REDUKSI BAKTERI E. COLI DALAM FILTRASI
Konsep penggunaan organisme indikator sebagai petunjuk adanya pencemaran feses merupakan praktik yang sudah umum dalam pengkajian mutu air minum.
Organisme indikator tersebut harus memenuhi kriteria bukan merupakan patogen dan harus memenuhi enam syarat berikut: (WHO, 2004)
1. secara universal ditemukan dalam jumlah besar pada kotoran manusia dan hewan,
2. tidak berkembang biak dalam lingkungan air alami,
3. berada di dalam air dengan sifat sama yang dimiliki oleh patogen fekal, 4. ada dalam jumlah yang lebih banyak daripada patogen fekal,
5. bereaksi terhadap proses pengolahan dalam pola yang serupa dengan pola patogen fekal, dan
6. dapat dideteksi dengan mudah melalui metode sederhana yang tidak mahal.
Bakteri Indikator (E. coli)
Analisis air minum sebenarnya bertujuan untuk membuktikan adanya E. coli dan memberikan contoh sederhana dari diagnosa banding bakteriologi. E. coli adalah penghuni normal usus manusia dan sama sekali tidak berbahaya, kehadirannya dalam air minum tidak berbahaya, tetapi lumen usus berisi sederetan penyakit infeksi yang dikeluarkan dalam tinja bersama-sama dengan E. coli oleh penderita penyakit akut dapat masuk ke dalam air minum. Pemeriksaan terhadap E. coli dimaksudkan agar tidak perlu untuk mengadakan pemeriksaan khusus terhadap masing-masing penyebab penyakit, suatu bakteri usus normal digunakan sebagai indikator. Bukti keberadaan E. coli dalam contoh air, menunjukkan bahwa air terinfeksi dengan isi dan bakteri usus, diantaranya mungkin pula penyebab penyakit dan harus diambil tindakan pengamanan (Irianto, 2013).
E. coli pertama kali diidentifikasi pada tinja bayi oleh dokter anak Jerman Theodor Escherich pada tahun 1885, yang menyebutnya bakteri coli commune. Guna menghargai temuan Escherich maka pada tahun 1920 nama bakteri menjadi Escherichia coli (Berg, 2004).
E. coli pertama kali diperkenalkan sebagai indikator kontaminasi feses pada tahun 1893. Identifikasi terbaru dari enzim β-glucuronidase menjadi spesifik untuk 94 - 97% dari E. coli telah memungkinkan pengembangan metode deteksi yang sederhana, cepat, spesifik dan sensitif serta sejumlah penelitian telah menunjukkan bahwa penggunaan E. coli sebagai bakteri indikator lebih akurat dibandingkan dengan coliform tahan panas (Tallon dkk., 2005).
E. coli bakteria mikroskopis dan tinggal di lingkungan berair memiliki karakteristik tipikal yang dapat diketahui berupa sel-sel berbentuk batang, sekitar 2,5 mikrometer (µm) panjang ujung ke ujung, berdiameter sekitar 0,8 µm, dengan topi akhir hemispherical (seperti sosis mikroskopis). Sebagai sel tumbuh, waktu generasi yang diperlukan untuk membelah diri (membagi di tengah) menjadi dua bagian dalam medium hangat yang kaya nutrisi (kaldu), hanya membutuhkan waktu 20 menit. E. coli memiliki organel eksternal, filamen tipis lurus yang disebut pili, yang memungkinkan untuk menempel ke substrat tertentu dan filamen heliks yang lebih tebal, yang disebut flagella, memungkinkannya untuk berenang (Berg, 2004).
Gambar 1. Foto Mikroskop Sehelai Rambut diameter 50 mikron dibandingkan dengan Ilustrasi E. coli diameter 1,0 mikron (Perbesaran 400X dengan skala Stage
Micrometer 0,01 mm). Laboratorium Hidraulika Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan UGM.
Mekanisme Filtrasi
Kualitas air tidak memenuhi standar air minum apabila kandungan material fisik, kimia, maupun biologi melampaui ambang batas yang disyaratkan. Kandungan biologis yang berlebihan dapat ditangani dengan cara fisik, misalnya filtrasi (Triatmadja, 2016).
Filter pasir tidak dapat menahan atau memfilter air baku yang mengandung suspensi (clay particle), partikel koloid (Al atau Fe floc) dan mikrobia. Partikel yang dapat ditahan dan akan tetap di bed filter adalah partikel yang lebih besar dari pori-pori bed filter, lihat Gambar 2 (TU Delf, 2004).
Purchas dan Sutherland (2002), membedakan menjadi empat mekanisme dasar filtrasi yaitu surface straining, depth straining, depth filtration dan cake filtration.
Pemahaman konseptual, model dasar filtrasi tidak efektif dalam memprediksi kekeruhan effluent pada filter skala sebenarnya disebabkan oleh alasan berikut (Crittenden dkk., 2012):
1. model didasarkan pada sistem ideal di mana partikel bulat bertabrakan dengan butir filter yang berbentuk bola,
2. variabilitas hidrodinamik akibat pengaruh arus karena sudut media tidak diperhitungkan,
3. model hanya memprediksi nilai tunggal untuk koefisien filtrasi, tidak berubah sebagai fungsi baik waktu atau kedalaman, sedangkan di filter nyata perubahan
koefisien filtrasi terhadap waktu dan kedalaman sebagai padatan yang terkumpul pada media, dan
4. model mengasumsikan tidak ada perubahan dalam dimensi butir atau porositas bed sebagai partikel yang menumpuk.
Gambar 2. Prinsip Penyaringan
Crittenden dkk., (2012), mengembangkan model filtrasi berdasarkan pada total akumulasi partikel (accum) dalam volume kontrol hasil jumlah kolektor (mass out) dan akumulasi pada kolektor tunggal terisolasi (mass in). Istilah tersebut dapat diterapkan pada diferensial keseimbangan massa seperti Persamaan (1):
[accum] = [mass in] – [mass out] ± [rxn]
(1) dengan :rxn = reaksi
Secara matematik konsentrasi partikel (C) dalam mg/ℓ dipengaruhi oleh porositas, efisiensi transpor, efisiensi kemelekatan, dan diameter kolektor atau butir media, masing-masing disimbolkan (ε, η, α, dan dc) adalah konstan sehubungan dengan ketebalan filter.
Kamulyan (2014), memodifikasi rumusan Yao untuk diaplikasikan pada filter beton dengan mengganti nilai ε dan dc menjadi εfb dan Dfb menghasilkan persamaan (2) yaitu :
𝐶𝐶
𝑜𝑜= 𝐶𝐶
𝑖𝑖𝑒𝑒
[−3(1−𝜀𝜀𝑓𝑓𝑓𝑓).𝜂𝜂𝜂𝜂𝜂𝜂
2𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓 ]
(2)
dengan:
Co : konsentrasi suspensi pada outlet filter (mg/ℓ), Ci : konsentrasi suspensi pada inlet filter (mg/ℓ), Dfb : diameter partikel filter beton (m),
ɛfb : porositas filter beton (tanpa satuan), α : koefisien lekatan (tanpa satuan), L : ketebalan filter (m),
η : efisiensi penahanan (tanpa satuan).
B-AB P-AB P-CB
FB B-PT
ViF
VoF
VP
VoCB
PL
ViCB
B-CB
MN
PG
METODOLOGI STUDI Filter Beton
Kajian karakteristik fisik filter beton dilakukan terhadap filter beton yang dibuat dari pasir lolos saringan 0,297 mm (mesh 50) dan tertahan pada saringan diameter 0,149 mm (mesh 100). Faktor air semen yang digunakan adalah 0,4. Variasi model filter beton dibedakan oleh rasio pasir (agregat) – semen (m) dan ketebalan filter.
filter beton uji terdiri dari 4 model yaitu:
1. IRMA, tebal 12 cm dengan m = 4.
2. IRMIO, tebal 12 cm dengan m = 10.
3. EMA, tebal 3 cm dengan m = 4.
4. EMIO, tebal 3 cm dengan m = 10.
Masing-masing model tersebut dibuat sebanyak 5 sampel, dan dilakukan uji filtrasi secara seri dua tahap yaitu tiga filter tahap pertama (IRMA 1, IRMA 2, IRMA 3), disusul dua filter tahap kedua (IRMA 4 dan IRMA 5).
Instalasi dan Uji Filtrasi
Sampel air baku dirangkaikan dengan sistem jaringan instalasi filter beton, dengan pompa, air baku dinaikkan ke bak penerima (pengatur tekanan) agar dapat dialirkan secara grafitasi melalui filter uji (Gambar 3).
Gambar 3. Sketsa Instalasi Jaringan
Bak air baku yang digunakan terbuat dari fibreglass kapasitas ± 220 liter dilengkapi pengaduk air agar tidak terjadi pengendapan partikel dan menjaga homogenitas suspensi air selama proses uji coba filtrasi. Bak penerima dimaksudkan untuk menjaga agar tekanan air yang disuplai ke kolom filter dari bak air baku selalu konstan.
Kapasitas bak penerima ± 46 liter dilengkapi pipa peluapan. Aliran air uji dilewatkan melalui parallel tiga Filter beton (lihat Gambar 4). Dimensi filter beton berdiameter 10 cm dengan ketebalan 12 cm dan 3 cm.
Gambar 4. Instalasi Paralel Tiga Filter Beton
Uji dilakukan dengan pengaturan instrumen dan alat kontrol yang terpasang pada instalasi untuk mengetahui debit aliran air melewati filter beton, tingkat kekeruhan hasil filtrasi dan kemampuan memfilter bakteri E. coli.
Debit aliran diartikan sebagai kemampuan filter dalam melewatkan air didasarkan pada sifat-sifat fisik seperti ukuran, bentuk, luas permukaan spesifik dan gradasi partikel. Sifat-sifat ini menentukan porositas dan permeabilitas filter, sehingga ketika air pada suatu tinggi tekanan tertentu dialirkan melalui filter dengan diameter tertentu akan diperoleh besaran debit filtrasi. Uji aliran air bersih melewati filter beton tersebut pada tinggi tekanan yang sama yaitu 1,754 m (tekanan tersedia pada instalasi yang dibangun). Kecepatan aliran secara umum dipengaruhi oleh ketebalan filter, yaitu semakin tebal ukuran filter beton, maka kapasitas aliran semakin kecil.
Debit aliran maksimal pada 5 sampel filter beton masing-masing adalah 0,150 ℓ/s (IRMA 5); 0,134 ℓ/s (IRMIO 5); 0,137 ℓ/s (EMA 3) dan 0,226 ℓ/s (EMIO 4). Hasil tersebut menggambarkan bahwa pengaruh ketebalan filter (tebal 3 cm dan 12 cm) terhadap kapasitas aliran tidak signifikan. Pengaruh rasio pasir – semen (m = 4 dan m = 10) terhadap kapasitas aliran cukup signifikan. Oleh karena itu, desain dimensi filter beton tidak terlalu berpengaruh dibandingkan dengan rasio pasir – semen.
Analisis Bakteri E. coli
Pengujian kandungan E. coli tinja dilakukan oleh Balai Laboratorium Kesehatan Yogyakarta. Metode yang digunakan untuk menguji ada tidaknya bakteri E. coli menggunakan metode Most Probable Number (MPN). Nilai MPN atau Jumlah Perkiraan Terdekat adalah perkiraan jumlah unit tumbuh (growth unit) atau unit pembentuk-koloni (colony-forming unit) dalam sampel. Nilai MPN juga diartikan
sebagai perkiraan jumlah individu bakteri. Satuan yang digunakan, umumnya per 100 mℓ atau per gram, (FDA, 2001).
Jadi misalnya terdapat nilai 10 MPN dalam sebuah sampel air, artinya dalam sampel air tersebut diperkirakan setidaknya mengandung 10 coliform pada setiap gramnya.
Makin kecil nilai MPN, maka air tersebut makin tinggi kualitasnya atau makin layak minum.
HASIL STUDI DAN PEMBAHASAN
Uji filtrasi yang dilakuan untuk filter beton menggunakan sumber air baku yang berasal dari air bersih Laboratorium Hidraulika Teknik Sipil UGM. Kualiatas air baku cukup bersih dengan nilai MPN = 2 dan maksimal MPN = 7 dengan hasil filtrasi mencapai nilai MPN = 0 (Tabel 1).
Nilai MPN sumber air baku yang terlalu kecil menyebabkan sulit untuk melihat pengaruh reduksi/penghilangan bakteri dengan menggunakan nilai Log Removal Value (LRV) atau nilai persentase jumlah bakteri yang dapat direduksi setelah filtrasi. Oleh sebab itu untuk penelitian lebih lanjut akan digunakan sumber air baku dengan nilai MPN yang lebih tinggi atau kualitas air yang kurang baik.
Persamaan (2) menunjukkan bahwa reduksi kandungan bakteri atau partikel suspensi dalam air sangat dipengaruhi oleh sifat fisik filter beton seperti diameter partikel, porositas dan ketebalan filter, serta sifat-sifat penahanan partikel suspensi yang terkandung dalam air yang mencakup efisiensi angkutan dan pelekatan.
Kemampuan filter dengan ketebalan 12 cm (IRMA dan IRMIO) dapat menghilangkan kandungan bakteri dengan nilai MPN = 0 (complete removal). Filter dengan ketebalan 3 cm (EMA dan EMIO) juga dapat menurunkan kandungan bakteri dari nilai MPN = 5 menjadi MPN = 2 (kemampuan reduksi 60%) (lihat Tabel 1). Hal ini menunjukkan pengaruh negatif terhadap kemampuan filter mereduksi kandungan bakteri dalam air, yaitu semakin rendah ketebalan filter menyebabkan kemampuan filter semakin rendah.
Rasio pasir – semen memberikan pengaruh kecil terhadap kemampuan filter beton mereduksi kandungan E. coli dalam air. Hal tersebut memberikan arti bahwa penggunaan semen dalam pembuatan filter beton tidak secara signifikan mengubah kemampuan filter beton mereduksi bakteri atau partikel suspensi dalam air. Nilai MPN hasil filtrasi yang lebih besar dari nilai MPN sumber air baku, kemungkinan disebabkan oleh retensi dan pertumbuhan bakteri pada kolom setelah filter. Jalur atau jarak pengambilan sampel air sumber (Bak ) ke filter beton yang terlalu jauh dapat mempengaruhi pertumbuhan bakteri atau hasil MPN E. coli sebelum filter.
Kemampuan mereduksi bakteri dan peringkat kompleksitas teknis biaya instalasi metode filtrasi pasir cepat, filtrasi pasir lambat, filtrasi membran (WHO, 2004) dibandingkan dengan filter beton (Tabel 2), menunjukkan bahwa kemampuan Filter Beton dengan ketebalan 12 cm (IRMA dan IRMIO) sebanding dengan Filtrasi Membran Ultrafiltrasi, yaitu dapat menghilangkan bakteri 100% (complete removal).
Tabel 1. Tingkat Reduksi E. coli Model IRMA, IRMIO, EMA dan EMIO No. Waktu
Pengambilan
Air Sumber Filter
IRMA 123 IRMA 1 IRMA 2 IRMA 3
MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi MPN %Reduksi
1. 28 Mar 16
09:25:00 2 2 0 4 -100 19 -850
IRMA 45 IRMA 4 IRMA 5
MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi 2. 29 Mar 16
09:15:00 2 0 100 26 -1200
IRMIO 123 IRMIO 1 IRMIO 2 IRMIO 3
MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi MPN %Reduksi 3. 30 Mar 16
09:00:00 2 5 -150 4 -100 0 100
IRMIO 45 IRMIO 4 IRMIO 5 MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi 4. 31 Mar 16
09:05:00 7 11 -57 11 -57
EMA 123 EMA 1 EMA 2 EMA 3
MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi MPN %Reduksi 5. 04 Apr 16
09:40:00 5 2 60 2 60 2 60
EMA 45 EMA 4 EMA 5
MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi 6. 05 Apr 16
09:30:00 5 2 60 2 60
EMIO 123 EMIO 1 EMIO 2 EMIO 3
MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi MPN %Reduksi 7. 06 Apr 16
09:40:00 2 8 -300 5 -150 14 -600
EMIO 45 EMIO 4 EMIO 5
8. 07 Apr 16 MPN MPN %Reduksi MPN %Reduksi
09:25:00 0 0 0 0 0
Tabel 2. Perbandingan Kemampuan Beberapa Metode Filtrasi dalam Mereduksi Bakteri
No. Proses Pengolahan Kemampuan Dasar Mereduksi Bakteri
Peringkat Kompleksitas Teknis
dan Biaya Instalasi
1. Filtrasi Pasir Cepat Tidak ada data 2
2. Filtrasi Pasir Lambat 50% 3
3. Filtrasi Membran Mikrofiltrasi
99,9% - 99,99% tersedia pra- pengolahan adekuat dan integritas
membran dipertahankan 4
4. Filtrasi Membran Ultrafiltrasi, Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis
complete removal, asalkan pra- pengolahan adekuat dan integritas
membran dipertahankan 5
5. Filter Beton 99,9% - complete removal 1
Semakin besar peringkat, semakin kompleks proses terkait dengan instalasi dan/atau operasionalnya. Secara umum, besarnya peringkat juga dikaitkan dengan biaya yang tinggi.
Kompleksitas teknis dan biaya instalasi filter beton adalah yang lebih mudah dan murah. Filter beton dapat dibuat oleh masyarakat umum tanpa fabrikasi tidak seperti halnya pembuatan filter membran.
Keunggulan lain filter beton adalah tidak membutuhkan energi (driving force) yang besar untuk filtrasi, yaitu kurang dari 0,2 bar atau dapat dilakukan secara gravitasi.
KESIMPULAN DAN REKOMENDASI Kesimpulan
Pengaruh ketebalan dan rasio pasir – semen (m) filter beton dalam mereduksi kandungan E. coli adalah sebagai berikut:
1. Ketebalan filter beton sebesar 12 cm (IRMA dan IRMIO) dapat mereduksi kandungan E. coli sampai dengan nilai MPN = 0 (memenuhi syarat kualitas air minum).
2. Ketebalan filter beton sebesar 4 cm (EMA dan EMIO) dapat menurunkan kandungan E. coli .
3. Rasio pasir – semen (m) = 4 (IRMA dan EMA) lebih berpengaruh dalam mereduksi kandungan E. coli dibandingkan dengan nilai (m) = 10 (IRMIO dan EMIO).
Rekomendasi
Kapasitas aliran dan kemampuan filter beton dalam mereduksi partikel suspensi dan bakteri E. coli menunjukkan bahwa :
1. Filter beton dapat digunakan sebagai Instalasi Pengolahan Air dengan kualitas air minum.
2. Kapasitas filter beton dapat ditingkatkan untuk instalasi skala industri.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih disampaikan kepada Lembaga Pengelolaan Dana Pendidikan (LPDP) Kementerian Keuangan Republik Indonesia melalui Beasiswa Pendikan Indonesia (BPI) Program Afirmasi yang telah mendanai penelitian ini.
REFERENSI
Berg C. Howard, 2004. E. coli in Motion, Biological and Medical Phisics, Biomedical Engineering, Springer, USA.
Crittenden J.C., Trussell R.R., Hand D.W., Howe K.J., and Tchobanoglous G., (2012), MWH’s Water Treatment : Principles and Design, Third Edition, MWH, John Wiley & Sons, Inc.
Food and Drug Administration (FDA) U.S., 2001, Bacteriological Analytical Manual Online, Appendix 2 Most Probable Number from Serial Dilutions.
Center for Food Safety and Applied Nutrition.
Irianto K., 2013. Mikrobiologi Medis, Pencegahan-Pangan-Lingkungan, halaman 506 – 508, CV. Alfabeta, Bandung.
Kamulyan B., 2014. Karakteristik Hidraulik Filtrasi dan Cucibalik Filter Beton, Disertasi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Maadji R., R. Triatmadja, F. Nurrochmad dan Sunjoto, 2016. The Development of Concrete Filter for Drinking Water Filtration, Proceeding of the International Seminar on Water Resilience in a Changing World, Indonesian Association of Hydraulic Engineers, 29 – 31 Juli 2016, Bali.
Purchas B.D., and Sutherland K., 2002. Handbook of Filter Media, Elsevier Science
& Technology Books.
Tallon P., Magajna B., Lofranco C., and Leung T.K., 2005. Microbial Indicators of Faecal Contamination in Water: A Current Perspective, Spinger, Water, Air, and Soil Pollution, 166: 139 – 166.
Triatmadja, R., 2008. Kajian Awal Prospek Filter Beton Pasir sebagai Teknologi Tepat Filtrasi Air Bersih, Prosiding Seminar Nasional Teknologi Tepat Guna Penanganan Sarana Prasarana di Indonesia, Yogyakarta, pp. 1 - 91, April 2008.
Triatmadja, R., 2016. Teknik Penyediaan Air Minum Perpipaan, halaman 62 – 103, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.
TU Delft, 2004. Granular Filtration , Water Treatment, Delf University of Technology.
World Health Organization (WHO), 2004. Guidelines for Drinking-water Quality, Third Edition, Volume 1 Recommendations, Geneva.