PENGHILANGAN GLUKOSA, FECAL COLIFORM DAN TOTAL COLIFORM MENGGUNAKAN SISTEM PLASMA DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE (DBD) UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS AIR Yenni Trianda 1, Marhaeni Mahardika 1, Reni Desmiarti 1, Ariadi Hazmi 2 1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Bung Hatta Jl. Gajah Mada No.19, Olo Nanggalo Padang-25143 yennitrianda@gmail.com, marhaenimahardika@yahoo.com, desmiarti@yahoo.com 2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas Kampus Limau Manis, Unand Padang ariadihazmi@yahoo.com Abstrak Penghilangan glukosa sebagai karbon organik, Fecal Coliform dan Total Coliform diteliti dengan menggunakan sistem plasma Dielectric Barrier Discharge (DBD). Percobaan ini dilakukan untuk meneliti kemampuan DBD dalam menghilangkan glukosa pada konsentrasi tinggi (300 mg/l) dan sejumlah mikroorganisme (34.000 MPN/100 ml). Efek dari tegangan yang diberikan dalam penghilangan glukosa, Fecal Coliform dan Total Coliform diamati. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi penghilangan Fecal Coliform, Total Coliform dan glukosa adalah masing-masing sebesar 76,5% dan 39,13% untuk pemberian tegangan 15 kv selama 60 menit. Penelitian ini dilakukan sebagai dasar dalam perancangan alat untuk sistem pengolahan air minum DBD secara kontinyu. Kata kunci : Dielectric Barrier Discharge, Glukosa, Total Coliform, Fecal Coliform Abstract Removal of glucose as organic carbon, Fecal Coliforms and Total Coliforms was examined by Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma system. These experiments were conducted to investigate the ability of DBD to removal of high concentration of glucose (300 mg/l) and high number of microorganisms (34,000 MPN/100mL). The effect of applied voltage on the removal of glucose, Fecal Coliforms and total Coliforms was examined. The results showed that removal efficiencies of Fecal Coliforms, Total Coliforms and glucose are 76.5% and 39.13%, respectively for applied voltage at 15 kv for 60 minutes. This research were conducted as a basis to design a continue DBD plasma system for drinking water purpose. Keywords: Dielectric Barrier Discharge, Glucose, Total Coliforms, Fecal Coliforms Pendahuluan Penggunaan air minum isi ulang di masyarakat semakin meningkat. Namun kualitas dari air minum isi ulang tidak bisa dijamin. Selain itu, penggunaan sistem pengolahan bahan baku air minum konvensional seperti sedimentasi, koagulasiflokulasi, filtrasi dan penggunaan desinfektan seperti klorin, tidak dapat menjamin untuk menghasilkan bahan baku air minum dengan kualitas yang baik sesuai dengan baku mutu yang telah ditetapkan pemerintah (Peraturan Pemerintah No.28 tahun 2001 tentang Standar Baku Mutu untuk Air Baku dan
Permenkes RI No.492/Menkes/Per/IV/2010 tentang Persyaratan Kualitas Air Minum). Data di Badan Perencanaan Pembangunan Nasional (Bappenas, 2011) menyebutkan sekitar 60-70% sumur milik warga tercemar E-Coli. Bakteri tersebut berasal dari jamban yang berdekatan dengan sumur, bahkan sebagian besar sungai-sungai di Indonesia juga tercemar E-Coli sehingga air sungai di Indonesia tidak layak minum (Media Indonesia, 04 Mei 2011). Saat ini hanya 20% air bersih yang layak minum dan baru 15% masyarakat yang mengakses air dari pengelolaan air. Sisanya untuk memenuhi kebutuhan sendiri (Suara Pembaharuan, 03 Mei 2011). Kurang optimalnya alat pengolah air guna menghilangkan polutan produk pada Air Minum Isi Ulang (AMIU), terutama untuk air baku yang mengandung Total Coliforms maupun Fecal Coliforms yang menyebabkan kualitas air minum isi ulang tidak bisa terkontrol dengan baik. Sistem pengolahan air minum pada depot air minum isi ulang masih mempergunakan karbon aktif untuk menghilangkan bau dan penggunaan klorin sebagai desinfektan untuk membunuh mikroorganisme yang ada dalam air. Karbon aktif memiliki kelemahan sulit diregenerasi sehingga diperlukan biaya yang cukup besar untuk mengganti karbon aktif yang baru. Sedangkan klorin merupakan zat kimia yang cukup berbahaya bagi kesehatan manusia jika kuantitasnya tidak terkontrol dengan baik. Pengolahan air menggunakan sistem plasma merupakan salah satu cara untuk menghasilkan air yang layak dikonsumsi masyarakat dari segi aspek kesehatan. Plasma di dalam air akan menghasilkan spesies aktif seperti OH -, H +, O 3 dan H 2 O 2. Hampir seluruh spesies aktif ini memiliki potensial oksidasi yang tinggi dan berpotensi membunuh mikroorganisme serta menguraikan senyawa organik yang berada dalam air (Sun dkk, 1997). Kelebihan lain dari sistem plasma dalam air ini adalah dapat menghasilkan sinar ultraviolet serta gelombang kejut (shockwaves) yang juga dapat membunuh mikroorganisme dan menguraikan senyawa organik dalam air (Robinson dkk, 1973). Penelitian ini dilakukan guna mengamati laju penghilangan mikroorganisme dan laju degradasi senyawa organik pada sampel air yang melewati sistem pengolahan plasma tegangan tinggi Dielectric Barrier Discharge (DBD). Selain itu, kualitas air yang dihasilkan juga diamati melalui parameter-parameter pendukung seperti ph, Oxidation Reduction Potential (ORP) dan Electrical Conductivity (EC). Metodologi Percobaan Sistem plasma metode DBD dari penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1. Peralatan penelitian yang dipakai terdiri dari generator tegangan tinggi AC, reaktor plasma,
elektroda, probe tegangan dan arus, osiloskop dan komputer. Gambar 1. Skema Penelitian Sistem Plasma Dielectric Barrier Discharge Sumber Pulsa Generator tegangan tinggi AC digunakan untuk membangkitkan plasma dalam air. Derajat ionisasi plasma dikontrol dengan memvariasikan input tegangan AC yang berkisar antara 10, 13 dan 15 kv. Tegangan dan arus diukur dengan menggunakan osiloskop (Tektronik TDS220) melalui probe tegangan tinggi dan probe arus. Reaktor terbuat dari gelas piala 250 ml dengan elektroda jarum yang dihubungkan dengan tegangan tinggi AC ditempatkan dibagian atas reaktor dan elektroda bidang yang dihubungkan ke ground ditempatkan dibagian bawah reaktor. Bahan Sampel bahan baku mikroorganisme berupa aquades yang dicampur air selokan depan Kampus III Universitas Bung Hatta dengan pengenceran 200 kali yang telah terlebih dahulu diukur jumlah mikroorganisme (Fecal Coliform dan Total Coliform) awalnya. Sementara itu untuk sampel glukosa digunakan larutan standar glukosa 300 ppm yang diencerkan dengan menggunakan aquades. Analisis Sampel Analisis kandungan mikroorganisme (Fecal Coliform dan Total Coliform) sampel dilakukan di Laboratorium Kesehatan Provinsi Sumatera Barat karena laboratorium ini sudah terakreditasi. Sedangkan analisis kandungan C-organik dilakukan di Labratorium Jurusan Teknik Lingkungan Universitas Andalas. Sementara itu, analisa ph dilakukan dengan ph meter, konduktivitas dengan conductivity meter dan ORP dengan ORP meter keluaran Martini Instrument (MI 150 Bench Meter). Hasil dan Pembahasan Pengaruh Tegangan Terhadap Penghilangan Mikroorganisme Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan diperoleh hasil bahwa efisiensi penghilangan mikroorganisme (Fecal Coliforms dan Total Coliforms) akan meningkat seiring dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Tegangan 10 kv yang diberlakukan pada air sampel selama 60 menit dapat menghilangkan Fecal Coliforms dan Total Coliforms sebesar 47,06 % sedangkan pada tegangan 13 kv, efisiensi penghilangan Fecal Coliforms dan Total Coliforms dan meningkat menjadi sebesar 67,65 %. Peningkatan tegangan menjadi
15 kv memberikan hasil bahwa efisiensi penghilangan Fecal Coliforms dan Total Coliforms adalah 76,47 %. membunuh mikroorganisme dengan cara elektroporasi, yaitu melubangi membran sel akibat adanya pengaruh muatan listrik oleh ion-ion dan elektron sehingga mengakibatkan deaktivasi mikroorganime (Mendis et al, 2003). Selain itu, spesies aktif yang dihasilkan akan mendegradasi DNA sehingga mikroorganisme seperti Fecal Coliforms dan Total Coliforms menjadi tidak aktif (Heesch et al, 2000). Pengaruh Tegangan Terhadap Penghilangan C-Organik Gambar 2. Pengaruh Tegangan Terhadap Bakteri Total Coliforms dan Fecal Coliforms (a) 10 kv (b) 13 kv (c) 15 kv Kondisi ini sesuai dengan teori bahwa semakin tinggi peningkatan tegangan yang diberikan akan berbanding lurus dengan efisiensi penghilangan mikroorganisme (Fecal Coliforms dan Total Coliforms). Semakin meningkat tegangan yang diberikan maka spesies aktif seperti OH -, H +, O 3 dan H 2 O 2 yang dihasilkan akan semakin meningkat pula. Spesies aktif ini akan Gambar 3. Pengaruh Tegangan Terhadap Penghilangan C-Organik Berdasarkan gambar 3 dapat dilihat bahwa nilai efisiensi pengurangan C-Organik akan meningkat seiring dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Pada tegangan 10 kv yang diberlakukan pada air sampel selama 60 menit efisiensi pengurangan C-organik sebesar 21,74%, sedangkan pada tegangan 13 kv, efisiensi pengurangan adalah sebesar 32,25%. Peningkatan tegangan menjadi 15 kv memberikan nilai
efisiensi pengurangan C-organik sebesar 39,13%. Kondisi ini sesuai dengan teori bahwa semakin tinggi tegangan arus lisrik yang diberikan, maka efisiensi pengurangan C-Organik akan semakin meningkat pula. Hal ini disebabkan oleh peningkatan tegangan akan meningkatkan derajat ionisasi air sehingga dihasilkan lebih banyak spesies aktif seperti OH -, H +, O 3 dan H 2 O 2 yang mampu mendegradasi senyawa organik (Sugiarto, 2005). Pengaruh Tegangan Terhadap ph, ORP dan EC Pengaruh tegangan terhadap ph, ORP dan EC ditampilkan pada Gambar 4a. Hasil pengukuran menunjukkan dengan perbedaan besar tegangan pembangkit plasma tidak terlalu berpengaruh terhadap perubahan ph air. Nilai ph umumnya masih berada pada rentang 6,3 7,3 dan berada pada batasan baku mutu yang telah ditetapkan. Sedangkan peningkatan tegangan pembangkit plasma juga akan meningkatkan nilai ORP yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Menurut Suslow (2004), ORP merupakan nilai kemampuan sistem untuk melakukan reaksi oksidasi reduksi dan dapat digunakan untuk memonitor kandungan mikroorganisme didalam air. Semakin tinggi nilai ORP air, semakin mudah reaksi oksidasi terjadi dan semakin banyak membran sel yang rusak dan mati sehingga kualitas air semakin meningkat. Gambar 4. Pengaruh Tegangan Terhadap Parameter Kualitas Air (a) ph (b) ORP (c) EC Sementara itu, pada gambar 4c dapat dilihat bahwa nilai EC (Electrical Conductivity) pada tegangan 10 kv yang diberlakukan pada air sampel selama 60 menit yaitu sebesar 158,6 µs sedangkan pada tegangan 13 kv, nilai EC mengalami penurunan menjadi 105,8 µs. Peningkatan tegangan menjadi 15 kv memberikan hasil bahwa nilai EC mengalami peningkatan yaitu sebesar 175,1 µs. Hal ini tidak sesuai
dengan teori bahwa peningkatan tegangan akan berbanding lurus dengan nilai EC. Penyimpangan ini terjadi disebabkan oleh pembacaan alat ukur EC yang tidak stabil akibat pengaruh radiasi yang dihasilkan oleh alat generator plasma tegangan tinggi. Kesimpulan Penghilangan glukosa dan mikroorganisme (Fecal Coliform dan Total Coliform) menggunakan sistem plasma dielectric barrier discharge (DBD) telah dilakukan dengan mempelajari pengaruh tegangan terhadap kandungan mikroorganisme, C-organik, ORP, ph, dan konduktivitas. Tegangan yang diinjeksikan ke dalam air minum adalah sebesar 10, 13 dan 15 kv. Hasil penelitian menunjukkan, ratarata efisiensi penghilangan bakteri Fecal Coliform dan Total Coliform berkisar 47-76,5 % setelah diberi tegangan 10, 13 dan 15 kv selama 60 menit. Selain itu, efisiensi penghilangan C-organik berkisar antara 21,7-39,1%. Nilai ini juga diikuti dengan kenaikan ORP dan konduktivitas yang kualitas air sampel. ph air minum yang dihasilkan berada pada rentang 6,3-7,3 dan masih berada dalam batas baku mutu yang telah ditetapkan. Hasil penelitian ini akan menjadi dasar perancangan alat untuk sistem pengolahan air minum DBD secara kontinyu. Ucapan Terima Kasih Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada DIKTI yang telah membiayai penelitian ini melalui DIPA Kopertis X No. 032.04.2.532476/2013 Tanggal 5 Desember 2012, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi No. 019/Kontrak/010/KM/2013 tanggal 18 Februari 2013. Daftar Pustaka Dors, Miroslaw, 2011, Plasma For Water Treatment, Poland, Polish Academy of Sciences. Hazmi A., Desmiarti R., Bayu H., Lilla, 2010, Pengolahan Air Limbah Dengan Sistem Plasma: Studi Literatur. Proceeding KonNas PBKL-2010 ISSN: 2087-6343. hal 114-117. Padang 4-5 Nov. Hazmi A., Desmiarti R. Eka PW, 2011, Penghilangan Mikroorganisme dalam Air Minum dengan Pulsa Tegangan Tinggi, Prosiding SNTK TOPI, Pekan Baru, Hal. DLL03. 13-16. 21-22 Juli. Hazmi A., Desmiarti R. Eka PW, 2011, Penghilangan Mikroorganisme dalam Air Minum dengan Dielectric Barrier Discharge, Jurnal Rekayasa Elektrika, Vol. 10, No. 1. Heesch, E.J.M., Pemen, A.J.M., Huijbrechts, A.H.J., van der Laan, P.C.T., Pissinski, K.J., Zanstra, G.J., de Jong, 2000, IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 28, p. 137. Joshi A. A, B. R. Locke, P. Arce, W. C. Finney., 1995, Formation of Hydroxyl Radical, Hydrogen Peroxide and Aqueous Electrons by Pulsed Streamer Corona Discharge in Aqueous Solution, J. Hazard Materials, Vol. 44. Robinson J. W, M. Ham, A. N. Balaster, 1973, Ultraviolet Radiation from
Electrical Discharges in Water, J. Aplied Physics, Vol. 44. Sato, M et al., 2007, Decomposition of Phenol in Water Using Water Surface Plasma in Wetted-wall Reactor, International Journal of Plasma Environmental Science & Technology Vol. 1, No. 1. Sugiarto A. T., 2005, Investigasi Spark Discharge dalam Air Dengan Metode Spektroskopik, Tangerang, Pusat Penelitian KIM-LIPI. Sugiarto A. T., 2006, Electrical Discharge dalam Air dan Aplikasinya dalam Pengukuran Senyawa Organik, Bandung, Prosiding Seminar Nasional Tenaga Listrik dan Mekanik. Sun B., M. Sato, J. S. Clements, 1997, Optical Study of Active Species Produced by a Pulsed Streamer Corona Discharge in Water, J. Electrostatics, 39. Tuhu Agung R, Hanry Sutan Winata, 2010, Pengolahan Air Limbah Industri Tahu Dengan Menggunakan Teknologi Plasma, Jurnal Ilmiah Teknik Lingkungan Vol.2 No. 2 hal 19-28.