PERANCANGAN AUTOMATIC BACKWASH PADA TANGKI SAND FILTER DI IPA I PDAM GRESIK (Nur Rahmah Awaliyah; Dr. Ir.Totok Soehartanto, DEA) Program Studi S-1 Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri - Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo – Surabaya 60111 ABSTRAK Telah dilakukan perancangan sistem automatic backwash yang dapat mengatur urutan proses backwash pada masing-masing tangki sand filter dan mengatur urutan proses backwash apabila ada 2 atau lebih tangki sand filter yang butuh backwash pada saat yang bersamaan. Simulasi dilakukan untuk 15 kombinasi. Proses backwash terjadi apabila ketinggian air di dalam tangki sand filter telah mencapai ketinggian 4.4 meter. Apabila terdapat 2 atau lebih tangki sand filter yang perlu backwash pada waktu yang bersamaan, maka proses backwash dilakukan secara bergantian sesuai dengan urutan prioritas yang telah ditentukan. Proses backwash dilakukan selama 12 menit untuk masing-masing tangki sand filter yang terdiri atas proses pengosongan tangki sand filter yang terjadi selama 5 menit sejak tangki sand filter jenuh, proses scouring yang terjadi selama 2 menit sejak proses pengosongan selesai, dan proses rinsing yang terjadi selama 5 menit setelah proses scouring selesai. Urutan antrian tangki sand filter dan urutan proses backwash untuk masing-masing tangki sand filter diatur oleh logic solver. Logic solver terdiri atas pemrograman pada Matlab Function yang mengatur tangki mana yang backwash dan mengatur buka/tutupnya semua valve pada tangki sand filter. Kata kunci : backwash, tangki sand filter, logic solver I.
IPA 1 PDAM Gresik, terdapat 4 tangki sand filter yang terhubung dengan 2 buah clarifier. Kapasitas maksimum 2 clarifier sama dengan kapasitas maksimum keempat tangki sand filter. Oleh karena itu, proses backwash keempat tangki sand filter tidak boleh dilakukan secara bersamaan. Jika backwash dilakukan secara bersamaan pada 2 atau lebih tangki sand filter, maka air bersih pada reservoar akan mengalami penurunan level dan tangki clarifier akan mengalami over flow karena berhentinya proses penyaringan selama backwash. Apabila terdapat 2 atau lebih tangki sand filter yang membutuhkan backwash secara bersamaan, maka harus dilakukan sistem antrian. Oleh karena begitu kompleksnya sistem automatic backwash ini, maka diperlukan adanya instrument yang dapat mengetahui tangki sand filter mana yang harus backwash dan mengatur urutan langkah-langkah proses backwash untuk masing-masing tangki sand filter. Dengan adanya sistem automatic backwash ini, diharapkan performansi tangki sand filter akan meningkat dan kualitas air hasil pengolahan dapat lebih baik. Selain itu, proses backwash akan dapat dilakukan tepat waktu yaitu tepat saat tangki sand filter mencapai level jenuh. Rumusan permasalahan dalam tugas akhir ini adalah bagaimana merancang sistem yang dapat mengatur proses Automatic Backwash pada 4 (empat) tangki sand filter di IPA 1 PDAM Gresik dan bagaimana mensimulasikan dinamika dari sistem Automatic Backwash pada tangki sand filter di IPA 1 PDAM Gresik dengan menggunakan simulink. Untuk memfokuskan permasalahan pada tugas akhir ini, pokok bahasannya dibatasi oleh beberapa hal sebagai berikut keempat tangki sand filter dianggap identik, diasumsikan fluktuasi level air di dalam tangki sand filter diakibatkan oleh tingkat kekeruhan air yang
PENDAHULUAN
Tangki sand filter adalah unit penyaringan akhir pada instalasi pengolahan air (IPA) PDAM Gresik. Pada tangki sand filter, terjadi proses penyaringan dimana lumpur halus yang masih terbawa akan terperangkap dalam pasir silika yang terdapat di dalam tangki sand filter tersebut. Semakin banyak lumpur halus yang terperangkap di dalam sand filter, maka akan mengganggu kerja dari penyaringan oleh pasir silika dan menyebabkan kenaikan volume akumulasi dari pasir silika bercampur dengan lumpur halus. Sedangkan daya tampung tangki sand filter terhadap air akan semakin sedikit dan proses penyaringan akan semakin lambat. Hasil penyaringan akan menjadi kurang sempurna dan tidak efektif. Apabila hal ini dibiarkan maka akan terjadi kenaikan level air pada tangki sand filter. Tangki sand filter yang bertipe atmosferik memiliki kemungkinan untuk menyebabkan air di dalam tangki sand filter meluber ke luar tangki sand filter. Untuk mencegah hal itu, ditentukan berapakah level air maksimum yang masih bisa ditoleransi agar proses penyaringan optimal. Apabila kenaikan level telah melampaui batas level maksimum tersebut, maka dikatakan bahwa tangki sand filter berada pada keadaan jenuh. Untuk menghilangkan kejenuhan, perlu dilakukan proses backwash yaitu pencucian balik tangki sand filter agar pasir silika bersih kembali dari lumpur halus yang tersaring. Proses backwash penting dilakukan pada saat yang tepat. Apabila sand filter dibiarkan jenuh terlalu lama maka air yang dikirim ke reservoar akan keruh. Apabila proses backwash dilakukan terlalu dini, hal ini tidak efisien mengingat bahwa proses backwash memerlukan pemakaian air bersih siap jual yang tertampung di reservoar. Sekarang ini, proses backwash pada IPA 1 PDAM Gresik masih dilakukan secara manual. Pada 1
masuk, hambatan air (R) dimodelkan secara analogi seperti sebuah resistor yang mempresentasikan hambatan yang dialami oleh air di dalam tangki sand filter, tingkat kejenuhan air di dalam tangki sand filter diasumsikan dari level permukaan air dalam tangki sand filter, sistem automatic backwash bekerja atas dasar informasi level permukaan air dalam tangki sand filter yang aktif, urutan prioritas backwash saat terjadi permintaan backwash dari 2 atau lebih tangki sand filter secara bersamaan adalah tangki sand filter 1, tangki sand filter 2, tangki sand filter 3, kemudian tangki sand filter 4, hasil perancangan berupa simulasi, simulasi dilakukan untuk proses backwash dengan lama waktu filtrasi tetap untuk satu kali running, Input nilai hambatan air (R) adalah input yang diberikan sebelum dilakukan simulasi, dan pemrograman yang disusun pada logic solver adalah pemrograman untuk mengatur urutan proses backwash pada masing-masing tangki sand filter dan mengatur sistem antrian backwash apabila terdapat 2 atau lebih tangki sand filter yang jenuh pada waktu yang bersamaan dengan waktu awal backwash (t0) yang sama. Tujuan dari tugas akhir ini adalah akan dilakukan perancangan sistem yang dapat mengatur automatic backwash pada tangki sand filter di IPA 1 PDAM Gresik dan akan dilakukan pemodelan dari sistem automatic backwash pada tangki sand filter di IPA 1 PDAM Gresik. Sedangkan manfaat dari penelitian Tugas Akhir ini adalah membuat proses backwash pada tangki sand filter IPA 1 PDAM Gresik menjadi otomatis dan diharapkan kinerja tangki sand filter menjadi lebih optimal.
Unit Tangki Sand Filter Pada unit tangki sand filter terjadi proses penyaringan (filtrasi) lumpur halus yang masih terbawa oleh air keluaran clarifier. Proses penyaringan ini menggunakan media pasir dengan jenis pasir yang digunakan adalah pasir silika. Unit Reservoar Unit reservoar adalah unit penyimpanan air bersih yang telah melalui tahap filtrasi dan siap untuk didistribusikan. Unit Distribusi Unit distribusi bertugas mendistribusikan air bersih pada reservoar melalui seluruh jalur distribusi. 2.2
Pada unit sand filter terjadi proses penyaringan akhir sebelum air yang diolah masuk ke dalam reservoar. Bila sand filter bekerja secara optimal maka hasil air yang diolah bisa jauh lebih baik. Tangki sand filter adalah tangki bertipe atmosferik. Penyaringan pada unit sand filter ini menggunakan pasir silika. Pada setiap tangki sand filter, terdapat saringan besi berbentuk lingkaran dengan diameter sama dengan diameter tangki sand filter. Lempengan besi ini diletakkan 70 cm dari dasar tangki sand filter. Pasir silika diletakkan di atas lempengan besi secara merata dengan ketebalan 20 cm. Pada masing-masing tangki sand filter, terdapat 3 jalur pipa yaitu jalur input, jalur output, dan jalur udara. Pipa jalur input ini bercabang 2 yaitu jalur input utama dan jalur drainage sebagai jalur buangan. Jalur output bercabang 2 yaitu jalur output utama dan jalur backwash sebagai jalur air untuk backwash. Apabila filter telah jenuh, maka proses penyaringan menjadi kurang sempurna, cepat, dan efektif. Oleh karena itu, untuk menjaga performansi sand filter dilakukan proses backwash.
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Tangki sand filter
Instalasi Pengolahan Air (IPA)
Pengolahan air bersih menggunakan air sungai sebagai air baku yang diambil melalui sumur intake kemudian dikirim ke Instalasi Pengolahan Air (IPA) yang terdiri atas unit clarifier, unit sand filter, reservoar, dan unit distribusi. Unit Clarifier Pada unit clarifier terjadi proses pengendapan secara gravitasi, yaitu mengendapnya molekul lumpur berukuran besar ke dasar clarifier sehingga menghasilkan air yang lebih jernih. Air hasil keluaran tangki clarifier masih mengandung molekul lumpur yang tidak dapat diendapkan.
Gambar 2 Unit Tangki Sand Filter 2.3
Proses Backwash
Lumpur halus yang tersaring akan bercampur dengan pasir silika yang terdapat pada tangki sand filter sehingga mengganggu performansi penyaringan oleh pasir silika. Setelah sand filter aktif melakukan kerja terhadap penyarinyan lumpur halus yang terbawa oleh air dari clarifier untuk beberapa waktu, maka
Gambar 1 Unit Clarifier 2
terjadi peningkatan volume pasir silika yang terdapat pada tangki sand filter karena telah bercampur dengan lumpur. Meningkatnya volume pasir silika yang bercampur dengan lumpur halus, akan memperlambat proses penyaringan dan ketinggian air di dalam tangki sand filter akan terus bertambah. Jika hal ini terjadi, maka proses penyaringan pada sand filter tidak akan optimal dan jika dibiarkan maka akan terjadi over flow. Setiap tangki sand filter memiliki batas ketinggian level air maksimum yang masih dapat ditoleransi untuk tangki sand filter bekerja dengan baik dan optimal. Apabila level air pada tangki sand filter telah melampaui batas level air maksimum tersebut, maka tangki sand filter dikatakan telah jenuh dan proses filtrasi terganggu. Pada keadaan jenuh, proses penyaringan yang terjadi akan lambat, kurang optimal, dan kurang sempurna. Untuk mengembalikan performansi sand filter, maka perlu backwash yaitu pencucian pasir silika menggunakan air bersih yang berasal dari reservoar. Backwash harus dilakukan tepat saat tangki sand filter dalam keadaan jenuh. Apabila backwash terlambat dilakukan, maka kualitas air hasil olahan tidak memenuhi standar yang telah ditentukan. Proses backwash ini memerlukan adanya air bersih yang tersimpan di reservoar. Proses backwash terdiri atas 4 langkah proses yaitu proses pengosongan tangki sand filter, scouring, rinsing, dan filtrasi. 2.4
Bertambahnya volume lumpur halus yang mengendap, menyebabkan Qout semakin kecil dan volume air yang terakumulasi di dalam tangki sand filter semakin besar. Karena adanya lumpur yang mengendap, mengurangi performansi kerja sand filter yang diindikasikan dengan besarnya Qout yang semakin sedikit, maka volume lumpur dan flok dapat mencerminkan adanya fungsi hambatan aliran air (R). Nilai R akan semakin besar jika semakin lama dilakukan filtrasi. Saat performansi proses penyaringan pada tangki sand filter dalam keadaan baik, besarnya Qout sama dengan besar Qin. Akibat adanya R yang semakin lama semakin besar, maka Qout tidaklah lagi sama dengan Qin namun semakin besar nilai R , maka nilai Qout semakin kecil. Karena Qout berhubungan langsung dengan nilai R dan Qin, maka dapat dirumuskan bahwa besarnya Qout analogi dengan Qin dibagi dengan R. Qout
Qin
Qin H A. R t
(4)
Fungsi hambatan air (R) merupakan fungsi waktu. Besarnya fungsi hambatan air (R) berbeda-beda tergantung pada tingkat kekeruhan air input tangki sand filter. Ketinggian air di dalam tangki sand filter (H) dibuat sesuai persamaan 5.
Kesetimbangan massa pada suatu reaksi dapat didasarkan pada persamaan sebagai berikut : Laju aliran massa input – Laju aliran massa output = Laju perubahan massa dalam sistem Kesetimbangan massa ini memiliki satuan kg/s. Sedangkan hukum kesetimbangan massa dalam tangki air dapat didasarkan pada persamaan berikut :
dV Qin. Qout. dt
(3)
dengan R = hambatan air/resistansi
Hukum Kesetimbangan Massa dalam Tangki Air
atau
Qin R
H H0
H t
(5)
dengan H0 = ketinggian awal tangki sand filter (m). 2.5
Liquid Level Relay RM4L
RM4L dikatakan sebagai liquid level relay karena instrument ini hanya mengeluarkan arus listrik output apabila tersentuh oleh fluida. Prinsip kerja RM4L berdasarkan selisih resistansi antara elektroda yang tercelup fluida dan elektroda yang tidak tercelup fluida sehingga mengeluarkan arus listrik. Besar arus listrik output RM4L maksimal adalah 8 mA.
(1)
dengan = volume total air di dalam tangki (m3) = massa jenis air (kg/m3) = laju aliran (debit) air yang masuk ke dalam tangki (m3/detik) Qin = laju aliran (debit) air yang keluar dari dalam tangki (m3/detik) Oleh karena massa jenis air adalah konstan, volume total air di dalam tangki adalah luas penampang tangki dikalikan dengan ketinggian air di dalam tangki, maka persamaan 1 dapat diubah menjadi persamaan 2. V ρ Qin
AdH Qin Qout dt
Gambar 3 Elektroda pada RM4L
(2)
dengan A H
= luas penampang tangki (m2) = ketinggian air di dalam tangki (m)
Gambar 4 Liquid Level Relay RM4L 3
2.6
Logic Solver
Logic solver merupakan salah satu dari komponen safety instrumented system (SIS). Safety instrumented system memiliki komponen yang hampir sama dengan sistem kontrol reguler. Komponen dari safety instrumented system terdiri atas sensor, aktuator, logic solver dan beberapa sistem pendukung. Logic solver berfungsi untuk mencapai atau mempertahankan keadaan aman dari proses ketika kondisi proses tidak dapat diterima atau berbahaya. Dari hasil keluaran sensor, diperlukan suatu piranti yang mampu mengatasi kondisi abnormal yang terdeteksi. Oleh karena itu diperlukan sebuah logic solver untuk menerima sinyal input sensor, membuat keputusan yang tepat berdasarkan keluaran dari sinyal sensor, serta menghasilkan sinyal output yang sesuai. Sinyal output dari logic solver bekerja berdasarkan logika atau program yang didefinisikan sendiri oleh pengguna. Bentuk fisik logic solver dapat menggunakan semacam piranti elektronik yang mampu diprogram, seperti relay, trip amplifiers, atau programmable logic controller (PLC). 2.7
ON/OFF Control Valve Gambar 6 Flowchart metodologi penelitian
ON/OFF control valve lebih baik dan cocok digunakan untuk automatic level liquid. ON/OFF control valve dapat digunakan juga secara manual apabila mengalami kerusakan pada aktuatornya. Jenis ON/OFF control valve yang banyak digunakan di Instalasi Pengolahan Air adalah butterfly valve yang terintegrasi dengan aktuator.
3.1
Desain Sistem Automatic Backwash
Pada IPA 1 PDAM Gresik, terdapat 4 buah tangki sand filter yang terletak setelah 2 buah clarifier. Air keluaran clarifier akan menjadi air masukan tangki sand filter. Sekarang ini, proses backwash pada tangki sand filter IPA 1 PDAM Gresik masih dilakukan secara manual oleh operator. Operator sering melakukan kesalahan dalam proses backwash antara lain: terlambat untuk melakukan proses backwash atau melakukan proses backwash dengan urutan yang tidak sesuai dengan prosedur. Hal ini menjadikan kinerja tangki sand filter tidak efektif.
Gambar 5 ON/OFF control Valve III.
PERANCANGAN BACKWASH
SISTEM
AUTOMATIC
Pada bab ini akan dijabarkan mengenai tahaptahap yang dilakukan dalam pengerjaan tugas akhir ini yaitu antara lain: pemodelan tangki sand filter, pemodelan sensor level, dan pemodelan logic solver.
Gambar 7 Layout IPA 1 PDAM Gresik Pada sistem automatic backwash ini, akan dipasang level sensor pada masing-masing tangki sand filter guna mengetahui apabila sand filter telah mencapai level jenuh. Semua valve yang ada pada keempat tangki sand filter akan diganti dengan control 4
valve ON-OFF yang kondisi operasinya akan berubah apabila ada arus listrik yang melewatinya. Control valve ON-OFF ini berperan sebagai electrical actuator. Semua valve akan menerima perintah membuka atau menutup dari logic solver. Logic solver akan menentukan tangki sand filter mana yang harus backwash dan mengatur urutan langkah backwash setiap tangki sand filter sesuai dengan output dari keempat sensor level yang diterima oleh logic solver.
Gambar 8 Desain sistem Automatic Backwash Proses backwash hanya boleh dilakukan pada 1 (satu) tangki sand filter yang jenuh pada 1 (satu) waktu. Jika proses backwash dilakukan pada 2 atau lebih tangki sand filter secara bersamaan dalam 1 (satu) waktu maka akan terjadi overflow pada clarifier akibat berhentinya proses filtrasi saat proses backwash berjalan. Jumlah debit output air hasil olahan kedua clarifier sama dengan debit input untuk keempat tangki sand filter. Sehingga apabila salah satu tangki sand filter sedang backwash dan proses filtrasi berhenti sementara, maka ketiga tangki sand filter harus menerima debit air yang lebih banyak daripada saat keempat tangki sand filter dalam kondisi filtrasi. Jumlah debit input tangki sand filter yang lebih banyak ini akan membuat proses penyaringan lebih berat. Selain itu, proses backwash memerlukan air bersih yang tersimpan dalam reservoar. Apabila proses backwash dilakukan secara bersamaan pada 2 atau lebih tangki sand filter, maka ketinggian air bersih pada reservoar akan menurun. Oleh karena itu, proses backwash hanya boleh dilakukan pada 1 (satu) tangki sand filter pada 1 (satu) waktu dan proses backwash harus dilakukan jika perlu saja yaitu tepat saat ketinggian air di dalam tangki sand filter mencapai ketinggian jenuh. Apabila terdapat 2 atau lebih tangki sand filter yang membutuhkan backwash secara bersamaan, maka harus dilakukan sistem antrian.
Gambar 9 Flowchart proses automatic backwash 3.2
Pemodelan Tangki Sand Filter
Tangki sand filter adalah sistem penyaringan akhir pada suatu IPA. Input sistem tangki sand filter adalah air hasil saringan clarifier dengan debit input sebesar Qin. Sedangkan output sistem tangki sand filter adalah air bersih yang akan disimpan di reservoar dengan debit output sebesar Qout. Nilai Qin tergantung pada debit air baku yang dikirim dari sumur intake ke IPA.
Gambar 10 Skema Tangki Sand filter Nilai Qout berubah-ubah tergantung pada performansi proses penyaringan oleh pasir silika pada tangki sand filter. Adanya selisih antara Qin dengan 5
Qout tangki sand filter, maka timbul adanya akumulasi air dengan volume tertentu. Volume akumulasi air yang semakin meningkat menyebabkan ketinggian air pada tangki sand filter juga semakin bertambah. Luas penampang tangki sand filter (A) sebesar 18.0864m2. Nilai Qin total pada IPA 1 PDAM Gresik adalah sebesar 150 liter/detik yaitu berasal dari 3 buah pompa submarsible pada sumur intake sehingga Qin untuk masing-masing tangki sand filter adalah sebesar 37.5 liter/detik. Pada tugas akhir ini digunakan fungsi R yang dapat mewakili kekeruhan air input tangki sand filter pada musim kemarau. Nilai R dihitung dari persamaan 4 dengan nilai ΔH/Δt minimum adalah 0 (nol) meter dicapai saat t=0 menit dan nilai ΔH/Δt maksimum adalah 2.6 meter dicapai saat t=480 menit. Dari kedua nilai R ini, dicari fungsi R dengan cara sama seperti mencari persamaan garis lurus. Dari data tersebut diperoleh fungsi hambatan air (R) adalah sesuai dengan persamaan 6. R=1+(0.0011133*u)
ketinggian (level) jenuh atau tidak. Level jenuh dari tangki sand filter yaitu 4,4 meter. Sensor ini dipasang tepat pada level jenuh tangki sand filter (Hx). Sensor ini hanya akan mengeluarkan arus listrik apabila tersentuh oleh fluida cair (air) dan apabila sensor ini tidak terkena air maka sensor ini tidak mengeluarkan arus listrik. Timbulnya arus listrik ini akibat adanya perbedaan hambatan listrik pada kedua elektroda apabila salah satu elektroda terkena air. Besar hambatan ini dapat diatur sehingga besarnya output sensor dapat diatur pula yaitu sebesar C. Namun, output sensor maksimum adalah 8 mA. Pada sistem automatic backwash ini, nilai C untuk sensor pada tangki sand filter 1 adalah 1 mA, nilai C untuk sensor pada tangki sand filter 2 adalah 2 mA, nilai C untuk sensor pada tangki sand filter 3 adalah 4 mA, dan nilai C untuk sensor pada tangki sand filter 4 adalah 8 mA. Nilai output sensor untuk setiap level sensor yang dipasang pada keempat tangki sand filter dibuat berbeda agar dapat diketahui tangki mana yang telah mengalami kejenuhan.
(6)
dengan u adalah besar sinyal input (masukan) R yang kita berikan saat dilakukan simulasi. Sinyal input (masukan) R berupa sinyal ramp berulang secara periodik selama waktu filtrasi (tf) tangki sand filter. Magnitude sinyal input (masukan) R yang kita berikan adalah sebesar 0 (nol) pada t=0 dan sebesar 480 pada t=tf. Besarnya tf berubah-ubah untuk setiap simulasi. Apabila air masukan tangki sand filter memiliki kekeruhan yang tinggi, maka nilai tf semakin kecil dan sebaliknya. Nilai tf pada musim kemarau umumnya 480 menit. Ketinggian air pada tangki sand filter mula-mula (H0) adalah sama dengan ketinggian batas drainage yaitu 1.8 meter. Ketinggian tangki sand filter adalah 4.8 meter. Ketinggian air pada tangki sand filter dikatakan jenuh jika telah mencapai 4.4 meter.
Tabel 1Tabel Output Sensor Level H air
Output Output Output Output sensor 1 sensor 2 sensor 3 sensor 4 < Hx 0 mA 0 mA 0 mA 0 mA >=Hx 1 mA 2 mA 4 mA 8 mA Oleh karena prinsip kerjanya mirip dengan prinsip kerja relay, maka sensor ini dapat dimodelkan pada simulink sebagai switch. Nilai threshold ditentukan sama dengan nilai ketinggian jenuh tangki sand filter (Hx) yaitu 4.4.
Gambar 12 Wiring Diagram Sensor Level Tangki Sand Filter pada Simulink 3.4
Logic solver pada sistem automatic backwash ini harus mampu menentukan tangki sand filter mana saja yang perlu backwash, menentukan urutan tangki sand filter mana yang backwash terlebih dahulu apabila ada 2 atau lebih tangki sand filter yang jenuh pada saat bersamaan, dan mengatur urutan langkahlangkah backwash untuk setiap tangki sand filter. Oleh karena terdapat kemungkinan bahwa 2 atau lebih tangki mengalami kondisi jenuh secara bersamaan maka nilai output dari masing-masing tangki akan dijumlah terlebih dahulu dan nilai jumlahan inilah yang akan menjadi masukan logika (Matlab Fuction) pada keempat tangki sand filter untuk ditentukan tangki mana saja yang perlu backwash.
Gambar 11 Wiring Diagram Tangki Sand Filter pada Simulink 3.3
Pemodelan Logic Solver
Pemodelan Level Sensor
Level sensor berfungsi untuk mengetahui bahwa air di dalam tangki sand filter telah mencapai 6
Tabel 2 Kombinasi Tangki Sand filter yang Jenuh No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tangki Sand filter yang Jenuh Tangki 1 Tangki 2 Tangki 3 Tangki 4 Tangki 1 dan 2 Tangki 1 dan 3 Tangki 1 dan 4 Tangki 2 dan 3 Tangki 2 dan 4 Tangki 3 dan 4 Tangki 1, 2, dan 3 Tangki 1, 2, dan 4 Tangki 1, 3, dan 4 Tangki 2, 3, dan 4 Tangki 1, 2, 3, dan 4
filter, model sensor, model logic solver, dan model control valve. Tangki Sand Filter pada sistem Automatic Backwash ini berjumlah 4 buah dengan 1 buah sensor level yang terpasang pada masing-masing tangki sand filter. Output dari keempat sensor level yang terpasang menjadi input dari logic solver. Logic solver akan mengatur tangki mana yang backwash dan urutan langkah-langkah proses backwash. Logic solver ini akan mengirim sinyal yang mengatur membuka dan menutupnya kelima valve pada masing-masing tangki sand filter. Waktu buka/tutupnya control valve pada tangki sand filter untuk masing-masing tangki sand filter yang menempati urutan backwash berapa dapat dilihat pada tabel 3. Urutan backwash adalah urutan antrian tangki sand filter dalam melakukan backwash pada satu waktu lama filtrasi.
Jumlah Output Keempat Sensor 1 2 4 8 3 5 9 6 10 12 7 11 13 14 15
Tabel 3 Waktu buka/tutupnya control valve
Input dari Matlab Function untuk masingmasing tangki sand filter adalah jumlah output keempat sensor level yang ditahan selama waktu yang diperlukan untuk rangkaian proses backwash. Proses penahanan nilai jumlah output sensor selama zero order hold. Output dari Matlab Function untuk masingmasing tangki sand filter adalah keadaan buka/tutupnya kelima valve pada masing-masing tangki sand filter. 3.5
Valve
Keadaan Normal
Input Output Drainage
Buka Buka Tutup
Keadaan Berlawanan Tutup Tutup Buka
2
Udara Backwash Input Output Drainage
Tutup Tutup Buka Buka Tutup
Buka Buka Tutup Tutup Buka
3
Udara Backwash Input Output Drainage
Tutup Tutup Buka Buka Tutup
Buka Buka Tutup Tutup Buka
4
Udara Backwash Input Output Drainage
Tutup Tutup Buka Buka Tutup
Buka Buka Tutup Tutup Buka
Udara Backwash
Tutup Tutup
Buka Buka
Urutan backwash 1
Pemodelan Control Valve
Pada sistem automatic backwash ini, digunakan control valve on-off pada kelima saluran pada masingmasing tangki sand filter. Control valve ini dipasang pada pipa dengan diameter 30 cm. Akibat diameter yang cukup besar maka bukaan valve tidak dapat langsung 100% tepat ketika valve membuka. Waktu yang diperlukan oleh control valve sejak mulai pertama kali membuka sampai membuka 100 % dan untuk menutup dari bukaan 100% sampai menutup sempurna besarnya berkisar 4 detik. Bukaan valve dapat dimodelkan dalam bentuk persamaan eksponensial. Tipe control valve on-off akan membuka apabila ada arus listrik yang diterima, maka pada pemodelan control valve ini digunakan switch.
IV.
DAN
ANALISA
HASIL
Pada bab IV ini akan dilakukan pengujian dan analisa terhadap hasil simulasi model matematis yang telah dibuat sebelumnya pada bab III. Pengujian dan analisa dilakukan untuk model masing-masing komponen dan model keseluruhan sistem automatic backwash. Dari pengujian dan analisa ini, akan diketahui ketepatan kerja sistem automatic backwash yang telah dirancang.
Gambar 13 Model Control Valve 3.6
PENGUJIAN SIMULASI
Mengalami Keadaan Berlawanan pada menit ket0 s.d. t0 +12 t0 s.d. t0 +12 t0 s.d. t0 +5 dan t0 +7 s.d. t0 +12 t0 + 5 s.d t0 +7 t0 +7 s.d. t0 +12 t0 +12 s.d. t0 +24 t0 +12 s.d. t0 +24 t0 +12 s.d. t0 +17 & t0 +19 s.d. t0 +24 t0 + 17 s.d t0 +19 t0 +19 s.d. t0 +24 t0 +24 s.d. t0 +36 t0 +24 s.d. t0 +36 t0 +24 s.d. t0 +29 dan t0 +31 s.d. t0 +36 t0 + 29 s.d t0 +31 t0 +31 s.d. t0 +36 t0 +36 s.d. t0 +48 t0 +36 s.d. t0 +48 t0 +36 s.d. t0 +41 & t0 +43 s.d. t0 +48 t0 + 41 s.d t0 +43 t0 +43 s.d. t0 +48
Pemodelan Sistem Automatic Backwash
Pemodelan sistem Automatic Backwash dilakukan dengan menggabungkan model tangki sand 7
4.1
Pengujian Model Tangki Sand filter
4.3
Model tangki sand filter yang telah dibuat menghasilkan output berupa ketinggian air (H) di dalam tangki sand filter. Pengujian dilakukan dengan memberikan input u pada fungsi R berupa sinyal ramp dengan nilai awal adalah 0 (nol) dan nilai maksimum adalah 480 dengan slope 1. Ketinggian air (H) sebagai output tangki sand filter yang dihasilkan adalah berupa sinyal yang bernilai 1.8 meter saat input R sebesar 0 (nol) dan bernilai 4.4 meter saat input R sebesar 480. Dari pengujian ini, maka diketahui bahwa model tangki sand filter yang telah dibuat menghasilkan nilai output yang sesuai dengan yang diinginkan dimana ketinggian air (H) akan bertambah apabila R juga semakin besar dan ketinggian air pada tangki sand filter mencapai kejenuhan tepat saat diberikan u sebesar 480. Hal ini mewakili keadaan sebenarnya bahwa umumnya ketinggian (H) air pada tangki sand filter akan mengalami kejenuhan setelah filtrasi dilakukan selama 8 jam atau 480 menit dan memerlukan backwash 8 jam sekali. Informasi ini diperoleh dari data wawancara dengan operator PDAM bahwa backwash umumnya dilakukan 1 kali dalam 1 shift (sama dengan 8 jam kerja) pada musim kemarau.
Pengujian Model Logic solver
Pengujian model logic solver ini dilakukan dengan memberikan pulse generator sebagai pengganti data output keempat sensor level karena bentuk pulsa yang dihasilkan serupa dengan pulsa yang dihasilkan oleh sensor level saat mendeteksi tercapainya level jenuh. Pulse generator ini akan menghasilkan sinyal output yang berulang selama waktu tertentu yang kita tentukan sesuai dengan lama waktu filtrasi. Untuk pengujian ini, digunakan lama waktu filtrasi pada keempat tangki sand filter adalah 300 menit. Hal ini berarti kombinasi yang dilakukan dalam pengujian adalah kombinasi ke-15. Amplitudo pulse generator yang dipasang sebagai pengganti pulsa output sensor level yaitu sebesar C. Output logic solver bernilai 1 menandakan bahwa logic solver mengirim perintah ke control valve untuk membuka sedangkan output logic solver bernilai 0 (nol) menandakan bahwa logic solver mengirim perintah ke control valve untuk menutup.
Gambar 16
Grafik Uji Pulse Generator pada Logic Solver Input 1
Gambar 17
Grafik Respon Uji Logic Solver untuk Tangki Sand filter 1
Gambar 14 Grafik Respon Uji pada Model Tangki Sand filter 4.2
Pengujian Model Sensor Level
Pengujian level sensor dilakukan pada keempat sensor level untuk masing-masing tangki sand filter. Pengujian model sensor level dilakukan dengan memberikan sinyal uji step dengan nilai awal 0 (nol) dan nilai akhir 4.4 sedangkan step time adalah 5 menit. Pengujian model sensor level dilakukan untuk mengetahui apakah sensor level akan mengeluarkan arus listrik sebesar C mA saat ketinggian air di tangki sand filter mencapai ketinggian jenuh yaitu 4.4 meter.
4.4
Gambar 15
Pengujian Model Control Valve
Pengujian model control valve ini dilakukan dengan memberikan sinyal step pada port 2 dengan step time adalah 5 menit. Input control valve adalah output dari logic solver. Jika input control valve bernilai 1 (satu), maka logic solver mengirimkan perintah pada control valve untuk membuka. Jika input control valve bernilai 0 (nol), maka logic solver mengirimkan perintah pada control valve untuk membuka. Hasil uji simulasi control valve menunjukkan bahwa bukaan control valve akan mencapai 100% setelah 4 detik.
Grafik Respon Uji Step pada Model Sensor Level Keempat Tangki Sand filter 8
2.
Gambar 18 4.5
Grafik Respon Uji Step Model Control Valve
3.
Pengujian Model Sistem Automatic Backwash
Pengujian model sistem automatic backwash dilakukan untuk mengetahui ketepatan kerja sistem automatic backwash. Pengujian dilakukan dengan memberikan masukan berupa Repeating Sequence Interpolated pada input u fungsi R untuk masingmasing tangki. Repeating Sequence Interpolated dibuat berulang selama periode yang berbeda untuk masingmasing tangki sand filter. Periode yang dimaksud adalah lamanya waktu filtrasi masing-masing tangki sand filter. Untuk pengujian ini, ditentukan bahwa lamanya waktu filtrasi pada keempat tangki sand filter adalah 480 menit sehingga kombinasi yang diuji adalah kombinasi ke- 15. Amplitudo maksimum dari Repeating Sequence Interpolated pada keempat tangki sand filter adalah 300.
4.
Proses backwash dilakukan selama 12 menit untuk masing-masing tangki sand filter yang terdiri atas proses pengosongan tangki sand filter yang terjadi selama 5 menit sejak tangki sand filter jenuh, proses scouring yang terjadi selama 2 menit sejak proses pengosongan selesai, dan proses rinsing yang terjadi selama 5 menit setelah proses scouring selesai. Apabila terdapat 2 atau lebih tangki sand filter yang perlu backwash, maka dilakukan backwash untuk tangki sand filter yang menempati urutan backwash pertama selama 12 menit sejak tangki sand filter jenuh kemudian dilakukan backwash untuk tangki sand filer kedua, ketiga, dan keempat masing-masing bergantian selama 12 menit berikutnya untuk masing-masing tangki sand filter. Valve yang membuka pada saat pengosongan tangki sand filter adalah valve drainage, valve yang membuka pada saat scouring adalah valve udara, valve yang membuka pada saat rinsing adalah valve drainage dan valve backwash, sedangkan valve yang membuka saat filtrasi normal adalah valve input dan valve output.
5.2 Saran Adapun saran untuk penelitian lebih lanjut adalah : 1. Logika pada logic solver diperbaiki lagi agar dapat mengatur proses antrian backwash apabila ada tangki sand filter jenuh saat tangki yang sand filter lain sedang mengalami proses backwash. 2. Untuk meningkatkan kualitas air hasil pengolahan, hendaknya unit tangki sand filter selalu digunakan dan proses backwash dilakukan sesuai dengan prosedur. DAFTAR PUSTAKA
Gambar 19 Grafik Uji Sistem Automatic Backwash
1. 2. 3.
4. 5. Gambar 20 Grafik Respon Uji Sistem Automatic Backwash Tangki Sand filter 1
Ogata, Katsuhiko. “Teknik Kendali Automatik Jilid I”, Erlangga, Jakarta : 1997. ”Instalasi Pengolahan Air PDAM”, Perusahaan Daerah Air Minum. “Gambar Perencangan Instalasi Pengolahan Air I Legundi Gresik “, Departemen Pekerjaan Umum Jawa Timur. ”SNI – DT 91.005.2007”, Badan Litbang Departemen Pekerjaan Umum, 2007. ”SNI 6773:2008 Spesifikasi Unit Paket Insatalasi Pengolahan Air”, BSN, 2008.
BIODATA PENULIS Nama : Nur Rahmah Awaliyah NRP : 2406 100 019 TTL : Gresik, 24 Februari 1988 Riwayat Pendidikan : SLTP Negeri 1 Gresik (2000-2003) SMA Negeri 1 Gresik (2003-2006) Teknik Fisika ITS (2006-sekarang)
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan analisa data yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hasil tugas akhir ini telah dapat dirancang suatu sistem Automatic Backwash pada 4 (empat) tangki sand filter di IPA 1 PDAM Gresik dengan menggunakan logic solver. 9
1
