Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 4 No. 7, Juni 2006 ISSN 1693-248X
PENGOLAHAN AIR SECARA ALIRAN DARI BAWAH KE ATAS MELALUI UNGGUN DIAM Muhammad Sami *) ABSTRAK Air berfungsi sebagai bahan yang dapat mendispersikan berbagai senyawa yang ada di dalam bahan makanan, dan merupakan berbagai senyawa yang sangat penting bagi kehidupan umat manusia. Hampir seluruh kehidupan di dunia ini tidak terlepas dari adanya unsur air ini. Sumber utama air yang mendukung kehidupan di bumi adalah laut, dan semua air akhirnya akan kembali ke laut yang bertindak sebagai “reservoir”. Beberapa tahapan proses dilakukan untuk mendapatkan air bersih yang layak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya sedimentasi koagulasi, filtrasi, dan klorinasi. Filtrasi merupakan salah satu cara pengolahan air untuk memisahkan kotoran tersuspensi dengan cara melewatkan air baku melalui suatu media penyaring. Salah satu filtrasi yang mudah pengoperasiannya yaitu melewatkan air baku secara aliran dari bawah ke atas melalui sistem unggun diam. Media filtrasi dapat disusun dari lapisan kerikil, pasir, karbon aktif, sabuk ijuk, dan koral. Prinsip kerja alat ini mengikuti dasar hukum Pascal yaitu dengan memanfaatkan tekanan hidrostatis. Alat ini yang memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan proses yang sudah ada. Hasil tulisan konseptual ini diharapkan kepada pembaca dapat mengaplikasikan sistem ini untuk memenuhi kebutuhan air bersih dalam kehidupan sehari-hari. Kata Kunci: Filtrasi, tekanan hidrostatis, padatan tersuspensi, unggun diam.
persyaratan mutu air yang pantas diminum perlu ditelaah. Penentuan mutu air dan berbagai syarat air yang diperlukan untuk pengolahan ini perlu dijabarkan secara mendalam tata cara mutunya. Penyaringan merupakan salah satu cara pengolahan air untuk memisahkan padatan yang tertahan (tertinggal) pada bagian bawah unggun berupa cake. Tulisan bertujuan untuk mentransfer teknologi baru sistem penyaringan secara aliran dari bawah ke atas melalui unggun diam kepada pembaca. Teknologi ini memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan filtrasi secara gravitasi, untuk memenuhi kebutuhan air baik skala rumah tangga maupun komersial.
PENDAHULUAN Air merupakan bahan yang sangat penting bagi kehidupan umat manusia dan fungsinya bagi kehidupan tidak pernah dapat digantikan oleh senyawa lain (Scala, 2004). Air juga sebagai komponen penting dalam bahan makanan karena air dapat mempengaruhi tekstur, serta cita rasa dari makanan. Bahkan dalam bahan makanan yang kering sekalipun seperti tepung, buah kering, serta biji-bijian masih terkandung air dalam jumlah tertentu. Semua bahan hidup mengandung air dalam jumlah yang berbedabeda, baik yang berasal dari bahan makanan hewani maupun bahan makanan nabati. Air berperan sebagai pembawa zat-zat makanan dan sisa-sisa metabolisme serta sebagai media reaksi yang mengstabilkan pembentukan biopolymer (Winarno, 1986). Di alam semesta, air merupakan senyawa yang memiliki berbagai keganjilan. Keganjilan tersebut dapat ditinjau dari segi kimia maupun fisika. Besar kemungkinan bahwa berbagai sifat yang ganjil tersebut dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan kehidupan. Dalam berbagai industri pengolahan banyak diperlukan air dengan persyaratan mutu tertentu dan sebaliknya air limbah industri domestik banyak mencemari berbagai sumber air yang ada. Oleh karena itu air merupakan bagian terpenting dari kehidupan manusia, maka *)
Sumber Air Air bersih, begitu dekat karena memang merupakan kebutuhan pokok kehidupan manusia. Membicarakan tentang air, diawali dengan siklus dan ketersediaan air. Ketersediaan air tergantung pada kondisi iklim suatu daerah, terutama curah hujan. Menurut para ahli dunia, setiap tahun terdapat 88% dari uap air berasal dari laut, sedangkan 12% dari daratan yang naik ke angkasa membentuk awan, 79% yang jatuh menjadi hujan di laut dan 21% hujan turun di daratan. Selisihnya adalah 9% air yang dimanfaatkan oleh menusia untuk kebutuhan sehari-hari (Scala, 2004).
Staf Pengajar Politeknik Negeri Lhokseumawe
1
Air yang masih mengandung kotoran berupa padatan tidak terlarut maupun zat-zat terlarut, akan memerlukan beberapa metoda pengolahan agar dapat membuat air tersebut jernih, bersih, dan aman bagi konsumen. Metoda tersebut biasanya tergantung pada karakteristik air bakunya (Bastian, 1986). Adapun metodametoda yang umum dilakukan terdiri dari: prasedimentasi, sedimentasi dengan koagulasi, filtrasi, dan klorinasi. Sedimentasi Proses sedimentasi merupakan sistim pengendapan partikel-partikel secara gravitasi. Air yang diolah dalam proses sedimentasi ini didiamkan dalam suatu wadah untuk beberapa waktu lamanya (McCabe, 1999). Partikel-partikel padatan yang tersuspensi diharapkan akan mengendap menuju ke dasar wadah. Saat ini sebagai pengganti sistim penampung air dalam keadaan diam digunakan metoda kontinyu, yaitu dengan membiarkan air mengalir dengan kecepatan rendah. Proses pengendapan partikel padatan yang tersuspensi menuju dasar wadah tidak dipengaruhi oleh laju alir air yang rendah. Akan tetapi kecepatan pengendapan partikelpartikel yang terdapat di dalam air tergantung pada berat jenis, bentuk dan ukuran partikel. Partikel yang lebih berat dan lonjong akan lebih ringan dan berbentuk lebih bulat (Winarno, 1986). Adapun hubungan waktu pengendapan dengan jumlah partikel diperlihatkan pada Gambar 1. Partikel yang diendapkan (%)
cara melewatkan fluida itu melalui suatu medium penyaring (septum) di mana zat padat itu meliputi ragam operasi mulai dari penapisan sederhana sampai separasi yang sangat sulit. Fluidanya mungkin berupa zat cair atau gas, arus yang berharga mungkin berupa zat fluidanya tetapi bisa juga zat padatnya atau bahkan keduanya (McCabe, dkk 1989). Kadang-kadang tidak ada diantara keduanya itu berharga, seperti limbah padat yang harus dipisahkan dari limbah cair sebelum dibuang. Dalam filtrasi industri, kandungan zat padat berkisar dari hanya rumutan sampai persen yang sangat tinggi. Kadang-kadang limbah itu dimodifikasi dengan sesuatu cara perlakuan pendahuluan untuk meningkatkan laju filtrasi, umpamanya dengan pemanasan, rekristalisasi, atau dengan menambahkan bahan penolong filtrasi seperti selulosa, kapur giling, dan tanah diatomea (McCabe, dkk, 1989). Proses filtrasi juga dapat memperkecil (menurunkan) kandungan bakteri dalam air, dan dapat menjamin sifat air dan produk air yang bersih (Winarno, 1986). Media filtrasi biasanya terdiri dari pasir, sabut ijuk, karbon aktif, dan kerikil. Beberapa metoda filtrasi yang sering digunakan yaitu: filtrasi pasir lambat, filtrasi pasir bertekanan, filtrasi cocbrane, dan filtrasi yang akan direkomendasikan “Aliran dari bawah ke atas melalui unggun diam.” Tekanan Hidrostatik Tekanan merupakan besar gaya yang bekerja pada suatu permukaan dibagi dengan luas permukaan tersebut (Idrajit, 1986). Jika gaya F bekerja tegak lurus pada permukaan benda seluas A, maka besarnya tekanan secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:
P
F …………….. (1) A
P = Tekanan (N/m2 = Pascal), F = Gaya (N) A = Luas penampang (m2)
waktu (hari)
Gambar 1. Hubungan waktu pengendapan dengan total endapan partikel Sumber: Winarno, dkk, 1973 Filtrasi Filtrasi atau penyaringan adalah pemisahan partikel zat padat dari fluida dengan
Pada Gambar 2 dapat dilihat sebuah tabung berisi zat cair dengan massa jenis (ρ) ke dalam tabung tinggi (h), dan luas penampang (A), zat cair yang berada di dalam tabung memiliki gaya berat (W), yang menekan dasar tabung. Semakin tinggi permukaan zat cair semakin besar tekanan yang dihasilkan pada dasar tabung. Secara matematis hubungan antara besar tekanan yang dihasilkan dan ketinggian zat cair dapat ditulis seperti persamaan 2.
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 4 No. 7, Juni 2006 ISSN 1693-248X
P1 P2
W m.g .V ghA P g gh A A A A
F1 F 2 ……………. (3) A1 A2
…………………… (2)
m = massa cairan, kg V = volume cairan, m3 g = gravitasi bumi, m/det2 = densiti, kg/m3
Gambar 3. Prinsip kerja dongkrak hidrolik Padatan Tersuspensi dan Terlarut Total Total Suspended Solid (TSS) adalah jumlah berat dalam mg/l kering lumpur yang ada di dalam air baku setelah mengalami penyaringan dengan membran berukuran 0,45 mikron. Rupa air dalam sungai, kolam, atau danau tidak tetap. Setelah turun hujan warna air menjadi kecoklatan, karena banyak partikel tersuspensi yang terbawa masuk. Pada musim kemarau air menjadi kelihatan kehijauan karena banyak tumbuh ganggang (Tresna, 1991). Perubahan rupa air ini disebabkan bahan-bahan tersuspensi dan terlarut. Pada kondisi normal konsentrasi bahan-bahan ini rendah, sehingga tidak tampak. Ahli biologi ingin mengetahui padatan tersuspensi dan terlarut total dalam air karena ada dua alasan, pertama untuk penentuan produktivitas, yakni kemampuan untuk mendukung kehidupan. Jika bahan yang terlarut ini nutrion tanaman seperti fosfat dan nitrat, maka air itu akan mempunyai produktivitas untuk kehidupan tanaman. Akibatnya air itu akan mempunyai produktivitas tinggi terhadap kehidupan hewan. Air seperti itu disebut eutropik. Sebaliknya air yang mempunyai produktivitas rendah disebut oligotropik. Kedua, untuk menetapkan norma air yang dimaksud, dengan mengukur kepekatan total bahan tersuspensi dan terlarut pada berbagai periode di berbagai lokasi. Jika suatu saat ada penyimpangan dari norma ini, maka kemungkinan ialah ada pembuangan sampah kota atau limbah industri secara liar. Pengukuran padatan tersuspensi dan terlarut total amat penting bagi penyelidik pencemaran. Padatan yang tersuspensi dalam air umumnya terdiri dari phytoplankton, zooplankton, kotoran manusia, kotoran hewan, lumpur, sisa tanaman dan hewan, dan limbah industri. Padatan tersuspensi total suatu contoh air ialah jumlah
Gambar 2. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung Sehingga dapat disimpulkan persamaan gaya tekan F yang terjadi: F = ρ g h.A Dari pembahasan di atas dapat kita pelajari bahwa tekanan hidrostatik sangat dipengaruhi oleh gaya gravitasi dan kedalaman zat cair. Tekanan yang diberikan pada suatu zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah (Hukum Pascal). Prinsip kerjanya diperlihatkan pada Gambar 3. Dongkrak hidrolik terdiri atas bejana dengan dua kaki yang masing-masing diberi pengisap. Kedua pengisap ini mempunyai dua penampang berbeda A1 < A2. Jika pengisap 1 ditekan dengan gaya F1 maka zat cair akan menekan pengisap 1 ke atas dengan gaya P.A1, tekanan yang dihasilkan
P1
F1 A1
Di atas pengisap 2 diletakkan beban, gaya angkat ke atas pada pengisap 2 adalah F2, sehingga memiliki tekanan
P2
F2 A2
Menurut Pascal tekanan yang diteruskan ke segala arah sama besar, 3
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 4 No. 7, Juni 2006 ISSN 1693-248X bobot bahan yang tersuspensi dalam suatu volum air tertentu. Suatu kenaikan yang mendadak padatan tersuspensi dapat ditafsirkan karena erosi tanah akibat hujan lebat atau pabrik pembakaran sampah kota kapasitasnya menurun jika ada hujan lebat. Padatan sampah lebih berat masalahnya dibandingkan pengotoran tanah karena erosi. Sampah yang kebanyakan zat organik ini banyak memerlukan oksigen selama diuraikan. Padatan terlarut total mencerminkan jumlah kepekatan padatan dalam suatu contoh air. Caranya dengan menguapkan air dengan volum tertentu yang telah disaring untuk memisahkan padatan yang tersuspensi, sehingga kering. Sisa padatan ditimbang kemudian digunakan untuk menentukan padatan terlarut total (TSS).
Adapun disain rancangan peralatan seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Air baku dari sumbernya yang mengandung impurities dipompakan ke ruang air baku (3), kemudian mengalir melewati susunan unggun diam (4) ke atas karena perbedaan tekanan. Kotoran yang belum mengendap pada ruang (3) tertahan pada permukaan bawah unggun (5) dan produk air bersih siap dikonsumsi ke luar melalui bagian atas lapisan unggun secara over flow dan ditampung melalui pipa distribusi. Kotoran yang tertahan dapat dibersihkan dengan sangat mudah, hanya cukup memberikan gangguan sedikit saja pada bagian lapisan tersebut. Perlakuan back wash (cuci balik) tidak perlu membongkar sistim susunan unggun dalam waktu pendek, tetapi pada sistim yang biasa ada, harus membongkar seluruh lapisan unggun pada setiap melakukan pencucian (servis). Metoda penyaringan ini cocok diaplikasikan untuk skala menengah ke bawah, karena memiliki banyak kemudahan dan kelebihan dalam pengoperasian dibandingkan dengan metoda yang diterapkan selama ini. Bahan konstruksi dapat dibuat dari beton, fiber, plastik, dan lain-lain yang tidak mudah terkorosi.
PEMBAHASAN Banyak metoda filtrasi air yang telah diterapkan dalam kehidupan sehari-hari, akan tetapi disini hanya dibahas teknologi secara aliran dari bawah ke atas melalui unggun diam. Metoda ini menerapkan sistim berdasarkan perbedaan tekanan hidrostatis berbentuk pipa U dengan prinsip kerja berbeda dengan semua metoda penyaringan air yang telah ada. Cara yang biasa dilakukan adalah air baku dialirkan dari atas ke bawah melalui media berpori untuk mendapatkan produk air bersih. Kotoran tertahan pada bagian atas media penyaring sehingga menyulitkan pada saat pembersihan (back wash) yaitu harus membongkar seluruh susunan medianya. Namun pada aplikasi baru ini aliran air mengalir dari bawah ke atas media berpori dengan memanfaatkan energi potensial yang dikandung oleh air baku itu sendiri. Pada sistim ini impurities tertahan pada lapisan bagian bawah media (unggun) penyaring, yang dapat dengan mudah dibersihkan tanpa banyak mengganggu pengoperasian sistim. Oleh karena itu perlu pengetahuan yang memadai untuk mendisain dan memperkirakan kebutuhan energi yang dapat memberikan aliran produk yang efisien. Unit pengolahan dapat dibuat dari konstruksi beton terdiri dari dua kamar yang dipisahkan oleh sekat yang kokoh. Kamar bagian air baku dibuat lebih tinggi permukaan airnya, agar dapat memberikan tekanan hidrostatis yang besar dan bisa mendapatkan aliran produk yang banyak. Sedangkan kamar berisi unggun dibuat permukaan kontak lebih besar supaya dapat menghasilkan produk berkualitas dan kecepatan aliran tinggi. 4
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 4 No. 7, Juni 2006 ISSN 1693-248X
12 11 10 9 8
3
9 6 5
2 1
Gambar 4. Diagram Rancangan Peralatan Penyaringan Air Secara Aliran dari Bawah ke Atas Keterangan: 1. Reservoir 2. Pompa pemindah air ke ruang Air baku 3. Ruang penampung air baku 4. Ruang unggun diam 5. Lubang dan distribusi dan ijuk
6. Lapisan koral 7,9,11. Lapisan ijuk 8. Lapisan pasir 10. Lapisan karbon 12.Lapisan kerikil
5
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 4 No. 7, Juni 2006 ISSN 1693-248X Republika, 03 Agustus 2006, Limbah Rumah Tangga Penyebab Utama Pencemaran Air Sungai. Sugiharto, 1987, Dasar-dasar Pengelolaan Air Limbah, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta. Suryo, W, 1985, Pengolahan Buangan Cair Industri, Fakultas Teknik Industri Institut Teknologi Bandung. Terranet, 22 Juni 2004, Atur Limbah Industri Dulu, Baru Domestik, portal Lingkungan Hidup dan Pembangunan Berkelanjutan. Tresna, A, 1991, Pencemaran Lingkungan, Penerbit Rineka Cipta.
KESIMPULAN Tulisan konseptual ini menawarkan teknologi penyaringan air sederhana untuk menjawab tantangan konsumen dalam memperoleh air bersih. Model penyaring yang ditawarkan memiliki kelebihan-kelebihan dibandingkan dengan penyaringan yang sudah ada yaitu sebagai berikut: 1. Mudah penanganan saat pencucian, bila terjadi kejenuhan media penyaringan, dapat dibersihkan hanya dengan melakukan sedikit penggoyangan pada bagian kotoran yang tertahan; 2. Menghasilkan kualitas produk yang lebih baik, karena pengoperasian mengikuti sistim membran secara resapan; 3. Memiliki usia back wash (servis) yang lebih lama, karena sedikit kotoran yang menempel pada bagian bawah luar unggun; 4. Dapat mengolah air baku yang mengandung kekeruhan yang lebih tinggi. DAFTAR PUSTAKA BPLHD, 2004, Limbah Cair, Provinsi Daerah Khusus Ibukota Jakarta Bernasconi, G, 1995, Teknologi Kimia, Bagian 2 Cetakan Pertama, PT Pradnya Paramida Jakarta. Bambang S, Budianto, 1993, Re-Training Pengelolaan dan Pengolahan Air Buangan Industri untuk Jurusan Teknik Kimia seIndonesia, di PEDC Bandung. Biro Bina Kependudukan dan Lingkungan Hidup, 1990, Baku Cara Uji Air dan Air Limbah di Jawa Timur, Sekretariat Wilayah/Daerah Tingkat I Jawa Timur. Gintings, P, 1998, Mencegah dan Mengendalikan Pencemaran Industri, Penerbit Sinar Harapan. Kepmen. LH No. 112 Tahun 2003, Baku Mutu Air Limbah Domestik, Himpunan Peraturan di Bidang Pengelolaan Lingkungan Hidup dan Penegakan Hukum Lingkungan. Linsley K, Joseph B, Franzini, 1991, Teknik Sumber Daya Air, Penerbit Erlangga McCabe WL, Smith JC, & Harriot P, 1985; Operasi Teknik Kimia, Jilid 2 Edisi ke empat, Penerbit Erlangga, Jakarta. Pikiran Rakyat, 12 Mei 2005, Pengolahan Limbah Bergerak Solusi Permasalahan Limbah Cair. Pikiran Rakyat, 07 Juli 2005, Limbah Domestik Pencemaran Tertinggi. 6
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 4 No. 7, Juni 2006 ISSN 1693-248X
7
