Memasuki milenium ketiga, pembangunan di negara maju maupun di negara berkembang termasuk Indonesia telah meningkat dengan pesat. Eksploitasi sumber daya alam yang terus menerus secara berlebihan dapat menimbulkan merosotnya kualitas lingkungan. Kenyataan yang terlihat pada dekade terakhir ini, lingkungan secara global memburuk ditinjau dari berbagai aspek, misalnya pengrusakan lapisan ozon oleh klorofluorokarbon (CFC), kontaminasi sungai, lautan, air bawah tanah, tanah, dan udara oleh senyawa kloroorganik yang sebagian besar ditimbulkan oleh industri, dan pencemaran udara oleh gas buang industri yang mengakibatkan hujan asam. Dampak dari masalah ini tidak hanya dirasakan oleh negara maju, namun juga dirasakan oleh Indonesia yang berpenduduk kurang lebih 230 juta jiwa. Meningkatnya jumlah penduduk dan adanya krisis ekonomi yang berkepanjanagn menyebabkan kepedulian masyarakat terhadap lingkungan hidup diperkirakan menurun, sehingga kualitas lingkungan hidup di Indonesia akan mengalami tekanan dari berbagai sisi.

Limbah yang berasal dari berbagai kegiatan industri, misalnya tekstil (penghasil limbah zat warna), minyak bumi (penghasil limbah fenol), surfaktan, pulp, pertanian (pestisida), dan industri lainnya merupakan industri yang mempunyai sumbangan dalam menurunnya kualitas air, baik air permukaan maupun air tanah. Pestisida jenis tertentu, obat-obatan, serta bahan kimia beracun dan berbahaya yang dapat menimbulkan efek neurogenik dan karsinogenik serta kemerosotan lingkungan.

Pada dasarnya, industri dalam menghasilkan produk telah berusaha  untuk tidak menghasilkan limbah, tetapi hal ini sulit dihindari. Metode pengelolaan limbah secara umum dibagi menjadi empat tingkatan, yaitu: menghilangkan atau mengurangi limbah pada sumbernya dengan mengusahakan agar bahan dasarnya tidak beracun, mendaur ulang limbah untuk digunakan lagi atau dimanfaatkan untuk keperluan lain, mengolah limbah baik dengan cara fisika, kimia, dan biologi untuk mengurangi tingkat toksisitas, mobilitas, dan volumenya, penyimpanan limbah yang telah diolah ke tempat yang aman.

Pengolahan limbah berdasarkan metode yang digunakan dibagi menjadi cara fisika, kimia, dan biologi, namun ketiga metode tersebut umumnya dilakukan secara kombinasi. Menurut sifatnya, bahan pencemar dibedakan menjadi bahan yang mudah mengalami biodegradasi (biodegradable) dan bahan yang sulit mengalami biodegradasi (non biodegradable). Keduanya bersifat racun, bahkan untuk pencemar non biodegradable umumnya juga besifat karsinogenik. Sumber utama pencemar non biodegradable berasal dari budidaya pertanian berupa insektisida, herbisida, rodentisida; limbah industri minyak bumi berupa fenol; limbah industri tektil berupa zat warna, limbah rumah tangga berupa deterjen, limbah industri lainnya misalnya poliklorobilifenil (PCB), trikloroetilen (TCE), pulp, dan senyawa aromatis atau senyawa organik lainnya yang telah ada dalam badan air akibat proses alam misalnya asam humus.

Upaya untuk mengurangi beban pencemaran air telah dilakukan antara lain kewajiban membuat unit pengolahan limbah pada setiap kegiatan industri, prokasih (program kali bersih) yang dicanangkan pada tahun 1991, namun semua itu belum dapat mengurangi pencemaran secara signifikan. Beberapa metode konvensional yang banyak digunakan untuk mengolah limbah organik cair adalah dengan klorinasi, pengendapan dengan activated sludge dan pengendapan dengan karbon aktif, selanjutnya sludge yang terbentuk dibakar. Pembakaran sludge berakibat terbentuknya klorooksida dan karbondioksida yang akan mencemari udara. Pengolahan secara biologi dengan mikroorganisme hanya terbatas pada pencemar yang biodegradable, sedangkan pencemar non biodegradable tidak dapat diatasi. Berdasarkan kenyataan tersebut, teknologi pengolahan limbah yang lebih efektif mutlak diperlukan.

Radiasi ionisasi dapat menghasilkan spesies aktif antara lain radikal hidroksil (^.OH) yang dapat mendekomposisi berbagai jenis pencemar organik di dalam air. Sumber radiasi yang dapat digunakan adalah sinar gamma (dari ⁶⁰Co, waktu paro = 5,26 tahun, Eγ = 1,17 dan 1,33 MeV; ¹³⁷Cs, waktu paro = 29 tahun, Eγ = 0,66 MeV), sinar X, atau mesin berkas elektron. Mesin berkas elektron merupakan pilihan terbaik, karena  laju dosisnya dapat dibuat tinggi sesuai dengan yang diinginkan. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut:

H₂O  +  γ(gamma) atau elektron  --------->   ^.OH, ^.H, H₂O₂, e^-_aq, H₂, H⁺

Di antara spesies tersebut, ^.OH merupakan spesi yang paling reaktif dan dapat memecahkan senyawa organik menjadi molekul-molekul yang lebih kecil dan selanjutnya menjadi CO₂ pada tahap akhir.

Dengan sifat ionisasi, radiasi mampu memecahkan persoalan di atas secara lengkap meliputi pengolahan limbah organik non-biodegradable, desinfektasi sludge, dan sekaligus membunuh mikroorganisme yang terdapat di dalam air, sehingga desinfektasi dengan menggunakan klorin yang berakibat terbentuknya senyawa kloroorganik dapat dihindari. Studi yang telah dilakukan oleh Miyata dari Jepang menggambarkan bahwa tehnik radiasi secara tunggal atau kombinasi dengan ozon, pemanasan, dan sinar ultra violet sangat efektif dalam penguraian limbah organik beracun. Pengolahan air limbah dengan menggunakan teknik radiasi, menunjukkan bahwa radiasi pengion mempunyai kemampuan menurunkan BOD dan COD serta mengubah senyawa-senyawa yang sulit diuraikan menjadi senyawa yang mudah dioksidasikan baik dengan cara biologi maupun kimia. Jika di dalam limbah terkandung oksigen terlarut atau ditambahkan oksigen, maka akan terbentuk radikal HO₂ juga merupakan spesi tambahan yang bersifat sebagai oksidator. Di samping itu, radikal HO₂ dapat bereaksi sesamanya membentuk H₂O₂, sehingga memperbanyak keberadaan H₂O₂ sebagai oksidator.

Adanya radikal bebas akibat radiasi yang mempunyai reaktivitas kimia yang tinggi akan bereaksi dengan pencemar organik dalam air limbah baik secara langsung maupun tidak langsung. Interaksi secara langsung adalah interaksi radiasi dengan molekul target, sedangkan interaksi radiasi tidak langsung terjadi apabila molekul target dipengaruhi oleh spesies antara (intermediate species) yang teraktivasi dari molekul air. Pada umumnya limbah organik yang terkandung dalam air limbah hanya berkisar 1%, sehingga sebagian besar energi radiasi diserap oleh air. Oleh karena itu interaksi radiasi secara tidak langsung lebih dominan dibandingkan interaksi secara langsung. Pada proses tersebut radikal hidroksil (^.OH) dan oksigen yang terdapat di dalam larutan memainkan peranan yang cukup penting.

Kinetika reaksinya meliputi reaksi inisiasi, reaksi propagasi, dan pemutusan ikatan C-C membentuk CO₂ dan H₂O yang secara skematis ditulis sebagai berikut :

Reaksi tersebut berlangsung sangat cepat dan akan berulang sehingga rantai atom C (R’) satu demi satu akan berubah menjadi CO₂.

Beberapa hasil penelitian yang dilakukan di Eropa dan Jepang tentang degradasi senyawa trikloroetilen (TCE) dan klorofenol dalam air minum menunjukkan bahwa pada dosis 140 Gy senyawa TCE dapat terdegradasi sebesar 93%. Degradasi tersebut dipengaruhi oleh konsentrasi awal dan laju dosis yang digunakan. Produk radiolisis yang terbentuk dari TCE adalah ion klor dan asam oksalat.

Untuk senyawa 4-klorofenol, pada dosis 10 kGy, telah terdekomposisi sebesar 92%. Hasil dekomposisi klorofenol adalah ion klor, pirokatekol, hidrokuinon, dan mungkin juga hidroksihidrokuinon. Tiga senyawa tersebut terakhir ini, pada radiasi lebih lanjut akan terurai menjadi asam maleat, asam oksalat dan atau asam formiat yang merupakan senyawa tidak berbahaya. Penggunaan mesin berkas elektron untuk penelitian penguraian zat warna azo yang larut dalam air juga telah banyak dilakukan, antara lain oleh Suzuki dkk. dari Lembaga Penelitian Tenaga Nuklir Jepang dengan hasil yang efisien, misalnya penguraian zat warna azo Acid Red 265 dengan iradiasi pada dosis 6,3 kGy akan menguraikan senyawa tersebut secara sempurna. Iradiasi menggunakan berkas elektron terhadap senyawa BTS (benzen, toluen, dan silen) dalam bahan baku air minum yang dilakukan oleh Nichelsen dkk menunjukkan bahwa pada dosis 4,66 kGy senyawa benzen, toluen, m-silen, dan o-silen telah terdekomposisi secara sempurna pada dosis 7,87 kGy.

Menurut Arai dari Lembaga Penelitian Tenaga Atom Jepang, kombinasi penggunaan radiasi berkas elektron dengan metode lain (konvensional), misalnya kombinasi radiasi dan koagulasi menggunakan Fe⁺³ untuk mengeliminasi senyawa deterjen, polivinil alkohol, atau senyawa lainnya; kombinasi dengan ozonisasi; atau kombinasi dengan penyerapan menggunakan arang aktif juga memberikan hasil yang lebih baik. Pada metode terakhir ini, maka pertama cairan limbah maupun bahan baku air minum dialirkan melalui arang aktif sehingga bahan pencemar terserap, selanjutnya arang aktif yang sudah jenuh diregenerasi dengan cara diiradiasi menggunakan berkas elektron. Dengan demikian, pencemar yang terserap pada arang aktif akan terdekomposisi dan arang aktifnya dapat digunakan kembali dengan recovery sekitar 91%.

Beberapa keuntungan pengolahan limbah menggunakan iradiasi yaitu:

1. Oksidasi yang dipicu oleh radiasi tidak tergantung pada berat molekul zat terlarut.
2. Mengurangi toksisitas, warna, dan bau.
3. Meningkatkan biodegradabilitas melalui perubahan struktur kimia.
4. Memperbaiki sifat pengendapan dan filtrasi dari partikel-partikel pencemar.
5. Pada proses degradasi sempurna, tidak menghasilkan sludge yang merupakan problem lanjutan pada proses berikutnya (proses biologi), karena limbah organik akan terurai menjadi CO₂ dan H₂O, sehingga BOD dan COD menurun.

Berdasarkan kajian yang dilakukan oleh Lembaga Penelitian Tenaga Nuklir Jepang, desinfektasi effluent sekunder dari sewage plant menggunakan berkas elektron untuk skala 100.000 m3/hari diperlukan biaya Rp 100 per m³, lebih ekonomis dibandingkan metode lainnya (ozonisasi Rp.128 dan lampu UV Rp. 108).

Berbagai penelitian penguraian senyawa fenol, insektisida, dan zat warna tekstil telah dilakukan di BATAN menggunakan iradiator gamma memberikan hasil yang memuaskan pada skala laboratorium, namun belum dicoba untuk skala yang lebih besar. Dengan demikian, teknik nuklir merupakan salah satu alternatif untuk mengolah limbah industri yang mengandung berbagai senyawa organik yang berbahaya, namun studi kelayakan sosial-ekonomi perlu dilakukan secara mendalam agar manfaatnya lebih besar dibandingkan risikonya. Instalasi pengolahan limbah dengan nuklir ini, baik dengan sumber gamma maupun berkas elektron sebaiknya dibangun secara in situ dan terpadu untuk beberapa industri yang berdekatan, sehingga efektif dan efisien.

(Penulis: Hendig Winarno)