Reduksi Chemical Oxygen Demand dan NH3-N dengan Adsorpsi ...

1

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

Reduksi chemical..., Febrina N S L Tobing, FT UI, 2013

mailto:[email protected]

2

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


3

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.


4

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


5

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):


6

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.


7

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:


8

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

m

(g/l)

Co

(mg/l)

Ce

(mg/l)

X

(mg/l)

x/m

(mg/g)

Removal

(%)

8x16

10 27,4 20,6 6,8 0,68 24,82

20 27,4 19,9 7,5 0,375 27,37

40 27,4 15,9 11,5 0,2875 41,97

60 27,4 13,3 14,1 0,235 51,46

80 27,4 11,3 16,1 0,20125 58,76

100 27,4 10,9 16,5 0,165 60,22

8x30

10 27,4 19,2 8,2 0,82 29,93

20 27,4 18,4 9 0,45 32,85

40 27,4 15,6 11,8 0,295 43,07

60 27,4 14,1 13,3 0,221667 48,54

80 27,4 9,7 17,7 0,22125 64,60

100 27,4 9 18,4 0,184 67,15


9

Tabel 3. Penurunan COD dengan Variasi Dosis Karbon Aktif

Ukuran

Partikel

GAC

m

(g/l)

Co

(mg/l)

Ce

(mg/l)

X

(mg/l)

x/m

(mg/g)

Removal

(%)

8x16

10 64 48 16 1,6 25

20 64 40 24 1,2 37,5

40 64 32 32 0,8 50

60 64 24 40 0,67 62,5

80 64 16 48 0,6 75

100 64 8 56 0,56 87,5

8x30

10 64 48 16 1,6 25

20 64 40 24 1,2 37,5

40 64 24 40 1 62,5

60 64 16 48 0,8 75

80 64 8 56 0,7 87,5

100 64 8 56 0,56 87,5

Tabel 4. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas NH3-N Efluen

Ukuran

Partikel Menit ke- Ce (mg/l)

Kualitas Limbah Awal 27,25

8 x 16 mesh

30 11,75

60 20

90 28

120 30

150 31,5

180 31,75

8 x 30 mesh

30 10,5

60 19

90 19

120 26

150 31,25

180 31,5


10

Tabel 5. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas COD Efluen

Ukuran

Partikel Menit ke- Ce (mg/l)

Kualitas Limbah Awal 56

8 x 16 mesh

30 0

60 0

90 8

120 8

150 8

180 16

8 x 30 mesh

30 0

60 0

90 0

120 8

150 16

180 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.


11

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

Gambar 2. Grafik Removal NH3-N (8 x 30) Mesh

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.

y = 24,141e0,0105x R² = 0,9088

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

0 20 40 60 80 100 120

rem

ova

l (%

)

dosis (gram/l)

y = 27,894e0,0095x R² = 0,9716

0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,00

0 20 40 60 80 100 120

rem

ova

l (%

)

dosis (gram/l)


12

b. Kapasitas dan Intensitas Adsorpsi NH3-N oleh Karbon Aktif

Gambar 3. Grafik Isotherm NH3-N (8 x 16) Mesh

Gambar 4. Grafik Isotherm NH3-N (8 x 30) Mesh

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 Kf 1/n

8 x 16 NH3-N

0,0028 1,7135

8 x 30 0,0066 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

y = 0,0028x1,7135 R² = 0,866

0,1

1

1 10

x/m

Ce (mg/l)

y = 0,0066x1,4727 R² = 0,704

0,1

1

1 10

x/m

Ce (mg/l)


13

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 C0 Ce LPK (g/l)

8 x 16 NH3-N

27 0,5 33,377

8 x 30 27 0,5 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,


14

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 R

2 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%.

Gambar 5. Grafik Removal COD (8 x 16) Mesh

y = 26,598e0,0129x R² = 0,9323

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

rem

ova

l (%

)

dosis (gram/l)


15

Gambar 6. Grafik Removal COD (8 x 30) Mesh

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

Gambar 8. Grafik Isotherm COD (8 x 30) Mesh

y = 28,395e0,0134x R² = 0,8397

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

rem

ova

l (%

)

dosis (gram/l)

y = 0,1482x0,545 R² = 0,7447

0,1

1

10

1 10 100

x/m

Ce (mg/l)

y = 0,2273x0,4743 R² = 0,9297

0,1

1

10

1 10

x/m

Ce (mg/l)


16

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 Kf 1/n

8 x 16 COD

0,1482 0,545

8 x 30 0,2273 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 Co Ce LPK (gr/l)

8 x 16 COD

56 5 38,367

8 x 30 56 5 33,251


17

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

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.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 30 60 90 120 150 180Ko

nse

ntr

asi N

H3-N

(m

g/l)

Waktu Paparan (menit)

8 x 16mesh


18

2. Pengaruh Waktu Paparan terhadap Kualitas COD Efluen

Gambar 10. Grafik Pengaruh Waktu Paparan terhadap Konsentrasi COD

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 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.

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.

0

5

10

15

20

0 30 60 90 120 150 180

Ko

nse

ntr

asi C

OD

(m

g/l)

Waktu Paparan (menit)

8 x 16mesh


19

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, 1853-

1860

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.


20

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.


Reduksi Chemical Oxygen Demand dan NH3-N dengan Adsorpsi ...

Documents