1 TUGAS MATA KULIAH BIOTEKNOLOGI LINGKUNGAN (TSL 644)
Peningkatan Kualitas Limbah Cair Menggunakan Teknologi Lahan Basah Buatan Tipe Aliran Permukaan (Free Water Surface Treatment Wetlands, FWS)
INDAH APRILIYA A154150121
PROGRAM STUDI BIOTEKNOLOGI TANAH DAN LINGKUNGAN FAKULTAS PERTANIAN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2 DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR TABEL ... xi
PENDAHULUAN ... 1
FREE WATER SURFACE (FWS) TREATMENT WETLANDS ... 2
Definisi dan Gambaran Umum FWS ... 2
Kelebihan dan Kekurangan FWS... 3
Desain FWS ... 4
APLIKASI FWS PADA BEBERAPA PENELITIAN ... 6
KESIMPULAN ... 10
DAFTAR PUSTAKA ... 10
DAFTAR GAMBAR
1 Desain umum FWS 4
2 Contoh desain FWS 5
PENDAHULUAN
Lahan basah buatan (Constucted Wetlands, CWs) merupakan salah satu teknologi pengolahan air limbah yang dapat diterapkan pada suatu lokasi untuk meningkatkan kualitas air limbah tersebut agar sesuai dengan baku mutu. Teknologi ini memanfaatkan dan mengandalkan kemampuan yang dimiliki oleh akar tanaman air untuk menyaring, menyerap, dan mengubah bentuk berbagai macam polutan berbahaya menjadi suatu bentuk yang relatif tidak berbahaya. Saat ini, lahan basah buatan umumnya digunakan untuk mengurangi polutan dari limbah cair di urban stormwater treatment, industrial wastewater treatment, mine water treatment, field runoff treatment, dan beberapa digunakan untuk mengurangi pengkayaan unsur hara di badan air (eutrofikasi). Penggunaan lahan basah buatan untuk meningkatkan kualitas air limbah dan mengurangi risiko pengkayaan unsur hara di badan air (eutrofikasi) lebih banyak dipilih karena biaya yang dibutuhkan untuk membangun, mengoperasikan, dan merawat CWs lebih rendah dibandingkan dengan instalasi pengolahan air limbah (IPAL), secara teknis lebih mudah dilakukan, tidak menggunakan bahan bakar fosil sehingga tetap menjaga kesehatan lingkungan, dan memberikan unsur estetika terhadap lingkungan.
Hasil penelitian Chyan et al (2016) menunjukkan bahwa pengolahan limbah cair menggunakan lahan basah buatan dapat menurunkan biochemical oxygen demand (BOD) sebesar 68.3%, dan menurunkan kandungan amonium pada limbah tersebut sebesar 54.8%. Menurut Environmental Protection Agency (EPA) tahun 1993, terdapat dua tipe CWs diantaranya yaitu aliran permukaan (Free Water Surface, FWS) dan aliran bawah permukaan (Subsurface Flow Wetland, SSF). Pada FWS, air mengalir di atas permukaan tanah dari inlet ke outlet sehingga total padatan tersuspensi yang terdiri atas bahan organik biodegradable, senyawa organik dan anorganik sukar larut, serta logam berat dijerap atau mengendap. Sedangkan, pada prinsip SSF air limbah dilalukan melalui matriks tertentu sehingga polutan tersebut dapat didegradasi secara fisik, kimia dan biologis pada matriks tersebut. Tipe lahan basah buatan SSF biasanya digunakan untuk mengolah limbah berbahaya atau berbau yang menuntut keamanan tertentu, sedangkan tipe FWS biasanya digunakan untuk pengolahan terhadap limbah cair yang berasal dari domestik (greywater), maupun dari sumber lain yang dibuang ke saluran-saluran air (sewage).
2 FREE WATER SURFACE (FWS) TREATMENT WETLANDS
Definisi dan Gambaran Umum FWS
Free Water Surface (FWS) Wetlands didefinisikan sebagai sistem lahan basah dimana air berada di permukaan atau mengalami kontak langsung dengan atmosfer. Umumnya, lahan basah alami (natural wetlands) didominasi oleh sistem FWS, seperti yang terdapat pada lahan rawa (EPA 2000). Adanya peningkatan perbaikan kualitas yang timbul di lahan basah alami selama beberapa tahun menyebabkan dikembangkannya lahan basah buatan untuk meniru sistem lahan basah alami dalam upaya perbaikan kualitas air khususnya dalam pengolahan air limbah.
Prinsip yang diterapkan dalam membangun lahan basah buatan sistem FWS yaitu air mengalir di atas permukaan tanah yang diatasnya ditanami oleh vegetasi dari titik inlet ke outlet. Lahan basah buatan FWS biasanya terdiri atas satu atau lebih cekungan dangkal atau saluran sebagai penghalang untuk mencegah terjadinya rembesan limbah ke dalam air bawah tanah. Setiap sistem FWS harus memiliki struktur inlet dan outlet yang tepat untuk menjamin distribusi seragam air limbah yang akan diperbaiki kualitasnya. Beberapa tanaman yang umum digunakan pada sistem ini yaitu Typha spp, Scirpus spp (rumput gajah), dan
Phragmites spp (alang-alang). Pada FWS, kombinasi tanaman yang digunakan dalam
perlakuan limbah cair hanya satu atau dua jenis tanaman. Fungsi penggunaan tanaman dalam
sistem FWS selain untuk mengendapkan limbah dan menyerap unsur-unsur berbahaya yang
terkandung dalam limbah, tanaman juga berfungsi untuk mencegah tumbuhnya alga,
mengurangi turbulensi angin pada air yang mengalir di dalam sistem, eksudat yang
dikeluarkan oleh tanaman tersebut berfungsi sebagai substrat bagi kehidupan berbagai
organisme yang bertanggung jawab secara biologis dalam proses treatment limbah cair
tersebut. Kedalaman vegetasi akar pada sistem ini kurang lebih berkisar beberapa inchi atau
dua kaki lebih.
Beberapa prinsip dasar dalam penggunaan FWS buatan untuk meningkatkan kualitas
air limbah diantaranya yaitu aliran air limbah pada sistem lahan basah buatan ini diusahakan
sebarannya lebih tinggi di daerah dangkal agar dapat kontak dengan akar vegetasi yang
digunakan, kecepatan air limbah dalam mengalir di sistem FWS harus rendah agar
partikel-partikel yang terkandung dalam air limbah tersebut dapat dihapuskan secara efektif.
Komposisi utama dari limbah cair ini yaitu total padatan tersuspensi (Total suspended solids,
TSS) yang mengandung biochemical oxygen demand (BOD), senyawa anorganik terikat
3
pelepasan senyawa-senyawa tersebut dilakukan dengan penyerapan senyawa-senyawa
tersebut oleh tanah dan akar tanaman serta melalui aktivitas mikrob yang berada pada sistem
tersebut. Ketersediaan oksigen pada permukaan air, permukaan maupun daerah perakaran
tanaman sistem ini sangat mempengaruhi aktivitas mikrob yang bersifat aerobik dalam
mentransformasi partikel-partikel yang terdapat pada limbah cair tersebut. Selain mikroba
aerobik, dalam sistem ini juga terdapat mikroba anaerobik dan anoxic. Kekurangan oksigen
dapat membatasi aktivitas penghilangan amonia (NH3) secara biologis melalui nitrifikasi,
tetapi sistem lahan basah masih sangat efektif untuk menghilangkan BOD, TSS, beberapa
logam berat dan senyawa organik kompleks.
Penggunaan FWS untuk meningkatkan kualitas air limbah memerlukan lahan yang
relatif luas terutama bila tujuan utama adalah untuk mengurangi atau menghapus total
nitrogen dan fosfor yang terkandung dalam limbah cair tersebut. Penerapan sistem FWS ini
membutuhkan lebih sedikit peralatan mekanik, dan energi dibandingkan dengan sistem SSF.
Sistem FWS ini dinilai cukup efektif untuk meningkatkatkan kualitas limbah cair sehingga
biaya yang dibutuhkan untuk pengolahan lanjut limbah tersebut menjadi lebih sedikit.
Beberapa jenis limbah cair yang dapat di tingkatkan kualitasnya melalui sistem FWS
diantaranya yaitu limbah cair rumah tangga, limbah cair perkotaan, saluran pembuangan
gabungan, limbah cair dari aktivitas pertambangan, serta limpasan pertanian dan peternakan.
Selain itu, sistem ini juga dapat menyediakan habitat bagi beberapa organisme dan
memberikan nilai-nilai estetika sehingga dapat dijadikan sebagai lokasi rekreasi.
Kelebihan dan Kekurangan FWS
4 Kekurangan yang dimiliki oleh FWS diantaranya yaitu: (1) penerapan sistem ini memerlukan lahan yang cukup luas terutama untuk pengurangan dan penghapusan total nitrogen dan fosfor; (2) pengurangan dan penghapusan BOD, total nitrogen, dan fosfor dilakukan secara biologis sehingga sangat bergantung pada kondisi tertentu agar proses tersebut dapat berjalan secara efektif, (3) dalam cuaca dingin dan suhu yang rendah reaksi biologis yang bertanggung jawab dalam proses nitrifikasi dan denitrifikasi menurun sehingga membutuhkan waktu retensi yang lebih lama dan ukuran lahan yang lebih luas serta biaya yang lebih tinggi untuk meningkatkan efektivitas proses bilogi tersebut; (4) bagian terbesar FWS pada dasarnya adalah anoxic sehingga untuk mendapatkan kualitas limbah cair yang diinginkan memerlukan pengaturan waktu retensi dan luas lahan tertentu dan tentunya dapat mempengaruhi biaya pembuatan FWS; (5) seringkali FWS dapat menjadi sumber nyamuk dan vektor serangga lainnya yang dapat membawa masalah baru; dan (6) adanya populasi burung tertentu pada lahan basah buatan dapat memiliki dampak negatif terhadap bandara terdekat.
Desain FWS
Dalam beberapa kasus pengolahan air limbah di lahan basah buatan menggunakan sistem FWS, prinsipnya adalah air limbah di alirkan dari inlet menuju outlet melalui permukaan tanah bervegetasi sehingga bahan pencemar yang terdapat pada limbah tersebut dapat mengendap dan/atau diserap oleh akar tanaman dan/atau tanah sehingga limbah yang keluar dari titik outlet memiliki kualitas yang lebih baik dibandingkan dengan sebelum dilalukan pada lahan basah buatan (Gambar 1).
5 Gambar 1 menunjukkan bahwa terdapat beberapa bagian penting yang harus diperhatikan dalam konstruksi sistem FWS diantaranya yaitu sistem distribusi inlet, lapisan tanah yang impermeable untuk menjaga volume air dan padatan terlarut agar tidak keluar dari sistem FWS tersebut, media perakaran tanaman, permukaan air, dan sistem kendali outlet. Limbah cair yang keluar dari outlet termasuk dalam limbah cair yang memiliki kualitas lebih baik dibandingkan dengan limbah cair yang masuk melalui inlet. Terdapat beberapa contoh model FWS yang telah dikembangkan diantaranya yaitu (1) FWS dengan menggunakan tanah yang memiliki permeabilitas rendah; (2) FWS dengan menggunakan zona air terbuka; dan (3) FWS dengan menggunakan tanaman terapung (Gambar 2).
6 APLIKASI FWS PADA BEBERAPA PENELITIAN
Penggunaan FWS untuk mengatasi eutrofikasi pada danau L’Albufera de Valencia di Spanyol (Martin et al 2013)
Danau L’Albufera merupakan danau air bersih di Spanyol yang dilaporkan memiliki keanekaragaman hayati tinggi hingga tahun 1960-an. Namun, berkembangnya pertumbuhan penduduk, industri perkotaan, dan praktek pertanian yang kurang bijak menyebabkan terjadinya penurunan kualitas air danau. Danau ini termasuk dalam danau yang sulit dimodifikasi sehingga para pejabat yang berwenang memiliki tujuan untuk memperbaiki kualitas danau tersebut hingga mencapai potensi ekologi yang baik dan status kimia permukaan air yang baik dalam waktu singkat. Beberapa tindakan telah dilakukan untuk meningkatkan kualitas danau tersebut misalnya dengan memperbaiki sanitasi infrastruktur dan pengolahan air limbah, namun tindakan-tindakan ini belum sepenuhnya mampu mengatasi permasalahan yang sedang dihadapi di danau tersebut terutama terkait dengan persoalan pengkayaan unsur hara di danau tersebut. Oleh karena itu, perlu dilaksanakan tindakan baru untuk membantu mengurangi kandungan unsur hara yang terdapat pada danau tersebut yaitu dengan menggunakan sistem lahan basah buatan aliran permukaan (FWS).
7 penting di wilayah ini yaitu terjadinya curah hujan yang terkonsentrasi selama musim peralihan (musim semi dan musim gugur). Pada periode ini terjadi curah hujan yang cukup tinggi. Hal ini dapat menguntungkan karena dapat mempengaruhi kualitas air yang dimasukkan dalam sistem lahan basah buatan.
Air yang di distribusikan kedalam FWS melalui saluran irigasi yang khas dan dikendalikan oleh pintu air vertikal. Ukuran FWS yang digunakan yaitu 30m (sama seperti desai lahan sawah klasik), dan dialiri air dari danau melalui titik inlet yang berupa pintu air kecil dengan ukuran lebar 0.3m. Setelah dilalukan pada TPCWs, air yang diolah kemudian dimasukkan kedalam dua rawa dan kemudian dimasukkan kembali kedalam danau dengan teknik pemompaan.
Penelitian ini dilakukan selama dua tahun, pengambilan sampel dilakukan setiap dua minggu pada masing-masing input dan output untuk ditentukan kondisi fisik, kimia, dan biologi. Sampel air diambil menggunakan botol sebanyak 2 liter pada area sekitar 0.10 m antara pukul 09.00 hingga 14.00. Sampel air selanjutnya ditentukan kandungan bahan organik, chemical oxygen demand (COD), total nitrogen, amonium, nitrit, nitrat, total fosfor, fosfat, silika, total dan volatil padatan tersuspensi (TSS, VSS), kekeruhan, dan populasi fitoplankton. Selain itu, sifat fisiko kimia air tersebut juga ditentukan antara lain suhu air, pH, konduktivitas, oksigen terlarut. Semua parameter diatas dianalisis menggunakan Spectroquant® Analysis System oleh Merck, kecuali untuk TSS dan populasi fitoplankton. TSS ditentukan dengan menggunakan Metode Standar Pemeriksaan untuk Air dan Limbah cair berdasarkan APHA tahun 1991. Populasi fitoplankton ditentukan menggunakan ekstraksi fotosintesis pigmen menggunakan aseton 90% sebagai pelarut, absorbansi nilai penentuan ditetapkan menggunakan spektofotometer dan menggunakan permasaam yang diterbitkan oleh Jeffrey dan Humphrey (1975). Selain sampel air, sampel tanah juga diambil untuk menggambarkan variasi dari sifat-sifat tanah dan memberikan informasi yang berguna. Sejak selesainya pembangunan lahan basah buatan pada tahun 2009, dilakukan sampling selama enam kali yaitu pertama sebelum tergenang dan kemudian setiap enam bulan. Sampel biomassa vegetasi juga di analisis untuk mengevaluasi pertumbuhan vegetasi dan jumlah unsur hara yang di akumulasi dan dipanen melalui tanaman. Lima sampel vegetasi di ambil ddi tahun pertama, dan satu sampel di tahun kedua. Hasil penelitian selanjutnya di analisis secrara statistika menggunakan program SPSS 16.
rata-8 rata efisiensi removal TSS sebesar 75%, total fosfor sebesar 65%, total nitrogen sebesar 52%, nitrogen inorganik terlarut sebesar 61%, nitrat 58%, dan populasi fitoplankton sebesar 46%. Berdasarkan hasil penelitian, penggunaan lahan basah buatan dapat dijadikan sebagai solusi alternatif untuk menangani eutrofikasi pada badan air sehingga kualitas air lebih baik, dan kehidupan mikrob air tidak terganggu.
Kemampuan FWS dalam meningkatkan kualitas limbah cair domestik di Mediterania (Gunet et al 2012)
Laut Mediterania mencakup 2.500.000 km2 dengan garis pantai terluas yaitu seluas 46.000 km dan melewati 22 negara yang saat ini dihuni oleh 82 juta penduduk. PBB memperkirakan bahwa 650 juta ton limbah domestik dibuang ke laut Mediterania setiap tahun, dimana sekitar 70% dari limbah tersebut tidak dapat menghilang secara alami. Akibatnya, laut Mediterania mengalami pengkayaan unsur hara (eutrofikasi) sehingga kualitas air menjadi menurun. Dengan ekspansi populasi global, kebutuhan untuk menemukan teknologi baru dengan biaya pemeliharaan rendah, dan hemat energi dalam pengelolaan limbah cair sangat diperlukan. Sistem lahan basah buatan telah dibangun dan dikembangkan di Turki sejak tahun 2005 dan dapat diterima sebagai praktek manajemen pengelolaan berbagai limbah cair di seluruh dunia. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi sistem lahan basah buatan yang telah dibangun di Garip village di dekat danau E˘girdir sejak tahun 2005 untuk meningkatkan kualitas limbah cair domestik sehingga tidak terjadi pengkayaan unsur hara di laut Mediterania. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk menyelidiki pengaruh dari berbagai pemberian polutan terhadap kinerja lahan basah buatan yang diterapkan.
9 Septic System yang digunakan pada penelitian ini berukuran 9.0x3.0x3.0 m dengan volume efektif sebesar 67.5 m3 sehingga retensi waktu nya selama 1.4 hari. Sistem ini dirancang untuk mengurangi bahan padatan dari limbah cair domestik. Luas lokasi yang dibutuhkan untuk mengelola limbah rumah tangga per orang adalah 3.2 m2/ orang, namun area yang tersedia saat ini adalah 4,5 m2/ orang. Konstruksi lahan basah FWS yang dibuat
terdiri atas tiga bagian dan tiga tahap yang meliputi luas permukaan secara keseluruhan seluas 2.840 m2 (Gambar 3). Tahap pertama seluas 22.1m x 52.4m dibangun untuk
mensedimentasi limbah cair yang akan dikelola. Tahap kedua (10.0 m x 52.4 m) merupakan perairan terbuka yang ditanami juga dengan tanaman untuk menyediakan aerasi (oksigen) ke kolom air dan meningkatkan proses nitrifikasi. Tahap ketiga (22.1 m x 52.4 m) dirancang untuk penghilangan patogen, logam, dan total padatan tersuspensi yang dilakukan oleh tanaman (Typha latifolia L) melalui sedimentasi dan denitrifikasi. FWS lahan basah buatan ini dibuat sebagai sistem pengolahan limbah secara penuh dengan tujuan untuk mengolah limbah cair domestik yang sangat terkonsentrasi dari penduduk pada desa tersebut.
Gambar 3. Skema FWS yang digunakan dalam penelitian
Jenis limbah yang dialirkan dalam sistem FWS (Gambar 3) merupakan limbah domestik yang mengandung rata-rata oksigen terlarut 13.8 sebesar mg/l, TSS sebesar 222 mg/l, BOD sebesar 352 mg/l, COD sebesar 728 mg/l, total nitrogen 42.2 mg/l, dan total fosfor sebesar 7.6 mg/l.
10 fosfor sebesar 34.8%. Sistem gabungan antara septic dan FWS mampu mengurangi TSS sebesar 86%, BOD dan COD sebesar 91%, total nitrogen sebesar 57%, dan total fosfor sebesar 43%. Berdasarkan hasil penelitian ini diperoleh informasi bahwa kombinasi septic sistem dan FWS akan lebih efektif dalam mengurangi polutan pada limbah cair domestik.
Retention time atau waktu yang dibutuhkan untuk air limbah tersebut berada pada sistem juga nerupakan faktor yang perlu dipertimbangkan dalam merancang lahan basah buatan untuk mengurangi polutan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi pengurangan dan penghapusan polutan optimal dicapai pada hari ke-30. Setelah jangka waktu tiga puluh hari, rata-rata interval pengurangan polutan meningkat. Analisis statistika mengungkapkan bahwa terdapat perbedaan yang signifikan didalam waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan kadar TSS, BOD, COD, total nitrogen dan fosfor.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dalam jurnal yang menjadi acuan dalam makalah ini dapat disimpulkan bahwa lahan basah buatan aliran permukaan (CW FWS) merupakan salah satu solusi alternatif yang dapat dilakukan untuk meningkatkan kualitas limbah cair sehingga dapat memperbaiki kondisi lingkungan dan mengurangi biaya yang dibutuhkan dalam pengelolaan lanjut limbah cair tersebut. Selain itu, sistem ini juga tergolong lebih murah dan mudah sehingga mudah untuk diterapkan.
DAFTAR PUSTAKA
Chyan JM, Lin CJ, Lin YC, Chou YA. 2016. Improving removal performance of pollutants by artificial aeration and flow rectification in free water surface constructed wetland. Int J Biodeterioration & Biodegradable. DOI: 10.1016/j.ibiod.2016.04.034.
[EPA] Environmental Protection Agency. 2000. Wastewater Technology Fact Sheet: Free Water Surface Wetlands. Washington DC (US): Environmental Protection Agency. Gunes K, Tuncsiper B, Ayaz S, Drizo A. 2012. The ability of free water surface constructed
wetland system to treat high strength domestic wastewater: A case study for the Mediterranean. J Ecological Engineering. 44: 278-284.
