perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
BAB II LANDASAN TEORI
A. Tinjauan Pustaka 1. Limbah Cair Industri Tahu Limbah cair merupakan gabungan atau campuran dari air dan bahanbahan pencemar yang terbawa oleh air, baik dalam keadaan terlarut maupun tersuspensi yang terbuang dari sumber domestik (perkantoran, perumahan dan perdagangan), sumber industri, dan pada saat tertentu tercampur dengan air tanah, air permukaan, atau air hujan (Soeparman dan Suparmin, 2002) Limbah cair tahu mempunyai karakteristik fisik dan kimiawi. Karakteristik fisika meliputi kandungan total padatan yang terdiri dari bahan terapung, tersuspensi, koloid, dan terlarut. Karakteristik kimiawi meliputi bahan anorganik, air buangan industri tahu mengandung nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), amonia (NH3), dan sulfida (SO4), gas nitrogen (N2), oksigen (O2) hidrogen sulfida ( H2S), dan metan (CH4) (Pranoto, 1999). Menurut Nurhasan dan Pramudyanto (1997) Molekul organik dalam limbah cair industri tahu secara garis besar mengalami perombakan terutama karbohidrat, lemak, dan protein yang dilakukan oleh mikroorganisme pengurai. Bahan organik kompleks berupa karbohidrat, lemak dan protein mula-mula diubah menjadi bentuk persenyawaan yang lebih sederhana glukosa, gliserol, asam lemak dan asam amino. Asam amino yang merupakan hasil dari perombakan protein akan dioksidasi menjadi nitrogen amonia (NH3-) dan
commit to user 5
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 6
senyawa karboksil. Senyawa (NH3-) akan dioksidasi lagi menjadi nitrit (NO2-). Apabila oksigen tersedia akan dioksidasi lagi menjadi nitrat (NO3-). Karakteristik limbah cair industri tahu dapat dilihat pada Tabel 1 Tabel 1. Karakteristik Limbah Cair Industri Tahu No.
Karakteristik Fisik dan Kimia Limbah Cair Tahu
Nilai
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Padatan Terendap 170-190 mg/l Padatan Tersuspensi 638-660 mg/l Padatan Total 668-703 mg/l Warna 2225-2250 pt Co Kekeruhan 524-585 FTU Amonia-Nitrogen 23,3-23,5 mg/l Nitrit-Nitrogen 0,1-0,5 mg/l Nitrat-Nitrogen 3,5-4,0 mg/l pH 4,0-6,0 BOD 6000-8000 mg/l COD 7500-14000 mg/l Abu 0,19 % Protein 0,08 % Karbohidrat 0,51 % Pati 0,46 % Sumber : Nurhasan dan Pramudyanto ( 1997)
Herlambang (2002) menyatakan bahwa, dampak yang ditimbulkan oleh pencemaran bahan organik limbah industri tahu adalah gangguan terhadap kehidupan biotik yang disebabkan oleh meningkatnya kandungan bahan organik. Selama proses metabolisme oksigen banyak dikonsumsi, sehingga apabila bahan organik dalam air sedikit, oksigen yang hilang dari air akan segera diganti oleh oksigen hasil proses fotosintesis dan oleh reaerasi dari udara. Apabila konsentrasi beban organik terlalu tinggi, maka akan tercipta kondisi anaerobik yang menghasilkan produk dekomposisi berupa amonia, karbondioksida, asam asetat, hirogen sulfida, dan metana. Senyawa-senyawa
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 7
tersebut sangat toksik bagi sebagian besar hewan air, dan akan menimbulkan gangguan terhadap keindahan (gangguan estetika) yang berupa rasa tidak nyaman dan menimbulkan bau. 2. Pengolahan Limbah Cair Industri Tahu Berbagai upaya untuk mengolah limbah cair tahu telah banyak diteliti dan dikembangkan. Secara umum, metode pengolahan yang banyak dikembangkan tersebut dapat digolongkan dalam 3 jenis metode pengolahan, yaitu secara fisik, kimiawi, dan biologis. Secara fisik, pengolahan limbah cair tahu biasanya dilakukan dengan metode pemisahan sebagian dari beban pencemaran, khususnya padatan tersuspensi atau koloid dari limbah cair. Dalam pengolahan limbah cair industri tahu secara fisik, proses yang digunakan antara lain adalah filtrasi dan pengendapan (sedimentasi). Filtrasi (penyaringan) menggunakan media penyaringan terutama bertujuan untuk menjernihkan dan memisahkan partikelpartikel kasar dan padatan tersuspensi dari limbah cair. Padatan tersuspensi yang lolos dari penyaringan selanjutnya disisihkan dalam unit sedimentasi dan ditambahkan koagulan sehingga terbentuk flok. Proses ini termasuk proses kimiawi. Dalam sedimentasi, flok-flok padatan dipisahkan dari aliran dengan memanfaatkan gaya gravitasi (Pohan, 2008) Secara kimiawi, metode yang dilakukan adalah penghilangan atau konversi senyawa-senyawa polutan dalam limbah cair dengan penambahan bahan-bahan kimia atau reaksi kimia lainnya (MetCalf dan Eddy,2003). Salah satu proses dalam pengolahan limbah cair secara kimiawi adalah koagulasi.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 8
Koagulasi merupakan proses destabilisasi koloid dalam limbah cair dengan menambahkan bahan kimia (koagulan). Koagulan ditambahkan untuk menetralkan keadaan atau mengurangi partikel kecil yang tercampur dalam limbah cair melalui pengendapan (Sugiharto, 1987). Secara biologis, metode yang dilakukan adalah dengan cara menurunkan
kadar
senyawa
kimia
terlarut
dengan
memanfaatkan
mikroorganisme atau tumbuhan air. Pada dasarnya pengolahalan secara biologis apabila menggunakan mikroorganisme adalah pemutusan molekul kompleks menjadi molekul sederhana sedangkan apabila menggunakan tanaman air dengan cara penyerapan senyawa kimia oleh tumbuhan air tersebut. Proses ini sangat peka terhadap faktor suhu, pH, oksigen terlarut (DO) dan zat-zat inhibitor terutama zat-zat beracun (Pohan, 2008). Ritman dan McCarty (2001) menyebutkan bahwa, mikroorganisme yang digunakan untuk pengolahan limbah adalah bakteri, alga, dan protozoa. Sedangkan menurut Lisnasari (1995) tumbuhan air yang mungkin dapat digunakan termasuk gulma air (aquatic weeds). 3. Paku Air (Azolla pinnata) Simanjuntak (2005) menyatakan bahwa tumbuhan A. pinnata dalam taksonomi tumbuhan mempunyai klasifikasi sebagai berikut: Divisi
: Pteridophyta
Kelas
: Leptosporangiopsida (heterosporous)
Ordo
: Salviniales
Family : Salviniaceae
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 9
Genus : Azolla Spesies : Azolla pinnata (Gambar 1)
Gambar 1. Azolla pinnata (dokumentasi pribadi) Tanaman A. pinnata mempunyai akar yang muncul pada sisi bawah batang utama yang berfungsi sebagai pengambil air dan mineral-mineral, serta nutrisi untuk pertumbuhan dan perkembangannya. Panjang akar bervariasi sesuai dengan varietasnya yaitu sekitar 1,5-11 cm. Akar A. pinnata menggantung di dalam air (Arifin, 1996). A. pinnata tidak mempunyai batang, tetapi berupa rimpang. Pada cabang tanaman ini terdapat akar-akar yang menempel yang tersusun rapi seperti rambut yang lebat tumbuh secara horisontal dipermukaan air. Batang (rimpang) utama tidak bercabang secara bergantian, setiap cabang terdapat daun yang saling menindih (Djojosuwito, 2000). Daun A. pinnata terdiri atas 2 cuping, cuping bagian tengah sirip belakang dan sirip perut tipis tetapi berukuran agak besar. Pada bagian siripbelakang ada klorofil, kecuali pada bagian tepi atau pinggir yang transparan terisioleh koloni Anabaena azollae. Cuping yang berklorofil
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 10
merupakan
tempatberlangsungnya
proses
fotosintesis
dan
simbiosis
denganAnabaena. Cuping bagian bawah tidak berwarna dan fungsinya sebagai pengapung (Lumpkin dan Plucknet, 1982). Anabaena azollae diketahui berperan dalam memfiksasi nitrogen. Di dalam sel heterosis, Anabaena azollae mengandung enzim nitrogenase yang memfiksasi N2 udara. Dengan enzim nitrogenase tersebut Anabaena azollae mampu mengubah nitrogen menjadi amonia, sehingga amonia yang dihasilkan dapat diangkut ke tumbuhan inang (A. pinnata). (Jiwintarum dan Fikri, 2013). Suatu penelitian internasional dimana BATAN ikut terlibat yang disponsori oleh Badan Tenaga Atom Internasional (IAEA) menggunakan
15
N
menunjukkan bahwa laju pertumbuhan A. pinnata adalah 0,355-0,390 gram per hari di laboratorium dan 0,144-0,890 gram per hari di lapangan. Pada umumnya biomassa A. pinnata maksimum tercapai setelah 14-28 hari setelah inokulasi.
Dari
hasil
penelitian
Batan
diketahui
bahwa
dengan
menginokulasikan 200 g Azolla segar per m2 maka setelah 3 minggu, Azolla tersebut akan menutupi seluruh permukaan lahan tempat A. pinnata tersebut ditumbuhkan. ( Anonim, 1998) Unsur hara sangat dibutuhkan dalam pertumbuhan A. pinnata, terutama unsur fosfor (P). Kekurangan fosfat pada A. pinnata ditandai oleh penampilan tumbuhan yang kecil, warna daun agak merah tua, vigor rendah. Kekurangan total nitrogen (N) tanaman A. pinnata menyebabkan daun mengerut danberwarna merah kehitam-hitaman, pertumbuhan akar menjadi keriting. Bilakebutuhan unsur hara kurang tersedia dalam kultur air maka akar
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 11
tanamanmengalami pemanjangan
untuk
mengambil unsur
hara
yang
dibutuhkan (Arifin,1996). Pada paku air A. pinnata hidup sekelompok mikroorganisme rizosfer yang telah diketahui mampu menguraikan bahan-bahan organik yang ada didalam air buangan. A. pinnata akan menyerap hasil dekomposisi senyawa organik dalam limbah tahu yang didekomposisi oleh mikroorganisme dari protein berupa karbon, hidrogen, dan nitrogen melalui akar yang berguna bagi pertumbuhannya (Suriawiria, 1986). Azolla pinnata juga dapat dimanfaatkan untuk pakan ternak. Hasil penelitian di Srilanka menunjukkan bahwa A. pinnata sangat mudah dicerna oleh anak sapi. Kemampuan mencernak mencapai 68%. A. pinnata dapat dimakan dalam keadaan basah atau kering. Apabila disimpan sebagai persediaan pakan sebaiknya dalam keadaan kering (Sutanto,2002). Konsentrasi nitrat yang tinggi dalam badan air menyebabkan kualitas air menurun. Limbah cair yang berasal dari pemukiman dan industri yang terkonsentrasi di suatu tempat dapat disehatkan kembali dengan perlakuan tertentu untuk menurunkan kandungan nitrat. A. pinnata dapat dimanfaatkan untuk memperbaiki kualitas air, karena tumbuh secara cepat dan mampu menyerap N2-udara untuk kebutuhannya sendiri. Di samping itu, meskipun menyerap dan menambat N2-udara, tetapi nitrat yang dikandung air buangan kemungkinan besar dapat dimanfaatkan oleh A. pinnata (Sutanto, 2002) Menurut penelitian yang dilakukan Jiwintarum dan Fikri (2013), ratarata terdapat penurunan kadar nitrat dan nitrit pada limbah cair tahu sebelum
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 12
dan setelah penambahan aquatic plant treatment menggunakan Tumbuhan Paku Air A. pinnata kadar rata-rata nitrat sebelum perlakuan sebesar 15,26 mg/l dan setelah perlakuan sebesar 6,46 mg/l sedangkan kadar rata – rata nitrit sebelum perlakuan sebesar 0,346 mg/l dan setelah perlakuan sebesar 0,046 mg/l. Dari penelitian di atas dapat dilihat bahwa terjadi penurunan konsentrasi senyawa nitrogen berupa nitrat dan nitrit. Penelitian di atas juga menunjukkan bahwa A. pinnata memiliki potensi untuk menurunkan konsentrasi nitrat, nitrit, dan amonia limbah cair industri tahu. Kemampuan aquatic plant treatment menggunakan tanaman paku air A. pinnata disebabkan karena A. pinnata akan menyerap hasil dekomposisi senyawa organik dalam limbah tahu yang didekomposisi oleh mikroorganisme dari protein berupa karbon, hidrogen, dan nitrogen melalui akar yang berguna bagi pertumbuhannya sehingga meningkatkan kadar oksigen terlarut yang secara tidak langsung dapat menurunkan BOD (Jiwintarum dan Fikri, 2013). Dari penelitian yang dilakukan Singh dkk,(2014) menunjukkan Azolla merupakan agen bioremediasi yang baik dan dapat digunakan untuk pengolahan air limbah seperti limbah cair industri, limbah cair domestik, dan lain-lain dalam skala besar. Proses bioremediasi limbah cair dengan dengan Azolla lebih menguntungkan dibandingkan dengan metode bahan kimia, karena penggunaan Azolla lebih ramah lingkungan dan mudah diaplikasikan.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 13
4. Nitrat, Nitrit, dan Amonia Nitrogen perairan merupakan penyebab utama pertumbuhan yang sangat cepat dari ganggang yang menyebabkan eutrofikasi. Pada umumnya nitrogen anorganik dalam perairan aerobik terdapat dalam keadaan bilangan oksidasi +5, yaitu sebagai NO3-,dan dengan bilangan oksidasi +3 sebagai NO2-, dan dalam keadaan anaerob, sebagai NH4 + yang stabil (Achmad, 2004). Nitrogen terdapat dalam limbah organik dalam berbagai bentuk yang meliputi empat spesifikasi, yaitu nitrogen organik, nitrogen amonia (ion amonium dan amonia bebas), nitrogen nitrit, dan nitrogen nitrat. Dalam air limbah yang dingin dan segar, biasanya kandungan nitrogen organik lebih tinggi daripada nitrogen amonia. Sebaliknya dalam air limbah yang hangat kandungan nitrogen organik lebih rendah daripada nitrogen amonia (Siregar, 2005). a. Nitrat Nitrat di dalam air berkaitan erat dengan siklus nitrogen di alam. Dalam siklus tersebut diketahui bahwa nitrat dapat terjadi baik dari N2 atmosfer maupun dari pupuk-pupuk yang digunakan dan dari oksidasi NO2- oleh bakteri dari kelompok nitrobakter. Nitrat yang terbentuk dari proses-proses tersebut merupakan pupuk bagi tanaman. Nitrat yang lebih dari yang dibutuhkan oleh kehidupan tanaman akan terbawa oleh air yang merembes melalui tanah. Tanah tidak memiliki kemampuan untuk menahan nitrat sehingga konsentrasi nitrat pada aliran badan perairan menjadi tinggi (Sutrisno, 1991).
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 14
Nitrat dibentuk dari asam nitrit yang berasal dari amonia melalui proses oksidasi katalitik. Nitrat adalah komponen yang mengandung nitrogen berkaitan dengan atom oksigen, nitrat mengikat tiga atom nitrogen. Sumber pencemar nitrat umumnya berasal dari limbah industri, septic tank, limbah hewan, dan limbah dari angkutan air. Selain itu limbah dari lahan-lahan pertanian akibat aktivitaspemupukan, penggunaan pestisida, dan lain-lain memberikan kontribusi yang sangat besar terhadap polusi nitrat di dalam air permukaan dan air bawah tanah (Steenvoorden, 1989) Nitrat yang terdapat di dalam sumber air seperti sumur dan sungai umumnya berasal dari pencemaran bahan-bahan kimia (pupuk urea, ZA, dll) di bagian hulu. Pencemaran ini disebabkan oleh tingkat kehilangan pupuk N yang cukup tinggi, di antaranya melalui proses pencucian dan aliran permukaan. Besarnya kehilangan dari pupuk N yang diberikan, diperkirakan sekitar 2040% di India, 37 % di California, 68 % di Lousiana, 25 % di Filipina, 52-71 % di Indonesia (Riyanto, 2009) Nitrat merupakan bentuk senyawa nitrogen yang merupakan senyawa yang stabil. Nitrat adalah salah satu unsur penting untuk sintesis protein hewan dan tumbuh -tumbuhan. Nitrat juga adalah salah satu jenis senyawa kimia yang sering ditemukan di alam, seperti dalam tanaman dan air (Thompson, 2004). McKee (1962) menyatakan bahwa sumber utama unsur hara yang dimanfaatkan oleh tumbuhan air adalah ammonia, nitrat, dan fosfat total.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 15
b. Nitrit Nitrit biasanya tidak bertahan lama dan merupakan keadaan sementara proses oksidasi antara amonia dan nitrat, yang dapat terjadi pada instalasi pengolahan air buangan, dalam air sungai dan sistem drainase, dan sebagainya. Nitrit sendiri membahayakan kesehatan karena dapat bereaksi dengan hemoglobin dalam darah, hingga darah tersebut tidak dapat mengangkut oksigen lagi. Di samping itu, NO2 juga menimbulkan nitrosamin pada air buangan yang tertentu, nitrosamin tersebut dapat menyebabkan kanker (Alaert dan Sumestri, 1984). Di perairan alami, nitrit (NO2) biasanya ditemukan dalam jumlah yang sangat sedikit, lebih sedikit daripada nitrat, karena bersifat tidak stabil dengan kaberadaan oksigen. Nitrit merupakan bentuk peralihan (intermediate) antara amonia dan nitrat (nitrifikasi), dan antara nitrat dan gas nitrogen (denitrifikasi). Denitrifikasi berlangsung pada kondisi anaerob. Pada denitrifikasi, dan N2 dilepaskan dari dalam air ke udara. Ion nitrit dapat berperan sebagai sumber nitrogen bagi tanaman. Keberadaan nitrit menggambarkan berlangsungnya proses biologis perombakan bahan organik yang memiliki kadar oksigen terlarut sangat rendah (Effendi, 2003) Bakteri pereduksi nitrat dalam usus manusia atau hewan akan mengubah nitrat menjadi nitrit. Nitrit tersebut akan mengoksidasi hemoglobin pada darah menjadi methemoglobin yang tidak dapat mengikat oksigen. (Jenie dan Rahayu, 1993).
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 16
Nitrit ditentukan secara kolorimetris dengan alat spektrofotometer UVVis. Pada pH 2,0 – 2,5 berkaitan dengan hasil reaksi antara diazo asam sulfanilat dan N-1-naftil-etilendiamin dihidroklorida (NED dihidroklorida), maka akan terbentuk larutan berwarna ungu kemerah-merahan. Warna tersebut mengikuti hukum Lambert-Beer dan menyerap sinar pada panjang gelombang 543 nm. Metoda kolorimetris tersebut sangat peka, sehingga biasanya perlu pengenceran sampel. Selain dari metoda ini, tidak ada cara analisa lain yang dapat dianggap bersifat baku (Alaert dan Sumestri, 1984). c. Amonia Amonia (NH3) dan garam-garamnya bersifat mudah larut dalam air. Ion amonium adalah bentuk transisi dari amonia. Amonia banyak digunakan dalam proses produksi urea, industri bahan kimia (asam nitrat, amonium fosfat, amonium nitrat, dan amonium sulfat), serta industri bubur kertas dan kertas (pulp dan paper). Sumber amonia di perairan adalah pemecahan nitrogen organik (protein dan urea) dan nitrogen anorganik yang terdapat di dalam tanah dan air, yang berasal dari dekomposisi bahan organik (tumbuhan dan biota akuatik yang telah mati) oleh mikroba dan jamur. Proses ini dikenal dengan istilah amonifikasi (Effendi, 2003). Amonia bebas (NH3) yang tidak terionisasi bersifat toksik terhadap organisme akuatik. Toksisitas amonia terhadap organisme akuatik akan meningkat jika terjadi penurunan kadar oksigen terlarut, pH, dan suhu. Avertebrata air lebih toleran terhadap toksisitas amonia daripada ikan. Ikan tidak dapat bertoleransi terhadap kadar amonia bebas terlalu tinggi karena
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 17
dapat mengganggu proses pengikatan oksigen oleh darah dan pada akhirnya mengakibatkan sufokasi(Effendi, 2003) Kadar amonia pada perairan alami biasanya kurang dari 0,1 mg/l. Kadar amonia bebas yang tidak terionisasi pada perairan tawar sebaiknya tidak lebih dari 0,2 mg/l. Jika kadar amonia bebas lebih dari 0,2 mg/l, perairan bersifat toksik bagi beberapa jenis ikan. Kadar amonia yang tinggi dapat merupakan indikasi adanya pencemaran bahan organik yang berasal dari limbah domestik, industri, dan limpasan pupuk pertanian. Kadar amonia yang tinggi juga dapat ditemukan pada dasar danau yang mengalami kondisi tanpa oksigen atau anoxic (Effendi, 2003).
B. Kerangka Pemikiran Penanganan terhadap limbah cair industri tahu di masyarakat masih sangat kurang hal ini dapat menyebabkan pencemaran terhadap badan air. Karena dalam limbah cair tahu banyak terkandung bahan-bahan pencemar termasuk senyawa nitrogen seperti nitrat nitrit amonia yang apabila konsentrasinya melebihi ambang batas, akan dapat menggangu kehidupan makhluk hidup yang ada di sekitarnya. Penggunaan tanaman air A. pinnata dirasa dapat digunakan sebagai salah satu alternatif pengolahan limbah cair tahu. Karena tanaman ini dalam aktivitas hidupnya banyak memanfaatkan nitrogen di perairan sebagai nutrisi untuk kehidupannya. Dengan demikian diharapkan A. pinnata mampu mengurangi konsentrasi senyawa nitrogen (nitrat, nitrit, dan amonia) pada limbah cair industri
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 18
tahu. Selain itu juga dapat digunakan sebagai alternatif pengolahan limbah cair tahu (Gambar 2)
Limbah cair industri tahu kaya akan senyawa nitrogen
Senyawa nitrogen meliputi : nitrat (NO3), nitrit (NO2), dan amonia (NH3)
Dapat menimbulkan Pencemaran
Azolla pinnata dapat digunakan untuk menurunkankonsentrasi nitrat, nitrit dan amonia dengan perlakuan: - Optimasi waktu pertumbuhan - Biomassa pertumbuhan
Terjadi penurunan konsentrasi nitrat, nitrit, dan amonia
Limbah cair Industri tahu dengan konsentrasi nitrat, nitrit, amonia yang aman
Gambar 2. Bagan Alir Kerangka Pemikiran
C. Hipotesis 1. Semakin lama perlakuan A. pinnata dalam limbah cair industri tahu semakin besar pula penurunan konsentrasi nitrat, nitrit, dan amonia. Semakin besar pemberian bobot biomassa A. pinnata dalam limbah cair tahu semakin cepat pula penurunan konsentrasi nitrat, nitrit, amonia
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id 19
2. Pertumbuhan A. pinnata pada limbah cair industri tahu dapat menurunkan konsentrasi nitrat, nitrit, dan amonia
commit to user
