Fenton vs. Ozon: Dua Jalan Mahal Mengurai Limbah Koks, dan Kartu As Karbon Aktif

Air limbah coke‑oven adalah kelas berat: COD (chemical oxygen demand, indikator kebutuhan oksigen kimia) tinggi dengan aromatik sukar urai—fenol, quinoline, PAHs (polyaromatic hydrocarbons), sianida, tiocyanate—yang kerap lolos dari proses biologis. Ini ditegaskan oleh tinjauan teknis (www.mdpi.com) dan ambang ketat seperti 80 mg/L COD (GB16171-2012) (www.mdpi.com).

Definisi proses oksidasi lanjut

AOPs (advanced oxidation processes) mengandalkan radikal hidroksil (•OH) untuk memecah organik resisten. Fenton’s reagent (Fe²⁺ + H₂O₂) adalah varian klasik; ozonasi (O₃) adalah alternatif yang membentuk oksidator kuat di air. Parameter yang kerap dipakai: TOC (total organic carbon, karbon organik total) dan rasio BOD₅/COD (indikator biodegradabilitas; naik berarti makin mudah diurai biologis). Satuan umum: mg/L (miligram per liter), dan M (molar, konsentrasi mol per liter).

Kinerja Fenton pada limbah koks

Chu et al. (2012) mengolah air limbah koks mentah (COD awal ~1000 mg/L) memakai bubuk besi + 0,3 M H₂O₂ pada pH≈3. Hasilnya: ~44–50% penurunan COD dan ~95% penghilangan total fenol dalam 1 jam, serta kenaikan biodegradabilitas ~65% (diukur via peningkatan serapan O₂) (www.researchgate.net).

Di efluen petrokimia (fenolik, berminyak), pretreatment Fenton 500 mg/L H₂O₂ + 120 mg/L Fe²⁺ menghasilkan ~89,8% penurunan COD dan menaikkan B/C dari 0,052 menjadi 0,62 (www.mdpi.com). Catatan penting: Fenton punya jendela pH sempit (≈3) sehingga perlu netralisasi dan menghasilkan lumpur besi untuk dibuang (iwaponline.com). Varian photo‑Fenton atau electro‑Fenton dapat meningkatkan kinerja, namun menambah kompleksitas operasional.

Ozonasi dan ozon mikrogelembung katalitik

Chang et al. (2008) pada skala bangku mendapati ozonasi hampir 100% menghilangkan warna dan tiocyanate, tetapi hanya ~30% penurunan TOC (COD juga rendah). Penghilangan sianida sensitif pH—lebih baik pada netral/alkalin—dan rasio BOD₅/COD hanya naik sedikit (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov).

Efek “diminishing returns” muncul: rasio konsumsi O₃:COD turun dari ~1 ke 0,2 seiring waktu, dan penurunan TOC menggantung di ~30% (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov). Peningkatan proses—misalnya ozonasi mikrogelembung katalitik—menolong. Liu et al. menunjukkan pada air limbah batubara pascabiologis, aerasi ozon saja menghapus 42,5% COD (0,44 mg O₃/mg COD) dengan utilisasi ozon 98%, dan setelah polishing biologis total penurunan COD ~66,7% (efluen ~92 mg/L) (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov). Tinjauan mutakhir mencatat BOD₅/COD terangkat ke ~0,46–0,52 dalam 100 menit dengan ~60–61% penurunan COD (iwaponline.com).

Secara umum, ozon butuh peralatan berenergi tinggi (generator O₃) dan kurang selektif—banyak senyawa teroksidasi namun kerap tidak tuntas (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov). Pada tahapan biologis lanjutan, pabrikan kerap menggabungkannya dengan sistem pencernaan biologis untuk memanfaatkan kenaikan biodegradabilitas.

Ringkasan kinerja AOP dan biaya

Rentang kinerja AOP bervariasi menurut kondisi. Fenton dilaporkan mencapai hingga ~90% penurunan COD pada uji oksidasi kuat (www.mdpi.com) atau ~50% pada efluen koks tipikal (www.researchgate.net). Ozonasi berdiri sendiri cenderung lebih rendah (~30–40%: pubmed.ncbi.nlm.nih.gov) atau ~60% pada kondisi mikrogelembung katalitik yang dioptimalkan (iwaponline.com).

Pada keduanya, rasio BOD₅/COD lazim melonjak dari ~0,05–0,2 ke ~0,4–0,6 (www.mdpi.com; iwaponline.com). Kombinasi O₃+Fenton dapat sangat tinggi: pada uji rotating‑bed, O₃/Fenton menghapus 100% fenol dan anilin serta 95% quinoline (dan seluruh amonia) pada kondisi optimum (pubs.rsc.org).

Biaya tidak kecil: Barndõk et al. (2018) memperkirakan pretreatment AOP ~€5/m³ (~$6/m³) untuk ~40% penurunan COD (pubs.acs.org), setara ~$1,8–1,9 per kg COD dihapus untuk Fenton dan $1,96/kg untuk ozon (www.mdpi.com). Reagen Fenton relatif murah (H₂O₂ ≈$0,5–1/kg) namun dosisnya besar; ozonasi menyedot energi (~10–20 kWh/kg O₃) dan butuh investasi generator. Angka‑angka ini melampaui biaya energi pengolahan biasa. Secara ekonomi, satu studi menyimpulkan Fenton sedikit lebih murah per kg COD ketimbang O₃ (www.mdpi.com)—namun AOP mudah di-skala lab dan mahal O&M di praktik (iwaponline.com; iwaponline.com).

Adsorpsi karbon aktif sebagai polishing

Adsorpsi tidak menghancurkan polutan; ia menangkapnya. Dalam desain, tahap ini lazim sebagai polishing setelah biologis/AOP. Karbon aktif komersial efektif menyisir residu fenol dan tar karena hidrofobik dan bermassa molekul tinggi. Contoh, Xia et al. (2022) mengolah efluen koks yang telah melalui biologis dengan koagulasi plus 4 g/L karbon aktif bubuk (PAC, powdered activated carbon) dan mencapai tambahan 76,8% penurunan COD sehingga efluen ~80 mg/L—cukup untuk batas industri koks China 80 mg/L (www.mdpi.com; www.mdpi.com; www.mdpi.com). Dalam studi yang sama, PAC komersial hanya menghapus ~48%—menunjukkan kualitas dan kimia permukaan adsorben krusial (www.mdpi.com).

Karbon aktif sangat menyukai fraksi hidrofobik bermolekul besar: pada sistem koagulasi + SAC, ~77% COD hidrofobik tersapu (www.mdpi.com). Untuk implementasi, media karbon aktif lazim dipakai bersama koagulasi; peran koagulan dapat diakomodasi lewat bahan koagulan komersial.

Namun, tinjauan mencatat AC komersial mahal dan AC mikropori terbatas menyerap molekul besar (pubs.rsc.org; pubs.rsc.org). Sebaliknya, “activated coke” berbiaya rendah (arang dari proses koks/lignite) menunjukkan serapan hebat: An et al. (2017) mengembangkan adsorben lignite‑coke mesopori yang mengungguli AC standar—dekolorisasi lebih tinggi dan penghilangan polutan refrakter dari air limbah gasifikasi batubara (pubs.rsc.org), dengan bahan baku sangat murah (<$20/ton vs. $100+/ton untuk antrasit) (pubs.rsc.org). Daur ulang produk samping pabrik koks sebagai adsorben juga menjanjikan (iwaponline.com).

Secara praktik, sistem karbon aktif butuh modal (vessel bertekanan/bed) dan biaya operasi: karbon harus diganti atau diregenerasi termal (intensif energi) saat jenuh. Data biaya komprehensif jarang dipublikasikan; AC berkualitas tinggi bisa ratusan dolar per ton (delivered), dan energi regenerasi menambah biaya.

Efektivitas dan biaya: perbandingan langsung

Efektivitas: Fenton (dan AOP terkait) secara umum mendegradasi organik dan dramatis menaikkan biodegradabilitas—pada uji limbah koks, penghilangan fenol nyaris lengkap (www.researchgate.net). Ozon mikrogelembung/katalitik bisa mencapai ~60% penurunan COD (iwaponline.com), sementara kombinasi O₃+biologis atau O₃+Fenton menembus ~60–90% (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov; iwaponline.com). Adsorpsi pada efluen koks pascabiologis via koagulasi + karbon aktif telah mencapai ~77% penurunan COD (www.mdpi.com).

Biaya: studi bench/pilot memperkirakan AOP di kisaran $1–2 per kg COD dihapus (www.mdpi.com), ekuivalen ~$5–10 per m³ untuk beban COD tipikal (pubs.acs.org). Dosis 4 g/L (~4 kg/m³) PAC (Xia et al.) pada asumsi ~$5/kg berarti ~$20/m³ hanya untuk konsumabel; adsorben murah (coke powder/biochar) dapat menurunkan angka ini. Operasionalnya, AOP menambah reagen/energi tanpa limbah padat selain lumpur, sedangkan adsorpsi menghasilkan karbon bekas yang harus dibuang/regenerasi.

Implikasi untuk rancangan train pengolahan

AOP dan karbon aktif saling melengkapi: AOP memecah banyak aromatik dan meningkatkan BOD₅/COD namun sering hanya sebagian menurunkan COD; karbon aktif kemudian “memoles” ke level efluen sangat rendah. Dalam banyak kasus, Fenton menghapus lebih banyak COD/fenol per dosis dan sedikit lebih murah per kg COD ketimbang ozon sederhana (www.researchgate.net; www.mdpi.com) namun butuh penyesuaian pH dan menghasilkan lumpur besi (iwaponline.com). Ozonasi kurang spesifik, efektif untuk warna/tiocyanate dan menaikkan biodegradabilitas, tetapi dengan energi/kapital lebih tinggi (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov). Polishing adsorpsi dengan karbon aktif memungkinkan capaian baku lepas.

Sumber utama: studi dan tinjauan sejawat—Chu et al. (www.researchgate.net), Chang et al. (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov), Barndõk et al. (pubs.acs.org), Cheng et al. (www.mdpi.com), Xia et al. (www.mdpi.com; www.mdpi.com), Wei et al. (pubs.rsc.org), dan Duan et al. (iwaponline.com; iwaponline.com). Alternatif adsorben murah: An et al. (pubs.rsc.org; pubs.rsc.org). Tinjauan konteks dan opsi daur ulang adsorben: (iwaponline.com).