BAGIAN II: PROSES PENGOLAHAN SECARA FISIK
Dalam bagian II ini, akan dibahas pengolahan secara phisik yaitu pengolahan tanpa rekayasa penambahan bahan kimia atau bahan lain untuk pemisahan zat padat atau pengotor yang terkandung didalam air baku. Proses pengolahan secara phisik umumnya dilakukan secara bertahap berdasarkan pada dimensi materi yang ada didalam air baku sebagai mana dijelaskan pada bagian I buku ini. Materi dalam bagian II ini akan disajikan dalam 3 bab secara berurutan sesuai dengan tahapan pengolahan yang mengacu pada ukuran bahan atau partikel dalam air baku yaitu : 1. BAB 2 : Penyaringan . 2. BAB 3 Pengendapan 3. BAB 4 Filtrasi.
21
BAB 2 PENYARINGAN
RINGKASAN Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip penyaringan benda-benda kasar yang terapung di air dengan screening (Gambar 2.1). Ringkasan bab ini adalah sebagai berikut: 1. Penyaringan kasar merupakan unit pertama dari instalasi pengolahan air minum karena fungsinya menyisihkan benda berukuran besar. 2. Prinsip kerja Penyaringan adalah melewatkan air melalui lubang atau celah dengan ukuran bukaan lebih kecil dari ukuran benda – benda yang hendak dipisahkan. 3. Energi pemisahan diperoleh dari energi hidrolik dengan aliran air secara gravitasi. 4.
Metode pembersihan benda – benda yang tersaring dalam media penyaring dapat dilakukan secara manual atau mekanis.
Gambar 2.1 Skema screening
22
2.1. Umum Unit operasi terdepan dalam suatu instalasi pengolahan air adalah unit Saringan (Screen). Suatu Screen adalah suatu alat dengan bukaan (opening) dengan ukuran yang seragam berfungsi untuk menahan padatan yang terdapat dalam air baku Instalasi
Pengolahan
Air
Minum
(IPAM).
Penyaringan
kasar
(screening)
dimaksudkan untuk menyaring benda-benda kasar terapung atau melayang di air agar tidak terbawa ke dalam unit pengolahan. Contoh benda – benda kasar yaitu daun, plastik, kayu, kain, botol plastik, bangkai binatang, dan sebagainya. Screening biasanya menjadi bagian dari suatu bangunan penyadap air (intake, Gambar 2.2), yang terdiri atas batang-batang besi yang disusun berjajar/paralel (selanjutnya disebut screen). Screening juga sering ditempatkan pada saluran terbuka yang menghubungkan sungai (sumber air) menuju ke bak pengumpul (lihat Gambar 2.3).
Gambar 2.2 Screen di intake
23
Gambar 2.3 Potongan memanjang saluran dan screen dalam statu saluran. Dalam pengoperasiannya, air akan mengalir melalui bukaan (space) di antara batang besi. Bila air membawa benda kasar, maka benda ini akan tertahan oleh besi berjajar tersebut. Benda kasar yang tetahan dalam batang –batang screen akan menurunkan luas bukaan sehingga menghambat laju aliran air yang berakibat pada terjadinya penyumbatan dan meningkatkan kehilangan energi aliran atau headloss. Headloss biasanya dihitung pada kondisi screen bersih dan pada kondisi screen setengah tersumbat. Rumus untuk menghitung headloss pada screen adalah sebagai berikut: ∆h = h1 − h2 =
(
1 v sc2 − v 2 2 gC d2
)
(2.1)
dengan:
∆h = headloss akibat aliran melewati screen, m Cd = Koefisien debit (biasanya 0,84) g = percepatan gravitasi, m/det2 vsc = kecepatan aliran di screen, m/det v = kecepatan aliran sebelum screen, m/det
Perhitungan ini penting dilakukan untuk memastikan air bisa mengalir, yang ditunjukkan dengan nilai headloss yang kecil. Hasil perhitungan juga dapat digunakan untuk menentukan waktu pembersihan screen, terutama untuk screen yang dibersihkan secara manual.
24
Pembersihan secara manual merupakan pembersihan yang menggunakan tenaga manusia dengan cara mengambil (menggaruk) benda yang tersangkut di screen dibawa ke atas atau disingkirkan dari screen. Pembersihan ini dilakukan secara berkala dan tidak boleh melebihi kondisi setengah tersumbat karena dikhawatirkan headlossnya melebihi batas yang ditentukan sehingga air tidak mengalir ke unit pengolahan berikutnya. Jenis pembersihan lainnya adalah pembersihan secara mekanik. Pembersihan ini mengandalkan tenaga mekanis, yaitu alat pengambil (penggaruk) benda yang tersangkut di screen yang berjalan terus-menerus dengan digerakkan oleh motor. Gambar 2.4 menunjukkan screen yang pembersihannya dilakukan secara manual dan mekanis.
Gambar 2.4 Pembersihan screen: (a) cara manual, (b) cara mekanis 25
BAB 3 PENGENDAPAN
RINGKASAN Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip pengendapan (Gambar 3.1) untuk menyisihkan partikel yang terdapat di dalam air baku. Ringkasan materi bab ini adalah sebagai berikut: 1. Proses pengendapan partikel berlangsung secara gravitasi dalam air yang mengalir secara horisontal. 2. Ditinjau dari jenis partikel yang diendapkan, pengendapan dibedakan menjadi prasedimentasi
(mengendapakan
partikel
diskret)
dan
sedimentasi
(mengendapakan partikel flokulen). 3. Bak pengendap ideal tersusun oleh empat zona, yaitu zona inlet, zona pengendapan, zona lumpur, dan zona outlet.
Gambar 3. 1 Proses pengendapan partikel diskret dan flokulen 26
MATERI
Pengendapan
dimaksudkan
untuk
memisahkan
solid-liquid
menggunakan
pengendapan secara gravitasi. Ditinjau dari jenis partikel yang diendapkan, pengendapan dibedakan menjadi dua macam, yaitu prasedimentasi dan sedimentasi.
3.1. Prasedimentasi Prasedimentasi (disebut juga plain sedimentation atau sedimentasi I) dimaksudkan untuk mengendapkan partikel diskret atau partikel kasar atau lumpur. Partikel diskret adalah partikel yang tidak mengalami perubahan bentuk dan ukuran selama mengendap di dalam air. Prasedimentasi hanya diperlukan apabila dalam air baku terdapat partikel diskret atau partikel kasar atau lumpur dalam jumlah yang besar. Pengendapan dilakukan dalam bak berukuran besar (biasanya membutuhkan waktu detensi selama 2 hingga 4 jam) dalam aliran yang laminer, untuk memberikan kesempatan lumpur mengendap tanpa terganggu oleh aliran. Pengendapan berlangsung secara gravitasi tanpa penambahan bahan kimia sebelumnya. Kecepatan pengendapan dapat dihitung dengan rumus Stoke’s sebagai berikut: g (S g − 1)d 2 18
(3.1)
g ( 18
(3.2)
Vs =
atau Vs =
s
− )d 2
dengan: Vs = kecepatan pengendapan, m/det Sg = Specific gravity
ρs = densitas massa partikel, kg/m3 ρ = densitas massa liquid, kg/m3 g = percepatan gravitasi, m/detik2
27
= viskositas kinematik, m2/detik µ = viskositas absolut, N.detik/m2 Bentuk bak pengendap ada dua macam, yaitu: a. Rectangular (segi empat) b. Circular (lingkaran)
Bak sedimentasi ideal. Sebuah aliran horizontal dalam bak sedimentasi menunjukkan karakteristik, yang secara umum digunakan untuk melukiskan cara pengendapan partikel diskrit : a. aliran melalui bak terdistribusi merata melintasi sisi melintang bak b. partikel terdispersi merata dalam air c. pengendapan partikel yang dominan terjadi adalah type I Sebuah bak sedimentasi ideal dibagi menjadi 4 zona (lihat Gambar 3.2), yaitu: a. zona inlet b. zona pengendapan c. zona lumpur d. zona outlet
Zona inlet. Dalam zona ini aliran terdistribusi tidak merata melintasi bagian melintang bak; aliran meninggalkan zona inlet mengalir secara horisontal
dan
langsung menuju bagian outlet.
Zona pengendapan. Dalam zona ini, air mengalir pelan secara horisontal ke arah outlet, dalam zona ini terjadi proses pengendapan. Lintasan partikel diskret tergantung pada besarnya kecepatan pengendapan.
Zona lumpur. Dalam zona ini lumpur terakumulasi. Sekali lumpur masuk area ini ia akan tetap disana
Zona outlet. Dalam zona ini, air yang partikelnya telah terendapkan terkumpul pada bagian melintang bak dan siap melngalir keluar bak.
28
! "
Gambar 3.2 Pola pengendapan partikel diskret
3.2. Sedimentasi Sedimentasi dimaksudkan untuk menyisihkan partikel/suspended solid dalam air dengan cara mengendapkannya secara gravitasi. Jenis partikel yang diendapkan adalah partikel flokulen, yaitu partikel yang dihasilkan dari proses koagulasi-flokulasi. Ciri partikel flokulen adalah partikel yang selalu mengalami perubahan ukuran dan bentuk selama proses pengendapan berlangsung. Mekanisme sedimentasi adalah sebagai berikut: a. Pengendapan partikel flokulen berlangsung secara gravitasi. b. Flok yang dihasilkan pada proses koagulasi-flokulasi mempunyai ukuran yang makin besar, sehingga kecepatan pengendapannya makin besar. c. Untuk menghindari pecahnya flok selama proses pengendapan, maka aliran air dalam bak harus laminer. Untuk tujuan ini, digunakan indikator bilangan Reynold (NRe) dan bilangan Froud (NFr). d. Aliran air yang masuk pada inlet diatur sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu pengendapan. Biasanya dipasang diffuser wall / perforated baffle untuk meratakan aliran ke bak pengendap dengan kecepatan yang rendah. Diusahakan agar inlet bak langsung menerima air dari outlet bak flokulator.
29
e. Air yang keluar melalui outlet diatur sedemikian, sehingga tidak mengganggu flok yang telah mengendap. Biasanya dibuat pelimpah (weir) dengan tinggi air di atas weir yang cukup tipis (1,5 cm). Bentuk bak sedimentasi: a. segi empat (rectangular). Pada bak ini, air mengalir horisontal dari inlet menuju outlet, sementara partikel mengendap ke bawah (Gambar 3.3).
(a)
(b)
Gambar 3.3 Bak sedimentasi berbentuk segi empat: (a) denah, (b) potongan memanjang b. lingkaran (circular) - center feed. Pada bak ini, air masuk melalui pipa menuju inlet bak di bagian tengah bak, kemudian air mengalir horisontal dari inlet menuju outlet di sekeliling bak, sementara partikel mengendap ke bawah (Gambar 3.4). Secara tipikal bak persegi mempunyai rasio panjang : lebar antara 2 : 1 – 3 : 1.
(a)
(b)
Gambar 3.4 Bak sedimentasi berbentuk lingkaran – center feed: (a) denah, (b) potongan melintang c. lingkaran (circular) - periferal feed. Pada bak ini, air masuk melalui sekeliling lingkaran dan secara horisontal mengalir menuju ke outlet di bagian tengah lingkaran, sementara partikel mengendap ke bawah (Gambar 3.5). Hasil penelitian menunjukkan bahwa tipe periferal feed menghasilkan short circuit yang lebih kecil dibandingkan tipe center feed, walaupun center feed lebih 30
sering digunakan. Secara umum pola aliran pada bak lingkaran kurang mendekati pola ideal dibanding bak pengendap persegi panjang. Meskipun demikian, bak lingkaran lebih sering digunakan karena penggunaan peralatan pengumpul lumpurnya lebih sederhana.
(a)
(b)
Gambar 3.5 Bak sedimentasi berbentuk lingkaran – periferal feed: (a) denah, (b) potongan melintang
Bagian-bagian dari bak sedimentasi (Gambar 3.6): a. Inlet: tempat air masuk ke dalam bak. b. Zona pengendapan: tempat flok/partikel mengalami proses pengendapan. c. Ruang lumpur: tempat lumpur mengumpul sebelum diambil ke luar bak. Kadang dilengkapi dengan sludge collector/scrapper. d. Outlet: tempat di mana air akan meninggalkan bak, biasanya berbentuk pelimpah (weir).
a
Vh Vs
VR
b
d
c
Gambar 3.6 Bagian-bagian bak sedimentasi
31
Zona Inlet atau struktur influen. Zona inlet mendistribusikan aliran air secara merata pada bak sedimentasi dan menyebarkan kecepatan aliran yang baru masuk. Jika dua fungsi ini dicapai, karakteristik aliran hidrolik dari bak akan lebih mendekati kondisi bak ideal dan menghasilkan efisiensi yang lebih baik. Zona influen didesain secara berbeda untuk kolam rectangular dan circular. Khusus dalam pengolahan air, bak sedimentasi rectangular dibangun menjadi satu dengan bak flokulasi. Sebuah baffle atau dinding memisahkan dua kolam dan sekaligus sebagai inlet bak sedimentasi. Disain dinding pemisah sangat penting, karena kemampuan bak sedimentasi tergantung pada kualitas flok.
Zona outlet atau struktur efluen. Seperti zona inlet, zona outlet atau struktur efluen mempunyai pengaruh besar dalam mempengaruhi pola aliran dan karakteristik pengendapan flok pada bak sedimentasi. Biasanya weir/pelimpah dan bak penampung limpahan digunakan untuk mengontrol outlet pada bak sedimentasi. Selain itu, pelimpah tipe V-notch atau orifice terendam biasanya juga dipakai. Diantara keduanya, orifice terendam yang lebih baik karena memiliki kecenderungan pecahnya sisa flok lebih kecil selama pengaliran dari bak sedimentasi menuju filtrasi. Selain bagian-bagian utama di atas, sering bak sedimentasi dilengkapi dengan settler. Settler dipasang pada zona pengendapan (Gambar 3.6) dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi pengendapan.
pelimpah
Settler Diffuser wall
Gambar 3.7 Settler pada bak sedimentasi
32
BAB 4 FILTER
RINGKASAN Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip filtrasi dengan berbagai jenis filter dan media. Operasi pengaliran air pada berbagai filter dapat dilihat pada Gambar 4.1. Ringkasan materi bab ini adalah sebagai berikut: 1. Mekanisme filtrasi yang dominan dalam filter pasir cepat adalah mechanical straining, yaitu tertangkapnya partikel oleh media filter karena ukuran partikel lebih besar daripada ukuran pori-pori media, sedangkan mekanisme filtrasi dalam filter pasir lambat adalah proses biologis. 2. Filtrasi dengan membran ditujukan untuk menyaring bahan berukuran molekuler dan ionik. Untuk berlangsungnya filtrasi ini, diperlukan driving force, seperti perbedaan konsentrasi, potensial listrik, perbedaan tekanan, dan sebagainya. 3. Filter karbon aktif merupakan media untuk proses adsorpsi yang ditujukan untuk menghilangkan bahan organik dalam air.
Gambar 4. 1 Operasi pengaliran air pada filter 33
MATERI
Proses yang terjadi pada unit filter adalah penyaringan (filtrasi). Filtrasi merupakan proses alami yang terjadi di dalam tanah, yaitu air tanah melewati media berbutir dalam tanah dan terjadi proses penyaringan. Dengan meniru proses alam ini, dikembangkan rekayasa dalam bentuk unit filter. Tujuan filtrasi adalah untuk menghilangkan partikel yang tersuspensi dan koloidal dengan cara menyaringnya dengan media filter. Selain itu, filtrasi dapat menghilangkan bakteri secara efektif dan juga membantu penyisihan warna, rasa, bau, besi dan mangan. Berdasarkan kecepatan alirannya, filtrasi dibagi menjadi: a. Slow sand filter (saringan pasir lambat), merupakan penyaringan partikel yang tidak didahului oleh proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran dalam media pasir ini kecil karena ukuran media pasir lebih kecil. Saringan pasir lambat lebih menyerupai penyaringan air secara alami. b. Rapid sand filter (saringan pasir cepat), merupakan penyaringan partikel yang didahului oleh proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran air dalam media pasir lebih besar karena ukuran media pasir lebih besar. Biasanya filter ini digunakan untuk menyaring partikel yang tidak terendapkan di bak sedimentasi. Berdasarkan arah alirannya, filtrasi dibagi menjadi: a. down-flow filtration b. up-flow filtration c. up flow-down flow filtration d. horizontal flow filtration Berdasarkan sistem pengaliran/driving force, filtrasi dibagi menjadi: a. gravity filtration b. pressure filtration Selain pasir sebagai media filter, terdapat juga membran dan karbon aktif sebagai media filtrasi dengan tujuan yang lebih khusus. Membran biasanya digunakan sebagai media filter untuk proses penyaringan bahan yang ukurannya jauh lebih kecil
34
dibandingkan ukuran partikel (suspended solid). Karbon aktif digunakan untuk media adsorpsi dengan tujuan untuk menghilangkan bahan organik.
4.1. Filter Pasir Cepat Mekanisme filtrasi dalam filter pasir cepat meliputi: a. Penyaringan secara mekanis (mechanical straining) b. Sedimentasi c. Adsorpsi atau gaya elektrokinetik d. Koagulasi di dalam filter bed e. Aktivitas biologis Bagian-bagian dari filter pasir cepat meliputi (Gambar 4.2): a. Bak filter. Bak ini merupakan tempat proses filtrasi berlangsung. Jumlah dan ukuran bak tergantung debit pegolahan (minimum dua bak) b. Media filter. Media filter merupakan bahan berbutir/granular yang mempunyai pori-pori. Di pori-pori antar butiran inilah air mengalir dan terjadilah proses penyaringan. Media dapat tersusun oleh satu macam bahan (single media), dua macam (dual media), atau banyak media (multi media). Susunan media berdasarkan ukurannya dibedakan menjadi: •
Seragam (uniform)
•
Gradasi (stratified)
•
Tercampur (mixed)
c. Sistem underdrain. Underdrain merupakan sistem pengaliran air yang telah melewati proses filtrasi yang terletak di bawah media filter. Underdrain terdiri atas: •
Orifice, yaitu lubang pada sepanjang pipa lateral sebagai jalan masuknya air dari media filter ke dalam pipa.
•
Lateral, yaitu pipa cabang yang terletak di sepanjang pipa manifold.
•
Manifold, yaitu pipa utama yang menampung air dari lateral dan mengalirkannya ke bangunan penampung air.
35
Gambar 4.2 Bagian-bagian filter Pengoperasian filter pasir cepat adalah sebagai berikut: •
Selama proses filtrasi berlangsung, partikel yang terbawa air akan tersaring di media filter. Sementara itu, air terus mengalir melewati media pasir dan penyangga, masuk lubang/orifice, ke pipa lateral, terkumpul di pipa manifold, dan akhirnya air keluar menuju bak penampung (lihat Gambar 4.3).
•
Partikel yang tersaring di media lama kelamaan akan menyumbat pori-pori media sehingga terjadi clogging (penyumbatan). Clogging ini akan meningkatkan headloss aliran air di media. Peningkatan headloss dapat dilihat dari meningkatnya permukaan air di atas media atau menurunnya debit filtrasi. Untuk menghilangkan clogging, dilakukan pencucian media.
•
Pencucian dilakukan dengan cara memberikan aliran balik pada media (backwash) dengan tujuan untuk mengurai media dan mengangkat kotoran yang menyumbat pori-pori media filter. Aliran air dari manifold, ke lateral, keluar orifice, naik ke media hingga media terangkat, dan air dibuang melewati gutter yang terletak di atas media (lihat Gambar 4.4).
•
Bila media filter telah bersih, filter dapat dioperasikan kembali.
36
$
#
% &
Gambar 4.3 Aliran air pada saat operasi filter
#
''
''
&
Gambar 4.4 Aliran air pada saat pencucian filter
4.2. Filter Pasir Lambat Filter pasir lambat adalah filter yang mempunyai kecepatan filtrasi lambat. Dibandingkan filter cepat, kecepatan filtrasi pada filter lambat sekitar 20 – 50 kali lebih lambat, yaitu sekitar 0,1 hingga 0,4 m/jam. Kecepatan yang lebih lambat ini disebabkan ukuran media pasir juga lebih kecil (effective size = 0,15 – 0,35 mm). Filter pasir lambat cukup efektif digunakan dalam menghilangkan kandungan bahan organik dan organisme pathogen dari air baku yang mempunyai kekeruhan relatif rendah. Filter pasir lambat banyak digunakan untuk pengolahan air dengan kekeruhan air baku di bawah 50 NTU. Efisiensi filter pasir lambat tergantung pada distribusi ukuran partikel pasir, ratio luas permukaan filter terhadap kedalaman dan kecepatan filtrasi. Filter pasir lambat bekerja dengan cara pembentukan lapisan gelatin atau biofilm yang disebut lapisan hypogeal atau Schmutzdecke di beberapa milimeter bagian
atas
lapisan pasir halus. Lapisan ini mengandung bakteri, fungi, protozoa, rotifera, dan 37
larvae serangga air. Schmutzdecke adalah lapisan yang melakukan pemurnian efektif dalam pengolahan air minum. Selama air melewati Schmutzdecke, partikel akan terperangkap dan organik terlarut akan teradsorpsi, diserap dan dicerna oleh bakteri, fungi dan protozoa. Proses yang terjadi dalam schmutzdecke sangat kompleks dan bervariasi, tetapi yang utama adalah mechanical straining terhadap kebanyakan bahan tersuspensi dalam lapisan tipis yang berpori-pori sangat kecil kurang dari satu mikron. Ketebalan lapisan ini meningkat terhadap waktu hingga mencapai sekitar 25 mm, yang menyebabkan aliran mengecil. Pengujian kualitas air dilakukan secara berkala sampai standar dilampaui. Ketika kecepatan filtrasi turun sampai tingkat tertentu, filter harus dicuci dengan mengambil lapisan pasir bagian atas setebal sekitar 25 mm. Keuntungan filter lambat antara lain: •
Biaya konstruksi rendah
•
Rancangan dan pengoperasian lebih sederhana
•
Tidak diperlukan tambahan bahan kimia
•
Variasi kualitas air baku tidak terlalu mengganggu
•
Tidak diperlukan banyak air untuk pencucian, pencucian hanya dilakukan di bagian atas media, tidak dilakukan backwash
Kerugian filter pasir lambat adalah besarnya kebutuhan lahan, yaitu sebagai akibat dari lambatnya kecepatan filtrasi. Secara umum, filter pasir lambat hampir sama dengan filter pasir cepat. Filter lambat tersusun oleh bak filter, media pasir, dan sistem underdrain (Gambar 4.5). Perbedaan filter cepat dan filter lambat dapat dilihat pada Tabel 4.1.
38
Gambar 4.5 Skema filter pasir lambat Tabel 4.1 Kriteria untuk Filter Pasir Cepat dan Filter Pasir Lambat Kriteria Kecepatan filtrasi
Filter Pasir Cepat
Filter Pasir Lambat
4 – 21 m/jam
0,1 – 0,4 m/jam 2
Kecil, 40 – 400 m
Besar, 2000 m2
30 – 45 cm kerikil, 60 – 70 cm pasir, tidak berkurang saat pencucian
30 cm kerikil, 90 – 110 cm pasir, berkurang 50 – 80 cm saat pencucian
Effective size >0,55 mm, uniformity coefficient <1,5
Effective size 0,25-0,3 mm, uniformity coefficient 2-3
Terstratifikasi
Tidak terstratifikasi
Sistem underdrain
Pipa lateral berlubang yang mengalirkan air ke pipa utama
Sama dengan filter cepat atau batu kasar dan beton berlubang sebagai saluran utama
Kehilangan energi
30 cm saat awal, hingga 275 cm saat akhir
6 cm saat awal, hingga 120 cm saat akhir
12 – 72 jam
20 – 60 hari
Mengangkat kotoran dan pasir ke atas dengan backwash
Mengambil lapisan pasir di permukaan dan mencucinya
1 – 6% dari air tersaring
0,2 – 0,6% dari air tersaring
Koagulasi-flokulasisedimentasi
Biasanya tidak ada bila kekeruhan kurang dari 50 NTU
Biaya konstruksi
Relatif tinggi
Relatif rendah
Biaya operasi
Relatif tinggi
Relatif rendah
Biaya depresiasi Sumber: Schulz dan Okun (1984)
Relatif tinggi
Relatif rendah
Ukuran bed Kedalaman bed
Ukuran pasir Distribusi ukuran media
Filter run (jarak waktu pencucian) Metoda pembersihan Jumlah air untuk pembersihan Pengolahan pendahuluan
39
4.3. Filter Membran Penggunaan membran dalam pengolahan air bertujuan untuk pemisahan substansi dari larutan. Membran mampu menyaring partikel dalam larutan yang tidak nampak oleh mata telanjang, bahkan membran mikrofiltrasi dapat menahan yeast (3 hingga 12 mikron) dan mikrofiltrasi yang lebih kecil dapat menahan bakteri terkecil (Pseudomonas diminuta, 0,2 mikron). Gambar 4.6 menunjukkan perbadingan ukuran polutan yang dapat dipisahkan dengan berbagai teknik pengolahan. Aplikasi membran berdasarkan ukuran pori-pori membran dan mekanisme kerja membran atau proses pemisahannya dapat dikelompokkan menjadi: Mikrofiltrasi, ukuran pori sekitar 0,05 – 10 mikron Ultrafiltrasi, ukuran pori sekitar 0,005 – 10 mikron Dialisis, ukuran pori sekitar 0,0005 – 0,1 mikron Elektrodialisis, ukuran pori sekitar 0,0005 – 0,01 mikron Reverse Osmosis, ukuran pori sekitar 0,0005 – 0,008 mikron
Reverse Osmo sis Elektro dialisis P ertukaran Io n Dialisis Ultrafiltrasi Ultrasentrifugasi M ikro filtrasi Sentrifugasi Sedimentasi Filtrasi Kain
0,0001
0,001
Rentang Ion
0,01
0,1 Makromolekul
1
10 Mikron
100
1000 µ
Partikel
Gambar 4.6 Rentang teknik pemisahan dengan membran dibandingkan dengan teknik lain (Reynolds, 1996)
40
Tabel 4.2 memberikan gambaran perbandingan berbagai teknik membrane. Teknik Membran
Air Umpan
Ukuran Pori
Gaya Dorong
Tujuan Penyisihan
Mikrofiltrasi
Dari filter
0,1-2 mikron (umumnya 0,45 mikron)
Tekanan > 10 psi (> 0,7 kg/cm2)
Bakteri menyerupai partikel tak larut, bahan koloid
Ultrafiltrasi
Dari filter
0,002-0,1 mikron (umumnya 0,01 mikron)
Tekanan > 20 psi (> 1,4 kg/cm2)
Senyawa berukuran molekuler, termasuk mikroorganisme
Elektrodialisis
TDS 500 – 8000 mg/l
< 1 nm
Arus DC 0,27-0,36 kW/lb garam
Ion garam
Reverse Osmosis
TDS 100 – 36000 mg/l
< 1 nm
Tekanan > 200 psi (> 14 kg/cm2)
Ion garam dan bahan koloid
Sumber: Kawamura, S. (1991)
4.3.1. Mikrofiltrasi Mikrofiltrasi adalah proses membran cross-flow tekanan rendah untuk memisahkan partikel koloid dan tersuspensi berukuran 0,05-1 mikron. Mikrofiltrasi mampu menyisihkan kekeruhan, presipitat besi dan mangan, organik terkoagulasi, dan pathogen seperti Giardia dan kista Cryptospiridium. Membran mikrofiltrasi terbuat dari berbagai bahan, terutama selulosa asetat. Ukuran pori-pori membran lebih dari 0,1 mikron dan yang sering digunakan adalah 0,45 mikron. Penggunaan filtrasi terus-menerus akan menyebabkan tersumbat (dalam teknologi membran sering disebut fouling) yang menyebabkan debit (flux) turun drastis. Bila foluling terjadi, maka membran harus diganti. 4.3.2. Ultrafiltrasi Ultrafiltrasi adalah proses pemisahan selektif yang menggunakan membrane dengan ukuran pori kurang dari 0,1 mikron yang dioperasikan pada tekanan 30 sampai 90 psi (2 – 6 kg/cm2). Ultrafiltrasi mampu menyisihkan virus, bakteri, partikel koloid berukuran lebih dari 0,01 mikron, dan senyawa organik berat molekul tinggi. Ultrafiltrasi dapat mengkonsentrasikan suspended solid dan solute hingga berat molekul lebih dari 1000. Permeat mengandung solute 41
organik berat molekul rendah. Aplikasi ultrafiltrasi banyak pada pemisahan protein. Permasalahan utama aplikasi membran adalah fouling. Dalam kondisi demikian, menbran harus diganti. Beberapa jenis membran ultrfiltrasi tertentu dapat di-backwash. Membran ultrfiltrasi biasanya tersusun oleh dua lapis; lapisan sangat tipis (1-5 mikron) dan lapisan lebih tebal (25-50 mikron) di atasnya yang mempunyai pori-pori halus. 4.3.3. Dialisis Dialisis merupakan pemisahan solute dari ion atau zat berukuran molekul yang berbeda pada larutan menggunakan membran permeabel selektif. Driving force untuk dialisis adalah perbedaan konsentrasi solute yang melewati membran. Dalam sel dialisis secara batch, larutan yang didialisis dipisahkan dari pelarutnya dengan membran semipermeabel. Ion atau molekul yang lebih kecil dapat menembus membran, sementara itu ion dan molekul yang lebih besar tidak menembus karena ukuran relatif pori membran lebih kecil. 4.3.4. Elektrodialisis Elektrodialisis merupakan proses pemisahan elektrokimia yang memindahkan ion melewati membran semipermeabel. Proses elektrodialisis pada dasarnya sama dengan proses dialisis. Faktor yang membedakan adalah pada driving force. Driving force pada elektrodialisis adalah adanya gaya elektromotif sehingga akan menghasilkan tingkat transfer ion yang meningkat. Sebuah stack elektrodialisis mempunyai tiga sel (lihat Gambar 4.7). Stack membran tersusun oleh: -
umpan air baku
-
elektroda (katoda dan anoda)
-
membran (anion-permeable dan cation-permeable)
-
outlet air produk
-
outlet konsentrat
42
Air Tawar (Produk) Air Garam
Anoda (+)
+
+
+
+
+
+
+
-
-
(a) -
A
C
-
-
-
A
C
Katoda (-)
-
A
C
Air Laut (a)
+
+
+
+
+
+
-
+
-
-
-
-
-
(b) Gambar 4.7 Prinsip elektrodialisis. (a) tampak atas, (b) penampang
Aliran air dalam stack elektrodialisis berlangsung seperti pada penjelasan berikut. Jika aliran langsung mengenai elektroda, maka semua ion bermuatan positif (kation) cenderung bergerak menuju katoda. Sebaliknya, semua ion bermuatan negatif (anion) cenderung bergerak menuju anoda. Kation dapat menembus membran cation-permeable, dan akan tertahan oleh membran 43
anion-permeable. Sebaliknya anion dapat menembus membran anionpermeable, dan akan tertahan oleh membran cation-permeable. Kompartemen dibuat berselang-seling antara yang berkonsentrasi ion yang lebih besar atau lebih kecil daripada konsentrasi ion di umpan. Sebagai hasilnya, aliran dari stack mengandung air produk, yang mempunyai konsentrasi elektrolit rendah, dan larutan garam, yang mempunyai konsentrasi elektrolit tinggi. Sel dalam stack disambungkan dengan aliran paralel. Gas sering terbentuk pada elektroda, seperti hidrogen pada katoda dan oksigen serta klor pada anoda. Sebuah membran elektrodialisis bersifat berpori, tipis, matriks terbuat dari resin penukar ion sintetis. Matriks membran cation-permeable mempunyai muatan negatif karena ionisasi dari site penukar kation. Kation yang dapat ditukar dengan ruang pori sebanding dengan muatan negatif matriks. Jika arus mengalir, kation masuk ke pori dan menembus membran sehingga gaya perpindahan elektrik kation lebih besar daripada gaya tarik antara kation dan membran cation-permeable. Jika matriks bermuatan negatif, dia akan menolak anion. Membran anion-permeable dibuat dengan cara yang sama, di mana anion dapat menembus, tetapi kation akan tertahan. 4.3.5. Reverse Osmosis Reverse osmosis meliputi pemisahan pelarut (solvent), seperti air, dari larutan garam dengan menggunakan membran semi permeabel dan tekanan hidrostatik. Perhatikan gambar sketsa sel dialisis (Gambar 4.8a.). Aliran pelarut menembus membran semi permeabel menuju larutan garam di sebelahnya hingga terjadi konsentrasi yang setimbang. Fenomena ini disebut osmosis (Gambar 4.8b). Tekanan hidrostatik yang terjadi selama kondisi setimbang disebut tekanan osmotik. Jika dari arah yang sebaliknya diberikan gaya yang lebih besar daripada tekanan osmotik, maka akan terjadi pengaliran pelarut menembus membran semi permeabel menuju arah yang berlawanan dengan osmosis. Proses demikian disebut reverse osmosis (Gambar 4.8c).
44
Membran
Tekanan
Tek. Osmotik
Pelarut
Lar. Garam
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.8 Osmosis dan reverse osmosis (Reynolds, 1996) Reverse osmosis serupa dengan ultrafiltrasi atau mikrofiltrasi karena ketiga teknik itu memanfaatkan membran semi permeabel dan tekanan hidrostatik untuk mendorong pelarut menembus membran. Pada ultrafiltrasi atau mikrofiltrasi, pemisahan disebabkan oleh aksi penyaringan, tidak oleh osmosis balik. Tekanan osmotik larutan elektrolit dapat ditentukan dengan:
π = φν
n RT V
(4.1)
di mana: π = tekanan osmotik, atm φ = koefisien osmotik ν = jumlah ion yang terbentuk dari satu molekul elektrolit
n = jumlah mol elektrolit V = volume pelarut, liter R = konstanta gas T = temperatur absolut, OK Koefisien osmotik tergantung pada sifat zat dan konsentrasinya. Tekanan osmotik untuk air laut yang mempunyai padatan terlarut 35.000 mg/l adalah 2740 kPa pada 25oC.
45
Diagram skematik unit reverse osmosis secara kontinyu dapat dilihat pada Gambar 4.9. Larutan garam umpan ditekan sehingga perbedaan tekanan di antara dua kompartemen lebih besar daripada perbedaan tekanan osmotik. Meskipun perpindahan pelarut akan dimulai jika perbedaan tekanan melebihi perbedaan tekanan osmotik, kecepatan perpindahan massa pelarut akan meningkat sejalan dengan meningkatnya perbedaan tekanan. Secara praktis, tekanan yang digunakan untuk aliran umpan adalah 1720 sampai 5520 kPa. Tekanan disain tergantung pada perbedaan tekanan osmotik antara larutan umpan dan produk, karakteristik membran, dan temperatur.
Lar. Garam bertekanan
Air Produk
Buangan Garam Membran
Gambar 4.9 Sketsa reverse osmosis kontinyu Parameter disain yang utama adalah produksi per satuan luas membran dan kualitas air produk. Produksi diukur dengan flux air melewati membran (misal: l/hari-m2). Besarnya flux membran tergantung pada karakteristik membran (ketebalan dan porositas) dan kondisi sistem (temperatur, perbedaan tekanan, konsentrasi garam, kecepatan aliran). Membran reverse osmosis digunakan untuk memisahkan zat terlarut yang memiliki berat molekul yang rendah seperti garam anorganik atau molekul organik kecil seperti glukosa dan sukrosa dari larutannya. Membran yang lebih rapat dengan tahanan hidrodinamik yang lebih besar diperlukan pada proses ini. Hal ini menyebabkan tekanan operasi pada reverse osmosis akan sangat besar untuk menghasilkan fluks yang sama dengan proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Tekanan osmotik juga sangat berpengaruh pada proses ini.
46
Tekanan yang diberikan pada proses reverse osmosis berkisar antara 20 sampai 100 bar, jauh lebih tinggi dibandingkan tekanan operasi pada proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Material membran sangat berpengaruh pada efisiensi pemisahan. Material yang digunakan pada proses ini diusahakan memiliki afinitas yang besar terhadap pelarut (air) dan afinitas yang rendah terhadap zat terlarut. Pemilihan material menjadi sangat penting karena secara langsung akan menentukan sifat intrinsik membran. Membran reverse osmosis banyak digunakan pada proses desalinasi air laut dan air payau. Material yang digunakan umumnya bersifat hidrofilik, mempunyai permeabilitas yang tinggi terhadap air dan kelarutan yang sangat rendah terhadap zat terlarut. Material yang digunakan antara lain dari golongan ester selulosa seperti selulosa diasetat dan selulosa triasetat tetapi material ini tidak tahan terhadap zat kimia, bakteri, dan suhu yang ekstrim. Material lainnya adalah poliamida. Poliamida memiliki selektivitas yang tinggi terhadap gara tetapi material ini kurang begitu tahan terhadap klorin. Aplikasi reverse osmosis terutama adalah untuk pemurnian air, khususnya desalinasi air laut dan air payau menjadi air minum. Jumlah kandungan garam dalam air payau berkisar antara 1000-5000 ppm dan dalam air laut sekitar 35000 ppm. Aplikasi lain adalah untuk membuat air ultra murni yang digunakan pada industri semi konduktor.
4.4. Filter Karbon Aktif Dalam pengolahan air, karbon aktif digunakan sebagai adsorben untuk menyisihkan rasa, bau, atau warna yang disebabkan oleh kandungan bahan organik dalam air, produk samping disinfeksi, pestisida, dan bahan organik sintetis lainnya. Pertimbangan utama dalam memilih karbon aktif sebagai adsorben adalah: a.
Bentuk karbon aktif (bubuk atau butiran)
b.
Kapasitas adsorptif
c.
Laju adsorpsi
47
Pengoperasian proses adsorpsi berbeda antara karbon aktif berbentuk bubuk dan butiran. Karbon aktif bubuk biasanya dibubuhkan pada air yang diolah dan diaduk secara merata agar terjadi kontak, setelah itu diendapkan. Pada karbon aktif butiran, karbon aktif dijadikan sebagai media filter dalam sebuah kolom adsorpsi (lihat Gambar 4.10) yang dipasang setelah filter pasir konvensional atau disebut post filtration. $ ( *
)
+ $,
( -*
(
.
* (
/
-
*
/
%
.
/
Gambar 4.10 Sistem adsorpsi fixed-bed
Persamaan yang umum digunakan dalam perhitungan adsorpsi adalah: a.
Langmuir: q bC x = m m 1 + bC
(4.2)
di mana x/m adalah besarnya adsorbat yang teradsorpsi oleh adsorben (mg/gr), qm adalah maksimum adsorbat yang dapat teradsorpsi, b adalah konstanta Langmuir (l/mg) dan C adalah konsentrasi adsorbat di air pada saat kesetimbangan. Persamanaan ini dapat dimodifikasi menjadi persamaan linier sebagai berikut: 48
1 x
b.
m
=
1
1 1 + q mb C q m
(4.2a)
Persamaan Freundlich: x = KC m
1 n
(4.3)
di mana x/m adalah besarnya adsorbat yang teradsorpsi oleh adsorben (mg/gr), K adalah konstanta Freundlich (mg/g) yang proporsional dengan ratio distribusi konsentrasi adsorbat di solid-air, 1/n menyatakan ketidak linieran (tanpa satuan) dan C adalah konsentrasi adsorbat di air pada saat kesetimbangan. Persamanaan ini dapat dimodifikasi menjadi persamaan linier sebagai berikut: ln
x 1 = ln K + ln C m n
(4.3a)
Kedua rumus di atas sering digunakan untuk memperkirakan banyaknya kebutuhan karbon aktif untuk menyisihkan bahan organik hingga kadar tertentu yang diinginkan (konsentrasi breakthrough). Banyaknya kebutuhan karbon aktif tersebut dapat digunakan untuk mengadsorpsi bahan organik dalam waktu tertentu, disebut service time. Setelah melewati waktu tersebut, konsentrasi efluen akan cenderung meningkat
hingga mencapai kondisi efluen hampir sama dengan influen (exhaust). Hal ini karena karbon aktif telah mengalami kejenuhan (saturasi). Untuk mengatasi kondisi demikian, maka perlu dilakukan regenerasi, yaitu pencucian karbon aktif dengan air bersih dan bahan tertentu atau dilakukan regenerasi dengan pemanasan karbon aktif dalam furnace.
49
Daftar Bacaan •
Droste, Ronald L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997
•
Fair, Gordon M., Geyer, John C., dan Okun, Daniel A., Water and Wastewater Engineering, Volume 2: Water Purification and Wastewater Treatment and Disposal, John Wiley and Sons Inc. New York, 1981
•
Kawamura, Susumu, Integrated Design of Water Treatment Facilities, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991
•
Qasim, S.R., Motley, E.M., dan Zhu, G., Water Work Engineering: Planning, Design & Operation, Prentice Hall PTR, Texas, 2000
•
Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, PWS Publishing Company, Boston, 1996
•
Schulz, C.R. dan Okun, Daniel A., Surface Water Treatment for Communities in Developing Countries, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1984
•
http://www.oasisdesign.net/water/treatment/slowsandfilter.htm, 7 Mei 2006
50
