Pengelolaan limbah dari instalasi pengolahan air (water treatment plant/WTP) selalu menjadi tantangan lingkungan yang signifikan. Salah satu limbah utama dari WTP adalah lumpur pengolahan air (water treatment sludge/WTS) yang dihasilkan selama proses pengendapan dan filtrasi. Penelitian terbaru oleh Marchiori et al. (2022) mengusulkan solusi inovatif dengan menggunakan WTS sebagai bahan campuran untuk menghasilkan material liner yang berkelanjutan untuk fasilitas penyimpanan limbah.
Dasar Pemikiran dan Tujuan Penelitian
Liner berbasis lempung dan geosintetik umumnya digunakan sebagai penghalang hidrolik di berbagai fasilitas pembuangan limbah padat, kolam tailing pertambangan, dan teknologi pengolahan air limbah berbasis tanah. Fungsi utamanya adalah mencegah pencucian senyawa berbahaya ke dalam tanah dan air tanah. Namun, penggunaan lempung dan geosintetik memiliki beberapa keterbatasan, termasuk biaya tinggi, kelangkaan bahan baku, dan dampak lingkungan dari ekstraksi lempung.
Studi ini bertujuan untuk mengkarakterisasi dan menganalisis parameter fisik, kimia, dan mekanis dari WTS, tanah lunak, dan empat campuran WTS:tanah dengan rasio 05:95%, 10:90%, 15:85%, dan 20:80%. Analisis ini dilakukan untuk mengevaluasi rasio terbaik untuk memproduksi liner berbasis limbah untuk aplikasi teknik sipil, khususnya untuk fasilitas penyimpanan limbah.
Metodologi Penelitian
Penelitian ini menggunakan pendekatan komprehensif dengan serangkaian pengujian untuk mengevaluasi karakteristik geoteknik, kimia, dan mekanis dari semua sampel.
Karakterisasi Geoteknik:
- Distribusi ukuran partikel
- Permukaan spesifik (SS)
- Berat jenis (Gs)
- Batas Atterberg
- Pemadatan Normal Proctor
Karakterisasi Kimia:
- Analisis oksida melalui X-ray fluorescence (XRF)
- Karakterisasi mineralogi dengan X-ray diffraction (XRD)
- Pencitraan dengan scanning electron microscope (SEM) dengan energy dispersive spectrometer (EDS)
- Pengukuran pH
Pengujian Mekanis:
- Pengujian ekspansibilitas
- Konsolidasi oedometrik
- Uji kompresi triaksial terkonsolidasi tak terdrainase (CU)
- Permeabilitas head jatuh
Lumpur pengolahan air diperoleh dari Instalasi Pengolahan Air "ETA Caldeirão" di Guarda, Portugal, sedangkan tanah lunak dikumpulkan dari lokasi konstruksi di Castelo Branco, Portugal.
Temuan Utama
1. Karakteristik Geoteknik
Hasil penelitian menunjukkan bahwa tanah lunak diklasifikasikan sebagai pasir bergradasi baik (SW), sementara WTS dan semua campuran diklasifikasikan sebagai pasir bergradasi baik dengan lanau (SW-SM) menurut klasifikasi standar USCS. Tanah memiliki plastisitas rendah dengan indeks plastisitas (PI) sekitar 7%, sedangkan WTS kering tergolong material non-plastik (NP), meskipun dalam keadaan basah memiliki plastisitas tinggi sekitar 140%.
Berat jenis (Gs) WTS adalah 2,04, lebih rendah dari tanah (2,77), yang menyebabkan penurunan berat unit kering dari campuran seiring dengan penambahan WTS. Untuk campuran dengan WTS kering, ketika kandungan WTS meningkat dari 5% menjadi 20%, plastisitas menurun dari 6% menjadi 1%.
2. Komposisi Kimia dan Mineralogi
Analisis XRF menunjukkan bahwa komposisi WTS didominasi oleh alumina (Al₂O₃) sebesar 60,4% dan silika (SiO₂) sebesar 29,9%. Kandungan alumina yang tinggi ini menjelaskan penurunan berat unit kering campuran seiring dengan penambahan WTS. Semua campuran memiliki kandungan Al₂O₃ + SiO₂ + Fe₂O₃ lebih dari 90%, yang potensial menunjukkan aktivitas pozzolanik.
Analisis XRD mengungkapkan keberadaan mineral utama seperti kuarsa, muskovit, dan kaolinit dalam WTS dan tanah. Hasil SEM menunjukkan peran WTS sebagai material pengisi yang memberikan granulometri lebih halus dan campuran lebih homogen.
Nilai pH campuran berkisar antara 4,2 hingga 4,6, lebih rendah dibandingkan dengan tanah dan WTS yang memiliki pH 6,0. Penurunan pH ini mungkin disebabkan oleh reaksi kimia yang terjadi selama pencampuran WTS dengan air suling.
3. Performa Mekanis
Kompresibilitas: Indeks kompresi (Cc) campuran serupa dengan tanah asli, menunjukkan bahwa karakteristik deformabilitas tidak berubah secara signifikan dengan penambahan WTS. Nilai Cc untuk semua material kurang dari 0,5, konsisten dengan tanah lempung yang dipadatkan.
Ekspansibilitas: Indeks ekspansibilitas (Is) menurun dari 22% untuk tanah menjadi 10% untuk campuran 20:80%, menunjukkan stabilisasi tanah dengan penambahan WTS, menghasilkan material yang lebih stabil.
Kekuatan Geser: Penambahan WTS ke tanah lunak berdampak positif, dengan peningkatan sudut gesek internal efektif (φ') dan penurunan kohesi (c'). Nilai φ' meningkat dari 20° untuk tanah menjadi 31° untuk campuran 15:85%, dan kohesi menurun dari 10 kPa untuk tanah menjadi 0 kPa untuk campuran 15:85% dan 20:80%.
4. Konduktivitas Hidrolik
Konduktivitas hidrolik (k) adalah parameter terpenting untuk liner bawah atau penutup akhir fasilitas pembuangan limbah. Liner lempung yang dipadatkan harus memiliki permeabilitas sama dengan atau lebih rendah dari 1 x 10⁻⁹ m/s sesuai dengan peraturan lingkungan di sebagian besar negara.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa campuran dengan performa terbaik terkait permeabilitas adalah campuran dengan penambahan 15% WTS. Tanah yang dipadatkan memiliki permeabilitas rendah yang memenuhi persyaratan untuk material liner. Meskipun penambahan WTS meningkatkan nilai k hingga satu tingkat magnitude (10x), permeabilitas campuran tetap lebih dekat dengan tanah lempung daripada pasir.
Campuran 15:85% mencapai nilai di bawah 10⁻⁹ m/s dalam semua pengujian, menjadikannya campuran optimal untuk aplikasi liner.
Studi Kasus dan Perbandingan Numerik
Penelitian ini menunjukkan perbedaan signifikan dalam parameter kunci di antara berbagai campuran:
Berat Unit Kering Maksimum:
- Tanah: 1,74 g/cm³
- Campuran 05:95%: 1,68 g/cm³
- Campuran 10:90%: 1,58 g/cm³
- Campuran 15:85%: 1,50 g/cm³
- Campuran 20:80%: 1,44 g/cm³
Indeks Plastisitas (PI):
- Tanah: 7%
- WTS basah: 140%
- WTS kering: Non-plastik
- Campuran 05:95%: 6%
- Campuran 10:90%: 5%
- Campuran 15:85%: 3%
- Campuran 20:80%: 1%
Indeks Ekspansibilitas (Is):
- Tanah: 22%
- Campuran 05:95%: 15%
- Campuran 10:90%: 13%
- Campuran 15:85%: 12%
- Campuran 20:80%: 10%
Sudut Gesek Internal Efektif (φ'):
- Tanah: 20°
- Campuran 05:95%: 24°
- Campuran 10:90%: 25°
- Campuran 15:85%: 31°
- Campuran 20:80%: 30°
Konduktivitas Hidrolik (k):
- Tanah: 6 x 10⁻¹¹ - 3 x 10⁻⁹ m/s
- Campuran 05:95%: 1 x 10⁻⁹ - 6 x 10⁻⁹ m/s
- Campuran 10:90%: 7 x 10⁻¹⁰ - 2 x 10⁻⁹ m/s
- Campuran 15:85%: 2 x 10⁻¹⁰ - 1 x 10⁻⁹ m/s
- Campuran 20:80%: 8 x 10⁻¹⁰ - 2 x 10⁻⁸ m/s
Kontribusi dan Implikasi
Penelitian ini memberikan kontribusi signifikan untuk praktik teknik sipil yang berkelanjutan dan manajemen limbah:
- Valorisasi Limbah: Memanfaatkan WTS sebagai bahan berharga baru dalam kerangka ekonomi sirkular, meminimalkan dampak lingkungan dari pembuangan limbah.
- Material Liner Alternatif: Menghasilkan material liner berbasis limbah yang dapat digunakan untuk fasilitas penyimpanan limbah padat, kolam tailing pertambangan, dan teknologi pengolahan air limbah berbasis tanah.
- Pengurangan Ekstraksi Bahan Baku: Mengurangi kebutuhan akan lempung dan bahan geosintetik yang mahal dan berdampak lingkungan tinggi.
- Optimalisasi Rasio Campuran: Mengidentifikasi rasio optimal 15:85% WTS:tanah yang memberikan performa terbaik untuk aplikasi liner.
Keterbatasan dan Penelitian Lebih Lanjut
Meskipun penelitian ini memberikan hasil yang menjanjikan, beberapa keterbatasan dan area untuk penelitian lebih lanjut diidentifikasi:
- Evaluasi Jangka Panjang: Diperlukan pengujian tambahan untuk mengevaluasi konsolidasi material dengan tanah dalam jangka panjang.
- Risiko Pencucian: Potensi pencucian senyawa berbahaya dari limbah (misalnya, garam besi dan aluminium) ke dalam tanah perlu dievaluasi lebih lanjut.
- Aktivitas Pozzolanik: Meskipun komposisi kimia menunjukkan potensi aktivitas pozzolanik, pengujian spesifik seperti analisis FTIR diperlukan untuk konfirmasi.
- Variabilitas WTS: Keanekaragaman dalam analisis kimia dan indeks plastisitas di antara berbagai studi mengungkapkan variabilitas WTS, yang mungkin dipengaruhi oleh metode pengolahan air dan jenis koagulan yang digunakan.
Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan bahwa inkorporasi WTS dapat meningkatkan atau setidaknya tidak mengganggu sifat-sifat tanah untuk digunakan sebagai material liner di fasilitas penyimpanan limbah padat, kolam pertambangan, dan teknologi pengolahan air limbah berbasis tanah. Campuran 15:85% WTS:tanah memberikan hasil terbaik yang memenuhi persyaratan konduktivitas hidrolik untuk material liner, yaitu sama dengan atau lebih rendah dari 10⁻⁹ m/s.
Pemanfaatan kembali WTS untuk tujuan ini memungkinkan produksi material bernilai tambah baru dalam lingkup ekonomi sirkular, sejalan dengan prinsip-prinsip keberlanjutan dan pengurangan dampak lingkungan. Pendekatan ini tidak hanya memberikan solusi untuk manajemen limbah WTP tetapi juga menghasilkan material konstruksi berkelanjutan yang dapat diaplikasikan dalam berbagai proyek teknik sipil dan lingkungan.
Sumber: Marchiori, L., Studart, A., Albuquerque, A., Andrade Pais, L., Boscov, M. E., & Cavaleiro, V. (2022). Mechanical and Chemical Behaviour of Water Treatment Sludge and Soft Soil Mixtures for Liner Production. The Open Civil Engineering Journal, 16, e187414952211101. DOI: 10.2174/18741495-v16-e221115-2022-27.