Studi Penurunan Besi (Fe) dan Mangan (Mn) Dengan Menggunakan Cascade Aerator Dan Rapid Sand Filter Pada Air Sumur Gali Study Of Removal Iron (Fe) And Manganese (Mn) Using Cascade Aerator And Rapid Sand Filter For Dug Wells Water Winda Kartina Sari dan Nieke Karnaningroem Jurusan Teknik Lingkungan, Kampus ITS Sukolilo Surabaya. Email:
[email protected] Abstrak Air tanah mengalami kontak dengan berbagai macam material yang terdapat di dalam bumi. Sehingga pada umumnya air tanah mengandung kation dan anion terlarut dan beberapa senyawa organik. Ion – ion yang sering ditemui pada air tanah adalah Besi (Fe) dan Mangan (Mn). Di Surabaya, dijumpai bahwa beberapa sumur gali tercemar oleh Fe dan Mn, oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan untuk meremoval Fe dan Mn pada air sumur gali dengan menggunakan cascade aerator dan rapid sand filter. Variabel yang digunakan adalah konsentrasi Fe dan Mn serta variabel penggunaan mangan zeolit pada tiap step cascade aerator. Pada penelitian ini digunakan sampel buatan dengan variasi konsentrasi 1 mg/L; 3mg/L; 5 mg/L serta air sumur gali dengan konsentrasi Fe 1,16 mg/L dan Mn 2,00 mg/L. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, removal Fe dan Mn paling tinggi pada cascade aerator 39,4% untuk Fe dan 40,1% untuk Mn pada 3 mg/L sampel buatan menggunakan mangan zeolit. Sedangkan untuk removal tertinggi sistem keseluruhan (cascade-filter) 93,2% untuk Fe dan 97,1% untuk Mn pada 5 mg/L sampel buatan menggunakan mangan zeolit. Kemudian, untuk air sumur gali 91,1% untuk Fe dan 93,5% untuk Mn dengan menggunakan mangan zeolit. Kata kunci: Cascade Aerator, Filtrasi, Air Sumur, Besi, Mangan, Mangan Zeolit
Abstrac Ground water contacts with various kinds of materials contained within the earth. Generally, the ground water contains dissolved cations and anions and some organic compounds. Ions are often found in ground water is Iron (Fe) and manganese (Mn). In Surabaya, some dug wells contain Fe and Mn, therefore this study is focused on removing Fe and Mn in dug wells water using cascade aerator dan rapid sand filter. The variable of this study are the concentration of Fe and Mn and using mangan zeolit in cascade aerator. The artificial water were 1mg/L; 3 mg/L; 5 mg/L, while the dug well water were 1,16 mg/L (Fe) and 2 mg/L (Mn) Based on this study, the highest removal of cascade aerator were the Fe of 39,4% and the Mn of 40,1% in 3 mg/L artificial water by using mangan zeolit. While the highest removal of cascade aerator – filter were the Fe 93,2% and the Mn 97,1% in 5 mg/L artificial water by using mangan zeolit. Then, for dug wells water were the Fe of 91,1% and the Mn 93,5% by using mangan zeolit Keyword: Cascade Aerator, Filtration, Dug Wells Water, Iron, Manganese, Mangan Zeolit
1. Pendahuluan Air tanah mengalami kontak dengan berbagai macam material yang terdapat di dalam bumi. Sehingga pada umumnya air tanah mengandung kation dan anion terlarut dan beberapa senyawa anorgnik. Ion-ion yang sering ditemui pada air tanah adalah besi dan mangan. Keberadaan zat besi dan mangan di dalam sistem penyediaan air minum domestik telah menjadi masalah yang serius sejak lama karena pada umumnya berada dalam keadaan bervalensi dua. Adanya kandungan Besi (Fe) dan Mangan (Mn) dalam air menyebabkan warna air tersebut berubah menjadi kuning-coklat setelah beberapa saat kontak dengan udara. Disamping menimbulkan gangguan kesehatan juga menimbulkan bau yang kurang enak dan menyababkan warna kuning pada dinding bak kamar mandi serta bercak-bercak kuning pada pakaian. Oleh karena itu, menurut Permenkes No 907 tahun 2002, kadar Fe dalam air minum maksimum yang diperbolehkan adalah 0,3 mg/Lt dan kadar Mn dalam air minum yang diperbolehkan adalah 0,1 mg/Lt. Untuk menanggulangi masalah tersebut, perlu dipikirkan teknologi apa yang dapat mereduksi kadar Besi (Fe) dan Mangan (Mn) dalam air sumur gali sehingga dapat sesuai dengan standart yang berlaku. Penerapan teknologi pengolahan air yang sesuai dengan kondisi sumber air baku, kondisi sosial, budaya, ekonomi dan SDM setempat. Dilihat dari kondisi yang ada dan penelitian yang telah dilakukan oleh Sudiati, (2000) bahwa penggunaan cascade aerator dan rapid sand filter dapat menjadi salah satu alternatifnya. Hasil penelitian sebelumnya didapatkan bahwa cascade aerator 12 step mampu menyerap oksigen sebesar 1,02 – 0,81 mg/L dengan efisiensi penurunan kadar besi sebesar 1,705 – 2,83 %, sedangkan untuk cascade aerator dengan 7 step dapat menyerap oksigen sebesar 0,61 – 0,41 mg/L dengan efisiensi penurunan kadar besi sebesar 0,512 – 0,862% yang kemudian hal ini didukung dengan adanya penggunaan filter dimana kadar besi dapat diturunkan sampai 99%.
2. Tinjauan Pustaka Air tanah adalah air yang berada di bawah permukaan tanah di dalam zona jenuh dimana tekanan hidrostatiknya sama atau lebih besar dari tekanan atmosfer (Suyono,1993). Air tanah terbagi atas air tanah dangkal dan air tanah dalam. Air tanah dangkal, terjadi karena adanya daya proses peresapan air dari permukaan tanah. Air tanah dangkal ini pada kedalaman 15,0 m sebagai sumur air minum, air dangkal ini ditinjau dari segi kualitas agak baik, segi kuantitas kurang cukup dan tergantung pada musim. Air tanah dalam, terdapat setelah lapis rapat air yang pertama. Pengambilan air tanah dalam, tak semudah pada air tanah dangkal karena harus digunakan bor dan memasukkan pipa kedalamannya sehingga dalam suatu kedalaman biasanya antara 100-300 m. Air tanah mengalami kontak dengan berbagai macam material yang terdapat di dalam bumi. Sehingga pada umumnya air tanah mengandung kation dan anion terlarut dan beberapa senyawa anorganik seperti silika (SiO2). Ion-ion yang biasanya terkandung dalam air tanah meliputi kalsium, besi, magnesium, natrium, kalium, klorida. Sedangkan gas-gas terlarut meliputi nitrogen, karbon dioksida, metana, oksigen, dan hidrogen sulfida (Fetter, 1999) Pada umumnya besi dalam air dapat bersifat: 1. Terlarut sebagai Fe2+ (Ferro) atau Fe3+ (Ferri). 2. Tersuspensi sebagai butir koloidal (diameter < 1 μ m) atau yang lebih besar seperti Fe2O3, FeO, Fe(OH)3,dan sebagainya. 3. Tergabung dengan zat organik atau zat padat yang inorganik seperti tanah liat. Pada air permukaan jarang ditemui kadar Fe lebih besar dari 1mg/Liter, tetapi dalam air tanah kadar Fe dapat jauh lebih tinggi. Konsentrasi Fe yang tinggi ini dapat dirasakan dan dapat menodai kain, perkakas dapur, dan alat sanitair. Kehadiran mangan dalam air tanah bersamaan dengan besi yang berasal dari tanah dan bebatuan. Mangan dalam air berbentuk mangan bikarbonat (Mn(HCO3)2), mangan klorida (MnCl2) dan mangan sulfat (MnSO4).
Dengan cascade aerators dapat meningkatkan waktu kontak dan perbandingan antara volume dan area yang diperoleh, dengan membiarkan air mengalir ke bawah di atas suatu rangkaian antara dinding-dinding. Dengan adanya cascade aerator yang membantu memberi supply udara, maka terjadi reaksi antara Fe dn Mn dengan Oksigen yang nantinya akan membentuk partikulatpartikulat yang akan dipisahkan oleh unit filter. 4 Fe 2 + ( aq ) + O2 + 10 H 2 O( l ) → 4 Fe (OH ) 3( S ) + 8 H + ( aq ) 2Mn2+ + O2 + 2H2O → 2MnO2 + 4H+
Mangan zeolit adalah (green sand) atau zeolit sintetis yang permukaannya dilapisi oleh mangan oksida tinggi yang secara umum rumus molekulnya adalah (K2Z.MnO.Mn2O7). Mangan zeolit berfungsi sebagai katalis dan pada waktu yang bersamaan besi dan mangan yang ada dalam air teroksidasi menjadi bentuk ferrioksida dan mangan dioksida yang tak larut dalam air. Reaksinya adalah sebagai berikut : K2Z.MnO.Mn2O7 + 4 Fe(HCO3)2 ====> K2Z + 3 MnO2 + 2 Fe2O3 + 8 CO2 + 4 H2O K2Z.MnO.Mn2O7 + 2 Mn(HCO3)2 ===> K2Z + 5 MnO2 + 4 CO2 + 2H2O Reaksi penghilangan besi dan mangan dengan menggunakan mangan zeolit merupakan reaksi dari Fe2+ dan Mn2+ dengan oksida mangan tinggi (higher mangan oxide). 3. Metodologi Penelitian Penelitian
yang dilakukan menggunakan kerangka acuan sebagai pedoman penelitian.
Kerangka acuan dapat diliat pada Gambar 3.1 berikut.
Dan berikut ini adalah Gambar 3.2 rangkaian reaktro yang digunakan ]pada saat penelitian.
4. Analisa dan Pembahasan Berdasarkan penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa penurunan Fe dan Mn dengan semakin tinggi konsentrasi, maka semakin tinggi pula efisiensi penurunan Fe dan Mn seperti tertuang dalam tabel berikut ini: Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Parameter pada 3 Variasi Konsentrasi Tanpa Mangan Zeolit
Variabel Konsentrasi 1 mg/L 3 mg/L 5 mg/L 1 mg/L 3 mg/L 5 mg/L
ZAT Fe
Mn
Rata-Rata Konsentrasi (mg/L) Inlet Outlet Cascade Cascade Outlet Aerator Aerator Filter 0.9989 0.7832 0.1377 3.0153 1.9231 0.2559 4.9501 3.2382 0.3629 1.0024 0.7579 0.1178 3.0465 1.8508 0.1238 4.9245 3.1884 0.3442
Efisiensi Rata-Rata Efisiensi Removal (%) Overall Inlet Outlet Inlet Cascade Cascade Outlet Outlet Aerator Aerator Filter Filter 0 21.6 82.4 86.2 0 36.2 86.6 91.5 0 34.6 88.8 92.7 0 24.4 84.4 88.3 0 39.2 89.2 93.0 0 35.3 93.3 95.9
Sumber: Hasil Analisa Hal di atas dapat terjadi karena semakin kecil konsentrasi mengakibatkan semakin kecil pula partikel yang terbentuk, akibatnya waktu pengendapannya juga semakin lama sehingga efisiensi yang dihasilkan juga semakin kecil. Oleh karena itu, inti dari proses aerasi ini adalah pengendapan dimana setiap terjadi proses aerasi, maka dibutuhkan suatu unit yang dapat digunakan seabgai bak pengendap. Dalam penelitian juga dilakukan perlakuan dengan menggunakan mangan zeolit. Efisiensi yang diasilkan untuk penurunan Fe dan Mn lebih besar apabila dibandingkan dengan yang tanpa menggunakan mangan zeolit. Hal ini dkarenakan mangan zeolit mempunyai 3 fungsi sekaligus dalam penurunan Fe dan Mn, yaitu adsorpsi, oksidan dan penukar ion. Hasilnya adalah seabgai berikut:
Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Parameter pada 3 Variasi Konsentrasi Menggunakan Mangan Zeolit
ZAT Fe
Mn
Variabel Konsentrasi 1mg/L 3mg/L 5mg/L 1mg/L 3mg/L 5mg/L
Rata-RataKonsentrasi (mg/L) Rata-RataEfisiensi Removal (%) Inlet Outlet Outlet Cascade Cascade Inlet Cascade Cascade Outlet Aerator Aerator Outlet Filter Aerator Aerator Filter 0.11 0.9864 0.6557 0 33.5 82.8 3.0688 1.8607 0.2113 0 39.4 88.6 4.9724 3.0421 0.3361 0 38.8 89.0 1.1171 0.7458 0.1268 0 38.4 80.0 91.9 3.0646 1.8357 0.1479 0 40.1 4.9155 2.9891 0.1449 0 39.2 95.2
Efisiensi Overall Inlet - Outlet Filter 88.6 93.1 93.2 88.6 95.2 97.1
Sumber: Hasil Analisa Dalam penelitian ini, mangan zeolit dibuat dengan merendam batu zeolit pada larutan KmnO4. Batuan zeolit yang digunakan adalah zeolit lokal. Zeolit ini kemudian dibersihkan dari kotoran dan batuan-batuan lain kemudian dikeringkan di udara. Setelah kering, zeolit murni ini direndam dengan larutan KmnO4 konsentrasi 0,1 M selama 24 jam. Zeolit yang sudah direndam kemudian dicuci. Zeolit yang sudah bersih merupakan material Mn Zeolit. Kemudian Mn Zeolit ini dipanaskan dibawah sinar matahari. Selain sampel buatan, reaktor ini juga diujikan dengan menggunakan air sumur gali asli. Air sumur gali ini diambil di daerah pogot, Surabaya dengan karakteristik sebagai berikut: 1. Konsentrasi Besi (Fe) = 1,16 mg/L 2. Konsentrasi Mangan (Mn) = 2,00 mg/L Hasilnya sebagai berikut: Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Parameter pada Sampel Air Sumur Gali Tanpa Menggunakan Mangan Zeolit Rata-Rata Efisiensi Removal Efisiensi Rata-Rata Konsentrasi (mg/L) (%) Overall Inlet Outlet Inlet Outlet Inlet Cascade Cascade Outlet Cascade Cascade Outlet Outlet ZAT Aerator Aerator Filter Aerator Aerator Filter Filter Fe 1.1600 0.8233 0.12 0 29.0 85.4 89.7 Mn 2.0000 1.4100 0.1400 0 29.5 89.7 93.0 Sumber: Hasil Perhitungan
Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Parameter pada Sampel Air Sumur Gali Menggunakan Mangan Zeolit Rata-Rata Efisiensi Removal Efisiensi Rata-Rata Konsentrasi (mg/L) (%) Overall Inlet Outlet Inlet Outlet Inlet Cascade Cascade Outlet Cascade Cascade Outlet Outlet ZAT Aerator Aerator Filter Aerator Aerator Filter Filter Fe 1.1600 0.7894 0.10 0 31.9 87.0 91.1 Mn 2.0000 1.2802 0.1300 0 36.0 89.8 93.5 Sumber: Perhitungan Apabila hasil penurunan dibandingkan dengan pada penelitian menggunakan sampel buatan, efisiensi yang dihasilkan lebih kecil. Hal ini dikarenakan dalam air sumur terdapat berbagai macam zat kimia maupun zat organik yang dapat mengganggu proses. Sehingga efisiensi yang dihasilkan kecil. Namun, konsentrasi pada air yang keluar dari filter sudah sesuai dengan baku mutu air bersih, yaitu Kepmenkes No.907 tahun 2002. Dalam sebuah penelitian menyebutkan bahwa zeolit mampu mengikat bakteri E.Coli. Kemampuan ini bergantung pada laju penyaringan dan perbandingan volume air dengan massa zeolit. (Rahman dan Hartono, 2004) Berikut adalah foto perbedaan aliran air saat menggunakan mangan zeolit dan tidak menggunakan mangan zeolit:
Gambar 4.1 Tanpa mangan zeolit
Gambar 4.2 Menggunakan Mangan Zeolit
5. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Efisiensi yang paling tinggi dalam penuruan Fe dan Mn pada cascade aerator dengan sampel artificial adalah pada konsentrasi 3 mg/L dengan perlakuan menggunakan mangan zeolit, yaitu 39,4% dan 40,1%. Secara overall, efisiensi penurunan Fe dan Mn ini yang paling besar adalah pada konsentrasi 5 mg/L dengan perlakuan menggunakan mangan zeolit, yaitu sebesar 93,2% dan 97,1%. Sedangkan pada percobaan dengan menggunakan air sumur gali asli, efisiensi penurunan Fe dan Mn paling bagus adalah dengan menggunakan mangan zeolit, yaitu 91,1% dan 93,5%. 2. Efisiensi penurunan Fe dan Mn
yang paling optimal terjadi pada perlakuan dengan
menggunakan mangan zeolit, dengan nilai sebesar 39,4% dan 40,1%, sedangkan yang tanpa mangan zeolit sebesar 36,2% dan 39%. Hal ini dapat terjadi karena mangan zeolit memiliki 3 fungsi sekaligus, yaitu adsorbent, oksidan dan penukar ion.
DAFTAR PUSTAKA Alaerts, G. dan Santika,S.S. 1987. Metoda Penelitian Air. Usaha Nasional Surabaya. Anonim.
2008.
Drinking
Water.
National
Academy
of
Sciences.
water.org/html/en/Treatment/Decision_Tool.html> Anonim.
2004.
Aerobic
Treatment
Units.
University
of
Wisconsin.
Anonim.
2003.
Pond
Aerator.
Costum
Fountains,
Inc.
Ohio.
AWWA. 1997. Water Treatment Plant Design AWWA. 3rd edition. Mc.Graw Hill Company. New York AWWA. 1990. Water Treatment Plant Design AWWA. 2nd edition. Mc.Graw Hill Company. New York
AWWA. 1990. Water Quality Treatment AWWA. Mc. Graw Hill book company. New York Ardiyansyah, A. 2005. Penggunaan Kapur Tohor Terhadap Penurunan Kesadahan Air Sumur Gali di Kelurahan Canrego Kecamatan Polombangkeng Selatan Kabupaten Takalang. Politeknik Kesehatan. Makassar. Benefield, L, D., 1982. Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment. Prentince Hall. New Jersey Dewi, Ratna, A.A.I., 1988. Penurunan Fe dan Mn dengan Cascade Aerator. Tugas Akhir Jurusan Teknik Lingkungan FTSP-ITS Surabaya. Driscoll, F. 1986. Groundwater and Wells. Second Edition. Johnson Filtration System Inc. Minnesota Fair, G. M., Geyer. J.C., dan Okun. D.A., 1968. Water and Wastewater Engineering Volume 2. Water Purification and Wastewater Treatment and Disposal. John Wiley & sons Inc. New York Faust, S.D., Osman, M.A.,1989. Chemistry of water treatment.2nd edition. Ann Habor Press. United States of America Fetter, C. W., 1999. Contaminant Hydrogeology. Second Editon. Prentice Hall Inc. New Jersey Hanbay, D. et al, 2009. Prediction of Aeration efficiency on stepped cascade by using least square support vector machines. Expert System With Application. 36:4228 – 4252 Huisman, L.1974. Rapid Filtration Part 1.Dept. of civil engineering. Delft University of Technology. Delft. Kaur, H., 2005. Zeolite-Supported Transition Metal Catalysts to Enhancet the Ozonation of Aqueous Phenol. Thesis in Faculty of Chemical and Natural Resources Engineering. Universiti Teknologi Malaysia. Metcalf,.Eddy. 2003. Wastewater Engineering Treatment and Reuse. Fourth Edition. Mc.Graw Hill. New York Popel, H. J. 1974. Aeration and Gas Transfer. Delft University of Technology. Delft Pratama, G.A., 2010. Penggunaan Filter Tembikar Untuk Meningkatkan Kualitas Air Tanah Dangkal Dekat Sungai (Studi Kasus Air Sumur Dekat Sungai Kalimas, Surabaya). Tugas Akhir Jurusan Teknik Lingkungan FTSP-ITS. Surabaya
Purwaningsih, I., 2008. Pengolahan Limbah Cair Industri Batik CV. Batik Indah Raradjonggrang Yogyakarta dengan metode Elektrokoagulasi Ditinjau dari Parameter Chemocal Oxygen Demand (COD) dan Warna. Tugas Akhir Jurusan Teknik Lingkungan FTSP-UII. Yogyakarta Qasim, R. S, et.al. 2000. Waterwork Engineering, Planning, Design, and Operatin. Rahman, A., Hartono, B., 2004. Penyaringan Air Tanah dengan Zeolit Alami Untuk Menurunkan Kadar Besi dan Mangan. Makara, Kesehatan 8, 1:1-6 Reynold, T.D., dan
Richard, Paul A. 1996. Unit Operations and Process in Envronmentsl
Engineering. PWS Publishing Company. Boston Said, N. I., 1996. Pengolahan Air Tanah dengan Filter Mangan Zeolit dan Karbon Aktif. Kelompok Teknologi Pengolahan Air Bersih dan Limbah Cair. Direktorat Teknologi Lingkungan. Jakarta Pusat Schmitt, D., dan Shinault, C., 1998. Rapid Sand Filtration. Civil Engineering Departement. Virginia Tech. Sudiati, K., 2004. Penurunan Kadar Besi (Fe) dengan Metode Aerasi, Sedimentasi dan Filtrasi untuk Skala Rumah Tangga di Pedesaan. Tugas Akhir Jurusan Teknik Lingkungan FTSPITS. Surabaya Sugiharto. 1987.Dasar-Dasar Pengolahan Air Limbah.UI Press. Jakarta Suyono. 1993. Pengolahan Sumber Daya Air. Fakultas Geografi Universitas Gadjah Mada. Yogyakarta. Tchobanoglous, G., Schroeder, E. D., 1987. Water Quality Characteristic, Modelling, Modification. Addison-Wasley Publishing Company Inc. California Viessman, W., Hammer, M. J., 1985. Water Supply and Pollution Control. Fourth Edition. Harper & Row Publisher Inc. New York dikutip pada 29 Januari pukul 15.20 WIB. dikutip pada 29 Januari pukul 16.00 WIB
