Pengendalian Biofouling dalam Sistem Air Minum

Pengendalian Biofouling dalamSistem Air Minum

Pendahuluan • Disinfeksi digunakan dalam proses pengolahan air minum untuk mengurangi patogen ke tingkat yang bisa diterima dan untuk mencegah timbulnya masalah kesehatan masyarakat. • Namun demikian, banyak bukti menunjukkan bahwa paparan terhadap produk-produk sampingan kimiawi yang terbentuk selama proses disinfeksi mungkin terkait dengan efek kesehatan yang merugikan. • Mengurangi jumlah disinfektan atau mengubah proses disinfeksi dapat mengurangi paparan terhadap pembentukan produk-produk sampingan. • Namun, praktik-praktik ini dapat meningkatkan potensi terjadinya kontaminasi mikroba.

Biosida ideal • mampu mengontrol keberadaan patogen dalam air minum dalam periode waktu tertentu pada temperatur tertentu  penting karena sifat biosidal berkurang pada suhu yang lebih rendah akibat hilangnya aktivitas enzim; • mampu mengatasi fluktuasi dalam komposisi, konsentrasi dan kondisi air dan air limbah yang akan dirawat; • tidak beracun bagi manusia atau hewan peliharaan; • enak rasanya, atau dapat disesuaikan pada konsentrasi yang dibutuhkan; • biayanya efektif, aman dan mudah disimpan, diangkut, ditangani dan diterapkan; • konsentrasinya di dalam air olahan dapat dengan mudah dan cepat ditentukan; dan • dapat bertahan pada suatu konsentrasi agar dapat memberikan perlindungan yang memadai terhadap kontaminasi ulang pada residu yang mungkin terjadi.

Efektivitas disinfektan • Ditentukan oleh: • konsentrasi disinfektan ,(C) [mg/L.T] • waktu kontak, (T), [menit] • Nilai-nilai CT untuk semua disinfektan ini dipengaruhi oleh sejumlah parameter,: • suhu, • pH, • Kebutuhan disinfektan, • agregasi sel, • tingkat pencampuran disinfektan dan organik. • Pemakaian disinfektan (dalam air minum maupun air limbah)  terbentuk mikroba resisten  • Berdasarkan resistensi: koliform < virus < kista protozoa • Inaktivasi koliform: ozon > dioksida klorin > asam hipoklorit > ion hipoklorit > kloramin. • 3 - 100 x lebih banyak klorin diperlukan untuk menonaktifkan virus enterik vs untuk membunuh bakteri koliform (kondisi eksternal: suhu & pH dijaga konstan).

KLORIN Sifat-sifat Umum • Klorin adalah biosida yang paling sering digunakan untuk mengendalikan koliform tinja,, bakteri koliform heterotrofik dan juga biofouling dalam sistem air minum. • Klorin biasanya dimasukkan ke dalam air sebagai gas klorin dan berhidrolisis menjadi klorin bebas (terdiri dari HOCI atau OCI-): Cl2 + H2O  HOCI + H+ + Cl- Gas klorin Asam hipoklor HOCI  H+ + OCl- Ion hipoklorit • Proporsi HOCI dan OCI- dipengaruhi oleh pH air. • Klorin telah lama digunakan karena metode yang efektif untuk mengendalikan kualitas dan biofilm air. • Produk sampingan klorinasi air minum (trihalomethane) bahaya utama (risiko kanker usus besar dan kandung kemih) • Reaksi (penipisan) klorin di dalam air disebut sbg “kebutuhan klorin”, penyebab: • senyawa larut anorganik yang dapat teroksidasi, • senyawa organik yang larut, • sel-sel mikroba, • substrat dan partikel di dalam air curah  mempengaruhi efisiensi klorinasi

Modus Tindakan Klorin bekerja pada bakteri dengan cara : • Gangguan daya serap sel, yaitu klorin mengganggu integritas membran sel bakteri yang menyebabkan hilangnya daya serap sel dan oleh karena itu membocorkan protein, DNA dan RNA. • Kerusakan asam nukleat dan enzim.

Faktor yg mempengaruhi interaksi klorin - biofilm • Konsentrasi klorin pada antarmuka air-biofilm. Difusi ke biofilm dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi klorin pada antarmuka air-biofilm curah. Konsentrasi klorin tinggi dalam waktu singkat lebih efektif vs konsentrasi rendah jangka panjang (dengan total aplikasi sama. • Intensitas turbulen. Transportasi klorin pada air curah ke antarmuka biofilm-air  langkah pertama Konsentrasi pada air curah  dan turbulensi  Tingkat transportasi  • Komposisi biofilm fouling. Reaksi klorin bergantung pada komposisi organik dan anorganik dari biofilm serta ketebalan atau massanya. Substrat dan Polisakarida ekstraseluler bersaing efektif untuk mendapatkan klorin  mengurangi kemampuan klorin membunuh sel. • Tegangan geserfluida pada antarmuka air-biofilm. Pemisahan dan peluruhan biofilm, terutama yang disebabkan oleh tegangan geser fluida, menyertai reaksi biofilm dengan klorin. Pemisahan biofilm akibat pengobatan klorin telah diamati dan tingkat serta jangkauan penghilangannya bergantung pada aplikasi klorin dan pada tegangan geser pada antarmuka likuida curah. • pH. Kesetimbangan ion hipoklorit - asam hipoklorit  efektivitas kinerja: • OCI- pelepasan • HOCI  disinfeksi. • paling efektif pH 6-6,5, dimana asam hipoklorit mendominasi

KLORAMIN • Kloramin telah diusulkan untuk digunakan sebagai alternatif terbaik berikutnya untuk klorin karena implikasi kesehatan publik yang terkait dengan produksi tri- halo- methan (THM). • Namun, kloramin tidak dikenal sebagai biosida yang sangat efisien. Dalam proses-proses kloraminasi tradisional, amonia akan ditambahkan ke dalam air terlebih dahulu diikuti dengan penambahan klorin dalam bentuk gas klorin. • Tingkat konversi klorin bebas untuk kloramin bergantung pada pH, temperatur, dan rasio klorin-amonia. • Penggunaan kloramin telah terbukti memberikan disinfektan yang tahan lama dan terukur dalam air minum. • Di dalam air minum, HOCI bereaksi dengan amonia untuk menghasilkan pembentukan kloramin anorganik: NH3 + HOCI  NH2CI + H2O Monokloroamina NH2CI + HOCI  NHCI2 + H2O Dikloroamina NHCI2 + HOCI  NCl3 + HzO Triklorkamina • Proporsi ketiganya bergantung pH air : • Monokloroamin dominan pada pH > 8,5. • Monokloroamin pada pH 4,5 dan 8,5  berdampingan dengan trikloroamin pada pH < 4,5. • Kekurangan  kloramin menghasilkan pembentukan konsentrasi nitrit yang rendah  kegagalan standar nitrit

Efektivitas Kloramin terhadap Biofilm • Kloramin sangat efektif dalam menekan perkembangan biofilm  suhu air di atas 150 C. • Kloramin telah terbukti lebih efektif daripada klorin dalam menurunkan koliform sesil dan bakteri heterotrofik • Monokloramin kurang efektif dibandingkan dengan klorin bebas terhadap sel planktonik

Dioksida klorin • merupakan oksidan kuat yang dibentuk oleh kombinasi antara klorin dan klorin-natrium, disinfektan primer yang menonaktifkan bakteri, kista, dan virus pada rentang pH yang luas • Pada industri tekstil dan pulp/kertas  pemutih khusus dan pencelup kupasan. • Tidak dapat digunakan untuk mempertahankan efek residu yang cukup lama yang berguna sebagai disinfektan sistem distribusi. • Dioksida klorin secara komersial dijual sebagai klorin dioksida stabil (sebenarnya adalah natrium klorit dalam larutan netral. Natrium Klorit jauh lebih lambat dalam bertindak dan kurang efektif dibandingkan dengan klorin dan bereaksi dengan air untuk membentuk dua produk sampingan. • Efektivitas pada sejumlah bakteri (Escherichia coli dan Salmonella) ≥ klorin bebas. • Masalah utama: • Dikaitkan dengan oksidasi hemoglobin  penggunaan dalam air minum terbatas 0,5 mg/l (tidak memberi disinfeksi yang baik). • Menyebabkan permasalahan fungsi tiroid dan menyebabkan kadar kolesterol dengan serum tinggi. • Rasa dan bau yg tidak disukai. Namun, dioksida klorin dapat mengoksidasi senyawa organik seperti besi dan mangan dan menekan berbagai masalah rasa dan bau • Gas dapat meledak pada konsentrasi di atas 10% di udara  campuran klorit natrium dgn asam anorganik (asam hidroklorida, asam fosfat dan asam sulfat) dan organik (asam asetat, asam sitrat atau asam laktat) ≤ pH 4,0. • Sifat mematikan dari gas klorin yang dihasilkan, • Secara keseluruhan, penggunaan dioksida klorin sebagai disinfektan primer cenderung dibatasi pada air minum.

Modus Tindakan • Terutama pada gangguan asam amino dan RNA bakteri Gram negatif . • Di dalam virus  gangguan mantel protein dan genom virus. • Persyaratan hukumnya  konsentrasi gabungan dioksida klorin, klorit dan klorat < 0,5 mg 1-1 setara dioksida klorin. • Kontrol terhadap Legionella di dalam biofilm memakan waktu: • 20 hari (di dalam sistem air lembut/kesadahan rendah) • 60 hari (di dalam sistem air keras/kesadahan tinggi) • menunjukkan bahwa kehadiran kesadahan  lapisan pelindung dan mencegah agar dioksida klorin tidak bekerja efisien • Dioksida klorin bisa membunuh ookista dari Cryptosporidium parvum di dalam air yang sedikit terkontaminasi • Hanya ada sedikit studi untuk menentukan apakah protozoa terkontrol

OZON • Gas yang berbau menyengat dan tidak stabil  ozon dihasilkan pada titik digunakannya alat penghasil ozon, termasuk elektroda pembuang. • Untuk mengurangi korosi, udara dilewatkan melalui proses pengeringan dan kemudian ke generator ozon. Generator ozon terdiri dari 2 plat atau sebuah kawat dan tabung dengan potensi tenaga listrik 15,000-20,000 volt. • Oksigen atom bergabung dengan oksigen atmosfer untuk membentuk ozon dan didifusikan merata O + O2 O3 • Keunggulan: • Oksidan sangat kuat > asam hipoklorit. • Lebih efektif daripada klorin dalam menoaktifkan kista Giardia. • Tidak membentuk THM. • Sangat efektif untuk menghilangkan rasa, bau dan warna • Tidak bergantung pada pH • Kelemahan: • Seperti dioksida klorin, ozon tidak akan bertahan di dalam air  kembali ke O2 dalam beberapa menit. • Oleh karena itu, biasanya ditambahkan ozon ke dalam air baku dan disaring untuk disinfeksi primer diikuti dengan penambahan kloroamina setelah disaring sebagai disinfektan sistem distribusi. • Aktivitas cidal menurun dengan meningkatnya suhu air  terbatasnya efek di dalam sistem air panas • Masa hidup ozon < 1 jam di sebagian besar sistem air minum. Diperlukan aplikasi sekunder klorin untuk memberikan perlindungan residu disinfektan di dalam air minum.

Modus dn Efekivitas Ozon Modus: • Ozon telah dilaporkan mengganggu daya serap membran terhadap bakteri, kinetika enzim dan juga DNA. • Ozon juga dikenal bisa merusak inti asam nukleat di dalam virus. Efektivitas Ozon terhadap Biofilm • Di Eropa dan Perancis sebagai disinfeksi air di sejumlah pabrik pengolahan air minum • Dosis umum 1-2 mg L-1 • Dianjurkan untuk digunakan dalam pengolahan air minum domestik. • Dalam hal pengendalian biofilm  L. pneumophila pada sambungan pipa air di rumah sakit.

SINAR ULTRAVIOLET • Metode disinfeksi ultra-violet (UV) melibatkan paparan air lapisan tipis ke cahaya yang berasal dari lampu busur uap merkuri yang memancarkan sinar UV. • Rendaman bola lampu UV yang terbungkus di dalam tabung kuarsa lebih unggul daripada penyinaran overhead. • Kedalaman penetrasi sinar masih membatasi ketebalan film cairan di sekitar lampu masing-masing sampai sekitar 50-80 nm. • Beberapa lampu digunakan untuk menyediakan cakupan yang lebih besar, karena faktor utama dalam mencapai pembunuhan mikroba yang baik adalah kemampuan sinar UV untuk melewati air agar dapat mencapai organisme target. • Jadi, lampu harus tetap bebas dari lumpur dan presipitat dan air harus bebas dari kekeruhan. Sinar UV berkinerja dengan baik terhadap bakteri dan virus. Kelemahan utamanya adalah bahwa sinar UV tidak meninggalkan perlindungan residu terhadap sistem distribusi dan sangat eksplosif. • Tabung ini direndam di dalam air yang mengalir di dalam tangki dan memungkinkan mengalirnya radiasi sinar UV pada panjang gelombang kuman 2537 A. Namun demikian, pengiriman sinar UV oleh lampu kuarsa menjadi menurun pada saat pemakaian yang terus-menerus  harus dibersihkan secara teratur (metode pembersihan mekanis, kimiawi dan ultrasonik) • Teflon  alternatif pengganti kuarsa, tetapi transmisi radiasi sinar UV lebih rendah vs radiasi dalam sistem kuarsa.

Mekanisme Tindakan Sinar Ultraviolet • Tempat awal kerusakan sinar UV adalah genom virus, yang diikuti oleh kerusakan struktur mantel virus • Radiasi sinar UV merusak DNA mikroba pada panjang gelombang ± 260 nm  dimerisasi timin, yang mampu memblok replikasi DNA dan efektif menonaktifkan mikroba. • Penonaktifan mikroba sebanding dengan dosis sinar UV, yang dinyatakan dalam mikrowat-detik per cm persegi. Penonnaktifan mikroba oleh radiasi UV dapat dinyatakan dengan persamaan berikut (Luckiesh dan Holladay 1944): N/No = g-kpdt • No = jumlah awal mikroorganisme (/ml); • N = jumlah mikroba yang masih hidup (/ml); • k = konstanta tingkat penonaktifan (μW s cm-2); • pd = intensitas sinar UV untuk mencapai organisme (μW cm-2); • t = paparan terhadap waktu dalam detik. • Persamaan di atas dapat digunakan dalam beberapa asumsi, salah satunya adalah bahwa log dari fraksi yang masih bertahan hidup harus linear berkenaan dengan waktu • Secara umum resistensi mikroba terhadap sinar UV mengikuti pola (sama dengan disinfektan kimiawi): kista protozoa > spora bakteri > virus > bakteri vegetatif. • Virus seperti hepatitis A memerlukan dosis UV 2700 (μW s cm-2) untuk penonaktifan satu log tetapi membutuhkan 20.000 mW detik cm-2 untuk mencapai pengurangan 3 log. • Banyak variabel (mis: partikel yang tersuspensi, kebutuhan oksigen kimia, dan warna) di dalam limpahan air limbah mempengaruhi transmisi sinar UV dalam air  mempengaruhi efisiensi disinfeksi • Senyawa organikdan partikulat (mis: zat humat, senyawa fenolik, sulfonat lignin dari industri pulp dan pabrik kertas, serta zat besi) mengganggu transmisi sinar UV dalam air.

Efektivitas Sinar UV • Salah satu keunggulan utama dari disinfeksi sinar UV adalah bahwa ia dapat menghancurkan kehidupan mikroba dalam fasa air tanpa tambahan zat apa pun ke dalam air. • Ketika diterapkan pada kontrol biofilm, karakteristik ini juga merugikan karena disinfeksi sinar UV tidak meninggalkan residu. • Maka dari itu, disinfeksi sinar UV dapat mengontrol misalnya sumber air yang masuk ke dalam air sehingga dapat menyediakan air esensi steril dan mencegah pembentukan biofilm. • Tidak akan ada sistem distribusi atau jaringan yang akan tetap steril dari penggabungan dan pengkomisian dan sebagainya meskipun sinar UV dapat membantu menjaga kebersihan dari sistem yang sudah steril, sehingga bahan kimia disinfektan tambahan seperti klorin atau bromin perlu ditambahkan dengan disinfeksi pasca-UV.

Ionisasi • ion menjalani transfer elektron pada permukaan elektroda. • Teknik ini bersangkutan dengan penglepasan ion perak dan tembaga ke dalam air dengan melewati arus listrik antara elektroda yang diletakkan di dalam air yang mengalir. • Ketika elektron yang melewati antara anoda (+ve) dan katoda (-ve), satu atau dua elektron tertinggal pada permukaan anoda. • Ketika elektron yang tersisa berjalan melewati katoda, • ia didorong keluar oleh aliran air dan masuk ke dalam larutan. Ion-ion di dalam larutan merupakan atom atau kelompok atom bermuatan listrik di mana satu atau lebih elektron telah hilang dan atom tersebut tidak lagi netral tetapi membawa muatan listrik positif. • Ion perak: ion Ag- yang telah ditentukan, di mana satu elektron telah hilang dan ion itu membawa muatan listrik positif tunggal. • Ion tembaga: ion Cu+ atau Cu2- bergantung pada apakah ada satu atau dua elektronnya yang hilang. • Unit-unit ionisasi digunakan pada lokasi dan, pada umumnya, terdiri dari ruang elektroda dan unit kontrol. Biasanya, ruang tersebut akan berisi elektroda senyawa perak/tembaga antara 10-30% perak, bergantung pada produsennya. Ukuran dan jumlah elektroda akan tergantung pada jenis aplikasinya sesuai dengan volume air, laju alir dan pengendalian mikroba yang diperlukan. • Dalam sejumlah penelitian, kombinasi dari logam dengan halogenasi terbukti telah diaplikasikan baik dalam disinfeksi air rekreasi maupun air minum.

Modus Tidakan & Efektivitas Modus Tindakan Ionisasi • Ionisasi telah digunakan dalam kontrol baik terhadap bakteri yang menyebar melalui air maupun terhadap virus. • Ion tembaga membunuh bakteri dengan menghancurkan protein sel akibat oksidasi kelompok enzim sufidril sehingga mengganggu respirasi • Ion perak mengganggu aktivitas enzim dengan mengikat protein sementara kedua ion itu mengikat molekul-molekul DNA. • Keuntungan dari ionisasi adalah bahwa residunya dipertahankan di seluruh sistem. Efektivitas lonisasi terhadap Biofilm • Efektivitas ionisasi terhadap mikroorganisme yang menyebar melalui air telah terbukti sangat berhasil • Terhadap L. pneumophila • Masalah dengan penggunaan teknologi ini di lapangan  parameternya tidak selalu dapat dijamin untuk tetap konstan. • Dalam suatu studi di mana ionisasi diperbandingkan dalam hal air yang lunak dan air yang kerasnya, komplikasinya disebabkan oleh meningkatkan elektroda dan menghanyutkan pH air, yang menyebabkan kegagalan dalam mengendalikan L. Pneumophila

Pengendalian Biofouling dalam Sistem Air Minum