1
DDA3523 Kejuruteraan Alam Sekitar (Environmental Engineering)
Bab 3 - Kualiti Air
Pepejal : terampi (suspended), koloid (colloids), terlarut (dissolved)
3.1 Ciri-ciri Air
Berada tiga jenis ciri: fizikal, kimia dan biologi.
3.1.1 Ciri Fizikal
Ciri air yang dapat dikenal dengan cara melihat (see), merasa (taste), dan menghidu (feel). (Berkaitan dengan gerak balas penglihatan, sentuhan, rasa dan bau.)
Warna
Punca: Pereputan (decaying) bahan-bahan organik yang berwarna (terutamanya bahan humik), logam seperti ferum (Fe), mangan (Mn), dan efluen industri yang mengandungi pewarna seperti industry tekstil dan kertas.
Kesan: Tidak estetik atau menarik pada penglihatan, sebatian organic bertindak balas dengan klorin menyebabkan keberkesanan pengklorinan berkurangan. Klorin bertindak balas dengan asid humik dan asid fulvik membentuk trihalometana (THM) yang bersifat karsinogen (penyebab kanser).
Bau atau Rasa
Punca: Pereputan bahan organik secara anaerobik, kehadiran sepsis alga tertentu; bahan kimia industry seperti fenol, air sisa yang berasakan petroleum dan gas-gas terlarut.
Kesan: Air mempunyai bau dan rasa yang tidak disenangi pengguna.
Pepejal Terampai (Suspended Solids, SS)
Punca: Bahan tak organik seperti tanah liat dan kelodak; bahan organik seperti serat tumbuhan, tisu-tisu haiwan, alga dan mikro-organisma.
Kesan: Mengotorkan air; menjadi tempat mikro-organisma berselindung menyebabkan keberkesanan pengklorinan kurang, pereputan bahan organik memerlukan oksigen terlarut (DO), sesetengah alga adalah toksid dan ada mikro-organisma yang membawa penyakit (pathogen).
Kekeruhan (Turbidity)
Punca: Kehadiran pepejal terampai dan koloid seperti tanah liat, kelodak, oksida-oksida logam, serbuk pencuci, serat tumbuhan dan mikro-organisma.
2 Suhu (Temperature)
Punca: Suhu persekitaran dan efluen industri.
Kesan: Mempengaruhi sifat-sifat air seperti kelikatan (viscosity), ketumpatan (density), dan tegangan permukaan (surface tension). Suhu juga mempengaruhi kelarutan bahan kimia, kadar tindakbalas kimia, kadar aktiviti bacteria, rasa dan bau serta hidupan air.
3.1.2 Ciri Kimia
Ciri kimia dikaitan dengan keupayaan keboleh larutan air (solvent capabilities).
pH dan Keasidan (Acidity)
Punca: Menunjukkan keadaan berasid atau beralkali pada sesuatu cecair. Keasidan terjadi bila ion
hidronium (H3O+) lebih banyak daripada ion hidroksida (OH-) dan sebaliknya bagi kealkalian. Skala 0-14 digunakan. Nilai pH < 7 menunjukkan larutan berasid dan nilai pH > 7 larutan beralkali.
pH = log
dengan H3O+ amaun ion hidronium (mol per liter larutan)
Bagi air tulin, kepekatan ion H3O+ dan ion OH- adalah sama iaitu 10-7 mol/liter. Dengan itu, nilai pH ialah 7 (neutral).
kepekatan pada kadar tetap = 10-14 mol/liter
Apabila asid ditambah pada air, kepekatan ion H3O+ meningkat menyebabkan nilai pH turun. Penambahan alkali mengurangkan bilangan H3O+ kerana OH- berpadu dengan H3O+ . Nilai pH meningkat.
Kesan: Hubungan kompleks antara pH dengan juzuk air seperti CO2, keliatan, kealkalian dan suhu boleh menghasilkan keladak (scale) dalam sistem pengagihan. pH < 7 menyebabkan kakisan yang teruk ke atas logam manakala keberkesanan proses pengklorinan akan menurun pada pH > 8. Kebanyakan hidupan akuatik amat sensitif pada pH habitat masing-masing.
Kealkalian (Alkalinity)
Pengukuran keupayaan air untuk menyerap ion H3O+ tanpa mengalami perubahan pH yang ketara.
Punca: Kehadiran anion tertentu seperti ion OH- (hidroksida), HCO3- (bikarbonat), CO3-2 (karbonat). Kealkalian (mg/L CaCO3) =
Kesan: Rasa pahit pada air pada kepekatan yang tinggi. Tindak balas antara kealkalian dengan sesetengah kation menghasilkan mendakan yang mengotorkan paip.
Pepejal Terlarut Jumlah (Total Dissolved Solids – TDS)
Punca: Juzuk utama ialah kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na, sodium), bikarbonat (HCO3+), klorida (Cl-) dan sulfat (SO4-2).
3 Keliatan (Hardness)
Pengukuran kepekatan kation seperti Ca+2, dan Mg+2. Dalam keadaan tertentu, kation ini bertindak dengan anion membentuk keladak. Bergantung kepada anion, keliatan boleh dikelaskan sebagai keliatan karbonat (anion HCO3- dan CO3-2) dan keliatan bukan karbonat (anion SO4-2 dan Cl-).
Punca: Kation yang paling banyak ditemui dalam air ialah Ca+2 dan Mg+2. Selebihnya ferum (Fe+2,
ferric iron), mangan (Mn+2) dan aluminium (Al+3).
Kesan: Air yang liat menyebabkan penggunaan sabun yang berlebihan dan merugikan pengguna. Apabila dipanaskan, air yang liat berupaya memendakkan keladak yang menyebabkan paip air panas tersumbat dan mengurangkan keberkesanan pemanas air.
< 50 mg/L = keliatan lembut (soft water)
50-150 mg/L = keliatan sederhana (moderately hard) 150-300 mg/L = keliatan tinggi (very hard)
Logam (Metals)
Kesemua logam larut pada had tertentu dalam air. Pengambilan sebarang logam pada kuantiti yang berlebihan membahayakan kesihatan. Logam toksid (arsenic, barium, kromium, plumbum, raksa dan perak) membahayakan kesihatan pada kepekatan yang rendah. Logam bukan toksid (kalsium,
magnesium, ferum, mangan, aluminium, kuprum dan zink) boleh menimbulkan masalah pada kepekatan yang tinggi.
Punca: Pelarutan daripada galian dan discaj daripada air sisa domestic dan industry.
Kesan: Pemendakan besi dan mangan sebagai contoh, menyebabkan warna perang kemerah-merahan pada air (staining of bathroom fixtures).
Sebatian Organik (Organic Compounds)
Sebatian organik mengandungi atom karbon yang terikat diantara satu sama lain atau dengan unsur lain dalam bentuk cincin/rantai. Komponen utama sebatian organik ialah karbon (C), hydrogen (H), oksigen (O), manakala unsur sampingan ialah nitrogen (N), fosforus (P), dan sulfur (S). Sebatian organik boleh terbakar, mempunyai jisim molekul yang tinggi dan larut sedikit dalam air. Sebatian organik biorosot menjadi sumber makanan kepada mikro organism.
Punca: Tisu haiwan dan mikro organism serat tumbuhan/alga (semula jadi); getah, plastic, alcohol dan asid dari proses penapaian (organik sinetik/buatan).
Jenis
Organik biorosot dan bahan organik yang boleh diuraikan oleh mikro organism (60-80%)
Berpunca dari pereputan tisu haiwan dan tumbuhan, atau daripada sisa industri dan sisa domestik. Kanji, lemak dan protin adalah dalam bentuk molekul yang besar. Molekul ini dipecahkan melalui proses pereputan oleh bakteria. Sebagai contoh: kanji bertukar ke gula terlarut, protin menjadi asid amino dan lemak bertukar menjadi asid lemak. Bentuk yang mudah ini boleh menembusi membran sel mikro organisma dan digunakan sebagai bahan makanan oleh mikro organisma (bakteria) bagi mendapatkan tenaga untuk tujuan sintesis, pernafasan dan pergerakan.
4
Komponen tumbuhan berkayu yang tahan kepada pereputan atau biorosot terlalu perlahan seperti selulos, asid tanik, lignin dan fenol. Molekul yang mempunyai ikatan kuat yang sukar direputkan seperti
polisakarid, benzin dan DDT. Racun perosak termasuk racun herba dan racun serangga organik seperti aldrin, dieldrin, endrin, dan lindane adalah toksid kepada mikro organisma.
Pengoksidaan bahan-bahan organik
Penoksidaan bahan-bahan organik (organik biorosot) oleh bakteria memerlukan oksigen terlarut (DO). Bahan organik diuraikan oleh mikro organisma (bakteria) bagi membentuk mikro organisma baru dan produk akhir yang stabil (stable end products). Pereputan bahan organik boleh terjadi dalam keadaan beroksigen (aerob/aerobik) atau tanpa oksigen bebas (anaerob/anaerobik).
Penguraian secara aerobik
Bakteria aerobik menggunakan DO untuk mengoksidakan/menguraikan bahan organik sebagai bahan makanan bagi memenuhi keperluan tenaga. Pengoksidaan terjadi melalui tindak balas kimia yang kompleks. Bahan organik hilang secara beransur dan sel-sel baru terbentuk. Karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, dan fosforus dalam bentuk bahan biorosot bertukar menjadi produk akhir yang stabil seperti CO2, H2O, NO3-, SO4-2, dan PO4-2 (fosfat).
Pengoksidaan ini boleh menurunkan kandungan oksigen terlarut hingga ke satu tahap dimana bakteria aerobik tidak boleh lagi hidup. Bakteria anaerobik seterusnya melakukan pengoksidaan secara anaerobik menggunakan oksigen yang terdapat dalam sebatian seperti nitrat, sulfat, dan membentuk produk akhir seperti CH4, NH3, dan H2S.
Penguraian secara anaerobik
Kesan: Penguraian bahan organik oleh bakteria merendahkan kandungan oksigen terlarut dalam jasad air. Pereputan bahan organik secara anaerobik menghasilkan produk yang berbau (H2S – hidrogen sulfida).
Gas-gas Terlarut (Dissolved Gases)
Oksigen, karbon dioksida, nitrogen, hidrogen sulfida dan metana (methane, CH4).
Oksigen terlartu (DO) : Kandungan oksigen terlarut merupakan penunjuk penting terhadap kualiti air dan penting untuk kehidupan akuatik. Air pada 1 atm @ 20°C mengandungi 9 ppm (mg/L) O2. Secara am, 5 mg/L diperlukan untuk ikan hidup.
Punca: Atmosfera dan fotosintesis oleh alga. Antara faktor yang mempengaruhi jumlah DO dalam air sungai ialah suhu, penembusan cahaya, fotosintesis, perolakan air dan kuantiti bahan organik yang diuraikan.
Kesan: Nilai DO yang rendah menjejaskan ekologi dan kualiti jasad air.
Nutrien (Nutrients)
Nutrien merupakan unsur penting bagi pertumbuhan dan pembiakan benda hidup. Pelbagai
galian/mineral diperlukan tetapi yang penting kepada tumbuhan akuatik ialah karbon, nitrogen, dan fosforus.
5
Nitrogen adalah juzuk kepada protin, klorofil, dan kebanyakan sebatian biologi. Melalui pereputan protin ditukar kepada asid amino dan ammonia (NH3) oleh bakteria dan fungi. Dalam persekitaran aerobic, bakteria Nitrosomonas dan Nitrobacter menukarkan ammonia kepada nitrit (NO2-) dan nitrat (NO3-2). Proses pengoksidaan sebatian nitrogen dikenali sebagai nitrifikasi (nitrification).
Punca: Gas nitrogen daripada atmosfera, baja kimia dan air sisa daripada kawasan ternakan dan perbandaran.
Kesan: Pengoksidaan sebatian nitrogen merendahkan kandungan. DO dan merangsang pembiakan alga dan tumbuhan akuatik dalam jasad air. Masalah eutrofikasi diperhatikan pada jasad air seperti tasik dan reserbor. Air yang mengandungi kepekatan nitrat yang tinggi menyebabkan methemoglobinemia pada bayi.
Fosforus
Wujud sebagai fosfat dalam persekitaran akutaik.
Punca: Baja pertanian, najis haiwan, sabun dan detergen daripada air sisa domestik.
Kesan: Masalah eutrofikasi (eutrophication).
3.1.3 Ciri Biologi
Komuniti biologi sesuatu jasad air terdiri dari mikro organisma bersel tunggal seperti bakteria hingga ke organisma besar seperti ikan. Air permukaan yang sihat mengandungi berbagai-bagai organisma dalam bilangan yang seimbang dan membentuk satu sistem ekologi yang teratur.
Jenis-jenis mikro dan makro organisma yang terdapat dalam air:
Bakteria, virus, protozoa, fungi dan kulat, alga (tumbuhan seni yang melakukan fotosintesis), rotifer, krustasia, helmin dan cacing, ikan dan makrofit (tumbuhan akuatik). Kebanyakannya tidak berbahaya kecuali sebilangan kecil sahaja yang dikenali sebagai patogen.
Patogen (Pathogens)
Patogen ialah organisma pembawa penyakit dan boleh terdiri daripada bakteria, protozoa, virus, atau helmin. Sebagai contoh, bakteria Vibrio pembawa taun, Salmonella pembawa demam kepialu, hepatitis oleh virus usus dan Schistosomiasis oleh helmin dan cacing.
Organisma penunjuk patogen
Ujian bagi mengesan patogen tertentu dibuat apabila ada alas an untuk berbuat demikian seperti apabila berlakunya wabak. Untuk pengawasan air yang rutin, keselamatan air diuji menggunakan organisma penunjuk iaitu organisma yang kehadirannya menunjukkan bahawa kontaminasi (pencemaran) telah berlaku. Oleh kerana kebanyakan patogen yang disebarkan melalui air dikeluarkan melalui najis, organisma yang terdapat dalam usus manusia merupakan penunjuk yang baik terhadap pencemaran oleh najis.
Organisma penunjuk seperti bakteria dari kumpulan koliform iaitu bakteria koliform najis (E. Coli –
6
Kaedah untuk mengesan bakteria koliform
Salah satu kaedah yang digunakan ialah Teknik Penurasan Membran.
Sebanyak 100 ml air sampel dituras menggunakan kertas turas berliang 0.45 µm. Sel-sel bakteria tertinggal pada kertas turas dan kertas turas dibubuh ke dalam medium agar-agar yang sesuai. Dieram pada suhu 35°C selama 24 jam. Bilangan koloni yang hidup dikira.
Penyebaran Penyakit (Propagation of Illnesses)
Penyebaran penyakit yang dikaitkan dengan air, antaranya adalah melalui air yang mengandungi najis manusia dan tidak dirawat, air yang telah dirawat tetapi tercemar oleh kerana kurang kawalan ke atas sambungan paip dan kerja-kerja penyelenggaraan paip, dan rawatan air yang tidak mencukupi disebabkan kurang latihan kepada operator dan kurang penyelenggaraan loji. Penyakit yang disebarkan oleh air boleh dikelaskan kepada 3 jenis:
Penyakit basuhan air (Water-washed disease)
Penyakit yang disebabkan oleh kekurangan air untuk menjaga kebersihan diri seperti penyakit kulit dan sakit mata.
Penyakit bawaan air (Water-borne disease)
Penyakit seperti taun, ceret beret dan hepatitis. Organisma patogen disebarkan melalui air.
Penyakit berasakan air (Water-based disease)
Penyakit disebabkan oleh vector serangga yang hidup dalam persekitaran berair seperti nyamuk tiruk,
Aedes dan lain-lain. Sebagai contoh, Schistosomiasis disebabkan oleh cacing yang hidup separuh daripada hayatnya dalam badan organisma perumah seperti siput.
3.2 Parameter (Water Quality Parameters)
Ciri-ciri air dinilai menggunakan parameter yang mencerminkan kesan pelbagai juzuk air terhadap kualiti dan kegunaan air. Antara parameter yang lazim digunakan ialah BOD, COD, SS, TDS, pH dan bilangan bakteria koliform.
3.2.1 Permintaan Oksigen Biokimia (Biological Oxygen Demand: BOD)
Parameter yang menyatakan kekuatan bahan organik yang hadir dalam suatu sampel air. BOD ialah jumlah atau kuantiti oksigen yang digunakan oleh bakteria untuk mengoksidankan bahan organik. Ujian BOD lazimnya dilakukan pada suhu 20°C selama 5 hari. BOD 10 mg/L bererti 1 L sampel air sisa memerlukan 10 mg oksigen untuk proses pengoksidaan bahan organik oleh bakteria. Di Malaysia, ujian BOD selalunya dijalankan pada suhu bilik 30°C selama 3 hari. Secara ringkas, ujian BOD dilakukan dengan mengeramkan sampel air di dalam botol yang ditutup rapat dan disimpan dalam ruang
pengeraman yang gelap untuk selang masa beberapa hari pada suhu tertentu. Kandungan oksigen terlarut akan berkurangan dan jumlah pengurangan adalah nilai BOD sampel tersebut.
DOi = nilai oksigen terlarut sebelum ujian
7 Ujian BOD
Botol BOD diisi dengan sampel air dan kepekatan awal oksigen terlarut (DOi) dalam air dicatitkan. Botol BOD disimpan dalam alat pengeram pada suhu tertentu. Pada hari yang ditetapkan, botol BOD
dikeluarkan dan bacaan akhir oksigen terlarut DOf dicatit.
Lazimnya air sisa domestic dicairkan dengan air pencairan untuk menambahkan kandungan DO.
Lengkung di atas diperolehi kerana permintaan oksigen berkurangan apabila bahan organik yang tidak teroksida atau terurai berkurangan. Kadar penggunaan oksigen dinyatakan oleh garis tangent kepada lengkung BOD pada sebarang masa pengeraman, t.
8
Oleh kerana kadar penggunaan oksigen berkadaran dengan kuantiti bahan organik, satu persamaan boleh ditulis dalam bentuk kepekatan bahan organik (L). Kadar penguraian bahan organik berkurang dengan berkurangnya bahan organik yang tidak teroksida (tinggal).
(3.2)
dengan,
L = kepekatan bahan organik (mg/L)
dL/dt = kadar penguraian bahan organik
k = pemalar tindak balas (unit: 1/hari)
t = masa pengeraman, hari
Rajah 3.2 Lengkung kepekatan bahan organik (Lt) melawan masa pengeraman
Pada masa, t = 0, kepekatan bahan organik yang tidak teroksida ialah L0 manakala pada masa t = t, kepekatan bahan organik yang tidak teroksida ialah Lt.
Kamirkan: (dari masa t=0 hingga t=t)
(pada andasar 10) (pada andasar e) Kepekatan Bahan
Organik yg Tidak Teroksida, L
9
= Bahan organik yang telah dioksidakan dalam masa t hari = BODt
Untuk masa pengeraman yang lama, contoh t → ∞
Lt = 0 bahawa BODt = BODu = L0
Dari persamaan BODt = L0(1 – 10-kt), sekiranya nilai t, k, dan BODt diketahui, L0 atau BODu diperolehi.
BODu atau L0 merupakan permintaan oksigen yang muktamad untuk menstabilkan air sisa.
Nilai k boleh dipengaruhi oleh suhu.
Model van’t Hoff Arhenius menyatakan: kT = k20°C × 1.047(T-20°C)
3.2.2 Permintaan Oksigen Secara Kimia (Chemical Oxygen Demand: COD)
10
diperolehi lebih cepat (kira-kira 3 jam) tetapi tiada maklumat mengenai bahagian yang boleh dioksidakan oleh bakteria.
Organics + Cr2O7-2 + H3O+ → CO2 + H2O + 2Cr+3
The remaining dichromate is titrated using ferrous ammonium sulfate (FAS) with a ferroin indicator.
Fe+2 + Cr2O7-2 + 14H3O+ → 6Fe+3 + 2Cr+3 + 7H2O
Kaedah ujian COD: Air sampel dimasukkan ke dalam kelalang. Masukkan kalium dikromat, asid sulfuric (H2SO4), raksa sulfat (HgSO4), argentum nitrat (AgNO3). Panaskan selama 2 jam. Sejukkan. Untuk mengetahui kuantiti dikromat yang tinggal (tidak digunakan semasa pengoksidaan) titratkan dengan larutan standard Fe2SO4 (ferum sulfat). Nilai COD boleh didapati dengan menggunakan formula.
3.2.3 Pepejal (Solids)
Pepejal jumlah (TS = total solids) ialah keseluruhan pepejal yang terdapat dalam air [pepejal terampai (TSS = total suspended solids) dan pepejal terlarut (TDS = total dissolved solids)]. Nilai ini diperolehi dengan memanaskan sampel air sehingga kering pada suhu 103°C. Pepejal terampai (TSS) diperolehi dengan kaedah penurasan. Pepejal yang tertinggal pada kertas turas adalah pepejal terampai (TSS). Perbezaan antara pepejal jumlah (TS) dengan pepejal terampai ialah pepejal terlarut (TDS).
3.3 Kriteria Kualiti Air (Water Quality Criteria)
Anggaran had kepekatan bahan pencemar (disebabkan oleh kehadiran mikro organism, bahan toksid dan lain-lain) yang dibenarkan berdasarkan maklumat dan penyelidikan terkini mengenai kesannya kepada kesihatan dan kebajikan manusia, pengawalan hidupan akuatik, juga bagi keperluan minuman, ternakan, pengairan, rekreasi dan pengawalan berbagai-bagai kegunaan air.
3.4 Piawai Kualiti Air (Water Quality Standards)
