Reduksi Chemical Oxygen Demand dan NH3-N

Reduksi Chemical Oxygen Demand dan NH3-N dengan Adsorpsi
Menggunakan Granular Activated Carbon pada Pengolahan Tersier Air
Limbah Domestik sebagai Air Daur Ulang untuk Pembilasan Toilet
1)
Febrina N.S.L.Tobing, 2)Setyo Sarwanto Moersidik, 3)Elkhobar M. Nazech
1,2,3)
Program Studi Teknik Lingkungan, Departemen Teknik Sipil, Universitas Indonesia
[email protected]
Abstrak
Daur ulang air limbah domestik semakin banyak diterapkan di dunia sebagai salah satu solusi alternatif untuk
menangani masalah kelangkaan air. Penelitian ini dilakukan untuk menilai kinerja granular activated carbon dengan
diameter bervariasi sebagai pengolahan tersier dalam mereduksi Chemical Oxygen Demand dan NH3-N untuk
mencapai standar air daur ulang untuk pembilasan toilet di lokasi Perpustakaan Pusat UI. Metode yang digunakan
adalah uji isotherm Freundlich dengan sistem batch dan uji kolom karbon aktif dengan sistem kontinu. Untuk
parameter COD, kapasitas adsorpsi (Kf) dan intensitas adsorpsi (1/n) yang diperoleh dari uji isotherm sebesar 0,1482
dan 0,545 untuk karbon aktif (8 x 16) mesh; 0,2273 dan 0,4743 untuk karbon aktif (8 x 30) mesh. Sementara untuk
parameter NH3-N, nilai Kf dan 1/n sebesar 0,0028 dan 1,7135 untuk karbon aktif (8 x 16) mesh; 0,0066 dan 1,4727
untuk karbon aktif (8 x 30) mesh. Dari penelitian juga diperoleh laju penggunaan karbon untuk menurunkan kadar
COD hingga mencapai standar kualitas kelas I PP 82 tahun 2001 yaitu 38,367 gr/l untuk karbon aktif (8 x 16) mesh
dan 33,251 gr/l untuk karbon aktif (8 x 30) mesh. Untuk parameter NH3-N, laju penggunaan karbon aktif (8 x 16)
mesh sebesar 33,377 gr/l dan 31,313 gr/l untuk karbon aktif (8 x 30) mesh. Disimpulkan bahwa karbon aktif (8 x 30)
mesh lebih baik dalam menurunkan kadar COD dan NH3-N dibandingkan karbon aktif (8 x 16) mesh. Karbon aktif
juga memiliki kemampuan untuk menurunkan kadar COD hingga 0 mg/l dan memenuhi standar kualitas air kelas I
pada PP no. 82 tahun 2001, namun kadar NH3-N terendah sebesar 11,75 mg/l belum mencapai standar tersebut.
Chemical Oxygen Demand and NH3-N Reduction Using Granular Activated Carbon
Adsorption as Tertiary Treatment of Domestic Wastewater for Toilet Flushing
Abstract
Domestic wastewater recycling is increasingly practiced throughout the world as an alternative solution to deal with
water scarcity. This study was conducted to assess the performance of granular activated carbon with varying
diameter as tertiary treatment to reduce Chemical Oxygen Demand and NH3-N to reach the standard of recycled
water for flushing toilets at Perpustakaan Pusat UI. The experimental method were Freundlich isotherm test in batch
system and activated carbon column test in continuous systems. For COD, the adsorption capacity (Kf) and
adsorption intensity (1/n) obtained from the isotherm test were 0.1482 and 0,545 for activated carbon (8 x 16) mesh;
0.2273 and 0,4743 for activated carbon (8 x 30) mesh, while for NH3-N the results were 0.0028 and 1,7135 for
activated carbon (8 x 16) mesh; 0.0066 and 1,4727 for activated carbon (8 x 30) mesh. It was also obtained from this
study that the carbon usage rates of COD to reach the first class standard quality of PP 82/2001 were 38,367 g/l for
activated carbon (8 x 16) mesh and 33,251 g/l for activated carbon (8 x 30) mesh. For NH3-N parameter, the usage
rates of carbon (8 x 16) mesh was 33,377 g/l and 31,313 g/l for activated carbon (8 x 30) mesh. It was concluded
that activated carbon (8 x 30) mesh was better in lowering COD and NH3-N than activated carbon (8 x 16) mesh.
Activated carbon also had the ability to reduce COD up to 0 mg/l and meet water quality standards Class I PP
82/2001, but the lowest NH3-N concentration (11,75 mg/l) had not reach that quality standard.
Keywords: Domestic wastewater, granular activated carbon, recycled water
1
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Pendahuluan
Latar Belakang
Saat ini, daur ulang air limbah domestik semakin banyak diterapkan di dunia sebagai
salah satu solusi alternatif untuk menangani masalah kelangkaan air. Upaya untuk mendaur
ulang air ini dapat diterapkan terutama pada gedung-gedung di daerah perkotaan dan rumah
tangga untuk mengantisipasi persediaan air yang sedikit dan harganya yang mahal serta untuk
mendukung pembangunan perkotaan yang ramah lingkungan. Sistem inilah yang diharapkan
dapat diaplikasikan untuk mengolah air limbah domestik Gedung Perpustakaan Pusat UI Depok.
Hal tersebut dilakukan dengan penambahan unit pengolahan tersier berupa kontaktor karbon
aktif setelah pengolahan biologis dengan biofilter anaerob-aerob. Air yang telah melalui
pengolahan tersier tersebut kemudian akan digunakan kembali sebagai air pembilasan (flushing)
toilet. Dalam penelitian ini, pembilasan toilet merupakan tujuan pemanfaatan air daur ulang
dengan alasan kebutuhan air untuk keperluan toilet sangat besar yaitu sekitar 26,7 % dari total
penggunaan air dan lebih besar jika dibandingkan dengan kebutuhan air untuk mandi yang hanya
16,8%. (Americans Water Works Association Research Foundation, 1999).
Penggunaan karbon aktif dan adanya sistem daur ulang air untuk keperluan pembilasan
toilet pada pengolahan air limbah gedung ini menarik untuk dikaji lebih lanjut. Sebagaimana
telah diketahui, karbon aktif memiliki porositas internal tinggi, sehingga merupakan adsorben
yang baik untuk mengadsorpsi bahan organik, residu anorganik, serta rasa dan bau dari air
limbah (Metcalf & Eddy, 2003). Selain itu, adsorpsi kontaminan pada karbon aktif merupakan
adsorpsi fisik dan reversible (Roy, 1995 dalam Sihombing, 2007), sehingga memungkinkan
karbon aktif untuk dapat diregenerasi.
Oleh karena itu, dilakukan penelitian untuk menganalisis kualitas air hasil pengolahan
tersier bermedia karbon aktif dengan standar kualitas air kelas I pada Peraturan Pemerintah No.
82 Tahun 2001 sebagai standar air bilasan toilet. Selain itu, beragamnya ukuran karbon aktif
yang beredar di pasaran, belum diketahuinya kapasitas dan intensitas adsorpsi bahan organik dan
bau oleh karbon aktif dengan ukuran bervariasi, belum diketahuinya laju penggunaan karbon
terhadap adsorpsi bahan organik dan bau, serta pengaruh waktu paparan terhadap aliran air
limbah secara kontinu membuat hal tersebut penting untuk dikaji pada pada penelitian ini.
Dengan kata lain, penelitian ini bertujuan untuk mengoptimalisasi sistem pengolahan
tersier karbon aktif dengan mengkaji “Reduksi Chemical Oxigen Demand dan NH3-N dengan
2
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Adsorpsi Menggunakan Granular Activated Carbon pada Pengolahan Tersier Air Limbah
Domestik sebagai Air Daur Ulang untuk Pembilasan Toilet”.
Perumusan Masalah
1.
Belum diketahuinya kapasitas dan intensitas adsorpsi bahan organik yang terukur dengan
COD dan NH3-N dari air limbah domestik oleh karbon aktif (8 x 16) mesh dan (8 x 30)
mesh dengan model adsorpsi Freundlich.
2.
Belum diketahuinya pengaruh diameter dan dosis granular activated carbon dari
tempurung kelapa terhadap penurunan kadar COD dan NH3-N dari air limbah domestik
efluen biofilter dengan sistem batch.
3.
Belum diketahuinya laju penggunaan karbon aktif (8 x 16) mesh dan (8 x 30) mesh untuk
menurunkan kadar COD dan NH3-N hingga mencapai standar kualitas air daur ulang untuk
pembilasan toilet.
4.
Belum diketahuinya pengaruh waktu paparan terhadap kadar bahan organik dan NH3-N
yang teradsorpsi pada pengolahan tersier air limbah domestik dengan sistem kontinu.
5.
Belum diketahuinya kualitas efluen pengolahan tersier karbon aktif jika dibandingkan
dengan standar kualitas air daur ulang untuk pembilasan toilet.
Tujuan Penelitian
1. Melakukan pengkajian kapasitas dan intensitas adsorpsi bahan organik yang terukur
dengan COD dan NH3-N dari air limbah domestik oleh karbon aktif (8 x 16) mesh dan (8
x 30) mesh dengan model adsorpsi Freundlich.
2. Menganalisis pengaruh diameter dan dosis granular activated carbon dari tempurung
kelapa terhadap penurunan kadar COD dan NH3-N dari air limbah domestik efluen
biofilter dengan sistem batch.
3. Mengetahui laju penggunaan karbon aktif (8 x 16) mesh dan (8 x 30) mesh untuk
menurunkan kadar COD dan NH3-N hingga mencapai standar kualitas air daur ulang
untuk pembilasan toilet.
4. Menganalisis pengaruh waktu paparan terhadap kadar COD dan NH3-N yang teradsorpsi
pada pengolahan tersier air limbah domestik dengan sistem kontinu.
5.
Mengkaji kualitas efluen kolom karbon aktif dengan standar kualitas air daur ulang untuk
pembilasan toilet.
3
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Tinjauan Teoritis
Berdasarkan Keputusan Menteri Lingkungan Hidup No.112 Tahun 2003, air limbah
domestik didefinisikan sebagai air limbah yang berasal dari usaha dan atau kegiatan pemukiman,
rumah makan, perkantoran, perniagaan, apartemen dan asrama, baik berupa air bekas
(greywater) dan air kotor/tinja (blackwater). Di dalam air limbah terkandung materi organik,
mikroorganisme patogen, dan nutrien yang dapat mengganggu kesehatan masyarakat dan
lingkungan. Karena alasan-alasan tersebut, sebelum dibuang kembali ke lingkungan, air limbah
harus diolah terlebih dahulu untuk menghilangkan bahan pencemar dan mencapai suatu baku
mutu tertentu sesuai peruntukannya. Selanjutnya, air limbah yang telah diolah tersebut dapat
digunakan kembali sebagai salah satu upaya konservasi air (Metcalf & Eddy, 2003). Bentuk
pemanfaatan air hasil daur ulang ini sangat beragam, mulai dari irigasi pertanian, irigasi
lansekap, aktivitas industri, pengisian kembali (recharge) air tanah, rekreasi dan pemeliharaan
lingkungan, kebutuhan non-potable, dan kebutuhan potable (Metcalf & Eddy, 2007).
Agar dapat digunakan kembali, kualitas air limbah perlu ditingkatkan sehingga
diperlukan pengolahan lanjutan atau pengolahan tersier, salah satunya dengan menggunakan
karbon aktif. Karbon aktif memiliki kemampuan untuk menghilangkan senyawa organik yang
terbentuk dengan ikatan organik alami (bahan penyebab bau, rasa, dan warna) maupun ikatan
halogen sintetis (pestisida dan bahan pelarut). Karbon aktif ini terbentuk dari hasil pembakaran
material dengan kandungan karbon tinggi, seperti almond, kelapa, sekam kenari, kayu, atau
batubara dan diaktifkan dengan paparan gas pengoksidasi pada suhu tinggi sehingga
mengembangkan struktur pori (Water Environment Federation and American Society of Civil
Engineers (WEF & ASCE), 1992). Karbon aktif yang dihasilkan nantinya diklasifikasikan
menjadi Granular Activated Carbon (GAC) dan Powdered Activated Carbon (PAC) (Metcalf &
Eddy, 2003).
Karbon aktif yang memiliki porositas internal tinggi ini dapat menyerap kontaminan
dengan proses adsorpsi. Adsorpsi adalah proses terakumulasinya suatu substansi dalam larutan
pada pemukaan bidang sentuh (interface) (Metcalf & Eddy, 2003). Proses adsorpsi berlangsung
dengan tiga tahap, yaitu: film difussion, pore diffusion, dan adhesion molekul terlarut ke
permukaan karbon. Adsorpsi dimulai dari film difussion yang merupakan pemasukan molekul
terlarut yaitu adsorbat melalui permukaan film partikel karbon, kemudian dilanjutkan dengan
pore diffusion yang merupakan perpindahan molekul terlarut kedalam lokasi adsorpsi, dan proses
4
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
terakhir adalah adhesion/surface diffusion yang terjadi ketika molekul terlarut mengikuti
permukaan pori karbon (WEF & ASCE, 1992).
Kemampuan suatu adsorben dalam mengadsorpsi dapat diketahui dari kesetimbangan
adsorpsi (isotherm). Kesetimbangan adsorpsi adalah fungsi konsentrasi adsorbat yang dapat
diserap oleh adsorben dalam temperatur konstan. Dengan dilakukannya pengujian ini, akan
diketahui hubungan antara konsentrasi keseimbangan dengan jumlah zat yang teradsorpsi per
unit massa adsorben (Reynold & Richard, 1995).
Ada bermacam teori yang menjelaskan kesetimbangan adsorpsi ini. Salah satunya
adalah isotherm Freundlich yamg merupakan metode paling umum untuk mendeskripsikan
karakteristik karbon aktif yang digunakan pada pengolahan air dan air limbah (Metcalf & Eddy,
2003). Persamaannya adalah:
⁄
Dengan:
x/m = massa adsorbat per unit massa adsorben (mg adsorbat/g karbon aktif)
Ce = konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan setelah adsorpsi ( mg/l)
Kf = kapasitas adsorpsi Freundlich (mg adsorbat/g karon aktif) (l air/mg adsorbat)1/n
1/n = intensitas adsorpsi Freundlich
Nilai Kf diperoleh dari garis linear grafik logaritma hasil pengolahan data. Grafik
logaritma tersebut terdiri dari konsentrasi fase padatan (x/m) pada sumbu x dan konsentrasi fase
cairan (Ce) pada sumbu y. Besarnya kapasitas adsorpsi (Kf) yang dihasilkan dipengaruhi oleh
tingkat reduksi kadar kontaminan sedangkan nilai intensitas adsorpsi (1/n) dipengaruhi oleh
perubahan reduksi kontaminan terhadap dosis adsorben (Devi et all., 2008). Menurut Treybal
(1981), nilai n yang berada diantara 1 sampai 10 merupakan kondisi adsorpsi yang
menguntungkan. Nilai 1/n yang semakin kecil menunjukkan ikatan adsorpsi yang kuat,
sebaliknya, nilai 1/n besar mengindikasikan ikatan adsorpsi lemah.
Dari nilai Kf dan 1/n di atas kemudian dapat diketahui laju penggunaan karbon atau
jumlah karbon yang dikonsumsi per liter air limbah yang diolah dengan persamaan (Metcalf &
Eddy, 2003):
5
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Penggunaan karbon aktif granular dalam pengolahan tersier biasanya dilakukan dengan
mengalirkan air limbah ke dalam lapisan karbon aktif di dalam reaktor/kontaktor. Aliran air
limbah dalam kontaktor ini dapat diatur sesuai dengan diinginkan, baik dengan sistem aliran ke
atas maupun ke bawah. Untuk menentukan ukuran dari reaktor GAC, ada beberapa hal yang
menjadi pertimbangan, yaitu waktu kontak, hydraulic loading rate, tinggi lapisan karbon, dan
jumlah kontaktor. Jumlah kontaktor yang disarankan paling sedikit dua buah untuk dapat tetap
beroperasi meskipun dlakukan regenerasi atau pergantian karbon.
Metode Penelitian
Variabel Penelitian
Variabel - variabel yang digunakan dalam penelitian ini meliputi:
1. Variabel bebas, yang terdiri dari:
a. Dosis GAC pada uji isotherm sebesar 1, 2, 4, 6, 8, dan 10 gram dalam 100 ml air sampel.
Kisaran dosis ini diambil berdasarkan penelitian terdahulu sebesar 0,1 hingga 10 g/100
ml (Devi et al., 2008)
b. Diameter GAC untuk uji isotherm dan uji kolom yaitu (8x30) mesh dan (8x16) mesh.
c. Waktu paparan air limbah pada kolom GAC yang dijalankan secara kontinyu adalah 30,
60, 90, 120, 150, dan 180 menit.
d. Ukuran kolom GAC
Dengan debit 15 l/jam dan surface loading rate 4800 liter per jam/m2 (range 4800 24000 liter per jam/m2) (U.S. Army Corps of Engineers,2001), serta waktu kontak 5
menit (range 5 – 30 menit dari Metcalf (2007)) , maka tinggi kolom GAC adalah:
Luas penampang
Diameter
=
√
Tinggi
e. Waktu kontak pada uji isotherm adalah 60 menit, berdasarkan penelitian terdahulu,
sebesar 60-70 menit (Devi et al., 2008) dan waktu kontak yang digunakan pada uji kolom
adalah 5 menit.
6
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
f. Kualitas air limbah awal yang telah melewati biofilter anaerob-aerob dengan parameter
yang digunakan berupa Chemical Oxygen Demand (COD) dan NH3-N.
2. Variabel terikat (dependent variable)
Variabel terikat dalam penelitian ini adalah keefektifan GAC dalam menurunkan COD
dan NH3-N, laju penggunaan karbon, debit efluent GAC.
Prosedur Penelitian
1. Uji Isotherm
a. Mempersiapkan karbon aktif
b. Menimbang karbon aktif dengan massa masing-masing 1, 2, 4, 6, 8, dan 10 gram
kemudian memasukkannya ke dalam erlenmeyer yang telah berisi masing-masing 100 ml
sampel
c. Menutup erlenmeyer dengan aluminium foil kemudian diaduk dengan shaker 150 rpm
selama 60 menit
d. Penyaringan air yang telah diaduk dengan Whatsmann no. 1822-047.
e. Pemeriksaan COD dan NH3-N setelah pengadukan
2. Uji Kolom
a. Mempersiapkan karbon aktif kemudian mengisi masing-masing kolom dengan GAC
diameter (8 x 16) mesh pada kolom 1 dan (8 x 30) mesh pada kolom 2
b. Mengalirkan air limbah domestik secara kontinyu dengan sistem upflow melewati kolom
1 dan 2
c. Menampung efluen kolom karbon aktif 1 dan 2 sesuai dengan interval waktu yang sudah
ditetapkan untuk dilakukan pemeriksaan terhadap parameter yang sudah ditentukan.
Pemeriksaan laboratorium untuk parameter COD dan NH3-N
Desain Teknis Peralatan Penelitian
Pada sistem kontinu, alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah tabung kontaktor
GAC yang terhubung dengan bak pengendapan akhir biofilter anaerob-aerob. Air limbah hasil
pengolahan biologis dialirkan dengan debit aliran 15 l/jam dan waktu kontak 5 menit ke dalam
kontaktor GAC yang berupa fixed-bed column dengan spesifikasi kontaktor GAC sbb:
7
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Tabel 1. Spesifikasi Kontaktor GAC
Uraian
Keterangan
Bahan
PVC
Diameter bed
6,35 cm
Tinggi bed
40 cm
Volume bed
1,25 liter
Tinggi ruang bebas
10 cm
Hasil Penelitian
Hasil pengolahan air limbah efluen biofilter dengan proses fisik-kimia menggunakan
karbon aktif ditunjukkan pada Tabel di bawah ini.
Tabel 2. Penurunan NH3-N dengan Variasi Dosis Karbon aktif
Ukuran
Partikel
GAC
8x16
8x30
m
(g/l)
Co
(mg/l)
Ce
(mg/l)
X
(mg/l)
x/m
(mg/g)
Removal
(%)
10
20
40
60
80
100
10
20
40
60
80
100
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
27,4
20,6
19,9
15,9
13,3
11,3
10,9
19,2
18,4
15,6
14,1
9,7
9
6,8
7,5
11,5
14,1
16,1
16,5
8,2
9
11,8
13,3
17,7
18,4
0,68
0,375
0,2875
0,235
0,20125
0,165
0,82
0,45
0,295
0,221667
0,22125
0,184
24,82
27,37
41,97
51,46
58,76
60,22
29,93
32,85
43,07
48,54
64,60
67,15
8
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Tabel 3. Penurunan COD dengan Variasi Dosis Karbon Aktif
Ukuran
Partikel
GAC
8x16
8x30
m
(g/l)
Co
(mg/l)
Ce
(mg/l)
X
(mg/l)
x/m
(mg/g)
Removal
(%)
10
20
40
60
80
100
10
20
40
60
80
100
64
64
64
64
64
64
64
64
64
64
64
64
48
40
32
24
16
8
48
40
24
16
8
8
16
24
32
40
48
56
16
24
40
48
56
56
1,6
1,2
0,8
0,67
0,6
0,56
1,6
1,2
1
0,8
0,7
0,56
25
37,5
50
62,5
75
87,5
25
37,5
62,5
75
87,5
87,5
Tabel 4. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas NH3-N Efluen
Ukuran
Menit kePartikel
Kualitas Limbah Awal
30
60
90
8 x 16 mesh
120
150
180
30
60
90
8 x 30 mesh
120
150
180
Ce (mg/l)
27,25
11,75
20
28
30
31,5
31,75
10,5
19
19
26
31,25
31,5
9
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Tabel 5. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas COD Efluen
Ukuran
Menit kePartikel
Kualitas Limbah Awal
30
60
90
8 x 16 mesh
120
150
180
30
60
90
8 x 30 mesh
120
150
180
Ce (mg/l)
56
0
0
8
8
8
16
0
0
0
8
16
16
Pembahasan
Uji Isotherm Freundlich
1. NH3-N
a. Pengaruh Dosis Karbon Aktif terhadap Penurunan NH3-N
Data yang disajikan pada Tabel 2 menunjukkan adanya penurunan NH3-N yang
signifikan seiring dengan meningkatnya dosis karbon aktif pada uji isotherm secara batch.
Efisiensi tertinggi tersebut dicapai dengan dosis karbon aktif sebesar 100 gr/l air limbah.
Tabel 2 juga menunjukkan nilai x/m yang berbanding lurus dengan nilai Ce. Secara
tidak langsung hal ini menunjukkan bahwa x/m dan Ce berbanding terbalik dengan dosis. Hal
yang demikian terjadi karena nilai Ce yang semakin menurun diakibatkan oleh penambahan
dosis. Dengan kata lain, penambahan dosis (m) akan meningkatkan kadar NH3-N yang
diadsorpsi (x) dan menurunkan konsentrasi akhir NH3-N (Ce). Hal ini sesuai dengan rumus
Freundlich, yaitu:
⁄
Selanjutnya, Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan terjadinya kenaikan efisiensi
penghilangan kadar NH3-N seiring dengan bertambahnya dengan variasi dosis karbon aktif.
10
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Semakin besar dosis karbon aktif maka akan semakin besar luas permukaan total yang
mengadsorpsi NH3-N. Namun, pada akhirnya grafik akan konstan yang mengindikasikan telah
tercapainya titik efisiensi optimal.
Gambar 1. Grafik Removal NH3-N (8 x 16) Mesh
removal (%)
80,00
y = 24,141e0,0105x
R² = 0,9088
60,00
40,00
20,00
0,00
0
20
40
60
80
100 120
dosis (gram/l)
removal (%)
Gambar 2. Grafik Removal NH3-N (8 x 30) Mesh
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
y = 27,894e0,0095x
R² = 0,9716
0
20
40
60
80
100
120
dosis (gram/l)
Hasil pengujian juga mengindikasikan ukuran partikel yang semakin kecil memiliki
kinerja penurunan NH3-N yang lebih baik jika dibandingkan dengan karbon aktif berukuran. Hal
ini juga terlihat nantinya pada Tabel 5, dimana nilai kapasitas adsorpsi karbon aktif (8 x 30)
mesh lebih besar dibandingkan dengan (8 x 16) mesh) dan memiliki ikatan adsorpsi yang lebih
kuat. Dengan dosis yang sama, jumlah butiran karbon aktif berukuran kecil akan lebih
banyakdan semakin besar luas permukaan pori totalnya dibandingkan dengan karbon aktif
berukuran besar.
11
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
b. Kapasitas dan Intensitas Adsorpsi NH3-N oleh Karbon Aktif
Gambar 3. Grafik Isotherm NH3-N (8 x 16) Mesh
1
1
10
x/m
y = 0,0028x1,7135
R² = 0,866
0,1
Ce (mg/l)
Gambar 4. Grafik Isotherm NH3-N (8 x 30) Mesh
1
10
y = 0,0066x1,4727
R² = 0,704
x/m
1
0,1
Ce (mg/l)
Dengan menggunakan persamaan garis dari grafik isotherm tersebut, maka akan
diketahui kinerja adsorpsi NH3-N dari nilai kapasitas dan intensitas adsorpsi, yaitu:
Tabel 6. Nilai Kf dan 1/n untuk Parameter NH3-N
Ukuran Parameter
8 x 16
NH3-N
8 x 30
Kf
0,0028
0,0066
1/n
1,7135
1,4727
Hasil pengujian ini menunjukkan bahwa karbon aktif (8 x 30) mesh memiliki kapasitas
adsorpsi NH3-N yang lebih baik dibandingkan dengan karbon aktif (8 x 16) mesh. Hal ini
mengindikasikan bahwa semakin kecil ukuran partikel maka akan semakin tinggi kapasitas dan
12
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
efisiensi removal-nya. Tabel 6 juga memperlihatkan bahwa karbon aktif berukuran (8 x 16) mesh
memiliki intensitas adsorpsi yang lebih tinggi dibandingkan dengan karbon aktif berukuran (8 x
30) mesh. Menurut Treybal (1981), meskipun memiliki intensitas yang lebih tinggi, ikatan
adsorpsi yang terjadi lebih lemah, sehingga dapat dikatakan bahwa ikatan adsorpsi yang lebih
kuat dimiliki oleh karbon aktif ( 8 x 30) mesh. Dari nilai kapasitas serta intensitas tersebut, maka
dapat disimpulkan bahwa karbon aktif (8 x 30) mesh lebih baik untuk menurunkan NH3-N
dibandingkan dengan karbon aktif (8 x 16 mesh) karena memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih
tinggi dan ikatan adsorpsi yang lebih kuat.
Apabila dibandingkan dengan literatur, maka dapat diketahui bahwa kapasitas adsorpsi
NH3-N oleh karbon aktif tempurung kelapa ini lebih besar dibandingkan dengan karbon aktif
sekam padi (0,0009). Selain itu, nilai intensitas adsorpsinya berada di antara nilai intensitas (8 x
16) mesh dan (8 x 30 mesh), yaitu sebesar 1,6 (Kim, 1998).
c. Laju Penggunaan Karbon Aktif untuk Adsopsi NH3-N
Laju penggunaan karbon untuk menurunkan kadar NH3-N dari 27 mg/l hingga 0,5 mg/l
sesuai dengan standar kualitas air kelas I pada PP no. 82 tahun 2001 dengan menggunakan nilai
Kf dan 1/n yang diperoleh dari uji isotherm, yaitu:
Tabel 7. Nilai Laju Penggunaan Karbon untuk Parameter NH3-N
Ukuran Parameter
8 x 16
NH3-N
8 x 30
C0
27
27
Ce
0,5
0,5
LPK (g/l)
33,377
31,313
Dari tabel di atas dapat dikatakan bahwa dengan penurunan NH3-N yang sama, laju
penggunaan karbon aktif berukuran kecil akan lebih sedikit dibandingkan karbon aktif berukuran
besar. Oleh karena itu, dalam pengaplikasiannya lebih efisien untuk menggunakan karbon aktif
berukuran (8 x 30) mesh.
2. COD
a. Pengaruh Dosis Karbon Aktif terhadap Penurunan COD
Seperti yang terlihat dari Tabel 3, dengan variasi dosis yang sama, penurunan
kontaminan bahan organik oleh karbon aktif lebih signifikan jika dibandingkan dengan NH3-N,
13
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
yaitu sebesar 25-87,5 %. Terlihat juga bahwa efisiensi removal dengan menggunakan karbon
aktif (8 x 16) mesh hampir sama dengan efisiensi removal menggunakan karbon aktif (8 x 30)
mesh. Meskipun demikian, karbon aktif (8 x 30) mesh tetap dinilai lebih baik dibandingkan
dengan karbon aktif ( 8 x 16) mesh, karena memiliki nilai kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi
dan ikatan adsorpsi yang lebih kuat, seperti yang tampak pada Tabel 8.
Selanjutnya, nilai yang diperoleh dari Tabel 3 di-plot ke dalam grafik seperti yang
terlihat pada Gambar 5 dan Gambar 6. Grafik tersebut menunjukkan terjadinya kenaikan
efisiensi penghilangan kadar COD seiring dengan bertambahnya dengan variasi dosis karbon
aktif. Akan tetapi, berbeda dengan grafik penurunan NH3-N dimana tercapai titik konstan, grafik
penurunan COD untuk karbon (8 x 16) mesh terus mengalami peningkatan. Hal ini
mengindikasikan bahwa kemampuan karbon aktif dalam menurunkan COD lebih besar dari
87,5%.
Akan tetapi, hal yang sedikit berbeda terjadi pada karbon aktif (8 x 30) mesh, dimana
karbon tersebut sudah mencapai titik konstan pada dosis 100 g/l. Meskipun demikian, dari
Gambar 6 terlihat nilai R2 yang lebih kecil dibandingkan dengan nilai R2 pada Gambar 5,
sehingga diambil kesimpulan bahwa data removal COD dengan karbon aktif (8 x 16) mesh lebih
baik dibandingkan dengan data removal COD dengan karbon aktif (8 x 30) mesh. Efisiensi
penurunan COD yang lebih besar dari uji isotherm juga telah terbukti pada uji kolom karbon
aktif, dimana efisiensi penghilangan COD mencapai 100%.
removal (%)
Gambar 5. Grafik Removal COD (8 x 16) Mesh
120
100
80
60
40
20
0
y = 26,598e0,0129x
R² = 0,9323
0
20
40
60
80
100 120
dosis (gram/l)
14
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
removal (%)
Gambar 6. Grafik Removal COD (8 x 30) Mesh
120
100
80
60
40
20
0
y = 28,395e0,0134x
R² = 0,8397
0
20
40
60
80
100 120
dosis (gram/l)
b. Kapasitas dan Intensitas Adsorpsi Bahan Organik oleh Karbon Aktif
Isotherm bahan organik yang terukur dengan parameter COD disajikan dalam bentuk
grafik, seperti yang terlihat pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Gambar 7. Grafik Isotherm COD (8 x 16) Mesh
x/m
10
y = 0,1482x0,545
R² = 0,7447
1
1
10
0,1
100
Ce (mg/l)
Gambar 8. Grafik Isotherm COD (8 x 30) Mesh
x/m
10
y = 0,2273x0,4743
R² = 0,9297
1
1
10
0,1
Ce (mg/l)
15
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Besarnya nilai Kf dan 1/n untuk parameter COD terlihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 8. Nilai Kf dan 1/n untuk Parameter COD
Ukuran Parameter
8 x 16
COD
8 x 30
Kf
0,1482
0,2273
1/n
0,545
0,4743
Hasil pada tabel di atas menunjukkan bahwa kapasitas karbon aktif (8x30) mesh lebih
tinggi dibandingkan karbon aktif (8x16) mesh. Hal ini mengindikasikan bahwa karbon aktif (8 x
30) mesh memiliki tingkat reduksi COD yang lebih besar untuk setiap partikelnya dibandingkan
dengan karbon aktif (8 x 16) mesh. Selain itu, nilai intensitas adsorpsi bahan organik oleh karbon
aktif (8 x 16) mesh lebih tinggi dibandingkan dengan karbon aktif (8 x 30) mesh. Hal ini
mengindikasikan bahwa laju reduksi COD terhadap dosis karbon lebih besar terjadi pada karbon
(8 x 16) mesh. Meskipun demikian, nilai intensitas juga mempengaruhi ikatan adsorpsi yang
terjadi, dimana semakin tinggi intensitas maka ikatan adsorpsi semakin lemah. Maka dapat
dikatakan ikatan adsorpsi yang lebih tinggi dimiliki oleh karbon aktif (8 x 30) mesh. Oleh karena
itu, dapat disimpulkan bahwa karbon aktif (8 x 30) mesh lebih baik untuk menurunkan COD
dibandingkan dengan karbon aktif (8 x 16 mesh) karena memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih
tinggi dan ikatan adsorpsi yang lebih kuat.
Apabila dibandingkan dengan literatur, maka dapat diketahui bahwa kapasitas adsorpsi
bahan organik yang terukur dengan COD oleh karbon aktif tempurung kelapa ini lebih besar
dibandingkan dengan karbon aktif sekam padi, yaitu 0,0082. Selain itu, nilai intensitas
adsorpsinya juga lebih kecil dibandingkan nilai intensitas (8 x 16) mesh dan (8 x 30 mesh), yaitu
sebesar 0,265 (Kim et. Al., 1998).
c.
Laju Penggunaan Karbon untuk Adsorpsi Bahan Organik
Berikut adalah laju penggunaan karbon untuk menurunkan kadar COD dari 56 mg/l
hingga 5 mg/l sesuai dengan standar kualitas air kelas I pada PP no. 82 tahun 2001.
Tabel 9. Nilai Laju Penggunaan Karbon untuk Parameter COD
Ukuran Parameter
8 x 16
COD
8 x 30
Co
56
56
Ce
5
5
LPK (gr/l)
38,367
33,251
16
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Tabel 9 menunjukkan bahwa laju penggunaan karbon dalam penurunan kadar COD dari
56 mg/l menjadi 5 mg/l dengan karbon aktif (8 x 16) mesh adalah 38,367 gram/liter air limbah
sedangkan untuk karbon aktif (8 x 30) mesh adalah 33,251 gram/liter air limbah. Dari hal
tersebut dapat disimpulkan bahwa laju penggunaan karbon aktif berukuran lebih kecil akan
semakin sedikit untuk menurunkan kadar COD, sehingga dalam pengaplikasiannya lebih efisien
untuk menggunakan karbon aktif berukuran (8 x 30) mesh.
Uji Kolom
1. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas NH3-N Efluen
Gambar 9. Grafik Pengaruh Waktu Paparan terhadap Konsentrasi NH3-N
Konsentrasi NH3-N (mg/l)
35
30
25
20
15
10
5
0
8 x 16
mesh
0
30 60 90 120 150 180
Waktu Paparan (menit)
Dari Gambar 9 terlihat bahwa konsentrasi NH3-N terendah dapat tercapai pada menit
ke-30. Selanjutnya, konsentrasi NH3-N perlahan akan naik seiring dengan bertambahnya waktu
paparan karena kemampuan adsorpsinya akan semakin menurun. Hal ini terjadi akibat semakin
banyaknya NH3-N yang terakumulasi dalam karbon aktif. Pada akhirnya, karbon aktif akan
jenuh, yang terlihat pada menit ke-90 dimana konsentrasi akhirnya melebihi konsentrasi awal.
Dari uji kolom diketahui bahwa persen reduksi NH3-N yang lebih kecil dibandingkan
hasil uji isotherm. Hal ini kemungkinan besar disebabkan masih kurangnya waktu kontak (waktu
kontaminan diadsorpsi) meskipun waktu kontak yang dipilih sudah sesuai dengan kriteria desain.
Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa kualitas air efluen yang telah diolah dengan
karbon aktif ternyata masih belum mampu untuk menurunkan kandungan NH3-N dari 27,25 mg/l
menjadi 0,5 mg/l sesuai dengan PP no 82 tahun 2001.
17
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
2. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas COD Efluen
Gambar 10. Grafik Pengaruh Waktu Paparan terhadap Konsentrasi COD
Konsentrasi COD (mg/l)
20
15
10
8 x 16
mesh
5
0
0
30 60 90 120 150 180
Waktu Paparan (menit)
Tabel 5 dan Gambar 10 menunjukkan waktu paparan 30 hingga 90 menit merupakan
waktu optimum karbon aktif untuk menurunkan kadar COD hingga 0 mg/l. Setelah melewati
waktu tersebut, konsentrasi COD semakin meningkat perlahan seiring dengan bertambahnya
waktu paparan. Semakin lama karbon aktif terpapar air limbah, maka kemampuannya dalam
mengadsorpsi akan semakin menurun, akibat bertambahnya bahan organik yang terakumulasi
dalam karbon aktif. Namun, grafik ini belum menunjukkan karbon aktif jenuh terhadap bahan
organik.. Dari data tersebut juga terlihat bahwa kedua ukuran diameter karbon aktif sangat
efektif untuk menurunkan kadar COD dengan efisiensi penghilangan hingga 100 %.
Dari uji kolom, dapat disimpulkan bahwa karbon aktif mampu untuk menurunkan
kandungan COD dari 56 mg/l menjadi di bawah 10 mg/l sesuai dengan PP no. 82 tahun 2001.
Kesimpulan
1. Untuk parameter COD, nilai Kf dan 1/n sebesar 0,1482 dan 0,545 untuk karbon aktif (8 x 16)
mesh; 0,2273 dan 0,4743 untuk karbon aktif (8 x 30) mesh. Sementara untuk parameter NH3N, nilai Kf dan 1/n sebesar 0,0028 dan 1,7135 untuk karbon aktif (8 x 16) mesh; 0,0066 dan
1,4727 untuk karbon aktif (8 x 30) mesh.
2.
Pada sistem batch, karbon aktif (8 x 30) mesh memiliki kemampuan yang lebih baik dalam
menurunkan kadar NH3-N dibandingkan karbon aktif (8 x 16) mesh dengan efisiensi
tertinggi diperoleh pada dosis 100 g/l. Namun, kemampuan kedua karbon aktif tersebut
cenderung sama untuk menurunkan kadar COD.
18
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
3. Laju penggunaan karbon aktif untuk menurunkan kadar COD hingga mencapai standar
kualitas air daur ulang untuk pembilasan toilet (COD = 5 mg/l) adalah 38,367 gr/l untuk
karbon aktif (8 x 16) mesh dan 33,251 gr/l air limbah untuk karbon aktif (8 x 30) mesh.
Sedangkan, laju penggunaan karbon aktif untuk menurunkan kadar NH3-N hingga mencapai
standar kualitas air daur ulang untuk pembilasan toilet (NH3-N = 0,5 mg/l) adalah 33,377 gr/l
untuk karbon aktif (8 x 16) mesh dan 31,313 gr/l untuk karbon aktif (8 x 30) mesh.
4. Semakin besar waktu paparan, konsentrasi kontaminan akan semakin meningkat akibat
akumulasi kontaminan dalam karbon aktif dan suatu saat karbon aktif akan jenuh karena
tidak mampu untuk mengadsorpsi kontaminan lagi.
5. Dari uji kolom, karbon aktif dapat menurunkan kadar COD hingga 0 mg/l dan memenuhi
standar kualitas air kelas I pada PP no 82 tahun 2001 sebagai standar air daur ulang untuk
pembilasan toilet, namun karbon aktif belum mampu untuk menurunkan kadar NH3-N hingga
standar yang diinginkan.
Saran
1. Diharapkan adanya kajian tentang efektivitas karbon aktif sebagai pengolahan tersier untuk
menurunkan kadar NH3-N dan COD berdasarkan variasi waktu kontak.
2. Diharapkan adanya kajian tentang efektivitas karbon aktif sebagai pengolahan tersier dengan
parameter lainnya seperti yang ada pada standar kualitas air kelas I pada PP no 82 tahun 2001
sebagai standar air daur ulang untuk pembilasan toilet.
Kepustakaan
Americans Water Works Association Research Foundation. (1999). Residential End Uses of
Water.
Devi, R., Singh, V., Kumar, A. (2008). COD and BOD Reduction from Coffee Processing
Wastewater Using Avacado Peel Carbon. Journal of Bioresource Technology, 99, 18531860
Kim, K.S., Choi, H.C. (1998). Characteristic of Adsorption of Rice-Hull Activated Carbon.
Journal Water Science Technology, 38, 95-101.
Metcalf & Eddy. (2003). Wastewater Engineering, Treatment and Reuse (4th edition). New
York: McGraw-Hill Book.
19
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013
Metcalf & Eddy. (2007). Water reuse: Issues, Technologies, and Applications. New York:
McGraw-Hill Book.
Reynolds & Richards. (1996). Unit Operations and Process in Environmental Engineering(2nd
ed). Boston: PWS Publishing Company.
Sihombing, Johannes B. F. (2007). Penggunaan Media Filtran dalam Upaya Mengurangi Beban
Cemaran Limbah Cair Industri Kecil Tapioka. Skripsi, Departemen Teknologi Industri
Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institu Pertanian Bogor
Treybal, R.E. (1981). Mass Transfer Operations (3rd edition). McGraw-Hill Inc. New York.
U.S. Army Corps of Engineers. (2001). Adsorption Design Guide. Design Guide No. 1110-1-2.
Water Environment Federation and American Society of Civil Engineers. (1992). Design of
Municipal Wastewater Treatment Plants Volume II. WEF Manual of Practice no.8 and
ASCE Manual and Report on Engineering Practice no.76.
20
Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013