BAB III METODOLOGI. Diagram alir pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.1. Studi Literatur. Pembuatan Reaktor.

Transkripsi

1 BAB III METODOLOGI 3.1 Tahapan Penelitian Diagram alir pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.1. Studi Literatur Penyiapan Alat dan Bahan Penelitian Pemilihan Tanaman Pembuatan Reaktor Tahap Penjenuhan Pengoperasian Reaktor Pengambilan dan Pengukuran sampel Analisa Efisiensi Reaktor Kesimpulan Gambar 3.1 Diagaram alir metodologi penelitian 3.2 Lokasi dan Waktu Penelitian Lokasi yang dipilih sebagai tempat pengambilan sampel adalah industri rumah tangga pembuat tahu dan Rumah Pemotongan Hewan (ayam) yang terletak di Dago Bengkok, Bandung. Tempat ini dipilih karena merupakan tempat pengambilan sampel pada penelitian sebelumnya sehingga memiliki karakteristik III-1

2 limbah yang tidak jauh berbeda. Selain itu kedua industri rumah tangga ini juga letaknya berdekatan dan merupakan penghasil zat organik yang tinggi, serta tidak memiliki sistem pengolahan limbah. Limbah yang dihasilkan langsung dibuang ke badan air penerima yaitu Sungai Cikapundung. Di RPH Dago Bengkok, kandang hewan berupa kandang terbuka berlantai tanah kotor, ada juga yang sudah tertutup dan berlantai beton. Bagian dari kandang ini terdiri dari kotoran cair dan padat yang dibuang dari kandang pada waktu pembersihan atau pada saat hujan turun (jika kandang tebuka). Sumber utama air limbah RPH adalah berasal dari pemotongan, pembersihan bulu hewan dan bagian dalam, pemotongan daging, dan pencucian. Limbah cair pada industri tahu berasal dari proses-proses yang terlibat dalam pembuatan tahu, mulai dari proses awal yaitu pencucian kedelai, sampai tahu yang telah jadi. Limbah yang dihasilkan dari proses pembuatan tahu antara lain : Air dari proses perendaman dan pencucian kedelai. Sisa air tahu yang tidak menggumpal. Potongan tahu yang hancur pada saat proses karena kurang sempurnanya proses penggumpalan. Limbah padat yang dihasilkan (ampas tahu) tidak dibuang melainkan dimanfaatkan sebagai pakan ternak, sehingga tidak mencemari lingkungan. Lokasi penelitian adalah laboratorium penelitian kualitas air, Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung. Penelitian ini dilaksanakan dari Bulan April hingga Bulan September Pemilihan Vegetasi Reaktor Constructed Wetland Tanaman yang digunakan pada penelitian ini yaitu Sagittaria lancifolia (Daun Tombak) dan Scirpus grossus (Walingi). Pada Gambar 3.2 dapat dilihat kedua jenis tanaman yang digunakan. III-2

3 Sagittaria lancifolia (Daun Tombak) Scirpus grossus (Walingi) Gambar 3.2 Tanaman yang digunakan pada penelitian Alasan-alasan digunakannya jenis tanaman tersebut sebagai vegetasi pada constructed wetland, yaitu : Kedua tanaman ini berupa tanaman air yang dapat hidup pada media tidak tergenang air karena pada percobaan ini aliran yang digunakan yaitu aliran bawah permukaan (horizontal subsurface flow). Kedua tanaman ini memiliki ukuran yang sesuai dengan desain reaktor yaitu zona perakaran cm. Tanaman ini hidup secara liar sehingga tidak membutuhkan perawatan secara khusus, dan mudah ditemukan di berbagai daerah. Sagittaria lancifolia banyak ditemukan di daerah Bandung, sedangkan Scirpus grossus terdapat di daerah Garut. Tanaman ini tumbuh liar pada lahan bekas pertanian atau rawa-rawa. Tanaman ini memiliki nilai ekonomis. Pada umumnya banyak dimanfaatkan sebagai pakan ternak, tanaman hias, dan bahan baku untuk kerajinan. Tanaman ini merupakan tanaman tahunan dan memiliki umur yang panjang sehingga tanaman tidak perlu sering dipanen. Selain alasan tersebut, Sagitaria lancifolia merupakan jenis tanaman yang digunakan sebagai vegetasi pada constructed wetland horizontal subsurface flow system bersekat dalam penelitian sebelumnya. Pada penelitian tersebut diperoleh efisiensi penyisihan COD sebesar 81,82-84,38%, efisiensi penyisihan BOD sebesar 92,6%, efisiensi penyisihan NTK sebesar 94,17%, efisiensi penyisihan total fosfat sebesar 93,42%, efisiensi penyisihan total solid sebesar 62,42% (Sonie, 2007) III-3

4 Sedangkan untuk tanaman Scirpus grossus dipilih sebagai tanaman pembanding karena jenis tanaman ini sangat sedikit digunakan dalam penelitian constructed wetland. Tanaman ini banyak ditemukan pada natural wetland, memiliki nilai ekonomis, dan cocok dikembangkan dalam constructed wetland tetapi sangat jarang digunakan sebagai vegetasi pada penelitian constructed wetland. 3.4 Penyediaan Alat dan Bahan a. Media Media yang digunakan dalam penelitian ini adalah campuran tanah, pasir, dan kerikil. Tanah yang digunakan berasal dari Lembang, Bandung. sedangkan pasir dan kerikil berasal dari Sungai Cikapundung, Bandung. Alasan digunakannya tanah lembang karena subur dan cukup kaya akan unsur-unsur hara yang dibutuhkan oleh tanaman. Kerikil yang digunakan mempunyai ukuran seragam dengan diameter kirakira 2 cm. Kerikil diletakkan pada bagian inlet berfungsi untuk meratakan aliran, pada outlet untuk menghindari perkembangbiakan nyamuk, dan pada bagian dasar reaktor yang berfungsi untuk memastikan air mengalir tanpa terjadi clogging. b. Tanaman Pada reaktor A dan D ditanam tanaman Scirpus grossus yang berumur 1-2 bulan sebanyak 8 rumpun, setiap rumpun terdiri dari 4-10 batang. Untuk reaktor C dan D ditanam tanaman Sagittaria lancifolia yang berumur 2-4 bulan sebanyak 8 rumpun, setiap rumpun terdiri dari 8-20 daun. c. Limbah Limbah yang digunakan pada penelitian ini yaitu efluen anaerobic buffled reactor (ABR). Efluen ABR ini menjadi influen pada pengolahan dengan menggunakan constructed wetland. (Pengolahan pada ABR dilakukan oleh peneliti lain). III-4

5 d. Penampung Efluen ABR Penampung efluen ABR digunakan sebagai tempat untuk menampung efluen ABR sebelum dialirkan ke reaktor constructed wetland. Penampung ini berfungsi untuk membagi aliran agar efluen ABR mengalir ke dalam constructed wetland secara merata dengan debit yang sama. e. Atap Penutup Atap penutup merupakan konstruksi sederhana terbuat dari kayu yang dilapisi terpal berfungsi untuk melindungi reaktor constructed wetland agar terlindungi dari air hujan yang dapat menyebabkan kontaminasi dan pengenceran pada efluen constructed wetland sehingga dapat mengganggu hasil pengukuran. Sinar matahari harus tetap dapat masuk ke dalam constructed wetland sehingga proses pertumbuhan dan metabolisme pada tanaman tidak terganggu. Reaktor constructed wetland yang sudah siap diopersikan dapat dilihat pada Gambar 3.3. Gambar 3.3 Reaktor Constructed wetland 3.5 REAKTOR CONSTRUCTED WETLAND Pada percobaan ini digunakan empat buah reaktor wetland horizontal subsurface flow system dengan menggunakan sekat, yaitu: Reaktor A : tanaman Scirpus grossus Reaktor B : tanaman Sagittaria lancifolia Reaktor C : tanaman Sagittaria lancifolia Reaktor D : tanaman Scirpus grossus III-5

6 Alasan digunakannya constructed wetland horizontal subsurface flow karena sistem ini memiliki efisensi yang cukup tinggi dalam menyisihkan pencemar organik dan partikel tersuspensi sehingga diharapkan sistem ini mampu menyisihkan pencemar organik dan partikel tersuspensi pada efluen ABR. Selain itu, sistem ini juga cukup mudah dioperasikan dan tidak menimbulkan vector penyakit (nyamuk) yang dapat menjadi faktor kelayakan dari penggunaan constructed wetland tersebut. Rekayasa aliran dengan menggunakan sekat dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi constructed wetland. Pada Gambar 3.4 dapat dilihat sketsa bentuk reaktor yang digunakan pada percobaan ini. Gambar 3.4 Sketsa Reaktor Consturcted Wetland Reaktor ini dibagi menjadi tiga kompartemen yang terdiri dari zona inlet, zona pengolahan dan zona outlet. Pada reaktor A dan D panjang zona inlet dan outlet adalah 0,1 m serta panjang zona pengolahan adalah 0,32 m, sedangkan pada reaktor B dan C panjang zona inlet dan outlet adalah 0,2 m, serta panjang zona pengolahan adalah 0,32 m. Antara zona inlet-zona pengolahan-zona oulet diberi sekat berlubang dengan diameter lubang 0,5 cm. Zona inlet dan outlet diisi dengan kerikil yang memiliki ukuran seragam dengan diameter 2 cm. Zona pengolahan diisi dengan media tanah, pasir, kerikil, dan tanaman. Pada zona oulet dibuat lubang outlet dengan ketinggian 20 cm dari dasar reaktor. Kemiringan setiap reaktor adalah 1%. III-6

7 Struktur media yang digunakan pada reaktor constructed wetland dapat dilihat pada Gambar 3.5 dan Gambar 3.6. b d c a Keterangan kedalaman media : a = 5 cm b = 10 cm c = 5 cm d = 10 cm Gambar 3.5 Dimensi dan struktur media pada reaktor A dan D d b c a Keterangan kedalaman media: a = 5 cm b = 10 cm c = 5 cm d = 10 cm Gambar 3.6 Dimensi dan struktur media pada reaktor B dan C 3.6 TAHAP PENJENUHAN Tahap penjenuhan dilakukan pada awal pengaliran limbah. Pada tahap penjenuhan ini, reaktor yang telah siap untuk digunakan diisi dengan air kran yang bertujuan untuk melarutkan tanah. Biasanya membutuhkan waktu sekitar satu minggu. Tahap penjenuhan selesai dilakukan jika muka air pada reaktor tidak III-7

8 mengalami penurunan lagi. Setelah kondisi jenuh, maka dilakukan pengaliran efluen ABR pada inlet constructed wetland. 3.7 PENGOPERASIAN REAKTOR Reaktor yang telah mengalami tahap penjenuhan dialiri dengan efluen ABR. Konsentrasi influen constructed wetland tergantung pada hasil pengolahan ABR sebagai pengolahan pendahuluan. Pada Gambar 3.7 dapat dilihat rangkaian sistem pengolahan yang digunakan. Pompa Peristaltik Tempat Penampung Limbah Pompa Peristaltik ABR dengan media batok kelapa ABR dengan media batu apung Reaktor D Scirpus grossus Reaktor C Sagittaria lancifolia Reaktor B Sagittaria lancifolia Reaktor A Scirpus grossus Gambar 3.7 Rangkaian sistem pengolahan Limbah dialirkan secara gravitasi dari outlet ABR ke inlet constructed wetland yang kemudian keluar melalui outlet constructed wetland. Debit pengaliran disesuaikan dengan waktu detensi pada constructed wetland yaitu 1 ml/menit untuk waktu detensi 7 hari dan 1,5 ml/menit untuk waktu detensi 5 hari. Pada penelitian ini dilakukan variasi waktu detensi pada constructed wetland dan variasi konsentrasi limbah pada influen ABR sehingga akan mempengaruhi konsentrasi efluen ABR yang menjadi influen dari constructed wetland. Variasi yang dilakukan yaitu : III-8

9 Variasi 1 : Beban pengolahan pada ABR 3000 mg/l COD, waktu detensi 5 hari. Variasi 2 : Beban pengolahan pada ABR 3000 mg/l COD, waktu detansi 7 hari. Variasi 3 : Beban pengolahan pada ABR, 4000 mg/l COD, waktu detensi 5 hari. Variasi 4 : Beban pengolahan pada ABR 4000 mg/l COD, waktu detensi 7 hari. Kerangka percobaan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Kerangka Percobaan Variasi Reaktor Influen ABR(mg/l) Debit (ml/menit) Td (hari) Analisa lab 1 CW A dan CW B ,5 5 COD (setiap 2 kali sehari) 2 CW C dan CW D CW A dan CW B ,5 5 ph, temperatur, BOD, total solid, total fosfat, 4 CW C dan CW D NTK (pada kondisi tunak) 3.8 Pengambilan dan Pengukuran Sampel Metode sampling yang digunakan pada penelitian ini adalah sampel sesaat (grab sample) yaitu sampel diambil langsung dari satu titik pada saat tertentu. Sampel diambil di inlet dan outlet pada masing-masing constructed wetland setiap dua kali sehari untuk analisa COD. Sedangkan BOD, total solid, total fosfat, dan NTK dianalisa pada saat kondisi tunak yaitu pada saat nilai efisiensi untuk parameter COD telah stabil. Untuk mengetahui pengaruh pola pertumbuhan tanaman dengan efisiensi pengolahan, maka pertumbuhan tanaman tersebut diamati dan diukur selama penelitian berlangsung. Pertumbuhan tanaman yang dapat dilihat adalah tinggi dan jumlah rumpun Parameter Pencemar yang Diukur 1. ph ph adalah istilah yang digunakan secara universal untuk mengekspresikan intensitas asam atau kondisi alkali dalam suatu larutan. ph menyatakan III-9

10 konsentrasi ion hidrogen atau aktivitas ion hidrogen. ph merupakan suatu parameter penting untuk menentukan kadar asam/ basa dalam air. Perubahan ph air dapat menyebabkan berubahnya bau, rasa, dan warna. Ion H + dan OH - selalu berada pada keseimbangan kimiawi yang dinamis dengan H 2 O. Skala ph berkisar antara ph = 7 menunjukkan keadaan netral, ph < 7 menunjukkan keadaan asam, dan ph > 7 menunjukkan keadaan basa. Pengukuran ph pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan ph meter (metode Elektroda Potensiometri). 2. Suhu Suhu atau temperatur adalah parameter yang penting untuk diperiksa karena sangat berpengaruh pada Badan Air Penerima (BAP) yang mempengaruhi aktivitas kehidupan dalam air, penguraian secara biologis maupun kimiawi. Temperatur optimum agar bakteri berkembang dengan baik adalah o C. Perubahan temperatur terutama berasal dari air buangan aktivitas domestik dan industri. Parameter ini merupakan parameter fisik yang sangat penting karena menjadi faktor penentu dalam reaksi kimia dan dekomposisi biologis, serta berpengaruh pada kelangsungan kehidupan akuatik. Alat yang dipergunakan untuk mengukur suhu limbah adalah termometer berskala 1 30 o C. Berdasarkan Keputusan Menteri Kesehatan RI Nomor 907/MENKES/SK/VII/2002, diketahui bahwa temperatur maksimum yang diperbolehkan dalam air minum sebesar ± 3 o C. 3. BOD (Biological Oxygen Demand) Biological Oxygen Demand (BOD) merupakan suatu analisa empiris yang mencoba mendekati secara global proses-proses mikrobiologis yang terjadi dalam air. Angka BOD adalah jumlah oksigen yang dibutuhkan oleh bakteri untuk menguraikan (mengoksidasi) hampir semua zat organik yang terlarut dan sebagian zat-zat organik yang tersuspensi dalam air dalam keadaan aerobik. Pemeriksaan BOD diperlukan untuk menentukan beban pencemaran akibat air buangan penduduk atau industri dan untuk mendesain sistem pengolahan biologis bagi air yang tercemar tersebut. III-10

11 4. COD (Chemical Oxygen Demand) Chemical Oxygen Demand (COD) menyatakan jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi zat organik yang terdapat dalam 1 liter sampel air secara kimiawi. Angka COD merupakan ukuran bagi pencemaran air oleh zat-zat organik yang secara alamiah dapat dioksidasikan melalui proses mikrobiologis dan mengakibatkan berkurangnya oksigen terlarut dalam air. Pemeriksaan COD merupakan salah satu metode untuk mengukur kandungan zat organik di dalam air dan biasanya digunakan untuk mengetahui kualitas air buangan. 5. TS (Total solid) Zat padat merupakan materi residu setelah pemanasan dan pengeringan pada temperatur o C. Total solid adalah semua zat-zat yang tersisa sebagai residu. Total solid terdiri dari zat padat terlarut (TDS) dan zat padat tersusupensi (TSS) yang dapat bersifat organis dan anorganik. Karena bervariasinya materi organik dan anorganik dalam analisa zat padat, tes yang dilakukan secara empiris tergantung pada karakteristik materi tersebut. Metode Gravimetry digunakan hampir pada semua kasus. TSS dihitung untuk mengetahui berapa banyak total padatan yang tersuspensi di dalam air buangan, sedangkan TDS menyatakan padatan organik yang terlarut dalam air buangan. Dari penjumlahan TSS dan TDS diperoleh TS (Total Solid). Untuk jenis limbah cair industri tahu dan RPH yang diperiksa adalah TS karena TDS yang terdapat pada sampel ini sangat kecil. 6. Nitrogen Total Kjeldahl (NTK) Nitrogen Total Kjeldahl adalah parameter yang menunjukkan kandungan Nitrogen organik dan Nitrogen Amoniak dalam larutan. Keberadaan Nitrogen dalam air mengindikasikan potensi cepatnya pertumbuhan algae dan mikroorganisme. Analisa Kjeldahl pada umunya hanya dilaksanakan pada sampel air yang diduga mengandung zat organik seperti air buangan penduduk, bermacam jenis air buangan industri dan air sungai (tidak pada air sumur, air PAM). III-11

12 7. Total Fosfat Fosfat merupakan salah satu unsur yang dibutuhkan dalam pertumbuhan mikroorganisme. Bila kadar fosfat pada air sangat rendah (< 0,01 mg P/l), pertumbuhan tanaman dan ganggang akan terhalang, keadaan ini disebut oligotrop. Bila kadar fosfat serta nutrient lainnya tinggi, pertumbuhan tanaman dan ganggang tidak terbatas (keadaan eutrop), sehingga tanaman tersebut dapat menghabiskan oksigen. Jenis Total fosfat adalah semua zat ortofosfat, polifosfat baik yang terlarut maupun yang tersuspensi, baik yang inorganik maupun yang terikat dalam senyawa organis. Pada pemeriksaan total fosfat, dilakukan hidrolisa polifosfat menjadi ortofosfat dengan cara menambahkan asam kuat pada sampel yang sudah dinormalkan ph nya, lalu dipanaskan dalam keadaan mendidih selama kuranglebih 90 menit. Setelah dingin sampel dinetralkan kembali dengan larutan NaOH, lalu diperiksa kandungan fosfornya sebagai total fosfat Metode Analisa Parameter Pencemar Pengukuran kualitas air limbah ini dilakukan baik di lapangan (temperatur, ph) maupun di laboratorium (BOD, COD, Organik, Total Solid, NTK, Total fosfat). Metode analisa parameter limbah dan alat yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tabel 3.2 Metoda Analisa Parameter Limbah dan Alat di Laboratorium No Parameter Metode Alat 1 ph SMEWW 4500-H+ ph meter 2 Suhu SMEWW 2550 Termometer 4 BOD SMEWW 5210-B Botol Winkler 5 COD SMEWW 5220-B Tabung COD mikro 6 NTK SMEWW-4500-Norg-B Labu kjeldahl, alat destilasi III-12

13 No Parameter Metode Alat 7 Total fosfat SMEWW-4500-P-B-D Spektrofotometer, tabung reaksi 8 Total Solid SMEWW-2540-B Cawan penguap, waterbath, oven C 3.9 Pengolahan Data Data yang diperoleh dari hasil analisa pemeriksaan sampel diolah dan disajikan dalam bentuk tabulasi kualitatif serta grafik masing-masing parameter. Efisiensi penurunan dan peningkatan konsentrasi parameter dihitung dengan rumus 3-1. C Ce x100% (3-1) C o o Keterangan : C o = Konsentrasi pada inlet (mg/l) C e = Konsentrasi pada outlet (mg/l) Kemampuan constructed wetland dalam menyisihkan zat organik dihitung dengan menggunakan rumus 3-2. Kemampuan penyisihan (g/m 2 /hari) = ( C C ) Q o A C e (3-2) Keterangan : C o = Konsentrasi pada inlet (g/m 3 ) C e = Konsentrasi pada outlet (g/m 3 ) Q = Debit (m 3 /hari) A C = Luas penampang (m 2 ) Evaluasi dilakukan dengan melihat pola penurunan dan peningkatan konsentrasi dari masing-masing parameter yang menggambarkan kondisi pengolahan limbah dan kemampuan penyisihan pada reaktor constructed wetland. Efisiensi dan efektifitas setiap unit reaktor constructed wetland dibandingkan III-13

14 sehingga dapat disimpulkan unit mana yang paling optimal dalam mengolah campuran limbah cair industri tahu dan RPH. Pada tahap akhir dilakukan perhitungan nilai K S dan K T. Nilai K S dan K T ini dilakukan setelah reaktor beroperasi. Pada prakteknya nilai-nilai tersebut digunakan untuk mendesain constructed wetland agar memenuhi kriteria yang diinginkan. Pada saat mendesain, nilai K T berguna untuk menentukan luas permukaan constructed wetland, sedangkan nilai K S untuk menghitung luas penampang constructed wetland. Untuk perhitungan nilai K T pada saat mendesain constructed wetland digunakan persamaan 2-1. Namun perhitungan K T dilakukan setelah reaktor beroperasi dengan menggunakan persamaan 2-2, Nilai K T berguna untuk menentukan luas permukaan wetland dengan menggunakan persamaan 2-4. Pada saat mendesain suatu constructed wetland nilai K S telah diketahui berdasarkan jenis media yang digunakan pada constructed wetland. Pada penelitian ini, nilai K S dihitung setelah reaktor beroperasi dengan menggunakan persamaan 2-5. III-14