BAB 7. APLIKASI TEKNOLOGI VENTURY UNTUK MENURUNKAN ZAT BESI DALAM AIR TANAH

(1)

Aplikasi Teknologi Pengolahan Sumberdaya Air | BUNGA RAMPAI 68

BAB 7.

APLIKASI TEKNOLOGI VENTURY UNTUK

MENURUNKAN ZAT BESI DALAM AIR TANAH

Arie Herlambang , Moch Abdul Kholiq, Nusa Idaman Said, Adi Mulyanto, R

Haryoto Indriatmoko, Yosep Widi Nugraha, Aflakhur Ridlo, Nida Sopiah

Pusat Teknologi Lingkungan, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. Puspiptek Area, Gedung 820 Geostek, Tangerang Selatan, Banten 15314

Telp. 021-75791381 Fax. 021-75791403 *e-mail : arie.herlambang@bppt.go.id

PENDAHULUAN

Pengadaan air bersih di Indonesia khususnya untuk skala yang besar masih terpusat di daerah perkotaan, dan dikelola oleh Perusahan Air Minum (PAM) kota yang bersangkutan. Namun demikian secara nasional jumlahnya masih belum mencukupi dan dapat dikatakan relatif kecil yakni 16,08 % (1995). Untuk daerah yang belum mendapatkan pelayanan air bersih dari PAM umumnya mereka menggunakan air tanah (sumur), air sungai, air hujan, air sumber (mata air) dan lainnya. Dari data ststistik 1995, prosentasi banyaknya rumah tangga dan sumber air minum yang digunakan di berbagai daerah di Indonesia sangat bervariasi tergantung dari kondisi geografisnya. Secara nasional yakni sebagai berikut : Yang menggunakan air leding 16,08 %, air tanah dengan memakai pompa 11,61 %, air sumur (perigi) 49,92 %, mata air (air sumber) 13,92 %, air sungai 4,91 %, air hujan 2,62 % dan lainnya 0,80 %.

Air tanah sering mengandung zat besi (Fe) dan Mangan (Mn) cukup besar. Adanya kandungan Fe dan Mn dalam air menyebabkan warna air tersebut berubah menjadi kuning-coklat setelah beberapa saat kontak dengan udara. Disamping dapat mengganggu kesehatan juga menimbulkan bau yang kurang enak serta menyebabkan warna kuning pada dinding bak serta bercak-bercak kuning pada pakaian. Pada konsentrasi rendah zat besi dan mangan dapat menimbulkan rasa atau bau logam pada air minum, oleh karena itu untuk air minum kadar zat besi dan mangan yang diperbolehkan yakni masing-masing 0,3 mg/l dan 0,05 mg/l (Standar US EPA).

UntuK Indonesia berdasarkan Keputusan Menteri Kesehatan Republik Indonesia Nomor 907/ MENKES/ SK/VII/2002 menetapkan kadar zat besi di dalam air minum yang diperbolehkan maksinum 0,3 mg/l dan kadar mangan maksimum yang diperbolehkan 0,1mg/l.Untuk menanggulangi masalah tersebut, salah satu alternatif yakni dengan cara mengolah air tanah atau air sumur sehingga didapatkan air dengan kualitas yang memenuhi syarat kesehatan. Permasalahan yang timbul yakni sering dijumpai bahwa kualitas air tanah maupun air sungai yang digunakan masyarakat kurang memenuhi syarat sebagai air minum yang sehat bahkan di beberapa tempat bahkan tidak layak untuk diminum. Air yang layak diminum, mempunyai standar persyaratan tertentu yakni persyaratan fisis, kimiawi dan bakteriologis, dan syarat tersebut merupakan satu kesatuan. Jadi jika ada satu saja parameter yang tidak memenuhi syarat maka air tesebut tidak layak untuk diminum. Pemakaian air minum yang tidak

(2)

memenuhi standar kualitas tersebut dapat menimbulkan gangguan kesehatan, baik secara langsung dan cepat maupun tidak langsung dan secara perlahan.

BAHAN DAN METODE Bahan dan peralatan

Percobaan penurunan zat besi dalam air tanah menggunakan ventury di lakukan di Laboratorium Geostech, BPPT, selama tahun 2016. Percobaan ini menekankan pada penurunan zat besi oleh aktivitas oksidasi yang dilakuakan oleh zat oksigen yang dimasukkan ke dalam air dengan menggunakan alat ventury. Bahan yang digunakan adalah sumur air tanah dangkal, zat fero sulfat, pompa air tanah dangkal, bak penampung air baku, pipa akrilik, flow tangki reaktor, pengukur kecepatan udara dan ventury (Lihat Tabel 1).

Tabel 1 : Bahan dan peralatan uji coba

Proses aerasi-filtrasi biasanya terdiri dari aerator, bak pengendap serta filter atau penyaring. Aerator adalah alat untuk mengontakkan oksigen dari udara dengan air agar zat besi atau mangan yang ada di dalam air baku berreaksi dengan oksigen membentuk senyawa ferri (Fe valensi 3) serta mangan oksida yang relatif tidak larut di dalam air. Kecepatan oksidasi besi atau mangan dipengaruhi oleh pH air. Umumnya makin tinggi pH air kecepatan reaksi oksidasinya makin cepat. Kadang-kadang perlu waktu tinggal sampai beberapa jam setelah proses aerasi agar reaksi berjalan tergantung dari karakteristik air bakunya.

Jika konsentrsi zat besi atau mangan di dalam air baku cukup tinggi maka perlu bak pengendap yang dilengkapi dengan pengumpul lumpur (sludge collection). Untuk unit fitrasi lebih disarankan menggunakan filter bertekanan dengan dua media yakni pasir silika dan anthrasite. Kelemahan yang utama dari proses aerasi-filtrasi iini adalah besarnya biaya awal untuk pembuatan unit peralatan. Di samping itu jika konsentrasi mangan lebih besar 1 mg/l, maka reaksi oksidasi cukup lama, sehingga perlu waktu tinggal yang lebih lama atau kadang

(3)

memerlukan tambahan bahan kimia untuk mempercepat proses oksidasi mangan tersebut sampai tingkat konsentarsi yang diharapkan.

Di dalam proses penghilangan besi dan mangan dengan cara aerasi, adanya kandungan

alkalinity, (HCO3)- yang cukup besar dalam air, akan menyebabkan senyawa besi atau mangan

berada dalam bentuk senyawa ferro bikarbonat, Fe(HCO3)2 atau mangano bikarbonat,

Mn(HCO3)2. Oleh karena bentuk CO2 bebas lebih stabil daripada (HCO3)-, maka senyawa

bikarbonat cenderung berubah menjadi senyawa karbonat.

Fe(HCO3)2 ===> FeCO3 + CO2 + H2O

Mn(HCO3)2 ===> MnCO3 + CO2 + H2O

Dari reaksi tersebut dapat dilihat, jika CO2 berkurang, maka kesetimbangan reaksi akan

bergeser ke kanan dan selanjutnya reaksi akan menjadi sebagai berikut:

FeCO3 + CO2 ===> Fe(OH)2 + CO2

MnCO3 + CO2 ===> Mn(OH)2 + CO2

Baik hidroksida besi (valensi 2) maupun hidroksida mangan (valensi 2) masih mempunyai kelarutan yang cukup besar, sehingga jika terus dilakukan oksidasi dengan udara atau aerasi akan terjadi reaksi (ion) sebagai berikut:

4 Fe2+ + O2 + 10 H2O ===> 4 Fe(OH)3 + 8 H+

2 Mn2+ + O2 + 2 H2O ===> 2 MnO2 + 4 H+

Sesuai dengan reaksi tersebut, maka untuk mengoksidasi setiap 1 mg/l zat besi dibutuhkan 0,14 mg/l oksigen dan setiap 1 mg/l mangan dibutuhkan 0,29 mg/l. Pada pH rendah, kecepatan reaksi oksidasi besi dengan oksigen (udara) relatif lambat, sehingga pada prakteknya untuk mempercepat reaksi dilakukan dengan cara menaikkan pH air yang akan diolah.

Dalam percobaan ini air tanah dangkal dipompa dari kedalaman 13 meter, kemudian ditampung dalam bak penampung sebesar 5 m3, air ditambah feri sulfat dengan konsentrasi yang diatur, air yang sudah mengandung zat besi dipompa dengan terlebih dahulu dilakukan pengaturan pH sesuai dengan yang dikehendaki dengan menggunakan soda ash.

(4)

Air dalam kecepatan tertentu dialirkan melalui media ventury untuk dilakukan penyedotan udara, kemudian dilalui media pencampur udara (mixer) agar terjadi percampuran sempurna, kemudian masuk ke dalam reaktor, selanjutnya dimasukkan ke dalam bak pengendap, kemudian dilalui filter pasir silica sebelum air digunakan (Lihat Gambar 1).

Gambar 2. Cara kerja Teknologi Ventury Fero Removal Skala Pilot

Air dalam kecepatan tertentu dialirkan melalui media ventury untuk dilakukan penyedotan udara, kemudian dilalui media pencampur udara (mixer) agar terjadi percampuran sempurna, kemudian masuk ke dalam reaktor, selanjutnya dimasukkan ke dalam bak pengendap, kemudian dilalui filter pasir silica sebelum air digunakan (Lihat Gambar 2).

Analisis data

Penelitian Tatsumi Iwao (1971) tentang penurunan zat besi dalam air tanah, setelah dilakukan proses aerasi dengan waktu tinggal tertentu menunjukkan adanya penurunan zat besi sejalan dengan lamanya waktu aerasi dan naiknya pH larutan (Gambar 3).

Dalam penelitian ini, kandungan besi dalam air tanah cukup rendah, yaitu 0,16 mg/liter, oleh

karena itu untuk keperluan percobaan digunakan zat tambahan yang berupa fero sulfat (FeSO4

xH2O). Dalam proses penambahan ini terjadi kesulitan, karena pada proses percampuran

dilakukan dipermukaan, sehingga terjadi oksidasi dari udara sekitarnya dan larutan berubah

menjadi Feri sulfat (Fe2(SO4)3xH2O ) yang warnanya merah kekuningan dan bersifat lebih stabil.

(5)

Aplikasi Teknologi Pengolahan Sumberdaya Air | BUNGA RAMPAI 72 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 60 70 pH 5.0 pH 5.95 pH 6.15 pH 6.5 pH 6.65 pH 6.8 pH 7.0 pH 7.45 K O N S E N T R A S I F e [ m g /l ]

WAKTU AERASI [MENIT]

Gambar 3 : Penurunan zat besi dalam air tanah fungsi pH dan waktu aerasi (Sumber : Tatsumi Iwao, 1971)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Percobaan Teknologi Ventury Fero Removal skala laboratorium. Dalam percobaan ini digunakan debit aliran 36 liter/menit, dengan debit udara 20 liter/menit, dengan waktu reaksi kontak 60 detik. Penggunaan ventury berhasil menaikkan kandungan oksigen terlarut 73 – 81%. Tingginya kelarutan oksigen ini menunjukkan efektifnya peran ventury dan pipa mixer yang terpasang sebelum reaktornya.

Gambar 4: Kenaikkan kelarutan oksigen yang berkisar 71 – 81% pada reaktor skala lab Pada kondisi desain laboratorium ini waktu kontaknya terlampau singkat atau debit alirannya terlampau besar. Permasalahannya ketika debit dikecilkan, maka penyedotan udara pada system venturynya menurun drastis, oleh karena itu untuk meningkatkan efisiensi reaktornya perlu diperbesar.

(6)

Gambar 5: Efisiensi penurunan zat besi yang berkisar 38 – 56%

Percobaan Teknologi Ventury Fero Removal skala Pilot. Dalam percobaan ini digunakan debit aliran 40 liter/menit, dengan debit udara 20 liter/menit, dengan waktu reaksi kontak 31,4 menit atau 1884 detik. Penggunaan ventury berhasil menaikkan kandungan oksigen terlarut sampai dengan 114%. Tingginya kelarutan oksigen ini menunjukkan efektifnya peran ventury dan pipa mixer yang terpasang sebelum reaktornya.

Gambar 5: Kenaikkan kelarutan oksigen yang dapat mencapai 114 % pada reaktor pilot

Gambar 6: Efisiensi penurunan zat besi pada reaktor pilot yang dapat mencapai 81% Pada kondisi desain teknologi ventury skala pilot laboratorium ini waktu kontaknya cukup lama, mencapai 31,4 menit. Fenomena yang tidak biasa terjadi, yaitu ketika pH dinaikkan mencapai 8,3, efisien penurunan zat besi malah menurun drastis. Penjelasan ini memberi

(7)

pemahaman bahwa pembuatan larutan air baku dengan penambahan Fero Sulfat tidak dapat dilakukan di udara terbuka, karena ketika kontak dengan udara akan berubah menjadi Feri Sulfat yang lebih stabil. Pada saat nanti praktek di lapangan, air baku yang digunakan adalah air tanah yang sudah mengandung besi tinggi, yang dipompa langsung dari sumber menuju reaktor, tanpa melalui kontak dengan udara.

Pembahasan

Penggunaan ventury dalam peningkatan kadar oksigen terlarut dalam air cukup efektif bila dilalukan pipa mixer untuk mengaduk oksigen yang dihisap melalui ventury. Jika dari ventury langsung dimasukkan ke dalam reaktor kenaikkan kelarutan oksigennya hanya berkisar 40-50%. Dengan penambahan pipa mixer kelarutan oksigen bias mencapai 100% dengan waktu kontak mencapai 30 menit. Kelarutan oksigen dalam air penting terutama dalam proses oksidasi zat besi dalam air tanah. Untuk percobaan selanjutnya diperlukan air tanah yang mengandung zat besi tinggi sesuai dengan kondisi lapangan.

KESIMPULAN

1. Dalam penurunan kadar besi dalam air tanah, proses yang paling sederhana dan murah biaya operasionalnya adalah dengan menggunakan sistem Ventury, karena udara yang dialirkan tidak menggunakan tenaga, tapi cukup menggunakan laju alir air baku untuk mendapatkan oksigen dalam jumlah cukup.

2. Penggunaan blower untuk menambah jumlah udara, dalam percobaan ternyata tidak terlalu signifikan karena penambahan jumlah bubble tidak terlalu banyak.

3. Penggunaan micro bubble untuk membangkitkan gelembung mikro dalam prakteknya ada hambatan terutama kaitannya dengan debit aliran, karena pada saat pengaturan gelebung mikro debit aliran tidak bisa maksimal, jika debit dimaksimalkan gelembung mikro tidak terbentuk.

4. Penggunaan air baku buatan, dengan menambahkan Ferosulfat, tidak terlalu persis sama dengan kondisi lapangan, sehingga dari beberapa percobaan awal nampak bahwa ikatan besinya terlampau kuat, melebihi dari yang ada di alam. Kondisi zat besi yang ada di alam merupakan oksida besi yang terikat dengan organic, sehingga lebih mudah untuk terurai. Oleh karena itu percobaan ini harus dilajutkan tetapi dengan menggunakan air besi yang mengandung kadar besi tinggi.

5. Direkomendasikan untuk percobaan selanjutnya, lakukan di daera Bontang, Kalimantan Timur, di PDAM Kota Bontang atau daerah lain yang permasalahan zat besinya cukup parah.

Ucapan Terima Kasih

Disampaikan kepada Dr. Ir. Rudi Nugroho, M.Eng, Direktur Pusat Teknologi Lingkungan, yang berkenan memberi kesempatan kepada Tim kami untuk menyelesaikan penelitian ini hingga tuntas, kepada Bu Ressi Octivia yang membantu proses administrasi program.

(8)

DAFTAR PUSTAKA

Asaoka Tadatomo, “ Yousui Haisui Shori Gijutsu “, Tokyo, 1973.

Benefiled, L.D., Judkins, J.F., and Weand, B.L., "Process Chemistry For Water And Waste Treatment", Prentice-Hall, Inc., Englewood, 1982.

Fair, G.M., Geyer, J.C., AND Okun, D.A., " Element Of Water Supply And Waste Water Disposal ", Second Edition, John Wiley And Sons, New York, 1971.

Hamer, M. J., " Water And Waste water Technology ", Second Edition, John Wiley And Sons, New York, 1986.

JICA: Water Supply Engineering Vol. I. Edited by Japan Water Work Association.1990.

Keputusan Menteri Kesehatan Republik Indonesia Nomor 907/MENKES/SK/VII/2002 tanggal 29 Juli 2002 tentang syarat-syarat dan pengawasan kualitas air minum

Peavy, H.S., Rowe, D.R, AND Tchobanoglous, S.G., "Environmental Engineering ", Mc Graw-Hill Book Company, Singapore, 1986.

Tatsumi Iwao, " Water Work Engineering (JOSUI KOGAKU) ", Japanese Edition, Tokyo, 1971. Viessman W,JR., “Water Supply And Pollution Control “, fourth edition, Harper and Ror

Publisher, New york, 1985.

Wong, J.M., “Chlorination-Filtration for Iron and Manganese Removal”, Journal AWWA Vol.76, NO.1, January 1984.

H.K. Alluri et.al., « Biosorption: An eco-friendly alternative for heavy metal removal”, African Journal of Biotechnology, vol. 6 (25) (pp. 2924-2931), 28 December 2007.

Metcalf and Eddy, 2004, Wastewater Engineering 4th edition, McGraw Hill International Editions, New York.

Asli Baysal, Nil Ozbek and Suleyman Akman (2013). Determination of Trace Metals in Waste Water and Their Removal Processes, Waste Water – Treatment Technologies and Recent Analytical Developments, Prof. Fernando Sebastián García Einschlag (Ed.), ISBN: 978-953-51-0882-5, InTech, DOI: 10.5772/52025.

https://www2.chemistry.msu.edu/courses/cem837/Anodic%20Stripping%20Voltammetry.p df (diakses 5 September 2014)

Standar Nasional Indonesia, 2009, Air dan air limbah - Bagian 4 : Cara uji besi (Fe) secara Spektrofotometri Serapan Atom (SSA) – nyala , SNI 6989.4: 2009

Standar Nasional Indonesia, 2004, Air dan air limbah - Bagian 11: Cara uji derajat keasaman (pH) dengan menggunakan alat pH meter, SNI 06-6989.11-2004