KINETIKA TRANSFER OZON DAN TREN KEKERUHAN DALAM AIR LINDI DENGAN PENGOLAHAN OZONISASI

1

KINETIKA TRANSFER OZON DAN TREN KEKERUHAN DALAM AIR LINDI DENGAN PENGOLAHAN OZONISASI

Arya Rezagama

¹

dan Suprihanto Notodarmojo

²

Program Studi Magister Teknik Lingkungan

Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, Jl Ganesha 10 Bandung 40132

1

arya_envi@yahoo.com dan

²

suprihantonotodarmojo@yahoo.com

Abstrak: TPA Sarimukti merupakan pusat dari pembuangan sampah Kota Bandung dan Cimahi. TPA ini masih tergolong muda yaitu berumur kurang dari sepuluh tahun sehingga memiliki kandungan organik yang tinggi. Pengolahan konvensional yang ada berupa kolam stabilisasi sulit mendegradasi kadungan zat organik persisten. Maka, perlu adanya pengolahan pendahuluan dalam memecah senyawa presisten menjadi senyawa yang lebih sederhana. Ozon dapat beraksi secara langsung maupun tidak langsung dengan bahan organik (Glaze 1986). Sistem reaktor menggunakan kolom batch bervolume satu liter. Udara di pompa dengan pompa udara melewati ozon generator dimana oksigen akan dirubah menjadi molekul ozon. Udara berozon akan diteruskan masuk ke dalam reaktor dengan pengaturan debit udara dengan flow meter.

Variasi yang digunakan meliputi Variasi Debit Pemompaan Ozon, Rasio t/d, dan pH. Data primer meliputi pengukuran DO, Kekeruhan, Alkalinitas, COD dan BOD. Air Lindi TPA Sarimukti termasuk golongan lindi stabil medium. Nilai BOD/COD yang sangat rendah membuat pengolahan secara biologi biasa sulit dilakukan. Hasil FTIR menunjukkan terjadi proses fisika kimia di dalam proses ozonisasi yang merubah senyawa berukuran besar menjadi lebih kecil.. Reaksi pelarutan oksigen dalam air lindi rata-rata termasuk dalam orde nol. Peningkatan debit pemompaan udara berpengaruh siginifikan terhadap peningkatan ozon terlaut. Pada variasi peningkatan pH terjadi proses transfer ozon yang semakin baik.

Nilai konstanta terbaik terjadi pada pH 11 di mana nilai konstanta laju reaksi ozon sebesar 1,48. Kenaikan kekeruhan kemungkinan merupakan pemecahan senyawa logam yang berikatan dengan humic acid yang awalnya bersifat terlarut menjadi tidak terlarut. Kemudian proses ozonisasi yang terus menerus dimungkinkan terjadi pemecahan menjadi ukuran yang semakin kecil sehingga sifatnya menjadi larut kembali.

Kata kunci: ozonisasi, air lindi, kinetika, kekeruhan, DO

PENDAHULUAN

Air Lindi timbul akibat masuknya air eksternal ke dalam timbunan sampah, melarutkan dan membilas materi-materi terlarut, termasuk juga materi organik hasil proses dekomposisi biologis. Kuantitas lindi yang dihasilkan tergantung pada jumlah masuknya air dari luar, terutama air hujan, disamping dipengaruhi oleh aspek operasional yang diterapkan seperti aplikasi tanah penutup, kemiringan permukaan, kondisi iklim, dan sebagainya sehingga bervariasi dan fluktuatif (Englehardt 2006).

Air lindi yang tidak terolah dapat meresap ke dalam tanah yang berpotensi bercampur dengan air tanah sehingga menimbulkan pencemaran tanah, air tanah dan air permukaan. Komposisi lindi dari berbagai macam TPA memiliki nilai yang berbeda-beda. Pada TPA yang semakin tua akan menghasilkan molekul organik recalcitrant yang ditunjukkan dengan rendahnya rasio BOD/COD dan tingginya nilai NH3-N. (Renoua, et al.

2005).

TPA Sarimukti merupakan pusat dari pembuangan sampah Kota Bandung dan Cimahi. Besarnya volume sampah yang masuk dan curah hujan yang tinggi di daerah tersebut sangat berpotensi menghasilkan air lindi dalam jumlah yang besar. Pengolahan konvensional yang ada berupa kolam stabilisasi sulit mendegradasi kadungan zat organik persisten. Selain itu dibutuhkan lahan yang cukup luas dengan pengolahan secara biologi.

Maka, perlu adanya pengolahan pendahuluan dalam memecah senyawa presisten menjadi senyawa yang lebih

sederhana. Hal ini akan meningkatkan viability dari pengolahan biologi selanjutnya.

Salah satu alternatif pengolahan air lindi menggunakan prinsip osidasi dalam mineralisasi limbah ialah teknologi ozon. Reaksi oksidasi dapat bersifat langsung maupun tidak langsung. Reaksi langsung berupa reaksi molekul ozon dengan berbagai bahan kimia. Sedangkan reaksi tidak langsung terjadi melalui reaksi reaksi radikal bebas yang terbentuk dari dekomposisi ozon (Beltrán 2004). Ozon tidak selalu bereaksi sangat reaktif dengan bahan organik.

Pengolahan limbah menggunakan AOPs dapat menghasilkan mineralisasi lengkap dari polutan menjadi CO₂, air dan bahan-bahan anorganik. Maka, kombinasi teknologi AOPs sebagai Pretreatment yang kemudian diikuti oleh proses biologi menjadi lebih efisien dan ekonomis (Cañizareset al. 2009 dalam (Poyatos, et al.

2009)).

Waktu paruh dari ozon dapat berlangsung selama hitungan detik maupun jam bergantung pada kualitas air.

Stabilitas ozon sangat dipengaruhi oleh matriks air, khusunya pH, Natural Organic Matter (NOM) dan alkalinitas (Gunten 2003). Kelarutan ozon dan radikal bebas sangat berpengaruh dalam proses degradasi bahan organik, kekeruhan air limbah. Bagaimana karakteristik air lindi sebelum dan sesudah proses ozonisasi?

kemudian bagaimana kinetika reaksi transfer ozon dalam air lindi selama proses ozonisasi? serta bagaimana kecenderungan dari perubahan kekeruhan?

2 METODOLOGI

Sampel air lindi berasal dari TPA Sarimukti sebanyak 30 liter dengan menggunakan jerigen. Letak pengambilan sampel berada pada inlet atau sebelum unit pengolahan lindi TPA. Penyimpanan sampel dilakukan dalam pendingin selama kebutuhan penelitian. Pada peneletian ini perlu pengenceran air lindi sebanyak dua kali agar proses ozonisasi lebih optimal. Uji karakteristik awal sampel limbah dilakukan untuk mengetahui sifat kimia fisika air yang meliputi Biological Oxygen Demand (BOD), pH, Chemical Oxygen Demand (COD), Nitrit, Kekeruhan, NTK, Alkalinitas Asiditas, Absorbansi, Oksigen terlarut (DO), TOC, Suhu, TSS.

Tahap Pendahuluan

Pemeriksaaan karakteristik awal air

lindi

Variasi debit pemompaan, Rasio t/d dan pH

Pengambilan data Absorbansi, kekeruhan, pH

Pengambilan data oksigen terlarut

Pengukuran rasio BOD/COD awal akhir

Analisa dan Pembahasan Hasil Penelitian

Kesimpulan dan saran Permasalahan

Uji Karakteristik Akhir

Gambar 1. Diagram Metodologi Penelitian

Sistem reaktor menggunakan kolom batch bervolume satu liter. Udara di pompa dengan pompa udara melewati ozon generator dimana oksigen akan dirubah menjadi molekul ozon. Udara berozon diinjeksikan ke dalam rektor di mana pengaturan debit udara dilakukan dengan flowmeter. Pembentukan gelembung dari udara berozon dihasilkan melalui airstone. Air lindi dalam reaktor diaduk menggunakan magnetik stirer dengan kecepatan pada level lima.

Gelembung dan air lindi akan tercampur lebih baik melalui turbulensi air limbah. Peningkatan driving force transfer massa ozon dari gas ke cair mengakibatkan reaksi kimia berlangsung cepat. Transfer massa ozon nampak jelas melebihi nilai maksimum transfer massa gas cair (Zhou and Smith 2000).

Data primer yang diukur pada saat proses ozonisasi meliputi pengukuran Konsetrasi Oksigen terlarut,

Kekeruhan, Absorbansi, pH dengan pengukuran dilakukan secara duplo (berulang). Sedangkan pada akhir dan awal percobaan dilakukan uji alkalinitas, BOD dan COD. Pengambilan sampel dilakukan dalam rentang 30 menit dari menit nol hingga empat jam reaksi. Jumlah sampel yang diambil sekitar 20 ml yang dibagi untuk pengukuran absorbansi 1 ml dan kekeruahan 10 ml.

Selanjutnya dilakukan perhitungan dan analisis kinetika reaksi juga menggunakan Microsoft Excel sehingga diperoleh koefisien laju reaksi orde reaksi yang paling sesuai.

Koefisien perpindahan massa ozon−air (KLa, O₃) merupakan besaran yang menyatakan seberapa besar massa ozon yang berpindah atau terlarut ke dalam fasa cair (air) per satuan waktu (Karamah, et al. 2009).

pengukuran langsung dilakukan dengan menghitung Kla_O2 yang dikonversi menjadi Kla_O3. Kla_O2 sendiri dicari dengan mengunakan rumus:

Kla,_O3 = 0,622 Kla,_O2 ...Persamaan (1) Persamaan (1) tersebut valid pada kondisi T= 20^oC.

Pada temperatur yang berbeda, dapat digunakan suatu faktor empiris yang sering digunakan dalam perhitungan yaitu faktor theta, Θ.

...Persamaan (2)

HASIL PEMBAHASAN

Rasio pengukuran BOD/COD setelah proses ozonisasi menunjukkan peningkatan dibandingkan dengan limbah awal. Rasio awal limbah lindi 0,15 kemudian naik menjadi rata-rata 0,27. Tren peningkatan terjadi secara acak dengan nilai tertinggi pada variasi debit 0,6 lpm, t/d 6 sebesar 0,4. Pada kenaikan pH 10 dan 11, rasio BOD/COD nampak lebih buruk di bandingkan dengan yang lain. Hal ini dikarenakan mikroorganisme semakin sulit berkembang pada kondisi yang basa sehingga pH menjadi penghambat faktor pertumbuhan.

Tabel 1. Sifat Kimia Air Lindi TPA Sarimukti

Parameter Pengukuran Satuan

Awal Akhir Oksigen Terlarut 0,16 6,4 mg/l Chemical Oxygen Demand 1983 1346 mg/l

pH 8,1 9,1 -

N Organik 724.5 46.2 Mg/l Norg

N-NH3 591.5 786.8 Mg/l N-NH3

NTK 1316 833 Mg/l Ntotal

Kekeruhan 140 78 NTU

Asiditas Total 6208 4192 Mg/l

BOD 303 442 Mg/l

Rasio BOD/COD 0.153 0.33

COD terlarut 1676 1346 Mg/l

Konduktivitas 12,2 9,13 ms/cm

Temperatur 28 28 oC

3

Faktor penghambat pertumbuhan mikrooganisme lainya ialah kadungan logam yang tinggi. Hal ini di tunjukkan dengan tinggi konduktivitas air lindi hingga 12,2 ms/cm. Walaupun terjadi penurunan nilai setelah proses ozonisasi menjadi 9,13 ms/cm namun tidak membuat nilai BOD naik secara signifikan. Pengurangan ini di mungkinkan dari terlepasnya logam yang terikat dalam molekul organik yang kemudian mengendap dalam kondisi basa. Pemutusan asam humic dan Asam fulvic juga didukung dari penurunan nilai Nitrogen Organik yang semula 724 mg/l menjadi 46,2 mg/l.

Pemutusan ikatan rangkap N pembawa warna melalui mekanisme criegg mengekibatkan nitrogen yang semula terikat dalam bahan organik lepas menjadi Amonia. Nilai Amonia sendiri mengalami peningkatan pada akhir proses dari 591 mg/l menjadi 786,8 mg/l.

Hasil analisa FTIR mengindikasikan terjadi perubahan puncak dan lembah gelombang menandakan ikatan rangkap ganda maupun tiga menjadi berkurang setelah proses ozonisasi seperti mekanisme cyclo addition. Perubahan dan penambahan puncak mengindikasikan proses kimia fisika yang merubah gugus fungsi sebuah senyawa. Adanya penambahan puncak gelombang mengikuti aturan reaksi substutusi elektrofilik dimana satu agen elektropfilik (seperti ozone) menyerang satu posisi nucleofilik dari molekul organik (ie. Bahan Aromatik), menghasilkan subtitusi satu bagian (i.e., atom, gugus fungsi, etc.) dari molekul.

Sesuai penelitian Kang, et al., 2002 meyebutkan Asam fulvic lindi menjadi semakin nampak setelah proses ozonisasi yang ditunjukkan pada rentang panjang gelombang 1690–1710 cm^-1. Hal ini juga di dukung dengan penampakan warna kuning Asam Fulvic menjadi dominan di akhir proses ozonisasi. Maka kemungkinan senyawa Asam Humad dan Humic berukuran besar telah terpotong oleh radikal. Senyawa tersebut terseleksi oleh ozon, dan hanya Ion Hidroksil yang mempu mendegradasinya.

Adanya pemecahan senyawa kompleks juga dikuatkan dengan dengan peningkatan nilai rasio E4/E6.

Nilai fraksi MW yang tinggi diasosiasikan dengan nilai rasio E4/E6 yang rendah (Yu-Dong, et al. 2006). Nilai rasio awal limbah air lindi dengan pengenceran ialah 3,85 dan meningkat terus hingga 10,85 setelah empat

jam. Maka dapat disimpulkan bahwa fraksi berat molekul semakin kecil selama proses ozonisasi.

Konstanta laju injeksi ozon dalan air lindi.

Teknik pengukuran ozon secara langsung menggunakan ozon meter hanya bisa digunakan pada air bersih. Air lindi memiliki warna hitam pekat tidak bisa diukur dengan prinsip spektrofotometri. Sedangkan, teknik pengukuran ozon menggunakan pengukuran tidak langsung yang dievaluasi dengan besar koefisien perpindahan massa. Menurut Danckwert's(1970) dalam Zhou (2000) mengemukakan teori perhitungan koefisien perpindahan massa ozon yang dihubungkan dengan koefisien perpindahan massa oksigen secara tidak langsung yang telah dipaparkan pada rumus dua.

Koefisien perpindahan massa ozon− air merupakan besaran yang menyatakan seberapa besar massa ozon yang berpindah atau terlarut ke dalam fasa cair (air) per satuan waktu (Karamah, et al. 2009). Perhitungan dalam menentukan nilai k menggunakan exel dimana grafik linear dari orde pertama, dua dan tiga memiliki persamaan reaksi beserta nilai koefisien determinasi (r2) masing – masing. Orde reaksi yang sesuai adalah orde reaksi yang memiliki nilai koefisien determinasi terbesar.

Reaksi pelarutan oksigen dalam air lindi rata-rata termasuk dalam orde nol. Nilai Konsentrasi Oksigen terlarut berubah secara linier perlahan pada reaksi yang cukup lambat. Peningkatan debit pemompaan udara berpengaruh siginifikan terhadap peningkatan kadar oksigen terlaut. Pada variasi peningkatan pH terjadi proses transfer oksigen yang semakin cepat. Faktor- faktor yang mempengaruhi transfer gas meliputi ukuran gelembung, diameter pori, volume dan bentuk reaktor (Krisma 2008). Sedangkan pada kontrol dengan aerasi tanpa injeksi ozon nyaris menunjukkan transfer gas yang sangat efisien pada air lindi yang ditunjukkan pada nilai k yang yang lebih besar dari variasi.

Setelah diperoleh nilai laju reaksi kelarutan oksigen dalam air, maka dengan persamaan dua nilai k dari oksigen di hitung ke konstanta laju reaksi ozon yang dikoreksi dengan adanya perbedaan suhu 25⁰C menjadi 27^OC. Nilai konstanta terbaik terjadi pada pH 11 di mana nilai konstanta laju reaksi ozon sebesar 1,48.

Tabel 2. Perhitungan Nilai Konstanta Laju Kelarutan Oksigen dalam Air Lindi

Variasi pH Rasio

t/d

Debit Pompa

(LPM)

R2 Orde reaksi Orde terpilih

Persamaan kla O2 (1/jam)

kla O2 (1/jam nol satu dua

Bebas dengan ozonisasi

Normal 6 0.3 0.803 0.683 0.495 nol y=-0.058x-0.027 0.058 0.042 0.6 0.862 0.705 0.42 nol y=-0.061x-0,019 0.061 0.044 1 0.925 0.756 0.638 nol y=-0.106x+0,028 0.106 0.077 1.5 0.3 0.801 0.654 0.307 nol y=-0.055x-0.035 0.055 0.040 0.6 0.892 0.731 0.556 nol y=-0.057x-0.005 0.57 0.041 1 0.913 0.738 0.523 nol y=-0.086x 0.86 0.063 10 1.5 0.6 0.774 0.761 0.75 nol y=-0.192x+0.034 0.192 0.140 11 1.5 0.6 0.784 0.756 0.75 nol y=-0.202x+0.04 0.202 0.148 Kontrol

tanpa ozon

Normal 1.5 0.6 0.673 0.623 0.603 nol y=0.127x+0.065 0.127 0.093 6 0.6 0.831 0.779 0.755 nol y=0.199x+0.038 0.199 0.146

4

Perubahan Tren Kekeruhan

Penurunan nilai absorbansi terhadap waktu ternyata tidak sejalan dengan penurunan nilai kekeruhan terhadap waktu. Nilai absorbansi merupakan pengukuran warna sejati dari air limbah yang telah dipisahkan antara fasa terlarut dengan suspensi. Sedangkan kekeruhan lebih disebabkan pada bahan-bahan tidak larut dalam air.

Gambar 2 menunjukkan adanya peningkatan nilai kekeruhan pada tahap awal dari proses ozonisasi yang menandakan adanya perubahan dari komponen terlarut menjadi komponen tersuspensi.

Variasi dari tren kekeruhan sangat bergantung pada debit udara dan rasio t/d. Semakin rendah debit udara dan rasio t/d maka maka kekeruhan akan cenderung naik perlahan pada jangka waktu yang lebih lama. Pada debit 1 LPM dan t/d 6 nampak bahwa tidak terjadi kenaikan kekeruhan pada limbah. Maka, proses degradasi senyawa organik pada air lindi diawali dengan perubahan zat terlarut menjadi tersuspensi baru kemudian terjadi penurunan secara kembali zat tersuspensi.

Tren perubahan konsentrasi kekeruhan pada reaktor dengan aerasi tanpa ozon menunjukkan kekeruhan tetap perlahan meningkat kemudian konstan setelah satu jam kemudian. Sehingga proses kenaikan kekeruhan diakibatkan adanya turbulensi serta aerasi namun pada penurunan nilai kekeruhan lebih disebabkan pemecahan senyawa melalui proses ozonisasi.

a. t/d 6 b. t/d 1,5

Gambar 2. Tren Perubahan Kekeruhan terhadapa waktu pada a. t/d 6, dan b. t/d 1,5

Kenaikan kekeruhan pada proses ozonisasi tidak terpengaruh oleh kenaikan pH. Peniliti melakukan penambahan basa NaOH pada air lindi secara perlahan.

Pada rentang pH 7,5 hingga 9 tidak didapatkan kenaikan nilai kekeruhan yang signifikan. Kenaikan kekeruhan kemungkinan merupakan pemecahan senyawa logam yang berikatan dengan humic acid yang awalnya bersifat terlarut menjadi tidak terlarut. Senyawa komplek humic acid berukuran molekul sangat besar sekitar 10.000 hingga 100.000 yang terlarut dalam kondisi basa. Pada pemecahan awal masih terbentuk senyawa besar yang tidak larut dalam air. Partikel koloid yang menyebabkan kekeruhan umumnya bermuatan negative dapat dinetralkan dengan ozon. Selain itu ozon mengakibatkan perubahan properti permukaan dari koloid melalui oksidasi organic material yang terjadi pada permukaan bulatan partikel koloid. Dosis optimal ozon berada 0,5 mg/l. (Pettit 2006).

KESIMPULAN

Air Lindi TPA Sarimukti termasuk golongan lindi stabil medium. Nilai BOD/COD yang sangat rendah membuat pengolahan secara biologi biasa sulit dilakukan. Hasil FTIR menunjukkan terjadi proses fisika kimia di dalam proses ozonisasi yang merubah senyawa berukuran besar menjadi lebih kecil. Transfer Ozon dari fase gas ke udara masuk dalam orde nol. Peningkatan debit, dan kenaikan pH basa mengakibatkan proses transfer ozon semakin cepat. Tren perubahan kekeruhan naik pada awal reaksi yang kemudian turun setelah satu jam ozonisasi. Peningkatan kekeruhan disebabkan oleh turbulensi dan aerasi sedangakan pada ozonisasi yang terus menerus membuat partikel koloid yang menyebabkan kekeruhan umumnya bermuatan negative dapat dinetralkan dengan ozon.

Daftar Pustaka

Beltrán, Fernando J. Ozone reaction kinetics for water and wastewater systems. Florida: Lewis Publishers, 2004.

Damanhuri, Enri. Diktat Landfilling Limbah. Bandung: ITB, 2008.

Englehardt, James D. Options for Managing Municipal Landfill Leachate: Year 1 Development of Iron-Mediated Treatment Processes . Vols. Report #0432024-06 . Florida: University of Florida , 2006.

Glaze, William H. "Reaction Products of Ozone: A Review."

(University of California) 69, no. 151-157 (1986).

Gunten, Urs von. "Review : Ozonation of drinking water : Part I .Oxidation kinetics and product formation."

(WaterResearch) 37, no. 1443–1467 (2003).

Karamah, Eva F., Setijo Bismo, Letti Annasari, and Wido.

"Studi Perpindahan Massa Pada Ozonasi Dengan Gelembung Mikro ." (Universitas Indonesia) ISSN 0975 – 6442 Volume 2, Number 2 (2010), pp. 243–

252 (2009).

Krisma, Anita. Penyisihan Besi Dan Zat Organik Dari Air Tanah Menggunakan Ozon (Aop). Bandung: ITB, 2008.

Pettit, Robert E. "Organic Matter, Humus, Humate, Humic Acid, Fulvic Acid, And Humin." Calcium Product.

2006.

http://www.calciumproducts.com/articles/Dr._Pettit_

Humate.pdf (accessed 2 11, 2012).

Poyatos, J.M., M.M. Muñio, M.C. Almecija, J.C. Torres, E.

Hontoria, and F. Osorio. "Advanced Oxidation Processes for Wastewater Treatment: StateoftheArt ."

(Springer Science and BusinessMedia) Water Air SoilPollut (2010) 205:187–204 (2009).

Renoua, S., J-G. Givaudan, S. Poulain, F. Dirassouyan, and P.

Moulin. "Landfill Leachate Treatment : Review And Opportunities." (Commissariat à l’Energie Atomique de Cadarache) 2005.

Tchobanoglous, F. Kreith,. Handbook of Solid Waste Management, 2nd. McGraw-Hill, 2002.

Yu-Dong, Xu, Dong-Bei Yue, Yi Zhu, and Yong-Feng Nie.

"Fractionation of dissolved organic matter in mature landfill leachate and its recycling by ultrafiltration and evaporation combined processes." Elsevier, 2006: 903-911.

Zhou, Hongde, and Daniel W. Smith. "Ozone Mass Transfer In Water And Wastewater Treatment : Experimental Observation Susing A 2d Laser Particle Dynamics Analyzer." (Elsevier Science Ltd) 34, No.3,, no.

909±921 (2000).

0 50 100 150 200

0 30 60 90 120 150 180 210 240

Kekeruhan (mg/L)

Waktu (menit) Flow 0,3 LPM; t/d 6

Flow 0,6 LPM; t/d 6 Flow 1 LPM; t/d 6

Flow 0.6 LPM; t/d 6 tanpa ozon

0 100 200

0 30 60 90 120 150 180 210 240

Kekeruhan (mh/L)

Waktu (menit) Flow 0,3 LPM; t/d 1.5

Flow 0,6 LPM; t/d 1.5 Flow 1 LPM; t/d 1.5

Flow 1 LPM; t/d 1.5 tanpa ozonisasi