BAB III LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB III LANDASAN TEORI A. Kualitas Air 1. Pengertian Kualitas air adalah karakteristik mutu yang dibutuhkan untuk pemanfaatan tertentu dari sumber-sumber air. Kriteria mutu air merupakan salah satu dasar baku mutu air. Baku mutu air adalah persyaratan mutu air yang disiapkan oleh suatu negara atau daerah yang bersangkutan. Manusia memerlukan air tidak hanya dari segi kuantitasnya tetapi juga dari kualitasnya. Menurut Acehpedia (2010), kualitas air dapat diketahui dengan melakukan pengujian tertentu terhadap air tersebut. Pengujian yang dilakukan adalah uji kimia, fisik, biologi, atau uji kenampakan (bau dan warna). Pengelolaan kualitas air adalah upaya pemeliharaan air sehingga tercapai kualitas air yang diinginkan sesuai peruntukannya untuk menjamin agar kondisi air tetap dalam kondisi alamiahnya. 2. Standar kualitas air Standart Kualitas Air adalah karakteristik mutu yang dibutuhkan untuk pemanfaatan tertentu dari sumber sumber air. Dengan adanya standard kualitas air, orang dapat mengukur kualitas dari berbagai macam air. Setiap jenis air dapat diukur konsentrasi kandungan unsur yang tercantum didalam standard kualitas, dengan demikian dapat diketahui syarat kualitasnya, dengan kata lain standard kualitas dapat digunakan sebagai tolak ukur. Standar kualitas air bersih dapat diartikan sebagai ketentuan-ketentuan berdasarkan Peraturan Menteri Kesehatan standar kualitas air minum No.492/MENKES/PER/1V/2010 yang biasanya dituangkan dalam bentuk pernyataan atau angka yang menunjukkan persyaratan persyaratan yang harus dipenuhi agar air tersebut tidak menimbulkan gangguan kesehatan, penyakit, gangguan teknis, serta 9

2 10 gangguan dalam segi estetika. Air yang digunakan sebagai kebutuhan air bersih sehari-hari, sebaiknya air tersebut tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, jernih, dan mempunyai suhu yang sesuai dengan standar yang ditetapkan sehingga menimbulkan rasa nyaman. Kualitas air dipengaruhi oleh 3 faktor yaitu : a. Fisik Peraturan Menteri Kesehatan Nomor 492 tahun 2010 tentang persyaratan kualitas air minum menyatakan bahwa air yang layak dikonsumsi dan digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah air yang mempunyai kualitas yang baik sebagai sumber air minum maupun air baku (air bersih), antara lain harus memenuhi persyaratan secara fisik, tidak berbau, tidak berasa, tidak keruh, serta tidak berwarna. b. Kimia Air bersih yang baik adalah air yang tidak tercemar secara berlebihan oleh zat-zat kimia yang berbahaya bagi kesehatan antara lain Besi (Fe), Flourida (F), Mangan ( Mn ), Derajat keasaman (ph), Nitrit (NO2), Nitrat (NO3) dan zat-zat kimia lainnya. Kandungan zat kimia dalam air bersih yang digunakan sehari-hari hendaknya tidak melebihi kadar maksimum yang diperbolehkan untuk standar baku mutu air minum dan air bersih. c. Bakteriologi Dalam parameter bakteriologi digunakan bakteri indikator polusi atau bakteri indikator sanitasi. Bakteri indikator sanitasi adalah bakteri yang dapat digunakan sebagai petunjuk adanya polusi feses dari manusia maupun dari hewan, karena organisme tersebut merupakan organisme yang terdapat di dalam saluran pencernaan manusia maupun hewan. Air yang tercemar oleh kotoran manusia maupun hewan tidak dapat digunakan untuk keperluan minum, mencuci makanan atau memasak karena dianggap mengandung

3 11 mikroorganisme patogen yang berbahaya bagi kesehatan, terutama patogen penyebab infeksi saluran pencernaan B. Pengolahan Air Pengolahan air merupakan upaya untuk mendapatkan air yang bersih dan sehat sesuai standar mutu air untuk kesehatan. Proses pengolahan air minum merupakan proses perubahan sifat, fisik, kimia, dan biologi air baku agar memenuhi syarat agar dapat digunakan. 1. Pengolahan secara fisika Pengolahan secara fisika yaitu tahap penyaringan dengan cara yang efisien dan mudah untuk mennyisihkan bahan tersuspensi yang berukuran besar biasanya dengan menggunakan sand filter dengan ukuran silica yang disesuaikan dengan bahan-bahan tersuspensi yang akan disaring. Bahan tersuspensi yang mudah mengendap dapat disisihkan secara mudah dengan proses pengendapan, pada proses ini bisa dilakukan tanpa bahan kimia bila ukurannya sudah besar dan mudah mengendap tapi dalam kondisi tertentu dimana bahan-bahan tersuspensi sulit diendapkan maka akan digunakan bahan kimia sebagai bahan pembantu dalam proses ini akan terjadi pembentukan flok-flok dalam ukuran tertentu yang lebih besar sehingga mudah diendapkan pada proses yang menggunakan bahan kimia ini masih diperlukan pengkondisian ph untuk mendapatkan hasil yang optimal. Pengolahan air secara fisika yang mudah dilakukan di pedesaan adalah penyaringan (filtrasi), pengendapan (sedimentasi), dan absorpsi. 2. Pengolahan secara kimia Pengolahan air buangan secara kimia biasanya dilakukan untuk menghilangkan partikel-partikel yang tidak mudah mengendap (koloid), logamlogam berat, senyawa fosfor, dan zat organic beracun dengan membubuhkan bahan kimia tertentu yang diperlukan. Penyisihan bahanbahan tersebut pada prinsipnya berlangsung melalui perubahan sifat bahan-bahan tersebut, yaitu dari tak dapat diendapkan (flokulasi-

4 12 koagulasi), baik dengan atau tanpa reaksi oksidasi-reduksi, dan juga berlangsung sebagai hasil reaksi oksidasi. Pengendapan bahan tersuspensi yang tak mudah larut dilakukan dengan membubuhkan elektrolit yang mempunyai muatan yang belawanan dengan muatan koloidnya agar terjadi netralisasi muatan koloid tersebut, sehingga akhirnya dapat diendapkan. 3. Pengolahan secara biologi Pengolahan air buangan secara biologis adalah salah satu cara pengolahan yang diarahkan untuk menurunkan atau menyisihkan substrat tertentu yang terkandung dalam air buangan dengan memanfaatkan aktivitas mikroorganisme untuk melakukan perombakan substrat tersebut. Proses pengolahan air buangan secara biologis dapat berlangsung dalam tiga lingkungan utama yaitu : a. Lingkungan aerob, yaitu lingkungan dimana oksigen terlarut (DO) didalam air cukup banyak, sehingga oksigen bukan merupakan faktor pembatas. b. Lingkungan anoksis, yaitu lingkungan dimana oksigen terlarut (DO) didalam air ada dalam konsentrasi yang rendah. c. Lingkungan anaerob, merupakan kebalikan dari lingkungan aerob, yaitu tidak terdapat oksigen terlarut, sehingga oksigen menjadi faktor pembatas berlangsungnya proses metabolism aerob. Faktor-faktor yang mempengaruhi mekanisme biologi secara anaerob diantaranya yaitu, temperature, ph (keasaman), waktu ttinggal, komposisi kimia air limbah, kompetisi metanogen dan bakteri pemakan sulfat serta zat toksik. C. Filtrasi Penyaringan merupakan proses pemisahan antara padatan / koloid dengan cairan. Proses penyaringan bisa merupakan proses awal (primary treatment) atau penyaringan atau proses sebelumnya, misalnya penyaringan dan hasil koagulasi. Filtrasi adalah suatu proses dimana campuran heterogen antara

5 13 fluida dan partikel padatan dipisahkan dengan bantuan media filter, yang membuat fluida dapat mengalir melewatinya namun partikel padatan tertahan oleh media filter tersebut. Didalam proses filtrasi yang terpenting adalah : 1. Penahanan Partikel Secara Mekanis Merupakan proses pemisahan partikel-partikel dalam air yang dilakukan oleh media penyaring karena ukuran partikelnya lebih besar dibandingkan dengan diameter porous dari media penyaring. 2. Media Pengendapan Partikel yang berukuran halus akan dipisahkan dengan cara pengendapan dan akan melekat pada permukaan penyaring. 3. Absorpsi Adsorpsi merupakan proses pengumpulan substansi terlarut (soluble) yang ada dalam larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap dan terjadi suatu ikatan kimia fisik antara substansi dengan penyerapnya. Proses filtrasi dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain : 1. Besar Kecilnya Flok Flok yang terlalu besar akan menyumbat filter, sedangkan flok yang terlalu kecil akan lolos dari filter. 2. Ketebalan Filter Semakin tebal lapisan filter, maka luas permukaan penahan partikelpartikel semakin besar dan jarak yang ditempuh oleh air semakin lama atau panjang. 3. Kecepatan Filtrasi Kecepatan filtrasi akan mempengaruhi lama operasi filter, agar lama operasi saringan dapat diperpanjang diperlukan tekanan pada permukaan lapisan media filter dapat menambah ketinggian air diatas lapisan media filter. 4. Temperatur Efisiensi penyaringan juga dipengaruhi oleh temperatur, karena akan mempengaruhi aktivitas bakteri serta metabolism mikroorganisme lainnya.

6 14 5. Waktu Kontak Waktu kontak merupakan hal yang penting dalam penyaringan. Makin tebal media saring, maka waktu kontak antara larutan kontaminan dengan media saring makin panjang. D. Bahan Filtrasi Untuk penelitian ini akan digunakan bahan filtrasi dari kombinasi media butiran zeolit dan pasir. 1. Butiran Zeolit Zeolit adalah suatu jenis mineral yang tersusun dari silika (SiO4) dan alumina (AlO4) dengan rongga-rongga di dalamnya yang berisi ion-ion logam, biasanya logam alkali dan alkali tanah, dan molekul air (Arifin dan Harsodo, 1990). Setiap jenis zeolit juga mempunyai urutan selektifitas pertukaran ion yang berbeda. Beberapa karakteristik dan sifat yang mempengaruhi selektifitas pertukaran ion pada zeolit yaitu struktur terbenterbentuknya zeolit yang berpengaruh pada besarnya rongga yang terbentuk serta efek mengayak dari zeolit, mobilitas kation yang diperlukan, efek medan listrik yang ditimbulkan kation serta difusi ion ke dalam larutan energi hidrasi. Zeolit mempunyai kapasitas yang tinggi sebagai penyerap. Hal ini disebabkan karena zeolit dapat memisahkan molekul-molekul berdasarkan ukuran dan konfigurasi dari molekul. Mekanisme absorpsi yang mungkin terjadi adalah adsorpsi fisika (melibatkan gaya Van der Walls), adsorpsi kimia (melibatkan gaya elektrostatik), ikatan hidrogen dan pembentukan kompleks koordinasi. Penggunaan zeolit adalah salah satu metode untuk mengurangi kandungan zat besi dan mangan yang efektif. Besi merupakan salah satu unsur pokok alamiah dalam kerak bumi. Keberadaan besi dalam air tanah biasanya berhubungan dengan pelarutan batuan dan mineral terutama

7 15 oksida, sulfida karbonat, dan silikat yang mengandung logam-logam tersebut (Benefield, 1992). 2. Sifat fisik mineral zeolit Banyak mineral zeolit yang terdapat dalam batuan sedimen terdiri dari monomineral (satu jenis mineral), terutama untuk mineral klinoptilloit dan analsim, hal ini sangat menguntungkan dalam penambangannya serta penggunaannya untuk industri. Sifat yang menonjol dari mineral zeolit tersebut antara lain : struktur kristal, daya serap dan kapasitas pertukaran ion, sehingga sifat sifat ini, yaitu sifat fisik, yang berhubungan langsung dengan struktur kristal dan komposisi kimia perlu diketahui. 3. Sifat-sifat zeolit Sifat-sifat zeolit meliputi : a. Dehidrasi Sifat dehidrasi dari zeolit akan berpengaruh terhadap sifat adsorpsinya. Zeolit dapat melepaskan molekul air dari dalam rongga permukaan yang menyebabkan medan listrik meluas ke dalam rongga utama dan akan efektif berinteraksi dengan molekul yang akan diadsorpsi. b. Adsorpsi Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air bebas yang berada di sekitar kation. Bila mineral zeolit dipanaskan pada suhu 300o C hingga 400o C maka air tersebut akan keluar sehingga zeolit dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan. Selain mampu menyerap gas atau cairan, zeolit juga mampu memisahkan molekul dan kepolarannya, meskipun ada 2 molekul atau lebih yang dapat melintas tetapi hanya sebuah saja yang dapat lolos. Hal ini dikarenakan faktor selektivitas dari mineral zeolit tersebut yang tidak ditemukan pada adsorbent padat lainnya.

8 16 c. Penukar Ion Ion-ion pada rongga atau kerangka elektrolit berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya. d. Katalis Ciri paling khusus dari zeolit yang secara praktis akan menentukan sifat khusus mineral ini adalah adanya ruang kosong yang akan membentuk saluran di dalam strukturnya. Bila zeolit digunakan pada proses penyerapan atau katalis maka akan terjadi difusi molekul ke dalam ruang bebas diantara kristal. Zeolit merupakan katalisator yang baik karena mempunyai pori-pori yang besar dengan permukaan yang maksimum. e. Penyaring atau Pemisah Meskipun banyak media berpori yang dapat digunakan sebagai penyaring atau pemisah campuran uap atau cairan, tetapi distribusi diameter dari pori-pori media tersebut tidak cukup efektif seperti halnya penyaring molekular zeolit yang mampu memisahkan campuran berdasarkan perbedaan ukuran, bentuk dan polaritas dari molekul yang disaring. Contohnya pori-pori zeolit A berbentuk silinder dapat memisahkan n-parafin dari campuran hidrokarbon. Zeolit dapat memisahkan molekul gas atau zat lain dari suatu campuran tertentu karena mempunyai ruang hampa yang cukup besar dengan garis tengah yang bermacam-macam berkisar antara 2Ǻ hingga 8Ǻ, tergantung dari jenis zeolit 4. Jenis zeolit Berdasarkan pada proses terbentuknya zeolit dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu zeolit alam dan zeolit sintetis. a. Zeolit Alam

9 17 Zeolit alam terbentuk karena adanya proses kimia dan fisika yang kompleks dari batuan yang mengalami berbagai macam perubahan di alam. Para ahli geokimia dan mineralogi memperkirakan bahwa zeolit merupakan produk gunung berapi yang membeku menjadi batuan vulkanik, batuan sedimen dan batuan metamorfosa yang selanjutnya mengalami proses pelapukan akibat pengaruh suhu dari panas menjadi dingin dan sebaliknya sehingga akhirnya terbentuk mineral-mineral zeolit. Anggapan lain menyatakan proses terjadinya zeolit berawal dari debu-debu gunung berapi yang beterbangan kemudian mengendap di dasar danau dan dasar lautan. Debu-debu vulkanik tersebut selanjutnya mengalami berbagai macam perubahan oleh air danau atau air laut sehingga terbentuk sedimen-sedimen yang mengandung zeolit di dasar danau atau laut tersebut (Lestari, 2010). b. Zeolit Sintesis Zeolit sintetis adalah suatu senyawa kimia yang mempunyai sifat fisik dan kimia yang h mpir sama dengan zeolit alam. Mineral zeolit sintetis yang dibuat tidak dapat persis sama dengan mineral zeolit alam, walaupun zeolit sintetis mempunyai sifat fisis yang jauh lebih baik. Beberapa ahli menamakan zeolit sintetis sama dengan nama mineral zeolit alam dengan menambahkan kata sintetis di belakangnya, dalam dunia perdagangan muncul nama zeolit sintetis seperti zeolit A, zeolit K-C dll. Zeolit sintetis terbentuk ketika gel yang ada terkristalisasi pada temperatur dari temperatur kamar sampai dengan 200 C pada tekanan atmosferik ataupun autogenous. Metode ini sangat baik diterapkan pada logam alkali untuk menyiapkan campuran gel yang reaktif dan homogen. Struktur gel terbentuk karena polimerisasi anion aluminat dan silikat. Komposisi dan struktur gel hidrat ini ditentukan oleh ukuran dan struktur dari jenis polimerisasi. Zeolit dibentuk dalam kondisi hidrothermal, bahan utama pembentuknya adalah aluminat silikat (gel) dan berbagai logam sebagai kation. Komposisi gel, sifat fisik dan kimia reaktan, serta jenis

10 18 kation dan kondisi kristalisasi sangat menentukan struktur yang diperoleh (Saputra, 2006). 5. Pasir Penyaringan atau filtrasi adalah proses pemisahan komponen padatan yang terkandung di dalam air dengan melewatkannya melalui media yang berpori atau bahan berpori lainnya untuk memisahkan padatan dalam air tersebut baik yang berupa suspensi maupun koloid. Selain itu, penyaringan juga dapat mengurangi kandungan bakteri, bau, rasa, mangan, dan besi. Menurut Baker (1948), catatan tertulis paling awal tentang pengolahan air, sekitar tahun 4000 SM, menyebutkan filtrasi air melalui pasir dan kerikil. Walaupun sejumlah modifikasi telah dibuat dengan cara yang aplikasi, filtrasi tetap menjadi salah satu teknologi mendasar terkait dengan pengolahan air. Digunakannya media filter atau saringan karena merupakan alat filtrasi atau penyaring yang memisahkan campuran solida likuida dengan media porous atau material porous lainnya guna memisahkan sebanyak mungkin padatan tersuspensi yang paling halus. Dan penyaringan ini merupakan proses pemisahan antara padatan atau koloid dengan cairan, dimana prosesnya bisa dijadikan sebagai proses awal (primary treatment). Menurut Tjokrokusumo (1998), pada pengolahan air baku dimana proses koagulasi tidak perlu dilakukan, maka air baku langsung dapat disaring dengan saringan jenis apa saja termasuk pasir kasar. Karena saringan kasar mampu menahan material tersuspensi dengan penetrasi partikel yang cukup dalam, maka saringan kasar mampu menyimpan lumpur dengan kapasitas tinggi. Karakteristik filtrasi dinyatakan dalam kecepatan hasil filtrat. Masing-masing dipilih berdasarkan pertimbangan teknik dan ekonomi dengan sasaran utamanya, yakni menghasilkan filtrat yang murah dengan kualitas yang tetap tinggi.

11 19 E. Teknologi Peningkatan Kualitas Air 1. Biofiltrasi Pencemaran lingkungan dapat dikenali melalui mata, rasa, pendengaran, dan penciuman. Air merupakan komponen penting dalam kehidupan. Pencemaran lingkungan terhadap air antara lain menimbulkan bau, warna air hitam atau keruh, dan air menjadi berasa. Pencemaran yang menimbulkan bau menggunakan udara sebagai media pembawanya. Penghilangan bau dapat dilakukan sebelum pencemar tersebut dilepas ke udara atau dapat juga dilakukan setelah pencemar tersebut dilepas ke udara. Penghilangan bau dengan menggunakan biofilter tercelup mengandalkan pada kesempurnaan proses penguraian bahan pencemar yang dimakan oleh bakteri yang menempel pada permukaan media biofilter, air yang mengalir membawa bahan pencemar yang sekaligus berfungsi sebagai pemasok makanan bagi bakteri (Herlambang, 2005).. Proses yang terjadi dalam media biofilter adalah proses anaerobikaerobik. Pada proses biofilter tercelup arah aliran searah dengan arah udara yang dipompa dengan menggunakan pompa udara (blower), namun demikian pada pencemar yang sudah terlepas ke udara, arah udara berlawanan dengan arah air, dengan demikian pencemar yang berada dalam udara akan terlarut dalam air dan menempel pada permukaan biofilter, untuk selanjutnya berjalan proses anaerobik aerobik dalam permukaan biofilter. Kedua metode ini sama efisiennya, pemilihan teknologi tergantung keperluan dan jenis pencemarnya(herlambang, 2005). Pemakaian biofilter untuk penghilangan kadar pencemar dalam air dan udara sudah banyak dilakukan oleh para ahli, dengan daerah aplikasi yang sangat luas. Biofilter sendiri banyak macam dan ragamnya, namun dalam pemilihan jenis biofilter ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan, antara lain : luas permukaan spesifik yang tinggi dibanding volumenya, tahan dan tidak mudah hancur, tidak

12 20 menggunakan perekat organik, mudah untuk dibersihkan, ringan, dan mudah pemasangannya. Kenji et al (1990) mengkaji pemakaian delapan jenis media biofilter, yaitu kristobalit, zeolit, vermikulit, karbon aktif granular, lempung granular, batu keramik, debu volkanik, dan peluru gotri. Kenji berpendapat bahwa media biofilter yang mempunyai performance baik berhubungan dengan permukaan yang kasar dari pada luas permukaan yang luas, karena meskipun kristobalit mempunyai luas permukaan yang lebih kecil (50 m2/g) dibanding karbon aktif granular (1125 m2/g), kristobalit mempunyai permukaan yang kasar dengan banyak lubanglubangnya mempunyai laju beban maksimum TOC yang tinggi, yaitu 8 g/l tiap hari pada air limbah sintetis. Selanjutnya Kenji berpendapat bahwa mikroorganisme yang umumnya bermuatan negatif lebih mudah melekat pada kristobalit yang bermuatan positip dibanding zeolit yang bermuatan negatif pada ph 7. Kesimpulan dari penelitian ini menyatakan bahwa media untuk melekatkan mikroorganisme sebaiknya mempunyai permukaan kasar dan bermuatan positip dibandingkan luas permukaan yang lebih luas. Sumber : Gambar 3.1 Biofilter pengolahan air

13 21 2. Teknologi Membrane Perkembangan teknologi dalam pengolahan air telah berkembang pesat. Salah satunya yaitu teknologi penyaringan atau filrasi dengan membran. Teknologi menggunakan membran telah digunakan semenjak lebih dari 50 tahun yang lalu. Jenis membran yangtersedia saat ini dibagi menjadi 4 kelompok yang disesuaikan dengan ukuran dan tingkat penyaringan atau disebut filtration degree(said, Nusa Idaman dan Widayat, Wahyu., 2007). Tingkatan filtrasi yang dimaksud yaitu : Micro Filtration (MF) Ultra Filtration (UF) Nano Filtration (NF) Hyper Filtration / Reverse Osmosis (OS) Sumber : Gambar 3.2 Sistem penyaringan air reverse osmosis (OS)