padatan tersuspensi, minyak dan lemak, serta nitrogen dalam konsentrasi tinggi yang seringkali melampaui baku mutu lingkungan. Penelitian ini mengevaluasi kinerja Moving Bed Biofilm Reactor yang dipadukan dengan elektrokoagulasi dan pretreatment serat kapuk (KF–EC–MBBR), membandingkan tiga jenis media Kaldnes (K1, K3, K5), mengestimasi parameter biokinetik menggunakan Activated Sludge Model No. 3 (ASM3), serta mengoptimasi parameter operasional pada kondisi unsteady-state. Sistem yang dikembangkan mencapai efisiensi penyisihan sebesar 91–97% TSS, 91–94% O&G, 49–71% sCOD, 42–76% BOD, dan 72–82% TN. Meskipun sistem terintegrasi mencapai persentase penyisihan yang tinggi, konsentrasi akhir sCOD dan BOD masih berada di atas baku mutu pembuangan yang berlaku karena konsentrasi influen awal yang sangat tinggi. K1 menunjukkan kinerja terbaik selama tahap operasinya. Namun, hasil tersebut juga mungkin dipengaruhi oleh perubahan kualitas influen dari waktu ke waktu dan tingkat kematangan biomassa, karena setiap fase media pembawa dioperasikan secara berurutan. Model ASM3 yang telah dikalibrasi menunjukkan goodness of fit yang bervariasi pada setiap fase operasional media, dengan nilai R² berkisar antara 0,77–0,94 untuk sCOD dan 0,33–0,94 untuk NH3. Kondisi operasi optimum dicapai pada ketebalan biofilm 900 µm, HRT 58,87 jam, dan pH 7,5, menunjukkan bahwa ketiga parameter perlu dikelola secara simultan untuk memaksimalkan kinerja pengolahan. Temuan ini mendukung penerapan teknologi EC-MBBR yang diintegrasikan dengan pemodelan ASM3 untuk pengolahan POME yang efektif.