Ozonisasi Sebagai MetodePenyucihamaan Air Minum

  

Daniel Santoso, Darmawan Utomo

  Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana

  

E-mail:

Abstrak

  Air minum yang layak salah satunya harus memenuhi syarat bakteriologis. Untuk memenuhi syarat tersebut diperlukan metode penyucihamaan yang efektif. Ozonisasi dikenal memiliki banyak keunggulan dibandingkan metode – metode lainnya. Dalam penelitian ini dihasilkan sebuah generator ozon untuk dipakai oleh sebuah produsen AMDK dalam proses pengolahan air minum. Generator ozon yang dibangun menggunakan komponen – komponen OEM ini mampu menghasilkan ozon terlarut pada keran sampel sebesar 0,8 mg/l. Air hasil penyucihamaan mengandung ALT

  maksimal 9 dan coliform 0.

  Kata kunci: generator, ozon, AMDK, ALT, coliform Pendahuluan Air bersih merupakan kebutuhan mutlak manusia untuk menjamin kelangsungan hidupnya.

  Besarnya kebutuhan air tiap manusia cukup bervariasi. Untuk negara berkembang seperti Indonesia tiap orang memerlukan air antara 30 – 60 liter per hari (Depkes, 2006). Sebagian besar penggunaan air tersebut adalah untuk memenuhi kebutuhan air minum. Untuk dapat diminum, air haruslah memenuhi persyaratan kesehatan yang meliputi syarat bakteriologis, kimia, radioaktivitas, dan fisik (Depkes, 2002).

  Sumber air minum di Indonesia umumnya ada dua yaitu air tanah dan air olahan. Air tanah adalah air yang diambil dari dalam tanah dengan cara pengeboran. Air ini memiliki kandungan kontaminan bervariasi seperti besi, mangan, nitrat, dan bakteri E-coli sehingga kurang memenuhi persyaratan kesehatan untuk diminum. Air olahan ada dua macam yaitu air perusahaan air minum (PAM) dan air minum dalam kemasan (AMDK). Bahan baku untuk air olahan ini umumnya berasal dari air tanah atau air sungai yang kemudian diolah dengan metode – metode tertentu untuk meningkatkan kualitasnya sehingga memenuhi persyaratan kesehatan sebagai air minum.

  Untuk memenuhi syarat bakteriologis ada beberapa metode penyucihamaan yaitu pemanasan, penggunaan bahan kimia (asam / basa), dan penggunaan oksidator (ozon, klorin, dan peroksida). Masing – masing metode tersebut memiliki keuntungan dan resiko sendiri. Pemanasan telah terbukti dapat menghasilkan air berkualitas tinggi dengan pertumbuhan bakteri rendah tetapi biaya operasional mahal. Penggunaan bahan kimia efektif untuk membasmi mikroorganisme tetapi penggunaanya harus ekstra hati – hati karena berbahaya apabila sampai masuk tubuh manusia bersama air minum. Klorin merupakan salah satu oksidator yang paling banyak dipakai PAM dan produsen AMDK sebagai penyucihama. Meskipun demikian hasil turunan klorin yaitu THM (trihalomethane) merupakan senyawa kimia berbahaya yang dapat menyebabkan penyakit kanker dan ginjal apabila masuk dalam tubuh manusia.

  Dibandingkan metode – metode yang telah disebutkan, penggunaan ozon sebagai penyucihama memiliki banyak keunggulan. Ozon yang terlarut dapat mencapai seluruh bagian sistem pengolahan air tetapi kemudian dapat dengan mudah dihilangkan. Tidak diperlukan penanganan khusus dalam penggunaan ozon ini karena ozon dihasilkan dari udara bebas atau gas oksigen bertekanan dan dapat dioperasikan pada suhu kamar. Ozon bekerja dengan cara menyerang semua ikatan organik termasuk dinding sel dan struktur eksternal bakteri, spora, dan kista. Waktu kerja ozon juga jauh lebih cepat dibandingkan klorin. Dengan konsentrasi ozon 0,1 mg/l dapat menghancurkan 60.000 colony-forming unit (cfu) bakteri E-coli dalam waktu 1 menit sementara klorin dengan dosis yang sama membutuhkan waktu sampai 400 jam (ISPE Baseline Series, 2001). Keuntungan lain penggunaan ozon antara lain: dengan mudah dapat dihilangkan dengan sinar ultraviolet, dapat mengoksidasi material anorganik, dan dapat berfungsi sebagai penjernih air.

  Dengan melihat potensi ozon sebagai agen penyucihama pengganti klorin diadakan sebuah penelitian dengan tujuan merancang dan merealisasikan sebuah generator ozon dan meneliti kinerjanya. Generator yang dihasilkan diharapkan dapat digunakan oleh produsen AMDK dalam proses pengolahan air tanah menjadi air yang memenuhi syarat bakteriologis. Penelitian ini didukung oleh sebuah produsen AMDK di kota Solo.

  Studi Pustaka

  Ozon pertama kali digunakan untuk disinfeksi dan oksidasi pada instalasi pengolahan air minum di Belanda pada tahun 1893. Di Amerika untuk aplikasi sejenis ozon baru mulai digunakan pada tahun 1987 (Langlais dkk, 1991).

  Pada suhu kamar ozon berbentuk gas. Gas ini tidak berwarna dan dengan aroma yang tajam dapat dengan mudah dideteksi meskipun dalam konsentrasi yang rendah (0,02 – 0,05 ppm volume). Gas ozon bersifat sangat korosif dan beracun.

  Ozon merupakan oksidan yang kuat, hanya setingkat di bawah radikal bebas hidroksil, karena itu mampu mengoksidasi senyawa organik dan anorganik yang terkandung dalam air. Ozon _o larut secara terbatas dalam air. Pada suhu 20 C keterlarutan ozon dengan konsentrasi 100% hanya 570 mg/l (Kinman, 1975). Meskipun ozon lebih mudah larut daripada oksigen, klorin 20 kali lebih mudah larut daripada ozon. Konsentrasi ozon yang umum digunakan dalam pengolahan air umumnya di bawah 14%, konsekuensinya konsentrasi tipikal ozon dalam air selama proses pengolahan berkisar antara <0,1 – 1 mg/l. Meskipun demikian konsentrasi lebih tinggi dapat dicapai dalam kondisi optimum.

  Seperti yang terlihat pada Gambar 1, ozon dapat bereaksi dan larut dalam cairan dengan salah satu atau dua mode secara bersamaan yaitu (Hoigne dan Bader, 1977) a. ^{(aq) );} oksidasi langsung senyawa oleh molekul ozon (O3 b. oksidasi senyawa oleh radikal bebas hidroksil yang dihasilkan selama dekomposisi ozon.

  Gambar 1. Reaksi oksidasi senyawa oleh ozon Dalam kondisi asam oksidasi langsung lebih berperan sebaliknya dalam kondisi basa atau ada paparan sinar ultraviolet, oksidasi hidroksil mengambil peran lebih dominan. Setelah melalui penelitian dan pengembangan sampai saat ini dikenal empat metode produksi ozon yaitu a. pelepasan korona; b. radiasi ultraviolet; c. elektrolisis; d. radiokimia.

  Pada prinsipnya metode – metode tersebut menggunakan energi dari luar untuk memutuskan ikatan atom – atom oksigen menjadi bentuk molekular sehingga terdisasosiasi dan terbentuk ulang sebagai ozon. Energi yang diaplikasikan beraksi secara acak sehingga menghasilkan friksi tingkat tinggi selama reaksi. Karena alasan ini produksi ozon tidak efisien dan selalu diikuti pelepasan panas dalam jumlah besar.

  Metode pelepasan korona merupakan metode produksi ozon terkendali yang paling aman, paling efektif, ekonomis, dapat dipercaya, dan paling banyak digunakan secara komersial. Metode ini melibatkan pelepasan listrik tegangan tinggi di antara suatu celah dimana ada aliran oksigen murni atau udara kering. Akibatnya gas terionisasi secara parsial dan menimbulkan pendaran cahaya berwarana kebiru – biruan. Pelepasan korona dapat diibaratkan miniatur kilat tapi dalam suatu lingkungan yang tertutup dan terkendali penuh. Konfigurasi umum sebuah unit pelepas korona diilustrasikan pada Gambar 2.

  Gambar 2. Konfigurasi umum unit pelepas korona Ozon dihasilkan di dalam korona sebagai akibat langsung disipasi daya dalam korona. Elektron – elektron dipercepat di antara celah udara sehingga memiliki cukup energi untuk memisahkan ikatan ganda oksigen sehingga menghasilkan atom oksigen. Atom – atom oksigen kemudian bereaksi dengan molekul – molekul oksigen diatomik lain untuk membentuk ozon. Proses pembentukan ozon ini dapat dinyatakan dalam persamaan (1) di bawah ini.

  2 O

  (1) ₂ = ₃ Jumlah produksi ozon beserta efisiensi dan kehandalan produksinya berhubungan langsung dengan faktor – faktor sebagai berikut a. kualitas gas masukan; b. daya masukan; c. konstruksi modul pembangkit; d. suhu.

• 3 O Energi

  Jumlah ozon yang diproduksi dalam suatu rancangan generator tergantung pada konsentrasi oksigen yang masuk ke korona. Lebih banyak oksigen yang masuk, lebih banyak pula ozon yang dihasilkan. Secara umum, konsentrasi ozon 1 – 3% apabila digunakan gas masukan berupa udara sedangkan konsentrasi ozon 3 – 10% apabila digunakan gas masukan berupa oksigen. Besarnya energi yang diaplikasikan pada celah udara di antara elektroda juga memegang peranan penting dalam hal tingkat produksi ozon. Umumnya digunakan tegangan antara 7 – 30 kV dengan frekuensi bervariasi antara 50 – 4000 Hz. Rancangan pelepas korona sangat penting untuk menjamin luaran ozon pada tingkat optimum dan umur pakai generator itu sendiri. Ada dua faktor rancangan utama yaitu material dan bentuk geometri. Penting diperhatikan bahwa energi terdisipasikan secara merata sepanjang celah udara, material dielektrik dan elektroda untuk mencegah titik – titik panas dan kegagalan dini. Bentuk geometri dasar yang umum dipakai adalah bentuk lempeng datar sejajar dan tabung konsentrik. Material dielektrik dipilih dari jenis yang memiliki kekuatan dielektrik tinggi (V/mm), biasanya kaca atau keramik sedangkan material ₂ elektroda dipilih dari jenis yang dapat menangani kerapatan arus tinggi (W/cm ). Seperti yang telah dibahas sebelumnya, proses produksi ozon merupakan proses yang tidak efisien dimana sekitar 80% energi listrik yang diaplikasikan akan didisipasikan sebagai panas. Panas ini merugikan karena tidak hanya menambah beban kerja komponen – komponen generator tapi juga dapat menghancurkan ozon yang terbentuk. Karena itu mekanisme pembuangan panas yang efektif sangat mempengaruhi efisiensi luaran dan kehandalan generator.

  Metodologi Penelitian

  Dalam melakukan penelitian ini tim peneliti bermitra dengan produsen AMDK di Kota Solo yang tertarik dengan proses penyucihamaan menggunakan metode ozonisasi. Sebelumnya mitra pernah menggunakan produk generator ozon komersial tetapi umur pakainya relatif pendek dan mengalami kesulitan dalam layanan purna jualnya. Karena penelitian ini memiliki mitra dan alat referensi maka alur metodologi penelitiannya seperti yang terlihat pada Gambar 3.

  Gambar 3. Diagram alir penelitian Spesifikasi yang penting dari sebuah generator ozon umumnya meliputi konsumsi daya, kapasitas luaran, dan konsentrasi luaran. Berdasarkan produk komersial yang pernah dipakai ₃ spesifikasi tersebut berturut – turut adalah 80 W, 7 g/jam (maks.), dan 10 g/m (maks.). Mekanisme pembuangan panas menggunakan kipas pendingin yang dihadapkan langsung ke sirip pendingin pelepas korona. Masukan udara berupa oksigen murni dari tabung bertekanan. Dalam perancangan tentu saja harus dipilih pelepas korona yang minimal memiliki spesifikasi sama dengan pelepas korona yang dipakai generator ozon terdahulu.

  Setelah melakukan survei ke sejumlah vendor, dipilihlah satu jenis pelepas korona dari vendor penyedia komponen original equipment manufacturer (OEM) tipe SYG-107. Dengan konsumsi daya 77 W, pelepas korona ini mampu menghasilkan ozon dengan kapasitas 8,7 g/jam ₃

  (maks.) dan konsentrasi 46,8 g/m (maks.). Mekanisme pembuangan panas menggunakan kipas pendingin dan sirkulasi cairan pendingin. Secara spesifikasi pelepas korona versi OEM ini melebihi persyaratan tetapi diperlukan sistem pendingin cairan eksternal.

  Sistem pendingin cairan terdiri dari pompa air, tangki penampung, radiator, sensor, dan antarmuka yang diambil dari produk Thermaltake. Pompa air ini mampu mengalirkan air dengan laju 8 L/menit, di atas persyaratan minimal pendinginan pelepas korona yaitu 3 l/menit. Radiator alumunium berdiameter 12 cm dibantu dengan kipas pendingin berkecepatan 2800 rpm digunakan sebagai media pelepasan panas. Sensor digunakan untuk memantau kecukupan cairan pendingin dalam tangki penampung dan suhu cairan pendingin yang bersirkulasi dalam sistem. Hasil pembacaan sensor dapat dipantau oleh pengguna melalui sebuah layar liquid crystal display (LCD) sebagai antarmuka. Terdapat pula peringatan audibel yang dapat disetel levelnya sebagai penanda apabila terjadi kekurangan cairan pendingin secara signifikan atau suhu cairan pendingin naik di atas batas yang telah ditentukan. Gambar 4 menunjukkan diagram blok generator ozon yang dirancang.

  Gambar 4. Diagram blok generator ozon Harus dipastikan bahwa tidak ada kebocoran baik pada saluran sirkulasi cairan maupun sirkulasi udara. Kebocoran cairan pendingin dapat mengakibatkan kegagalan sistem pendinginan yang pada akhirnya akan menghancurkan pelepas korona. Kebocoran udara terutama yang mengandung ozon akan mengakibatkan oksidasi masif pada semua komponen yang terbuat dari logam dalam waktu singkat. Saluran udara yang digunakan haruslah berbahan food grade karena bersentuhan langsung dengan air minum.

  Hasil dan Pembahasan

  Generator ozon yang dibangun dengan menggunakan komponen – komponen OEM telah berhasil direalisasikan dan telah fungsional di produsen AMDK selama kurang lebih 1 tahun. Gambar 5a dan 5b menunjukkan dokumentasi generator ozon tersebut.

  (a) (b)

  Gambar 5a. Tampak dalam generator ozon; Gambar 5b. Genertor ozon diintegrasikan dengan sistem pengolahan air minum

  Ozon yang dihasilkan oleh generator dilarutkan ke dalam sistem pengolahan air minum menggunakan injektor venturi. Sistem pengolahan air ini memiliki debit 25 l/menit. Pasokan oksigen berasal dari tabung bertekanan berisi oksigen dengan kemurnian di atas 93%. Pengaliran oksigen ke generator melalui regulator yang dilengkapi dengan flowmeter. Pengukuran konsentrasi ozon dalam air dilakukan secara kimia menggunakan Ozone Test Kit model OZ-2 produk HACH. Pengukuran dilakukan selama kurang lebih 90 menit dengan interval 15 menit pada keran sampel dekat injektor venturi dan tangki penampung air. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 1.

  

Tabel 1. Hasil pengujian konsentrasi ozon pada air olahan

  Laju aliran oksigen Interval waktu Konsentrasi ozon di Konsentrasi ozon di tangki (L/menit) (menit) keran sampel (mg/L) penampung (mg/L) 2 +15 1,0 0,4

  2 +30 1,0 0,4 2 +45 1,0 0,4

• 1 +60 0,5 2 +75 0,5 - 3 +90 1,0 0,3

  Dari Tabel 1 dapat dilihat pada konsentrasi ozon optimum ketika generator diberi oksigen dengan laju aliran 2 l/menit. Menurut mitra, kinerja generator ozon dianggap memadai apabila kandungan ozon pada air dari keran sampel lebih dari 0,8 mg/l dan kandungan ozon pada air di tangki penampung lebih dari 0,2 mg/l sehingga kinerja generator ini telah memenuhi syarat. Selama 90 menit pengujian pada siang hari di luar ruangan, suhu cairan pendingin yang terbaca _o pada LCD berkisar 40 – 45 C menandakan sistem pendingin cairan bekerja dengan baik.

  Dalam hubungannya dengan penyucihamaan menggunakan ozon dilakukan pengujian air minum hasil olahan di laboratorium untuk melihat kelayakannya secara bakteriologis. Hasil uji ₂ terakhir menunjukkan angka lempeng total (ALT) maksimal 9 (ambang batas 1 x 10 ) dan coliform 0 (ambang batas 0).

  Kesimpulan

  Generator ozon sebagai luaran penelitian dapat digunakan oleh mitra untuk melakukan penyucihamaan dalam proses pengolahan air baku menjadi AMDK. Air minum yang dihasilkan telah dapat memenuhi syarat bakteriologis dan kinerja generator stabil dalam jangka waktu kurang lebih satu tahun sehingga dapat disimpulkan perancangan generator dan konfigurasi di lapangan sudah tepat.

  Daftar pustaka

  Menkes RI, 2002, Kepmenkes RI no. 907/MENKES/SK/VII/2002, Jakarta Depkes RI, 2006, Pedoman Pelaksanaan Penyelenggaraan Hygiene Sanitasi Depot Air Minum, Jakarta

  ISPE Baseline Series, 2001, Vol. 4. Water and Steam Systems, Appendix to First Edition, section 11.8.6.2 comparison with chlorine, pg.59 Langlais B, dkk., 1991, Ozone in Drinking Water Treatment: Application and Engineering, AWWARF and Lewis Publishers, Boca Raton, Florida Kinman RN, 1975, Water and Wastewater Disinfection with Ozone: A Critical Review, Crit. Rev.

  Environ. Contr . 5:141 – 152

  Hoigne J dan Bader H, 1977, Role of Hydroxyl Radical Reactions in Ozonation Processes in Aqueous Solutions, Water Res. 10:377