2.5.3 Mekanisme Penyisihan Parameter Pencemar
2.5.3.3 Penyisihan Nitrogen
Secara umum tanaman menyerap nitrogen, tetapi peran tanaman pada constructed wetland secara langsung dalam penghilangan senyawa nitrogen relatif kecil. Penyerapan nitrogen oleh tanaman yang tumbuh di constructed wetland hanya berkisar sekitar 10-16 % dari senyawa nitrogen yang terlarut di dalam air (Gersbeg, 1983). Sebagian besar penghilangan senyawa nitrogen dilakukan oleh bakteri melalui proses amonifikasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi.
Tanaman akuatik mempunyai peran yang tidak langsung tetapi sangat penting dalam proses tersebut yaitu sebagai tempat pelengketan mikroorganisme dan menyuplai oksigen melalui akar sehingga mendukung pertumbuhan bakteri aerob. Sisa-sisa bagian tanaman yang mati menjadi sumber karbon organik yang diperlukan oleh bakteri sebagai sumber energi dalam proses denitrifikasi, yaitu perubahan nitrat menjadi gas N2. Selain proses biologis, proses penghilanagn senyawa nitrogen dalam constructed wetland juga terjadi melalui volatisasi ion ammonium (NH4+) menjadi gas NH3 bila pH lebih besar dari 8; sedimentasi dan penyaringan partikel padat yang mengandung nitrogen; serta proses adsorbsi ion ammonium ke dalam sedimen organik dan anorganik melalui pertukaran ion (Liehr, et al., 2000)
Nitrifikasi
Nitrifikasi merupakan bio-oksidasi ammonia menjadi nitrat, konversi tersebut merupakan suatu proses dua tahap yang dilakukan oleh dua kelompok bakteri yang sejenis yang memperoleh karbon dari karbondioksida dan energinya dari oksidasi senyawa anorganik (dalam hal ini ammonia dan nitrat). Bakteri tersebut adalah Nitrosomonas yang mengoksidasi ammonia menjadi nitrit, dan Nitrobakter yang mengoksidasi nitrit menjadi nitrat. Reaksi berlangsung pada kondisi aerobik. Nitrat merupakan senyawa stabil dan dapat berada pada air dan juga pada endapan. Nitrat tersebut diabsorbsi oleh tanaman atau mikroba pada proses reduksi nitrat.
Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut: Nitrosomonas
55 NH4+ + 76O2 + 5CO2 → C5H7NO2 + 54 NO2- + 52H2O + 109 H+
Nitrobacter
400 NO2- + 195O2 + 5CO2 + NH3+ H2O → C5H7NO2 + 400 NO3-
Sel Bakteri
Pada umumnya bakteri nitrifikasi aktif dengan tingkat yang nyata hanya dalam reaktor dengan waktu detensi yang panjang atau jika konsentrasi senyawa-senyawa organik rendah.
Reaksi berlangsung pada kondisi aerobik. Nitrat merupakan senyawa stabil dan dapat berada pada air dan juga pada endapan. Nitrat tersebut diabsorbsi oleh tanaman atau mikroba pada proses reduksi nitrat.
Kebutuhan oksigen dalam proses nitrifikasi secara sempurna dalam arti sampai menjadi bentuk nitrat, yaitu untuk mengoksidasi 1 mg/ NH4+, menjadi NO3- sebesar 4,33 mg O2; dengan perincian bahwa untuk mengoksidasi 1 mg NH4+ menjadi NO2- dibutuhkan 3,22 mg O2 dan 1,11 mg O2 untuk mengoksidasi NO2-menjadi NO3- untuk setiap miligramnya.
Denitrifikasi
Disimilasi reduksi nitrat atau denitrifikasi oleh mikroorganisme terjadi pada kondisi anaerobik dengan nitrat sebagai akseptor elektron dan karbon organik sebagai donor elektron (EPA, 1993), oleh karena itu reaksi ini terjadi pada kondisi anaerobik dan membutuhkan karbon organik. Produk dari denitrifikasi adalah gas N2 dan N2O yang dapat keluar dari system constructed wetland. Perbandingan karbon-nitrat nitrogen sekitar 1 gr C/NO3-N. Proses denitrifikasi pada endapan akan menyuplai N2 untuk fiksasi oleh bakteri dan penyerapan oleh tanaman melalui akar.
Secara umum persamaan reaksinya adalah sebagai berikut: NO3- → NO2- → N2
Fiksasi Nitrogen
Gas nitrogen dapat dikonversi menjadi nitrogen organik oleh mikroorganisme tertentu yang memiliki enzim nitrogenase. Reaksi dapat terjadi secara aerob dan anaerob oleh bakteri dan alga hijau-biru. Fiksasi nitrogen terjadi pada permukaan air, endapan, rhizosfer tanaman, dan pada permukaan daun serta
batang. (Reddy & Graetz, 1998). Nitrogen tersebut menjadi sumber nitrogen yang signifikan jika sistem kekurangan oksigen, tetapi tidak terlalu penting jika nitrogen dalam sistem tersedia banyak.
Pengambilan Nitrogen oleh Tanaman / Asimilasi
Tanaman wetland akan mengasimilasi nitrogen sebagai elemen yang penting unuk metabolisme tanaman. Nitrogen anorganik akan direduksi oleh tanaman menjadi senyawa nitrogen organik yang digunakan untuk jaringan tanaman. Pada masa pertumbuhan, pengambilan nitrogen dari air dan sedimen oleh tanaman sangat tinggi. Diperkirakan pengambilan nitrogen oleh tanaman pada wetland bervariasi sekitar 0,5-3,3 gN/m2/tahun (Burgoon et,al., 1991). Nitrogen pada Sistem constructed wetland
Partikulat nitrogen organik masuk ke constructed wetland dari influen air limbah atau dari tanaman pada constructed wetland. Senyawa yang biodegradable diamonifikasi oleh mikroorganisme aerob dan anaerob. Ammonium yang dilepaskan dari partikulat nitrogen organik dalam endapan dapat digunakan oleh tanaman sebagai nutrien yang penting. Pengambilan ini akan meningkat pada masa pertumbuhan tanaman. Proses nitrifikasi ammonium membutuhkan oksigen terlarut, oleh karena itu terbatas pada area yang mempunyai oksigen yang cukup.
Nitrat yang dihasilkan dari nitrifikasi atau berasal dari efluen sistem mungkin akan diambil oleh tumbuhan dan plankton-plankton. Pada kondisi anaerobik dan dengan adanya senyawa organik, mikroba akan mengkonversi nitrat menjadi gas nitrogen (NO2, N2) melalui proses denitrifikasi. Sebagian nitrat juga akan berdifusi pada endapan yang akan dapat diambil langsung oleh tanaman. Sehingga penyisihan dapat melalui pengambilan oleh tanaman, nitrifikasi dan denitrifikasi, volatisasi dan ion exchange. Proses volatisasi dan ion exchange hanya mempunyai dampak yang sangat kecil dalam penyisihan nitrogen ini.
Constructed wetland aliran horizontal bawah permukaan yang konvensional akan menjadi lebih cocok untuk proses denitrifikasi dari influen yang telah mengalami nitrifikasi. Hal ini disebabkan karena kondisi pada media sebagian besar adalah anaerob.
Kemampuan constructed wetland untuk menyisihkan senyawa nitrogen baik nitrogen total, ammonia, nitrat, dan nitrit dapat dilihat pada Tabel 2.13. pada Tabel dapat dilihat bahwa penyisihan nitrogen cukup efektif dengan pengolahan constructed wetland tetapi efisiensinya lebih rendah daripada penyisihan BOD dan COD. Efiensi penyisihan nitrat bernilai negative karena jumlah nitrat meningkat yang menujukkan terjadinya proses nitrifikasi dalam constructed wetland.
Tabel 2.13 Kemampuan Constructed Wetland Menyisihan Nitrogen
Jenis Air Limbah Sistem Pengolahan Konsentrasi Awal (mg/l) Penyi sihan Keterangan
Domestik Vertikal 116 NH4-N 90 % CW Hof Mohr, Jerman
Domestik Horizontal, dgn Phragmites 108 N-Tot 90 % CW Germerswang, Jerman Industri Kentang Kombinasi, dgn
Typha, Scirpus 164 N-Tot 75 %
Skala pilot project, 4 stage, USA Leachate
Landfill
Horizontal, dgn
Phragmites 88 NH3-N 81 %
Skala pilot project, 2 satage, Slovenia Limbah Pertanian Kombinasi, dgn Phragmites 330 NH4-N 93,1 % CW Rugeley, 4 satge, UK. Domestik Horizontal, dgn Typha 1,4 NO3-N -(95) %
1 stage & 3 kolam stabilisasi, Kenya Limbah
Rumah Sakit
Kombinasi, dgn
Phragmites 0,8 NO3-N -(98,8) % 2 stage, Nepal *Limbah
Lab. Kimia
Horizontal bawah
permukaan 10,5 N-Tot 90,4 %
Skala lab, 2 stage, LIPI Cibinong Jenis Air Limbah Sistem Pengolahan Konsentrasi Awal (mg/l) Penyi sihan Keterangan *Limbah Lab. Kimia Horizontal permukaan (FWS) 6 N-Tot 58%
Skala lab, 2 stage, LIPI Cibinong *Limbah
Domestik
Horizontal, dgn
Typha, kangkung 90-260 NH4-N 10-82%
2 stage, kolam ikan, Pesantren Arafah. Kab
Bandung ** Limbah RPH, Tahu HSF bersekat (td=5 hari), dgn Sagittari lancifolia 1,792 NTK 95,31%
Skala lab, 2 stage, Dago Bengkok
Bandung Sumber: Haberl, R. (1997) & Cooper, P (1998) * Meutia, 2002 ** Sonie, 2007