Pengendalian Biofouling dalam Sistem Air Minum

1
Disinfeksi digunakan dalam proses pengolahan air
minum untuk mengurangi patogen ke tingkat
yang bisa diterima dan untuk mencegah
timbulnya masalah kesehatan masyarakat.
 Namun demikian, banyak bukti menunjukkan
bahwa paparan terhadap produk-produk
sampingan kimiawi yang terbentuk selama proses
disinfeksi mungkin terkait dengan efek
kesehatan yang merugikan.
 Mengurangi jumlah disinfektan atau mengubah
proses disinfeksi dapat mengurangi paparan
terhadap pembentukan produk-produk
sampingan.
 Namun, praktik-praktik ini dapat meningkatkan
potensi terjadinya kontaminasi mikroba.

2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
mampu mengontrol keberadaan patogen dalam air
minum dalam periode waktu tertentu pada temperatur
tertentu  penting karena sifat biosidal berkurang pada
suhu yang lebih rendah akibat hilangnya aktivitas enzim;
mampu mengatasi fluktuasi dalam komposisi, konsentrasi
dan kondisi air dan air limbah yang akan dirawat;
tidak beracun bagi manusia atau hewan peliharaan;
enak rasanya, atau dapat disesuaikan pada konsentrasi
yang dibutuhkan;
biayanya efektif, aman dan mudah disimpan, diangkut,
ditangani dan diterapkan;
konsentrasinya di dalam air olahan dapat dengan mudah
dan cepat ditentukan; dan
dapat bertahan pada suatu konsentrasi agar dapat
memberikan perlindungan yang memadai terhadap
kontaminasi ulang pada residu yang mungkin terjadi.
3


Ditentukan oleh:

konsentrasi disinfektan ,(C) [mg/L.T]

waktu kontak, (T), [menit]
Nilai-nilai CT untuk semua disinfektan ini dipengaruhi oleh sejumlah parameter,:

suhu,

pH,

Kebutuhan disinfektan,

agregasi sel,

tingkat pencampuran disinfektan dan organik.

Pemakaian disinfektan (dalam air minum maupun air limbah)  terbentuk
mikroba resisten 

Berdasarkan resistensi: koliform < virus < kista protozoa

Inaktivasi koliform: ozon > dioksida klorin > asam hipoklorit > ion hipoklorit >
kloramin.

3 - 100 x lebih banyak klorin diperlukan untuk menonaktifkan virus enterik vs
untuk membunuh bakteri koliform (kondisi eksternal: suhu & pH dijaga konstan).
4
Sifat-sifat Umum
 Klorin adalah biosida yang paling sering digunakan untuk mengendalikan koliform
tinja,, bakteri koliform heterotrofik dan juga biofouling dalam sistem air minum.
 Klorin biasanya dimasukkan ke dalam air sebagai gas klorin dan berhidrolisis menjadi
klorin bebas (terdiri dari HOCI atau OCI-):
Cl2
+ H 2O
Gas klorin
HOCI






HOCI
Asam hipoklor
H+ + OClIon hipoklorit
+ H+ + Cl-
Proporsi HOCI dan OCI- dipengaruhi oleh pH air.
Klorin telah lama digunakan karena metode yang efektif untuk mengendalikan
kualitas dan biofilm air.
Produk sampingan klorinasi air minum (trihalomethane)  bahaya utama (risiko
kanker usus besar dan kandung kemih)
Reaksi (penipisan) klorin di dalam air disebut sbg “kebutuhan klorin”, penyebab:
senyawa larut anorganik yang dapat teroksidasi,
 senyawa organik yang larut,
 sel-sel mikroba,
 substrat dan partikel di dalam air curah  mempengaruhi efisiensi klorinasi

5
Klorin bekerja pada bakteri dengan cara :
1. Gangguan daya serap sel, yaitu klorin
mengganggu integritas membran sel bakteri
yang menyebabkan hilangnya daya serap sel
dan oleh karena itu membocorkan protein,
DNA dan RNA.
2. Kerusakan asam nukleat dan enzim.
6
1.
2.
3.
4.
5.
Konsentrasi klorin pada antarmuka air-biofilm.
Difusi ke biofilm dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi klorin pada
antarmuka air-biofilm curah. Konsentrasi klorin tinggi dalam waktu singkat lebih
efektif vs konsentrasi rendah jangka panjang (dengan total aplikasi sama.
Intensitas turbulen.
Transportasi klorin pada air curah ke antarmuka biofilm-air  langkah pertama
Konsentrasi pada air curah  dan turbulensi   Tingkat transportasi 
Komposisi biofilm fouling.
Reaksi klorin bergantung pada komposisi organik dan anorganik dari biofilm serta
ketebalan atau massanya. Substrat dan Polisakarida ekstraseluler bersaing efektif
untuk mendapatkan klorin  mengurangi kemampuan klorin membunuh sel.
Tegangan geser fluida pada antarmuka air-biofilm.
Pemisahan dan peluruhan biofilm, terutama yang disebabkan oleh tegangan geser
fluida, menyertai reaksi biofilm dengan klorin. Pemisahan biofilm akibat
pengobatan klorin telah diamati dan tingkat serta jangkauan penghilangannya
bergantung pada aplikasi klorin dan pada tegangan geser pada antarmuka likuida
curah.
pH.
Kesetimbangan ion hipoklorit - asam hipoklorit  efektivitas kinerja:



OCI-  pelepasan
HOCI  disinfeksi.
paling efektif pH 6-6,5, dimana asam hipoklorit mendominasi
7






Kloramin telah diusulkan untuk digunakan sebagai alternatif terbaik berikutnya untuk klorin karena
implikasi kesehatan publik yang terkait dengan produksi tri- halo- methan (THM).
Namun, kloramin tidak dikenal sebagai biosida yang sangat efisien. Dalam proses-proses
kloraminasi tradisional, amonia akan ditambahkan ke dalam air terlebih dahulu diikuti dengan
penambahan klorin dalam bentuk gas klorin.
Tingkat konversi klorin bebas untuk kloramin bergantung pada pH, temperatur, dan rasio klorinamonia.
Penggunaan kloramin telah terbukti memberikan disinfektan yang tahan lama dan terukur dalam
air minum.
Di dalam air minum, HOCI bereaksi dengan amonia untuk menghasilkan pembentukan kloramin
anorganik:
NH3
+ HOCI

NH2CI
+ HOCI

NHCI2
+ HOCI

+
H2O
+
H2O
+
HzO
Proporsi ketiganya bergantung pH air :



NH2CI
Monokloroamina
NHCI2
Dikloroamina
NCl3
Triklorkamina
Monokloroamin dominan pada pH > 8,5.
Monokloroamin pada pH 4,5 dan 8,5  berdampingan dengan trikloroamin pada pH < 4,5.
Kekurangan  kloramin menghasilkan pembentukan konsentrasi nitrit yang rendah  kegagalan
standar nitrit
8
Kloramin sangat efektif dalam menekan
perkembangan biofilm  suhu air di atas 150
C.
 Kloramin telah terbukti lebih efektif
daripada klorin dalam menurunkan koliform
sesil dan bakteri heterotrofik
 Monokloramin kurang efektif dibandingkan
dengan klorin bebas terhadap sel planktonik

9






merupakan oksidan kuat yang dibentuk oleh kombinasi antara klorin dan klorinnatrium, disinfektan primer yang menonaktifkan bakteri, kista, dan virus pada
rentang pH yang luas
Pada industri tekstil dan pulp/kertas  pemutih khusus dan pencelup kupasan.
Tidak dapat digunakan untuk mempertahankan efek residu yang cukup lama yang
berguna sebagai disinfektan sistem distribusi.
Dioksida klorin secara komersial dijual sebagai klorin dioksida stabil (sebenarnya
adalah natrium klorit dalam larutan netral. Natrium Klorit jauh lebih lambat dalam
bertindak dan kurang efektif dibandingkan dengan klorin dan bereaksi dengan air
untuk membentuk dua produk sampingan.
Efektivitas pada sejumlah bakteri (Escherichia coli dan Salmonella) ≥ klorin bebas.
Masalah utama:






Dikaitkan dengan oksidasi hemoglobin  penggunaan dalam air minum terbatas 0,5
mg/l (tidak memberi disinfeksi yang baik).
Menyebabkan permasalahan fungsi tiroid dan menyebabkan kadar kolesterol dengan
serum tinggi.
Rasa dan bau yg tidak disukai. Namun, dioksida klorin dapat mengoksidasi senyawa
organik seperti besi dan mangan dan menekan berbagai masalah rasa dan bau
Gas dapat meledak pada konsentrasi di atas 10% di udara  campuran klorit natrium
dgn asam anorganik (asam hidroklorida, asam fosfat dan asam sulfat) dan organik (asam
asetat, asam sitrat atau asam laktat) ≤ pH 4,0.
Sifat mematikan dari gas klorin yang dihasilkan,
Secara keseluruhan, penggunaan dioksida klorin sebagai disinfektan primer
cenderung dibatasi pada air minum.
10




Terutama pada gangguan asam amino dan RNA bakteri
Gram negatif .
Di dalam virus  gangguan mantel protein dan genom
virus.
Persyaratan hukumnya  konsentrasi gabungan dioksida
klorin, klorit dan klorat < 0,5 mg 1-1 setara dioksida klorin.
Kontrol terhadap Legionella di dalam biofilm memakan
waktu:
20 hari (di dalam sistem air lembut/kesadahan rendah)
 60 hari (di dalam sistem air keras/kesadahan tinggi)
 menunjukkan bahwa kehadiran kesadahan  lapisan pelindung
dan mencegah agar dioksida klorin tidak bekerja efisien



Dioksida klorin bisa membunuh ookista dari
Cryptosporidium parvum di dalam air yang sedikit
terkontaminasi
Hanya ada sedikit studi untuk menentukan apakah
protozoa terkontrol
11




Gas yang berbau menyengat dan tidak stabil  ozon dihasilkan pada titik digunakannya alat
penghasil ozon, termasuk elektroda pembuang.
Untuk mengurangi korosi, udara dilewatkan melalui proses pengeringan dan kemudian ke generator
ozon. Generator ozon terdiri dari 2 plat atau sebuah kawat dan tabung dengan potensi tenaga
listrik 15,000-20,000 volt.
Oksigen atom bergabung dengan oksigen atmosfer untuk membentuk ozon dan didifusikan merata
O + O2  O3
Keunggulan:






Oksidan sangat kuat > asam hipoklorit.
Lebih efektif daripada klorin dalam menoaktifkan kista Giardia.
Tidak membentuk THM.
Sangat efektif untuk menghilangkan rasa, bau dan warna
Tidak bergantung pada pH
Kelemahan:




Seperti dioksida klorin, ozon tidak akan bertahan di dalam air  kembali ke O2 dalam beberapa menit.
Oleh karena itu, biasanya ditambahkan ozon ke dalam air baku dan disaring untuk disinfeksi primer
diikuti dengan penambahan kloroamina setelah disaring sebagai disinfektan sistem distribusi.
Aktivitas cidal menurun dengan meningkatnya suhu air  terbatasnya efek di dalam sistem air panas
Masa hidup ozon < 1 jam di sebagian besar sistem air minum. Diperlukan aplikasi sekunder klorin untuk
memberikan perlindungan residu disinfektan di dalam air minum.
12
Modus:
 Ozon telah dilaporkan mengganggu daya serap
membran terhadap bakteri, kinetika enzim dan juga
DNA.
 Ozon juga dikenal bisa merusak inti asam nukleat di
dalam virus.
Efektivitas Ozon terhadap Biofilm
 Di Eropa dan Perancis sebagai disinfeksi air di
sejumlah pabrik pengolahan air minum
 Dosis umum 1-2 mg L-1
 Dianjurkan untuk digunakan dalam pengolahan air
minum domestik.
 Dalam hal pengendalian biofilm  L. pneumophila
pada sambungan pipa air di rumah sakit.
13







Metode disinfeksi ultra-violet (UV) melibatkan paparan air lapisan tipis ke cahaya
yang berasal dari lampu busur uap merkuri yang memancarkan sinar UV.
Rendaman bola lampu UV yang terbungkus di dalam tabung kuarsa lebih unggul
daripada penyinaran overhead.
Kedalaman penetrasi sinar masih membatasi ketebalan film cairan di sekitar lampu
masing-masing sampai sekitar 50-80 nm.
Beberapa lampu digunakan untuk menyediakan cakupan yang lebih besar, karena
faktor utama dalam mencapai pembunuhan mikroba yang baik adalah kemampuan
sinar UV untuk melewati air agar dapat mencapai organisme target.
Jadi, lampu harus tetap bebas dari lumpur dan presipitat dan air harus bebas dari
kekeruhan. Sinar UV berkinerja dengan baik terhadap bakteri dan virus. Kelemahan
utamanya adalah bahwa sinar UV tidak meninggalkan perlindungan residu terhadap
sistem distribusi dan sangat eksplosif.
Tabung ini direndam di dalam air yang mengalir di dalam tangki dan memungkinkan
mengalirnya radiasi sinar UV pada panjang gelombang kuman 2537 A. Namun
demikian, pengiriman sinar UV oleh lampu kuarsa menjadi menurun pada saat
pemakaian yang terus-menerus  harus dibersihkan secara teratur (metode
pembersihan mekanis, kimiawi dan ultrasonik)
Teflon  alternatif pengganti kuarsa, tetapi transmisi radiasi sinar UV lebih rendah
vs radiasi dalam sistem kuarsa.
14



Tempat awal kerusakan sinar UV adalah genom virus, yang diikuti oleh kerusakan struktur mantel
virus
Radiasi sinar UV merusak DNA mikroba pada panjang gelombang ± 260 nm  dimerisasi timin, yang
mampu memblok replikasi DNA dan efektif menonaktifkan mikroba.
Penonaktifan mikroba sebanding dengan dosis sinar UV, yang dinyatakan dalam mikrowat-detik per
cm persegi. Penonnaktifan mikroba oleh radiasi UV dapat dinyatakan dengan persamaan berikut
(Luckiesh dan Holladay 1944):
N/No = g-kpdt










No = jumlah awal mikroorganisme (/ml);
N = jumlah mikroba yang masih hidup (/ml);
k = konstanta tingkat penonaktifan (μW s cm-2);
pd = intensitas sinar UV untuk mencapai organisme (μW cm-2);
t = paparan terhadap waktu dalam detik.
Persamaan di atas dapat digunakan dalam beberapa asumsi, salah satunya adalah bahwa log dari
fraksi yang masih bertahan hidup harus linear berkenaan dengan waktu
Secara umum resistensi mikroba terhadap sinar UV mengikuti pola (sama dengan disinfektan
kimiawi):
kista protozoa > spora bakteri > virus > bakteri vegetatif.
-2
Virus seperti hepatitis A memerlukan
dosis UV 2700 (μW s cm ) untuk penonaktifan satu log tetapi
-2
membutuhkan 20.000 mW detik cm untuk mencapai pengurangan 3 log.
Banyak variabel (mis: partikel yang tersuspensi, kebutuhan oksigen kimia, dan warna) di dalam
limpahan air limbah mempengaruhi transmisi sinar UV dalam air  mempengaruhi efisiensi
disinfeksi
Senyawa organikdan partikulat (mis: zat humat, senyawa fenolik, sulfonat lignin dari industri pulp
dan pabrik kertas, serta zat besi) mengganggu transmisi sinar UV dalam air.
15




Salah satu keunggulan utama dari disinfeksi sinar UV
adalah bahwa ia dapat menghancurkan kehidupan mikroba
dalam fasa air tanpa tambahan zat apa pun ke dalam air.
Ketika diterapkan pada kontrol biofilm, karakteristik ini
juga merugikan karena disinfeksi sinar UV tidak
meninggalkan residu.
Maka dari itu, disinfeksi sinar UV dapat mengontrol
misalnya sumber air yang masuk ke dalam air sehingga
dapat menyediakan air esensi steril dan mencegah
pembentukan biofilm.
Tidak akan ada sistem distribusi atau jaringan yang akan
tetap steril dari penggabungan dan pengkomisian dan
sebagainya meskipun sinar UV dapat membantu menjaga
kebersihan dari sistem yang sudah steril, sehingga bahan
kimia disinfektan tambahan seperti klorin atau bromin
perlu ditambahkan dengan disinfeksi pasca-UV.
16





ion menjalani transfer elektron pada permukaan elektroda.
Teknik ini bersangkutan dengan penglepasan ion perak dan tembaga ke dalam air
dengan melewati arus listrik antara elektroda yang diletakkan di dalam air yang
mengalir.
Ketika elektron yang melewati antara anoda (+ve) dan katoda (-ve), satu atau dua
elektron tertinggal pada permukaan anoda.
Ketika elektron yang tersisa berjalan melewati katoda,
ia didorong keluar oleh aliran air dan masuk ke dalam larutan. Ion-ion di dalam
larutan merupakan atom atau kelompok atom bermuatan listrik di mana satu atau
lebih elektron telah hilang dan atom tersebut tidak lagi netral tetapi membawa
muatan listrik positif.
Ion perak: ion Ag- yang telah ditentukan, di mana satu elektron telah hilang dan ion itu
membawa muatan listrik positif tunggal.
 Ion tembaga: ion Cu+ atau Cu2- bergantung pada apakah ada satu atau dua elektronnya
yang hilang.



Unit-unit ionisasi digunakan pada lokasi dan, pada umumnya, terdiri dari ruang
elektroda dan unit kontrol. Biasanya, ruang tersebut akan berisi elektroda senyawa
perak/tembaga antara 10-30% perak, bergantung pada produsennya. Ukuran dan
jumlah elektroda akan tergantung pada jenis aplikasinya sesuai dengan volume air,
laju alir dan pengendalian mikroba yang diperlukan.
Dalam sejumlah penelitian, kombinasi dari logam dengan halogenasi terbukti telah
diaplikasikan baik dalam disinfeksi air rekreasi maupun air minum.

17
Modus Tindakan Ionisasi
 Ionisasi telah digunakan dalam kontrol baik terhadap bakteri yang
menyebar melalui air maupun terhadap virus.
 Ion tembaga membunuh bakteri dengan menghancurkan protein sel
akibat oksidasi kelompok enzim sufidril sehingga mengganggu respirasi
 Ion perak mengganggu aktivitas enzim dengan mengikat protein
sementara kedua ion itu mengikat molekul-molekul DNA.
 Keuntungan dari ionisasi adalah bahwa residunya dipertahankan di
seluruh sistem.
Efektivitas lonisasi terhadap Biofilm
 Efektivitas ionisasi terhadap mikroorganisme yang menyebar melalui air
telah terbukti sangat berhasil
 Terhadap L. pneumophila
 Masalah dengan penggunaan teknologi ini di lapangan  parameternya
tidak selalu dapat dijamin untuk tetap konstan.
 Dalam suatu studi di mana ionisasi diperbandingkan dalam hal air yang
lunak dan air yang kerasnya, komplikasinya disebabkan oleh
meningkatkan elektroda dan menghanyutkan pH air, yang menyebabkan
kegagalan dalam mengendalikan L. Pneumophila
18