Fermangano Biofilter

Ada di MAM edisi Mei 2007.

Artikel ini masih berkaitan dengan teknologi reduksi besi dan mangan dalam air baku yang digunakan sebagai sumber air minum. Pada artikel sebelumnya (MAM edisi 138, Maret 2007) sudah dibahas proses reduksinya dengan metode Cascade (judul: Cascade, the Art of Aeration). Lantas muncul komentar (pertanyaan): apakah Mn dalam air tanah, air danau dan waduk bisa hilang? Sebab, katanya, air tersebut umumnya ber-pH rendah akibat polusi dari material organik.

Sudah dipahami, pH berperan besar dalam proses biologi dan/atau kimia (biokimia), termasuk dalam penyisihan besi dan mangan. Pada kedua unsur tersebut, pH ikut menentukan keberhasilan pengolahan. Sudah terbukti pula mengolah mangan tak semudah mengolah besi. Ketika rendah pH-nya, aerasi tidak dapat menaikkan potensial mangan sehingga tak terjadi perubahan Mn²⁺ menjadi Mn⁴⁺. Tapi untungnya, konsentrasi besi dan mangan di air permukaan relatif rendah, sekitar 1 mg/l. Di air tanah lebih tinggi, kadar besinya bisa mencapai 10 mg/l dan mangan bisa lebih dari 2 mg/l.

Adakah siasat yang bisa dicoba? Ada! Lengkapilah Cascade dengan unit oksidator, letakkan di inlet Cascade lalu teteskan oksidatornya ke dalam aliran air. Agar optimal, bubuhkanlah kapur, Ca(OH)₂. Dengan dosis tertentu pH airnya bisa mencapai 8,3 (atau 8,5 dan bahkan 9,5). Pada angka tersebut, tak hanya mangan dan besi yang dioksidasi tetapi semua logam dalam air akan diubah menjadi presipitat yang lantas disisihkan di unit sedimentasi dan/atau filtrasi. Agar tak dipusingkan oleh endapan yang terjadi, gunakan saja basa kuat NaOH. Adapun oksidatornya berupa kaporit, ozon atau kalium permanganat.

***

Tulisan kali ini pun masih berbicara soal besi dan mangan, menjadi pelengkap artikel Cascade, juga sebagai pembanding teknologi pengolahan besi-mangan yang tersedia di dunia perairminuman. Yang diketengahkan ialah teknologi yang belum diterapkan oleh PDAM. Di Eropa saja, menurut Mouchet di dalam J. American Water Work Association, 84, 1992, seperti dikutip Droste (1997), teknologi ini hanya ada 100-an unit. Namanya, biofilter atau Fermangano Biofilter.

Mendengar istilah biofilter biasanya pikiran kita langsung mengarah ke proses biologi, yaitu pengolahan air limbah semisal Filter-Tetes (Trickling Filter) dan variannya. Tidak salah, memang. Hanya saja, biofilter pun bisa diterapkan dalam proses pengolahan air minum dengan cara “beternak” bakteri. Keduanya memanfaatkan jasa mikroorganisme, khususnya bakteri, yang berkembang biak di dalam air olahan. Proses yang kompleks ini menggunakan filter untuk mendukung kehidupan bakteri ototrof (autotrophic) pengoksidasi besi dan mangan.

Faktanya, ada bakteri yang hanya mampu mengoksidasi besi saja, ada juga yang hanya mampu mengoksidasi mangan saja, tetapi ada juga yang bisa mengoksidasi keduanya. Ini membuktikan keragaman spesiesnya dan justru memperbesar peluang kita dalam upaya mengolah air yang mengandung besi dan mangan dalam konsentrasi berlebih. Tentu saja kondisi lingkungannya seperti nutrien, pH, temperatur, alkalinitas dapat mempengaruhi perkembangannya. Begitu pun, kondisi optimal pemisahan besi berbeda dengan kondisi optimal pemisahan mangan. Oleh sebab itu, idealnya, diperlukan dua filter berbeda untuk pemisahannya.

Disebut di atas, derajat keasaman (pH) air baku, mau tak mau, harus dikondisikan agar mendukung aktivitas bakteri. Umumnya, aktivitas bakteri lebih baik pada pH basa daripada asam. Namun pada pH netral pun proses biologi tersebut bisa berlangsung. Kelarutan oksigen di dalam air baku juga menjadi faktor penting. Droste menyatakan, aktivitas bakteri besi dan mangan akan turun kalau terjadi proses fisikokimia terhadap besi dan mangan. Akibatnya, kinerjanya ikut turun. Fenomena tersebut melibatkan oksigen yang justru menjadi andalan unit Cascade dan jenis reaktor lainnya dalam proses aerasi secara kimia.

Masih menurut Droste, agar optimal prosesnya hendaklah air yang akan diolah dengan biofilter ini dinitrifikasi dulu. Laju filtrasinya untuk pemisahan besi antara 25 - 40 m/jam (80 -130 ft/jam); laju untuk filter mangan 10 - 40 m/jam (33 -130 ft/jam. Laju filtrasinya bisa ditingkatkan dengan menggunakan media pasir yang effective size-nya 0,95 - 1,35. Frekuensi backwash-nya bergantung pada kualitas air baku dan debit air untuk backwash sebaiknya kurang dari 1% dari air produksi. Penggunaan filter ini dapat mengurangi kebutuhan zat kimia, mengurangi biaya operasi dan mereduksi volume lumpur.

Bakteri Pelaku

Layaknya bakteri, grup pengoksidasi besi-mangan pun bisa dimasukkan ke dalam kelompok bakteri “jahat” karena merugikan. Selain kesehatan, efeknya juga pada estetika dan ekonomi. Air menjadi keruh akibat partikulat besi (III, ferri) atau berupa koloid yang melayang-layang di air. Koloid ini tak bisa diendapkan begitu saja sebelum dikenakan proses pengolahan fisika-kimia atau biologi. Rasa dan bau air menjadi amis, berlendir, atau mengental. Alat plambing: wastafel, urinal, kloset, lantai, dan bak menjadi kuning coklat. Sulit dibersihkan kalau hanya digosok dengan sabun dan lap atau sabut kelapa. Dikatakan “baik” pun bisa saja karena dapat mengoksidasi besi terlarut menjadi besi yang dapat disisihkan atau presipitat.

Di antara bakteri pengoksidasi besi, yang terkenal ialah Thiobacillus ferrooxidans. Spesies ini dapat hidup ototrof dengan menggunakan ion besi dan sulfur sebagai donor elektron. Yang lainnya ialah Sulfolobus dari golongan Archaea. Adapun pengoksidasi mangan yang umum antara lain Leptothrix discophora. Reaksi umumnya: Fe²⁺ + bakteri besi à Fe³⁺. Dengan kata lain, ion ferro atau besi (II) dioksidasi oleh bakteri besi menjadi ion ferri atau besi (III). Selain “makan” besi, semua zat organik dan anorganik dalam air dapat dijadikan sumber makanan bakteri ini. Suhu, cahaya, pH dan oksigen terlarut dalam kondisi terukur menjadi faktor pendukung agar optimal pertumbuhannya.

Uniknya lagi dan ini menguatkan keragaman spesiesnya, oksidasi besi dapat berlangsung dalam kondisi aerob dan anaerob. Atas dasar kondisi lingkungannya, bakteri ini bisa dibedakan menjadi bakteri pengoksidasi besi dalam kondisi aerobik, yaitu bakteri pengoksidasi besi yang dapat hidup pada lingkungan beroksigen. Yang satunya ialah pengoksidasi besi yang anaerobik, yaitu bakteri yang dapat hidup pada lingkungan tanpa oksigen. Aneh tapi nyata, seperti tidak jelas, tetapi itulah hukum alam.

Metabolisme bakteri itu pun dapat ditinjau dari dua sisi berdasarkan aktivitasnya. Yang pertama ialah pengoksidasi yang melepaskan elektron besi secara enzimatis dan bersamaan dengan itu energi yang dihasilkannya digunakan untuk pertumbuhan bakteri. Yang kedua, pengoksidasi besi secara tidak langsung dan produk metabolismenya bersifat asam sehingga pH-nya menjadi rendah. Ketika pH-nya rendah ini justru ada bakteri yang merasa nyaman dan berkembang dengan baik. Di sini ada simbiosis, baik mutualisme maupun komensalisme.

Namun demikian, di samping manfaatnya dalam pengolahan air, bakteri pengoksidasi besi pun dapat mempercepat korosi pipa besi milik PDAM. Selain korosif, bakteri besi pun punya lapisan lendir sebagai pelindung sitoplasmanya dan membentuk lapisan lendir berbau amis. Parahnya lagi, lapisan lendir itu dapat digunakan oleh algae sebagai makanan untuk pertumbuhannya. Maka, kalau pertumbuhan bakteri besi tak terkendali bisa dipastikan perkembangan mikroalgae pun tak terkendali. Fenomena ini biasa disebut blooming. Bagaimana cara menghilangkannya? Mikroalgae bisa ditanggulangi dengan kuprisulfat, CuSO4. Masalahnya, tembaga (cuprum) termasuk logam berat sehingga kurang aman diterapkan pada air minum namun bisa untuk air pengisi kolam renang.

Akhirnya, sebagai sebuah opsi teknologi untuk mengolah air di antara sekian banyak teknologi yang umum dan yang jarang diterapkan, Fermangano Biofilter menjadi alternatif. Karena jarang diterapkan, unit ini masih perlu diteliti lebih lanjut, khususnya tentang kinetika reaksinya, efisiensinya, dan aspek keamanannya bagi manusia.*