PENDAHULUAN
Pencemaran air merupakan salah satu penyebab polusi dan kerusakan lingkungan. Seperti yang dapat dilihat, saat ini kebanyakan negara berkembang terutama Indonesia memiliki masalah pencemaran air karena kurangnya instalasi pengolahan air limbah atau sistem sewerage untuk pengolahan air limbah. Hasilnya air limbah domestik yang mengandung senyawa organik mengalir ke lingkungan tanpa adanya pengolahan sehingga mempercepat pencemaran air dan berpotensi menimbulkan eutrofikasi (Vandith dkk., 2017; Mujtaba dkk., 2018). Tingginya aktivitas manusia baik dari sektor domestik maupun komersial seperti industri telah mengakibatkan kelangkaan air bersih akibat pencemaran air (Tazkiaturrizki dkk., 2018). Selama ini kebanyakan masyarakat salah mengira bahwa sumber utama pencemar sungai adalah limbah industri, padahal tidak demikian. Berdasarkan identifikasi yang dilakukan oleh Kementrian Lingkngan Hidup dan Kehutanan (KLHK), sumber utama pencemar air sungai di Indonesia sebagian besar berasal dari limbah domestik atau rumah tangga. Air limbah domestik itu di antaranya tinja, bekas air cucian dapur dan kamar mandi, termasuk sampah rumah tangga yang dibuang ke sungai. Parameter penurunan kualitas air tersebut umumnya berdasarkan kandungan fecal coli, total coliform, BOD (Biological Oxygen Demand), COD (Chemical Oxygen Demand) dan H2S yang terdapat di dalam air sungai.
Salah satu kasus yang terjadi akibat air limbah domestik saat ini adalah pencemaran sungai di Kali Sentiong atau Kali Item. Kali Item atau Kali Sentiong, dahulunya bernama Kali Soenter. Kali ini dinamakan Kali Item karena memang warnanya yang hitam dan melalui Perkampungan Sentiong. Kali ini menjadi item hitam diakibatkan adanya penumpukan senyawa organik dan sulfur yang terjadi sejak dahulu. Dahulu, kali ini difungsikan sebagai tempat pembuangan air dari toilet umum yang berada dipinggir kali ini dan berlanjut hingga saat ini dipergunakan untuk pembuangan air limbah rumah tangga, hotel, pasar, rumah sakit, gedung perkantoran, apartemen dan sampah. akibatnya kali item menjadi tercemar dan menimbulkan bau tak sedap dan airnya menghitam.
Baru-baru ini Kali Item menjadi sorotan karena adanya agenda asean games di Jakarta. Wisma atlit yang berada didekat Kali Item diakui dapat mengganggu kenyamanan atlit yang tinggal didalamnya sehingga banyak upaya yang dilakukan pemerintah untuk mengurangi bau dari Kali Item ini. Teknologi canggih pun dikerahkan seperti pemasangan aerator, nano bubble, blower, dan surface aerator disepanjang Kali
Item (Pratama, 2018). Untuk membantu mengurangi bau dari Kali Item, selain dipergunakan teknologi canggih dipergunakan pula mikroba. Sebanyak 2.500 liter cairan mikroba digelontorkan disepanjang kali item oleh keluarga alumni gajah mada DKI Jakarta Peduli Sampah, dengan maksud agar mikroba tersebut memakan zat organik yang terdapat dalam sungai sehingga bau dari sungai dapat berkurang (Velarosdela, 2018).
Cairan mikroba yang coba digelontorkan ke dalam Kali Item dinilai memiliki kelemahan. Mikroba dalam kondisi bebas memiliki kekurangan dalam proses peyisihan senyawa organik di air, yaitu mikroba dapat ikut terbawa oleh aliran air sungai wash-out sehingga densitasnya menjadi berkurang. Selain itu, kemungkinan adanya inhibitor di lingkungan dapat mengganggu pertumbuhan mikroba dan kondisi lingkungan yang relatif berubah bisa membuat mikroba tidak mampu bertahan. Berdasarkan kasus tersebut, peneliti mencoba mencari alternatif lain agar mikroba tetap dapat mereduksi organik tanpa mengurangi performa dari mikroba tersebut. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah dengan menjerat mikroba didalam suatu matriks penjerat atau yang dikenal dengan sebutan metode immobilisasi. Metode ini sangat populer dalam penelitian di bidang mikrobiologi. Metode ini digunakan karena sel terimobilisasi mudah dikendalikan, matriksnya stabil, dan tidak toksik (Basyal dkk., 2013).
Imobilisasi sel adalah strategi yang efisien untuk membentuk biofilm buatan pada substrat. Pembentukan biofilm di media / substrat akan mengatasi daya apung biomassa dalam lingkungan yang asin dan menghindari wash-out lumpur aktif dari instalasi pengolahan (Kardena dkk., 2018). Sel yang diimobilisasi lebih stabil dalam bioreaktor dari pada dalam keadaan bebas karena imobilisasi ini dapat mencegah lepasnya sel bakteri dari matriks, dapat melakukan interaksi dengan lingkungan yang keras (Khalid dkk., 2018), dapat melakukan transduksi sinyal antar sel, memiliki konsentrasi sel yang lebih tinggi dari pada sel bebas, dan dapat digunakan berulang-ulang dalam proses remediasi sehingga mengurangi biaya penggantian sel-sel yang telah inaktif, menggunakan sel bakteri yang amobil dapat memberikan keuntungan seperti aktivitas metabolisme yang lebih tinggi dan waktu retensi sel yang lebih lama dalam bioreaktor (Kureel dkk., 2017). Sel yang terimobilisasi juga dapat mengurangi masalah penyapuan sel pada tingkat pengenceran yang tinggi dan menyediakan kondisi lingkungan mikro meliputi: kontak antar sel, gradien produk nutrien, pH gradien yang lebih menguntungkan. Dalam
beberapa kasus, imobilisasi mengembangkan stabilitas genetis sehingga mengurangi terjadinya mutasi.
Penelitian sebelumnya telah membuktikan bila imobilisasi mikroba mampu mendegradasi senyawa organik dengan baik. Pseudomonas stutzeri diketahui dapat mereduksi 97 – 100% fosfat pada air limbah artifisial yang lebih kecil dari 1,0 mg/L. Lumpur aktif yang terimobilisasi pada PVA-alginat mereduksi amonium dengan konsentrasi 50-400 mg/L pada air limbah dengan efisiensi antara 48-100% tergantung pada siklus pemakaian (Xu dkk., 2017). Co-imobilisasi Pseudomona putida dan Chlorella vulgaris tepat digunakan untuk menyisihkan organik untuk organic loading rate OLR 1159.2 mg COD L-1 d -1 dengan hydraulic retention time 24 jam (Shen dkk., 2017). Berdasarkan keuntungan-keuntungan yang telah dipaparkan tersebut, peneliti mencoba meneliti bagaimana karakteristik kemampuan mikroba terimobilisasi untuk mengolahan air limbah domestik dalam skala laboratorium.
METODOLOGI
Immobilisasi Kultur Campuran Mikroba dan Karakterisasi
Immobilisasi mikroba dilakukan dengan mencampurkan mikroba pendegrasi limbah domestik campuran dengan variasi ( 3 g, 6 g, dan 9 g) bersama dengan 8 g natrium alginat dalam 200 ml aquades. Kultur campur mikroba pendegradasi diperoleh dari laboratorium bioteknologi lingkungan, pusat penelitian biosain dan bioteknologi, ITB. Campuran mikroba dan natrium alginat tersebut diteteskan ke dalam larutan CaCl2 4% (w/v) dengan menggunakan pipet dengan diameter lubang tip pipet 1 cm. Hasil tetesan kemudian dibiarkan dalam larutan CaCl2 4% selama 30 menit untuk mengeraskan alginat. Mikroba yang terimmobilisasi tersebut kemudian dibilas dengan aquades untuk menghilangkan sisa CaCl2 dan mikroba yang menempel di permukaannya. Mikroba terimmobilisasi ini selanjutnya disimpan di dalam aquades dan didinginkan dalam lemari pendingin 4oC untuk selanjutnya dipergunakan dalam percobaan biodegradasi limbah. Metode imobilisasi kultur campuran mikroba ini mengacu pada metoda yang digunakan oleh Kurniasih dkk. (2013) dan Samuel dkk. (2013). Uji SEM dilakukan untuk mengetahui bakteri yang terjerat dalam bead imobilisasi tetap terjerat selama proses uji biodegradasi air limbah. Persiapan bead untuk pengamatan SEM dilakukan dengan merendam bead imobilisasi menggunakan larutan metanol 100% selama 24 jam pada suhu (25-27 oC).
Kemudian bead hasil perendaman direndam kembali dalam larutan etanol 100% selama 2x30 menit. Setelah direndam, bead dikeringkan di dalam freeze dryer (OPERON-55). Bead kemudian dilapisi dengan emas sebelum diamati di bawah SEM. Uji SEM dilakukan di Laboratorium Scanning Electron Microscope (SEM) Program Studi Geologi dengan menggunakan SEM JEOL JSM-IT300 LA dan di Laboratorium Scanning Electron Microscope (SEM) Program Studi FMIPA dengan menggunakan SEM JEOL JSM-6510 LA. Uji viabilitas dilakukan untuk mengetahui mikroba yang terjerat dalam matriks alginat mengalami pertumbuhan atau tidak. Uji viabilitas dilakukan di dalam erlenmeyer 250 ml yang berisi air limbah buatan. Kedalamnya dimasukkan kultur campuran mikroba terimmobilisasi sebanyak 5% (w/v) dan dibiarkan pada suhu ruang (25-27 oC) selama 3 minggu. Viabilitas mikroba di dalam matriks diamati dengan menggunakan metode Total Plate Count (TPC) selama 3 minggu dengan pengambilan sampel tiap 1 minggu sekali. Perhitungan koloni sel yang tumbuh dilakukan 1 x 24 masa inkubasi (Pratiwi, 2018).
Limbah Domestik Artifisial
Senyawa organik yang akan disisihkan dalam penelitian ini adalah senyawa organik buatan atau hasil racikan. Racikan yang dibuat diusahakan sedekat mungkin dengan karakteristik limbah cair domestik aslinya. Pembuatan limbah buatan ini dilakukan di laboratorium dengan komposisi NH4Cl 100 mg, glukosa 500 mg, KH2PO4 15 mg, NaHCO3 350 mg, MgSO4 17 mg, CaCl2 11 mg, NaCl 8 mg, KCl 8 mg, dan FeCl3 4 mg dalam satu liter akuades. Metode pembuatan air limbah domestik buatan ini mengacu pada metoda yang digunakan oleh Juntawang dkk. (2017).
Uji Degradasi dan Kinetika Penyisihan Limbah
Pada uji biodegradasi air limbah domestik dipergunakan sistem reaktor fix bed dengan sistem resirkulasi seperti pada Gambar 1.
Gambar 1 Skema reaktor percobaan secara batch resirkulasi
Pada sistem resirkulasi, penggunaan model first order untuk mengetahui kinetika penurunan konsentrasi organik bentuk COD dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan 1, 2.
\[\frac{-dC_s}{dt} = k_1 C_s\] Pers.1
\[ln\frac{c_s}{c_{so}} = -k_1 t\] Pers.2
konstanta first order dihitung dari waktu dan ln Cs/Cso yang kemudian diplotkan pada sumbu x dan y. Model singh merupakan modifikasi dari model first order yang dilakukan oleh Singh (Kureel dkk., 2017). Laju degradasi dapat bervariasi tergantung dari sifat alami substrat yang kemudian dapat mengubah proses pengolahan baik secara kualitatif maupun kuantitatif terhadap waktu, persamaan 3.
\[\frac{-dC_s}{dt} = \frac{k_{si}C_s}{1+t}\] Pers.3
\[ln\frac{c_s}{c_{so}} = -k_{si}\ln 1 + t\] Pers.4
Dimana ksi = Laju penyisihan dari model singh yang dapat dihitung dari slope persamaan garis lurus yang didapat dari plot ln Cs/Cso terhadap ln 1+t. Laju penyisihan substrat dengan mengikuti persamaan reaksi orde dua menyatakan bila laju penyisihan tidak
tergantung pada konsentrasi mikroba melainkan hanya pada pangkat dua dari substrat. Secara matematis ditunjukan oleh persamaan 5.
\[\frac{dC_S}{dt} = -k_1 C_S^2\] Pers.5
\[\frac{1}{c_s} = \frac{1}{c_{so}} - k_1 t\] Pers.6
Jika diplotkan ke dalam grafik antara 1/Cs dengan t maka akan diperoleh garis linier dengan slope yang merupakan nilai k.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Immobilisasi sel mikroba pada percobaan ini dilakukan dengan menjerat mikroba campuran pada matriks alginat. Banyaknya lumpur mikroba yang dipergunakan antara lain adalah 3g, 6g dan 9g MLSS. Dari campuran ini diperoleh kepadatan mikrobanya yaitu sebesar 15±1,67 mg/bead, 30±1,57 mg/bead, dan 45±1.19 mg/bead MLSS untuk masing-masing jumlah lumpur mikroba yang dipergunakan. Proses gelatinisasi natrium alginat terjadi akibat dari pertukaran kation monovalen natrium dengan kation divalen kalsium yang bereaksi dengan anion monovalen karboksilat dari alginat. Ketika ion kalsium dan alginat bereaksi, gelatinisasi akan terjadi pada permukaan matriks alginat dan dilanjutkan ke bagian dalam matriks melalui proses difusi (Mahbubillah dan Shovitri, 2013). Bead alginat berbentuk bulat dan berwarna hitam. Jumlah bead yang dihasilkan rata-rata 190 buah dengan ukuran diameter 1 cm.
Uji biodegradasi reaktor batch-resirkulasi dilakukan dengan 3 variasi percobaan reaktor dengan imobilisasi yang mengandung 3 g mikroba (Reaktor-1/R-1); 6 g mikroba (Reaktor-2/R-2), serta 9 g mikroba (Reaktor-3/R-3). Hasil uji biodegradasi limbah buatan pada reaktor batch-resirkulasi dengan menggunakan immobilisasi sel, diperoleh hasil seperti pada Gambar 2. Konsentrasi COD terlarut yang terukur dari air limbah buatan adalah 512 mg/L. Konsentrasi ini mendekati konsentrasi campuran limbah cair domestik (blackwater dan greywater) yang memiliki konsentrasi antara 250-800 mg/L.
Gambar 2 Hasil penyisihan limbah domestik dengan bioreaktor batch resirkulasi
Penyisihan yang dihasilkan dari penggunaan imobilisasi 3 g mikroba (R-1) menghasilkan penyisihan COD sebesar 81,3%. Sementara bila menggunakan imobilisasi 6 g mikroba (R-2) diperoleh penyisihan COD sebesar 87,5% begitu pula dengan penggunaan imobilisasi 9 g mikroba (R-3) diperoleh hasil penyisihan sebesar 87,5%. Penggunaan mikroba yang semakin banyak ternyata tidak membuat hasil penyisihan COD semakin baik. Matriks alginat memiliki batas kemampuan tertentu untuk dapat menampung biomassa mikroba yang diberikan. Semakin banyak mikroba yang dipergunakan dapat menutupi pori-pori pada matriks sehingga menghambat proses difusi substrat ke dalam matriks. Akibatnya substrat tidak mampu menyentuh mikroba yang berada dalam matriks. Selain itu, luas permukaan menjadi berkurang karena ditempati oleh sel mikroba yang seharusnya menjadi jalur difusi substrat dan hasil metabolisme. Oleh karena itu, sedikitnya biomassa yang dipergunakan akan memberikan penyisihan yang lebih baik karena lebih banyak pori yang tidak terhalang dan luas permukaan yang lebih besar untuk melakukan biodegradasi (Lin dkk., 2013; Tsai dkk., 2013).
Gambar 3 Hasil penyisihan organik dan amoniak bioreaktor batch resirkulasi
Gambar 3 menunjukkan hasil dari penyisihan organik (COD, BOD) dan amoniak selama 3 hari dengan menggunakan variasi jumlah pada reaktor. BOD dan COD turun mengindikasikan bahwa air limbah ini didominasi oleh senyawa yang biodegradable dilihat dari perbandingan BOD/COD yang menghasilkan nilai 0,938 yang berarti air limbah cocok untuk diolah dengan menggunakan pengolahan biologis. Seperti yang telah diutarakan sebelumnya bahwa senyawa organik akan dipergunakan oleh mikroorganisme untuk tumbuh dan bereproduksi maka hal ini pula yang mengakibatkan hasil pengkuran COD dan BOD mengalami penurunan. Hasil dari proses batch-resirkulasi selama 3 hari, diperoleh penurunan COD sebesar 81,3% untuk reaktor-1, 87,5% untuk reaktor-2, dan 87,5% untuk reaktor-3. Selain penurunan COD, terpantau juga penurunan BOD sebesar 83,96% untuk reaktor-1, 93,75% untuk reaktor-2, dan 93,34% untuk reaktor-3. Selain parameter COD dan BOD diukur pula parameter amoniak sebagai salah satu parameter kunci dalam air limbah domestik. Hasilnya terjadi penurunan sebesar 71,14% untuk reaktor-1, 75,31% untuk reaktor-2, dan 78,29% untuk reaktor-3.
Viabilitas dari mikroba yang terimobilisasi dapat dilihat dari kemampuan mikroba untuk dapat bertahan hidup pada media penjeratnya. Uji viabilitas ini dilakukan pada suhu ruang 25-28 oC selama 3 minggu dengan menghitung sel yang hidup menggunakan metode TPC. Hasil viabilitas menunjukkan adanya pertumbuhan pada bead immobilisasi mikroba seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Hingga minggu ketiga, mikroba yang terjerat masih banyak yang dapat bertahan hidup, hal ini dimungkinkan karena matriks alginat mampu menjaga kondisi lingkungan tetap stabil sehingga pertumbuhan mikroba tidak banyak dipengaruhi oleh lingkungannya. Mikroba yang terjerat dalam matriks dapat
meningkatkan efisiensi kerja mikroorganisme dan mempertahankan serta melindungi mikroorganisme dari pengaruh lingkungan yang tidak mengguntungkan bagi mikroorganisme tersebut (Fleming, 2004).
Gambar 4. Uji viabilitas mikroba pada bead/matriks immobilisasi
Hasil dari citra SEM memperlihatkan bagian dalam dari permukaan bead pada perbesaran 2000x yang rapat dan nampak seperti tak berpori (Gambar 5) karena masih belum adanya reaksi yang mengganggu kestabilan dari bead. Namun setelah proses biodegradasi berlangsung, bagian dalam dari bead yang diamati dengan perbesaran 2000x tampak adanya pori-pori yang semakin banyak dari bead sebelum proses biodegradasi berlangsung (Gambar 6). Hal ini menunjukkan bahwa proses pengolahan yang terjadi pada bead ini melalui mekanisme proses difusi. Air limbah masuk melalui pori-pori bead bertemu dengan mikroba dan terjadi proses biodegradasi oleh mikroba. Selain itu, dapat dikatakan bahwa selama proses degradasi terjadi pula reaksi di dalam bead yang mengakibatkan kerapatan dari bead menjadi berkurang yang ditunjukkan dengan semakin banyaknya lubang pori yang dihasilkan setelah proses. Selama proses biodegradasi berlangsung, bead akan mengakumulasikan metabolit dari metabolisme sel sehingga akan menghasilkan asam yang menyebabkan adanya penurunan pH. Dengan adanya asam tersebut akan berdampak pada tersubstitusinya H+ ke Ca2+ sehingga membuat matriks gel Ca-alginate terdegradasi dan menjadi lebih longgar membuat sejumlah sel mikroba menjadi terlepas dari dalam matriks Ca-alginat (Krasaekoopt dkk., 2003).
Gambar 5. Bagian dalam bead imobilisasi mikroba pada perbesaran 2000x (sebelum)
Gambar 6. Bagian dalam bead imobilisasi mikroba pada perbesaran 2000x (setelah)
Pada penentuan kinetika penyisihan substrat, dipergunakan model pendekatan first order, model Singh, dan second order seperti pada Tabel 1. Pada ketiga model yang diujikan untuk melihat kesesuai proses yang terjadi selama biodegradasi dapat dimodelkan oleh model kinetika Singh. Model kinetika ini memberikan nilai k yang cukup besar dan memberikan nilai koefisien determinasi mendekati angka satu yang berarti penggunaan model ini dapat mendekati reaksi yang terjadi didalam bioreaktor yang digunakan.
Tabel 1. Hasil persamaan model kinetika untuk reaktor resirkulasi
| Model kinetika | Reaktor | Persamaan | R2 | K1 |
|---|---|---|---|---|
| Orde satu | R1/3g | Y=-0,0219x-0,3497 | 0,8704 | 0,0219 |
| R2/6g | Y=-0,0278x-0,41 | 0,8832 | 0,0278 | |
| R3/9g | Y=-0,0262x-0,3644 | 0,9322 | 0,0262 | |
| Singh | R1/3g | Y=- 0,4111x+0,1575 | 0,9137 | 0,4111 |
| R2/6g | Y=- 0,5254x+0,2465 | 0,9443 | 0,5254 | |
| R3/9g | Y=- 0,4762x+0,1968 | 0,9186 | 0,4762 | |
| Orde dua | R1/3g | Y=0,0001x+0,0025 | 0,9163 | 0,0001 |
| R2/6g | Y=0,0002x+0,0024 | 0,9787 | 0,0002 | |
| R3/9g | Y=0,0002x+0,0002 | 0,9633 | 0,0002 |
KESIMPULAN
Proses penyisihan kandungan organik dari air limbah dengan menggunakan imobilisasi kultur campuran dalam matriks alginat dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor salah satunya penggunaan jumlah mikroba yang diimobilisasi. Hasilnya pada reaktor-1 (imobilisasi 3 g mikroba), reaktor-2 (imobilisasi 6 g mikroba), dan reaktor-3 (imobilisasi 9 g mikroba) mampu menurunkan COD air limbah domestik dengan konsentrasi awal 512 mg/L, sebesar 81,3%, 87,5%, dan 87,5% dengan menggunakan reaktor batchresirkulasi. Selain penurunan COD, terjadi penurunan pada BOD dengan konsentrasi awal 480 mg/L, sebesar 83,96%, 93,75%, dan 93,34%. Sementara untuk Amoniak dengan konsentrasi awal 17,5 mg/L mampu direduksi sebanyak 71,14%, 75,31%, dan 78,29%. Untuk menggambarkan proses yang terjadi dalam reaktor batch-resirkulasi model kinetika Singh memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan model first order dan second order dengan nilai koefisien saturasi (k) sebesar k1 (3 g) = 0,4111, k1 (6 g) = 0,5254, dan k1 (9 g) = 0,4762.