FILTRASI
12
Program Studi
Teknik Lingkungan
Nama Mata Kuliah
Perencanaan Bangunan Pengolahan Air Minum
Jumlah SKS
3
Pengajar
1. Prof. Dr. Ir. Mary Selintung, MSc. 2. Dr. Eng. Ir. Hj. Rita Tahir Lopa, MT 3. Ir. Achmad Zubair, MSc. 4. Dr. Eng. Bambang Bakri, ST., MT. 5. Roslinda Ibrahim, SP., MT
Sasaran Belajar
Setelah lulus mata kuliah ini mahasiswa mampu membuat perencanaan dan perancangan bangunan pengolahan air minum
Mata Kuliah Prasyarat
Penyediaan Air Minum
Deskripsi Mata Kuliah
Mata Kuliah bangunan pengolahan air Minum merupakan mata kuliah yang diwajibkan bagi mahasiswa semester VI yang telah mengikuti materi perkuliahan penyediaan air minum. Materi perkuliahan mencakup pembahasan mengenai pengertian dan metode perencanaan bangunan pengolahan air minum; penentuan kebutuhan air dan debit air baku, analisis kualitas air baku, perencanaan bangunan unit pengolahan: intake, prasedimentasi, koagulasi dan flokulasi, sedimentasi, filtrasi, disinfeksi, pengolahan lumpur, reservoir dan pengolahan lumpur.
I PENDAHULUAN 1.1 CAKUPAN ATAU RUANG LINGKUP MATERI PEMBELAJARAN Materi pembahasan pada pertemuan ke-12 (duabelas) ini adalah:
Jenis filter Filter pasir cepat Filtrasi mikroflok Pencucian filter Pemeliharaan Kriteria desain
1.2 SASARAN PEMBELAJARAN Setelah mengikuti pertemuan ini mahasiswa diharapkan mampu memahami dan menjelaskan mengenai mekanisme, pencucian,pemeliharaan dan kriteria desain bangunan/bak filtrasi. 1.1 PRILAKU AWAL MAHASISWA Sebaiknya mahasiswa telah mengetahui dan memahami materi pembahasan pada perkuliahan sebelumnya, utamanya materi mengenai unit distribusi pada sistem penyediaan air. 1.4 MANFAAT Manfaat yang diperoleh setelah mengikuti pertemuan ini adalah meningkatkan pengetahuan mahasiswa mengenai hal-hal yang terkait dengan filtrasi, termasuk didalamnya mengenai mekanisme, pencucian,pemeliharaan dan kriteria desain bangunan/bak filtrasi. 1.5 URUTAN PEMBAHASAN Materi pembahasan dimulai dengan pengetahuan mengenai pengertian dan jenis filter. Kemudian secara berurut materi pembahasan mengenai Filter pasir cepat, filtrasi mikroflok, pencucian filter, pemeliharaan dan kriteria desain. 1.6 PETUNJUK BELAJAR Mahasiswa diharapkan membaca isu terkait pada media massa yang menambah wawasan secara umum. Membaca bahan yang akan dikuliahkan pada minggu berikut agar dapat lebih siap dan dapat didiskusikan pada pertemuan berikut.
II PENYAJIAN 2.1 UMUM 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. 2.2 JENIS FILTER 1. Berdasarkan kecepatan alirannya, filtrasi dibagi menjadi: Slow sand filter (saringan pasir lambat) Filter ini merupakan penyaringan partikel yang tidak didahului 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. Rapid sand filter (saringan pasir cepat) Filter ini merupakan penyaringan partikel yang didahului proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran air dalam media pasir lebih besar karena ukuran media pasir lebih besar. Filter ini digunakan untuk menyaring partikel yang tidak terendapkan di bak sedimentasi. 2. Berdasarkan arah alirannya, filtrasi dibagi menjadi: down-flow filtration up-flow filtration up flow-down flow filtration horizontal flow filtration 3. Berdasarkan sistem pengaliran/driving force, filtrasi dibagi menjadi:
gravity filtration
pressure filtration 3
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 dibandingkan ukuran partikel (suspended solid). Karbon aktif digunakan untuk media adsorpsi dengan tujuan untuk menghilangkan bahan organik. 2.3 FILTER PASIR CEPAT 1. Mekanisme filtrasi dalam filter pasir cepat meliputi: Penyaringan secara mekanis (mechanical straining) Sedimentasi Adsorpsi atau gaya elektrokinetik Koagulasi di dalam filter bed Aktivitas biologis Biasanya flok yang dibawa ke filter berukuran lebih kecil dari pasir. Jadi filtrasi tidak dapat menjadi semacam metode penyaringan. Flok akan tertempel pada permukaan pasir dan mengumpul sehingga bisa tertahan di pasir tanpa keluar ke air olahan. Oleh karena itu, mekanisme sistem filtrasi cepat (koagulasifiltrasi) merupakan perekat dan jembatan, yang berarti bahwa esensi dari filtrasi cepat adalah "koagulasi". Flok Pasir
Berpindah di antara pasir
Mikroflok
Tertempel di pasir
Permukaan pasir
Mikroflok
Gambar 12.1 Mekanisme filtrasi cepat
Dalam filtrasi cepat, flok tertahan (tinggal) di seluruh bagian filter. Tentu, jumlah retensi terbesar di bagian atas dan menurun ke bawah tetapi lebih baik untuk menahan jumlah yang lebih banyak di bagian tengah sehingga masa filtrasi dapat diperpanjang. Penambahan jenis lain dari bahan filter seperti Antrasit adalah salah satu cara perbaikan. Efek penambahan ini akan memperbesar
4
jumlah retensi dengan menempatkan partikel yang lebih besar untuk membuat ruang sehingga flok menjadi lebih lebar.
Jumlah retensi
Kedalaman pasir
Jumlah retensi
Kedalaman pasir
Jumlah retensi maksimum
Bagian putih: Kapasitas tersisa
penambaha n Anthrasit => Menaikkan jumlah retensi
Dasar pasir
Dasar pasir
Gambar 12.2 Retensi dari filtrasi dalam
Karena bagian mikro-flok yang tertempel tumbuh menjadi lebih besar, jalan air menjadi lebih sempit dan aliran air menjadi lebih cepat. Selanjutnya, bagian flok akan terkikis dari pasir dan lolos ke air olahan. Hal ini akan terjadi ketika filter mencapai jumlah retensi maksimum.
Flok tertempel primer Flok tertempel sekunder Pasir
Jika tempelan berproses, jalan air menjadi sempit
Jika jalan air sempit, aliran air cepat
Gambar 12.3 Flok tertempel
5
2. Bagian-bagian dari filter pasir cepat meliputi: Bak filter, bak ini merupakan tempat proses filtrasi berlangsung. Jumlah dan ukuran bak tergantung debit pegolahan (minimum dua bak). 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: o Seragam (uniform) o Gradasi (stratified) o Tercampur (mixed) Sistem underdrain, underdrain merupakan sistem pengaliran air yang telah melewati proses filtrasi yang terletak di bawah media filter. Underdrain terdiri atas: o Orifice, yaitu lubang pada sepanjang pipa lateral sebagai jalan masuknya air dari media filter ke dalam pipa. o Lateral, yaitu pipa cabang yang terletak di sepanjang pipa manifold. o Manifold, yaitu pipa utama yang menampung air dari lateral dan mengalirkannya ke bangunan penampung air.
Gambar 12.4 Bagian-bagian filter
6
3. Pengoperasian filter pasir cepat 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 (Gambar 10.2). 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 10.3). Bila media filter telah bersih, filter dapat dioperasikan kembali.
Gambar 12.5 Aliran air pada saat operasi filter
Gambar 12.6 Aliran air pada saat pencucian filter
7
Waktu Operasi o Head loss Jika filtrasi berlanjut, resistensi tekanan dalam filter meningkat dan menaikkan permukaan air (head loss). o Turbiditas air saringan ditunjukkan
dalam
gambar,
setelah backwash, kekeruhan menurun
Head loss h
Seperti
Maximum head loss
jangka waktu tertentu. Ketika kebocoran dimulai, kekeruhan meningkat secara bertahap. Ketika sampai ke sebuah
Turbidity C
ke tingkat minimum dan bertahan dalam
Turbiditas maksimum
kriteria (biasanya 1 NTU), filtrasi harus dihentikan (kekeruhan maksimum)
Periode operasi filtrasi t
Oleh karena itu, kekeruhan harus dipantau untuk menghasilkan air yang baik tetapi hal ini tidak praktis. Supaya lebih mudah, amati head loss filtrasi bukan kekeruhan. Jika kekeruhan maksimum dicapai pada t1, periode head loss maksimum (t2) harus ditentukan sebelum t1. t1 dan t2 dapat dicari dengan metode trial and error. Dari situ, putuskan kapan backwash harus dilakukan dengan melihat head loss pada t2. seperti yang ditunjukkan pada gambar, kekeruhan akan tinggi di bagian pertama filtrasi, pembuangan lumpur dianjurkan untuk menjaga kualitas air yang baik. 2.4 FILTRASI MIKRO-FLOK Ketika kekeruhan air baku rendah, hanya mikro-flok yang terbentuk, bukan jaringan flok yang dapat mengendap. Mikro-flok tidak dapat ditahan di sedimentasi dan akan dibawa ke filtrasi. Dalam hal ini, filtrasi mikro-flok harus dilakukan. Konsep filtrasi mikro-flok berbeda dari metode koagulasi-filtrasi normal. Metode mikro-flok diadopsi jika sedimentasi tidak berfungsi. Sebagaimana
8
ditunjukkan dalam tabel di bawah ini, mikro-flok akan ditahan di filtrasi sementara flok yang tumbuh ditahan di sedimentasi. Tabel 10.1 Perbedaan antara operasi Normal dan filtrasi Mikro-flok Metode
Operasi Normal
Item
Tahan
Konsep
sedimentasi
Tingkat ALT
Tinggi Komponen utama
Status Flok
Status Filtrasi
Aluminium hydroxide
di
Filtrasi
Mikro-
flok Tahan di filtrasi Rendah Kekeruhan
Ukuran
Besar
Kecil
Berat jenis
Kecil
Besar
Sedimentasi
Cepat
Lambat
Hardness
Halus
Keras
Jumlah retensi
Kecil
Besar
Head loss
Besar (tinggi)
Kecil (rendah)
Awal
Akhir
Pendek
Panjang
Kebocoran turbiditas Masa operasi
Gambar flok
Metode mikro-flok penting untuk menghasilkan tingkat–ALT yang rendah, flok keras dan kecil sehingga dapat tertahan di filter. Sebaliknya, jika flok berbentuk pasta dengan tingkat -ALT-tinggi yang terkirim ke filtrasi, mereka cenderung untuk menyumbat jalan air di antara pasir, tinggal di bagian atas filter dan memperpendek periode operasi.
9
Carry-over pada operasi normal
Filtrasi mikro-flok
Gambar 12.7 Filtrasi Mikro flok Dalam filtrasi mikro flok, perlu untuk memantau kekeruhan air filter karena adanya flok kecil yang terbentuk yang mungkin lolos dalam metode ini. 2.5 PENCUCIAN FILTER Metode backwash adalah metode utama untuk memulihkan fungsi filtrasi. Namun, biasanya, backwash tidak cukup untuk menghilangkan flok secara efisien. Untuk menghilangkan kotoran yang tidak dapat dihilangkan dengan backwash, metode surface-washing atau air-washing bersifat efektif untuk dipakai bersama backwash. Metode surface-washing merusak lapisan kotoran yang terakumulasi di permukaan pasir. Potongan kotoran akan tertinggal di pasir, sehingga sebaiknya dilakukan sebelum backwash. Metode air-washing adalah untuk membilas kotoran dari partikel pasir dengan mengalirkan udara dari bawah filter. Hal ini dapat menyebabkan distribusi yang tidak merata dari pasir, sehingga harus mulai dan selesai selama backwash.
Gambar 12.8
Lapisan kotoran yang terbentuk pada permukaan (kiri), surface-washing (kanan)
10
Gambar 12.9 Metode alternatif merusak lapisan kotoran
2.6 PEMELIHARAAN 1. Pembersihan lapisan kotoran Jika lapisan kotoran tebal dan volume besar yang terbentuk, metode pencucian normal tidak bekerja. Dalam kasus ini, kotoran harus diambil langsung dengan tangan. Pada kolam filter seperti ini, filtrasi susah berfungsi. Hal ini diasumsikan bahwa lapisan lumpur terbentuk
dengan
tingkat-ALT-tinggi,
flok
berbentuk pasta dan menumpuk di pasir.
Gambar 12.10 defisiensi filter oleh lapisan kotoran
Kotoran jangka panjang akan menyatukan dirinya dan akhirnya menjadi bola lumpur. Bola lumpur akan menebal setiap waktu dan turun ke pasir jika kerapatannya semakin besar. Bola lumpur di pasir akan memotong Gambar 12.11 Bola lumpur pada filter
aliran air dan lebih dari itu, fragmen lumpur bisa lolos keluar ke air olahan.
2. Lumpur yang berproses Skema berikut mengungkapkan struktur dari satuan pengolahan yang diperkenalkan ke banyak IPA. Air olahan langsung menuju reservoir dan tidak
11
dikeluarkan dalam hal apapun. Pada saat back-wash, air dari reservoir kembali ke bak filter sehingga kotoran yang tertahan dalam pasir dapat dihilangkan. Operasi normal
Bak filter
Reservo ir
Back-wash operation
Bak filter
Reservo ir
Jika partikel kotoran lolos dari pasir, mereka secara alami akan masuk di ruang bawah filter atau dasar reservoir. Tetapi, dasar reservoir tidak bisa dicuci, kecuali reservoir dikosongkan. Biasanya, kotoran akan kembali. Operasi normal
Bak filter
Reservo ir
Back-wash operation
Bak filter
Reservo ir
Usaha yang paling penting adalah mencegah kebocoran air keruh dengan memantau kekeruhan di reservoir. Namun, jika kotoran sudah ada (jika air reservoir selalu mendung/berwarna putih), jaga supaya air olahan tetap bersih dengan operasi yang hati-hati (gunakan dosis dengan tingkatALT-rendah dan sering back-wash) dan hilangkan kotoran dengan mengambilnya secara bertahap. 3. Modifikasi back-wash Titik lemah back-wash pada pengolahan jenis di atas adalah kontrol laju back-wash yang sulit. Jika aliran tidak cukup cepat (jika memakan waktu lama supaya air back-wash menjadi bersih), batasi jumlah kolam yang akan di backwash secara bersamaan. Jika aliran backwash lambat walaupun dengan satu kolam saja, mengangkat puncak reservoir lebih awal disarankan. Beberapa saluran over-
12
flow ditempatkan lebih rendah dari yang diharapkan dan kita tidak bisa mendapatkan aliran back-wash yang cukup. Sebelum back-wash, tahan pipa saluran dengan papan atau sesuatu untuk mengangkat puncak air. Selanjutnya, mulai back-wash seperti biasa dan angkat papan jika tidak perlu. Operasi normal
Bak filter
Sebelum back-wash operation
Bak filter
Reservoi r
Reservoi r
4. Kontrol “start” dan “finish” dari keran/katup secara bertahap Proses tiba-tiba atau arus
Filter setelah backwash
cepat dari air backwash dapat menyebabkan
pencampuran
lapisan filter. Kontrol “start” dan “finish” dari keran/katup
Kondisi baik
Kondisi jelek
pembuangan secara bertahap dapat menjaga lapisan filter dalam kondisi baik. Di sisi lain, “start” yang cepat pada backwash akan menghamburkan lapisan lumpur di bagian bawah reservoir dan “finish” yang tiba-tiba akan menyebabkan urutan filter/pasir tidak teratur. Filter dalam kondisi buruk seperti ini tidak berfungsi dengan baik. Intensitas backwash akan ideal jika ketinggian pasir naik sampai 120-130% dari tinggi aslinya. 2.7 KRITERIA DESAIN 1. Kecepatan penyaringan : 6 – 11 m/jam 2. Pencucian : Sistem pencucian : Tanpa/dengan blower & atau surface wash Kecepatan : 36 – 50 m/jam Lama pencucian : 10 – 15 menit Periode antara dua pencucian: 18 – 24 jam Ekspansi 30 – 50%
13
3. Media pasir: Tebal 300 – 700 mm o Singel media : 600 – 700 mm o Media ganda : 300 -600 mm Ukuran efektif,ES : 0,3 – 0,7 mm Koefisien keseragaman ,UC : 1,2 – 1,4 Berat jenis : 2,5 – 2,65 kg/dm3 Porositas 0,4 Kadar SiO2 > 95 % 4. Media antransit: Tebal : 400 – 500 mm ES : 1,2 – 1,8 mm UC : 1,5 Berat jenis : 1,35 kg/dm3 Porositas: 0,5 5. Filter botom/dasar saringan: a. Lapisan penyangga dari atas ke bawah Kedalaman : 80 – 100 mm Ukuran butir : 2 – 5 mm Kedalaman : 80 – 100 mm Ukuran butir : 5 – 10 mm Kedalaman : 80 – 100 mm Ukuran butir : 10 – 15 mm Kedalaman : 80 – 150 mm Ukuran butir : 15 – 30 b. Filter Nozel Lebar Slot nozel : < 0,5 mm Prosentase luas slot nozel terhadap luas filter: > 4 %
14
III. PENUTUP
3.1 RANGKUMAN 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 flter pasir cepat dan filter pasir lambat. Mekanisme filtrasi dalam filter pasir cepat meliputi Penyaringan secara mekanis (mechanical straining), Sedimentasi, Adsorpsi, Koagulasi di dalam filter bed dan Aktivitas biologis. 3.2 SOAL TES FORMATIF Untuk mengetahui tingkat penguasaan pengetahuan yang diperoleh mahasiswa, maka dosen sebagai fasilitator memberikan tes formatif berupa pertanyaan sebagai berikut: 1. Sebut dan jelaskan bagian-bagian dari filter pasir cepat ! 2. Jelaskan secara singkat pencucian filter dengan metode backwash dan metode surface-washing ! 3.3 UMPAN BALIK Diskusi dan memberikan pertanyaan untuk memonitor penerimaan mahasiswa akan bahan kuliah yang disajikan. 3.4 DAFTAR PUSTAKA Qasim, Syed R, Edward M. Motley, dan Guang Zhu, Water Works Engineering: Planning, Design dan Operation, Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, NJ 07458, 2000. Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2nd edition, PWS Publishing Company, Boston, 1996. Standar Nasional Indonesia (SNI) 6774: 2008 tentang Tata cara perencanaan unit paket instalasi pengolahan air, Badan Standarisasi Nasional
15
