PENERAPAN KONSEP ELEKTROLIT DAN REDOKS DALAM PENGOLAHAN AIR KOTOR

      Dalam kehidupan sehari-hari banyak sekali sampah dan limbah yang dibuang ke sungai sehingga menimbulkan pencemaran. Pembuangan air limbah baik yang bersumber dari kegiatan domestik maupun industri dapat menyebabkan pencemaran lingkungan apabila kualitas air limbah tidak memenuhi baku mutu limbah. Seharusnya air diolah terlebih dahulu agar tidak menimbulkan pencemaran. Dalam kimia, konsep redoks dapat digunakan untuk mengatasi permasalah lingkungan seperti pengolahan air kotor.

Redoks adalah reaksi reduksi dan oksidasi yang berlangsung secara simultan(bersamaan). Pengertian oksidasi dan reduksi telah mengalami perkembangan. Pada awalnya , reaksi oksidasi dan reduksi dikaitkan dengan pengikatan dan pelepasan oksigen. Kemudian dikembangkan menjadi proses serah-terima electron, dan akhirnya dengan perubahan bilangan oksidasi. Dalam artikel sederhana ini akan dibahas secara sederhana mengenai pengolahan air kotor/limbah dengan konsep redoks.

TEKNOLOGI PENGOLAHAN AIR LIMBAH

      Tujuan utama pengolahan air limbah adalah untuk mengurai kandungan bahan pencemar di dalam air terutama senyawa organik, padatan tersuspensi, mikroba pathogen, dan senyawa organic yang tidak dapat diuraikan oleh mikroorganisme yang terdapat di alam. Selain itu berbagai macam parameter digunakan untuk menggambarkan keadaan air limbah misalnya kekeruhan, zat padat tersuspensi, kandungan zat padat terlarut, keasaman(pH), jumlah oksigen terlarut (DO), dan kebutuhan oksigen biokimia (BOD). DO atau Dissolved oxygen adalah ukuran jumlah oksigen terlarut. Oksigen terlarut digunakan oleh bakteri aerob dalam menguraikan sampah organic yang terdapat di dalam air. Banyaknya oksigen yang diperlukan oleh bakteri aerob untuk menguraikan sampah organik dalam suatu contoh air disebut BOD atau Biochemical Oxygen Demand. Semakin banyak sampah organic dalam air, semakin besar nilai BOD. Sebaliknya, kandungan DO akan semakin kecil.Pengolahan air limbah tersebut dapat dibagi menjadi 5 tahap :

1.     Pengolahan Awal (Pretreatment)          
      Tahap pengolahan ini melibatkan proses fisik yang bertujuan untuk menghilangkan padatan tersuspensi dan minyak dalam aliran air limbah. Beberapa proses pengolahan yang berlangsung pada tahap ini ialah screen and grit removal, equalization and storage, serta oil separation.

2.     Pengolahan Tahap Pertama (Primary Treatment)           
      Pada dasarnya, pengolahan tahap pertama ini masih memiliki tujuan yang sama dengan pengolahan awal. Letak perbedaannya ialah pada proses yang berlangsung. Proses yang terjadi pada pengolahan tahap pertama ialah neutralization, chemical addition and coagulation, flotation,sedimentation, dan filtration.

3.     Pengolahan Tahap Kedua (Secondary Treatment)             
      Pengolahan tahap kedua dirancang untuk menghilangkan zat-zat terlarut dari air limbah yang tidak dapat dihilangkan dengan proses fisik biasa. Peralatan pengolahan yang umum digunakan pada pengolahan tahap ini ialah activated sludge.

      Activated sludge merupakan lumpur yang kaya akan bakteri aerob, yaitu bakteri yang dapat menguraikan limbah organik dengan cara mengalami biodegradasi. Pengolahan ini termasuk pengolahan biologi, karena menggunakan bantuan mikroorganisma pada proses pengolahannya.

Dalam proses ini bakteri aerob mengubah sampah organic menjadi biomassa dan gas CO_2. Sementara nitrogen organic diubah menjadi ammonium dan nitrat, fosforus organic diubah menjadi fosfat.

CH₂O + O₂ à CO₂ (g) + H₂O + biomassa

N organik à NH₄⁺ + NO₃^-

P organik à H₂PO₄^- , HPO₄^2-

      Biomassa hasil degradasi tetar berada dalam tangki aerasi hingga bakteri mengalami pertumbuhan cepatnya. Setelah itu akan mengalami flokulasi membentuk ppadatan yang lebih mudah mengendap. Dari tangki pengendapan, sebagian lumpur dibuang, sebagian lain disirkulasikan ke dalam tangki aerasi. Kombinasi antara bakteri dalam konsentrasi tinggi dan lapar dengan jumlah nutrient yang banyak (dalam air kotor), memungkinkan penguraian dapat berlangsung dengan cepat.

4.     Pengolahan Tahap Ketiga (Tertiary Treatment)  
      Proses-proses yang terlibat dalam pengolahan air limbah tahap ketiga ialah coagulation and sedimentation, filtration, carbon adsorption, ion exchange, membrane separation, serta thickening gravity or flotation.

5.     Pengolahan Lumpur (Sludge Treatment)            
      Lumpur yang terbentuk sebagai hasil keempat tahap pengolahan sebelumnya kemudian diolah kembali melalui proses digestion or wet combustion, pressure filtration, vacuum filtration,centrifugation, lagooning or drying bed, incineration, atau landfill.

Perlu kita semua sadari bahwa limbah tetaplah limbah. Solusi terbaik dari pengolahan limbah pada dasarnya ialah menghilangkan limbah itu sendiri. Produksi bersih (cleaner production) yang bertujuan untuk mencegah, mengurangi, dan menghilangkan terbentuknya limbah langsung pada sumbernya di seluruh bagian-bagian proses dapat dicapai dengan penerapan kebijaksanaan pencegahan, penguasaan teknologi bersih, serta perubahan mendasar pada sikap dan perilaku manajemen.

PENERAPAN KONSEP REAKSI REDOKS DALAM PENGOLAHAN LIMBAH (LUMPUR AKTIF)

      Salah satu penerapan konsep reaksi redoks dalam kehidupan sehari-hari adalah dalam bidang pengolahan limbah. Prinsip dasar yang dipergunakan adalah teroksidasinya bahan-bahan organik maupun anorganik, sehingga lebih mudah diolah lebih lanjut.

      Limbah merupakan salah satu pencemar lingkungan yang perlu dipikirkan cara-cara mengatasinya. Untuk menjaga dan mencegah lingkungan tercemar akibat akumulasi limbah yang semakin banyak, berbagai upaya telah banyak dilakukan untuk memperoleh teknik yang tepat dan efisien sesuai kondisi lokal.

Berbagai tipe penanganan limbah cair dengan melibatkan mikroorganisme telah dikerjakan di Indonesia, yaitu sedimentasi, kolam oksidasi, trickling filter, lumpur aktif (activated sludge), dan septic tank. Pada uraian ini akan kita pelajari salah satu teknik saja, yaitu teknik lumpur aktif (activated sludge).

      Proses lumpur aktif (activated sludge) merupakan sistem yang banyak dipakai untuk penanganan limbah cair secara aerobik. Lumpur aktif merupakan metode yang paling efektif untuk menyingkirkan bahan-bahan tersuspensi maupun terlarut dari air limbah. Lumpur aktif mengandung mikroorganisme aerobik yang dapat mencerna limbah mentah. Setelah limbah cair didiamkan di dalam tangki sedimentasi, limbah dialirkan ke tangki aerasi. Di dalam tangki aerasi, bakteri heterotrofik berkembang dengan pesatnya. Bakteri tersebut diaktifkan dengan adanya aliran udara (oksigen) untuk melakukan oksidasi bahan-bahan organik. Bakteri yang aktif dalam tangki aerasi adalah Escherichia coli, Enterobacter, Sphaerotilus natans, Beggatoa, Achromobacter, Flavobacterium, dan Pseudomonas. Bakter-bakteri tersebut membentuk gumpalan- gumpalan atau flocs. Gumpalan tersebut melayang yang kemudian mengapung di permukaaan limbah.

       Metode lumpur aktif memanfaatkan mikroorganisme (terdiri ± 95% bakteri dan sisanya protozoa, rotifer, dan jamur) sebagai katalis untuk menguraikan material yang terkandung di dalam air limbah. Proses lumpur aktif merupakan proses aerasi (membutuhkan oksigen). Pada proses ini mikroba tumbuh dalam flok (lumpur) yang terdispersi sehingga terjadi proses degradasi. Proses ini berlangsung dalam reactor yang dilengkapi recycle/umpan balik lumpur dan cairannya. Lumpur secara aktif mereduksi substrat yang terkandung di dalam air limbah.

Tahapan-tahapan pengolahan air limbah dengan metode lumpur aktif secara garis besar adalah sebagai berikut:

1. Tahap awal

      Pada tahap ini dilakukan pemisahan benda-benda asing seperti kayu, bangkai binatang, pasir, dan kerikil. Sisa-sisa partikel digiling agar tidak merusak alat dalam sistem dan limbah dicampur agar laju aliran dan konsentrasi partikel konsisten.

2. Tahap primer

      Tahap ini disebut juga tahap pengendapan. Partikel-partikel berukuran suspensi dan partikel-partikel ringan dipisahkan, partikel-partikel berukuran koloid digumpalkan dengan penambahan elektrolit seperti FeCl₃, FeCl₂, Al₂(SO₄)₃, dan CaO.

3. Tahap sekunder

      Tahap sekunder meliputi 2 tahap yaitu tahap aerasi (metode lumpur aktif) dan pengendapan. Pada tahap aerasi oksigen ditambahkan ke dalam air limbah yang sudah dicampur lumpur aktif untuk pertumbuhan dan berkembang biak mikroorganisme dalam lumpur. Dengan agitasi yang baik, mikroorganisme dapat melakukan kontak dengan materi organik dan anorganik kemudian diuraikan menjadi senyawa yang mudah menguap seperti H₂S dan NH₃ sehingga mengurangi bau air limbah. Tahap selanjutnya dilakukan pengendapan. Lumpur aktif akan mengendap kemudian dimasukkan ke tangki aerasi, sisanya dibuang. Lumpur yang mengendap inilah yang disebut lumpur bulki.

4. Tahap tersier

      Tahap ini disebut tahap pilihan. Tahap ini biasanya untuk memisahkan kandungan zat-zat yang tidak ramah lingkungan seperti senyawa nitrat, fosfat, materi organik yang sukar terurai, dan padatan anorganik. Contoh-contoh perlakuan pada tahap ini sebagai berikut:

   a. Nitrifikasi/denitrifikasi

Nitrifikasi adalah pengubahan amonia (NH₃ dalam air atau NH₄⁺) menjadi nitrat (NO₃^-) dengan bantuan bakteri aerobik. Reaksi:

2 NH₄⁺(aq) + 3 O₂(g) -> 2 NO₂^-(aq) + 2 H₂O(l) + 4 H⁺(aq)

2 NO₂^- (aq) +O₂(g)à2 NO₃^- (aq)

Denitrifikasi adalah reduksi nitrat menjadi gas nitrogen bebas seperti N2, NO, dan NO2.

Senyawa NO3 à gas nitrogen bebas

   b. Pemisahan fosfor

Fosfor dapat dipisahkan dengan cara koagulasi/ penggumpalan dengan garam Al dan Ca, kemudian disaring.

Al₂(SO₄)₃+14H₂O(s) + 2 PO₄^3-(aq)à2 AIPO₄(s) + 3 SO₄^2-(aq) + 14 H₂O(l)

5 Ca(OH)₂(s) + 3 HPO₄^2-(aq)à Ca5OH(PO₄)₃(s) + 6 OH^-(aq) + 3 H₂O(l)

  c. Adsorbsi oleh karbon aktif untuk menyerap zat pencemar, pewarna, dan bau tak sedap.

  d. Penyaringan mikro untuk memisahkan partikel kecil seperti bakteri dan virus.

  e. Rawa buatan untuk mengurai materi organik dan anorganik yang masih tersisa dalam air limbah.

5. Disinfektan

      Disinfektan ditambahkan pada tahap ini untuk menghilangkan mikroorganisme seperti virus dan materi organic penyebab bau dan warna. Air yang keluar dari tahap ini dapat digunakan untuk irigasi atau keperluan industri, contoh: 

Cl₂. Reaksi: Cl₂(g) + H₂O(l)àHClO(aq) + H⁺(aq) + Cl^-(aq)

6. Pengolahan padatan lumpur

     Padatan lumpur dari pengolahan ini dapat diuraikan bakteri aerobik atau anaerobik menghasilkan gas CH₄ untuk bahan bakar dan biosolid untuk pupuk.

Akan tetapi dalam pelaksanaannya metode lumpur aktif  menemui kendala-kendala seperti:

  1. Diperlukan areal instalasi pengolahan limbah yang luas, karena prosesnya berlangsung lama.

  2. Menimbulkan limbah baru yakni lumpur bulki akibat pertumbuhan mikroba berfilamen yang berlebihan.

  3. Proses operasinya rumit karena membutuhkan pengawasan yang cukup ketat.