BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Metode Pengolahan Air Minum
2.3.4 Metode Pengolahan Air Sungai
Air sungai digunakan sebagai air baku karena kuantitas dan kontiniutas air sungai yang relatif stabil setiap tahunnya. Selain itu, air sungai pada umumnya walaupun telah tercemar dengan berbagai unsur namun pencemaran tersebut pada sebagian besar sungai masih dapat diolah untuk memenuhi kriteria air minum yang dipersyaratkan.
Adapun proses pengolahan air sungai pada umumnya adalah sebagai mana ditunjukan oleh bagan berikut ini:
Pelanggan
Intake
(danau)
Slow Sand Filter
Gambar 2.12 Bagan Proses Pengolahan Air Sungai 1. Intake
Kondisi intake sangat berpengaruh dalam mensuplai air yang akan diolah. Untuk menjamin suplai air yang cukup, intake harus diletakkan di lokasi yang mudah dicapai dan dirancang untuk mensuplai sejumlah kuantitas air pada kualitas optimal yang memungkinkan.
Pemilihat site untuk intake pada sungai harus didasarkan pada:
a. Didapatkan kualitas air baku terbaik yang dapat disuplai ke pengolahan air.
b.Prediksi kemungkinan perubahan arah dan kecepatan aliran sungai
c. Meminimalkan efek dari banjir, kotoran yang mengapung dan gelombang aliran.
d.Tersedia akses yang mudah untuk perbaikan dan perawatan. e. Memungkinkan untuk penambahan fasilitas di kemudian
hari.
f. Fleksibel terhadap kenaikan dan penurunan muka air serta prediksi terhadap kemungkinan perubahan arah dan kecepatan aliran sungai
Intake (rawa) Prasedimentasi Koagulasi Flokulasi Reservoir Sedimentasi Desinfeksi Pelanggan
Rapid Sand Filter
g.Meminimalkan efek fasilitas pada kehidupan air. h.Didapatkan kondisi geologi terbaik.
Sebagian intake ada yang berbentuk bangunan pintu air dan sebagian ada yang menggunakan pipa penyedot.
a. b.
Gambar 2.13 Intake pintu air (a) dan Intake pipa penyedot (b)
2. Prasedimentasi
Air dari intake dialirkan ke bak prasedimentasi untuk membuang pasir, lempung dan partikel non koloid lainnya secara gravitasi. Dengan membuang pasir, lempung dan partikel non koloid lainnya dari air, akan menghindari kerusakan alat – alat mekanis (seperti pompa dan mixer) dan menghindari akumulasi sedimen di air baku untuk proses pengolahan awal. Selanjutnya air dialirkan ke bak penampungan air baku.
Agar proses prasedimentasi berlangsung efektif maka harus dipastikan agar kecepatan endap partikel (wo) harus lebih besar dibandingkan kecepatan aliran horizontal air (v0).
Kecepatan aliran horizontal tidak boleh lebih besar dari 0.03 m/s untuk menjamin butiran pasir mengendap (Twort,C.Alan, Don D. Ratnayaka and Malcolm J.Brandt, 2006: 275 - 276).
Kecepatan aliran horizontal (v0) = (2.1)
Waktu detensi/aliran horizontal (t1) = (2.2)
Waktu partikel mencapai dasar bak (t2) = (2.3)
Dimana :
Q : Debit aliran yang melalui bak prasedimentasi (m3/detik) b : lebar bak prasedimentasi (m)
d : kedalaman/tinggi bak prasedimentasi (m)
w0 : kecepatan endap partikel (m/detik)
Proses sedimentasi berjalan efektif jika waktu detensi/aliran horizontal (t1) lebih besar dari waktu partikel mencapai dasar bak (t2).
Gambar 2.14 Desain Bak Prasedimentasi
Frank L. Spellman (2008) dalam bukunya The Science of Water,
Concepts and Applications menjelaskan bahwa Kecepatan endap
Untuk menghitung bilangan Reynold (Re) pada bak prasedimentasi digunakan persamaan berikut:
(2.4)
Dimana :
: bilangan Reynolds : viskositas dinamik air,
untuk 20oC = 1.01 x 10-3 (N detik/m2) : kecepatan endap partikel (m/detik) : rapat massa air (kg/m3)
: diameter partikel yang mengendap (m)
Untuk Re < 2, berlaku persamaan stokes’ berikut:
(2.5)
Dimana :
wo : kecepatan endap partikel (m/detik)
g : percepatan gravitasi, 9.81 m/d2
: rapat massa air, 1000 (kg/m3) : rapat massa partikel, 2600 (kg/m3)
: viskositas dinamik air, untuk 20oC = 1.01 x 10-3 (N detik/m2)
d : diameter partikel (m)
Untuk 2 < Re < 500–1000, berlaku persamaan:
Dimana :
wo : kecepatan endap partikel (m/detik)
g : percepatan gravitasi, 9.81 m/d2
: rapat massa air, 1000 (kg/m3) : rapat massa partikel, 2600 (kg/m3)
Cd : drag koefisien d : diameter partikel (m)
Cd dihitung melalui persamaan:
(2.7)
Untuk 500–1000 < Re < 200000, berlaku persamaan:
(2.8)
Dimana :
wo : kecepatan endap partikel (m/detik) : rapat massa air, 1000 (kg/m3)
: rapat massa partikel, 2600 (kg/m3)
g : percepatan gravitasi, 9.81 m/d2 d : diameter partikel (m)
untuk Re > 200000 dan Cd = 0.1, dipastikan tidak terjadi pengendapan partikel.
Untuk mencegah partikel yang telah mengendap didasar bak agar tidak terangkat kembali, maka kecepatan aliran pada bak pengendap
harus dibatasi (Twort,C.Alan, Don D. Ratnayaka and Malcolm J.Brandt, 2006: 275). Adapun persamaan untuk hal ini adalah:
(2.9)
Dimana :
vmaks : batas kecepatan maksimum yang
diperbolehkan (m/detik)
: faktor gesek, tergantung bilangan Reynold pada saluran terbuka.
: berat jenis partikel, 2600 (kg/m3)
g : percepatan gravitasi, 9.81 m/d2
: 0.1 – 0.25, untuk pasir dan 0.04 – 0.06 untuk pengendapan flok
Di Indonesia dalam berbagai perencanaan untuk pengendapan sedimen seperti pada perencanaan kantong lumpur dan berbagai keperluan lainnya digunakan persaaman stokes’ dengan tetap mempertahankan aliran horizontal pada saluran terbuka laminar (Re < 2000).
3. Koagulasi
Koagulasi merupakan proses destabilisasi muatan koloid dan padatan terlarut, termasuk bakteri dan virus oleh koagulan. Pengadukan cepat merupakan cara yang digunakan dalam proses koagulasi. Tujuan dari
pengadukan cepat adalah untuk mempercepat dan menyeragamkan atau meratakan zat – zat kimia yang digunakan dan kemudian membentuk flok – flok yang mudah mengendap sehingga memungkinkan untuk proses pengolahan air selanjutnya.
Koagulan yang digunakan di Indonesia pada umumnya adalah aluminium sulphate (tawas). Pada proses ini juga dibutuhkan zat kapur atau soda ash untuk mengatur pH air yang turun karena dosis tawas yang tinggi.
Hasil koagulasi yang baik sangat tergantung dari kondisi hidrolik yang baik yaitu pengadukan secara intensif (60 – 180 rpm) dan konstan serta penerapan dosis koagulan yang tepat. Gangguan – gangguan yang terjadi dalam proses koagulasi akan menyebabkan flok yang terbentuk tidak sempurna, sedimentasi lambat dan penurunan turbiditas yang rendah.
Saat ini pembangunan Instalasi Pengolahan Air difokuskan pada pembangunan Clarifier Modern dimana proses koagulasi, flokulasi dan sedimentasi berlangsung dalam satu bangunan.
Koagulasi dilakukan oleh unit clarifier pada pengadukan cepat. Untuk mendapatkan proses koagulasi yang efektif maka diperlukan waktu detensi yang memenuhi persyaratan. American Water Works Association (1990) mempersyaratkan waktu detensi untuk pengadukan cepat 10 – 60 detik.
Gambar 2.15 Proses Koagulasi, Flokulasi dan Sedimentasi pada Clarifier Modern
Lama keberadaan air (waktu detensi) pada proses pengadukan cepat (tr) merupakan perbandingan antara kapasitas (volume) unit pengadukan cepat dengan debit air yang masuk ke unit pengadukan cepat sebagaimana ditunjukan oleh persamaan berikut:
(2.10)
Dimana:
tr : waktu detensi air di unit pengadukan cepat (detik)
rr : Jari – jari unit pengadukan cepat, (m)
hr: Tinggi unit pengadukan cepat, (m)
Q : Debit Air masuk ke unit pengadukan cepat, (m3/detik)
4. Flokulasi
Flokulasi adalah tahapan pengadukan lambat (5 – 30 rpm) yang mengikuti dispersi koagulan melalui pengadukan lambat. Tujuannya
Unit Pengadukan Cepat (tempat terjadinya proses koagulasi)
Unit Pengadukan Lambat (tempat terjadinya proses flokulasi
adalah untuk mengakselerasi pembentukan flok. Pembentukan flok ini akan berlangsung dengan baik apabila saat penambahan koagulan ke dalam air disertai pengadukan cepat yang dilanjutkan pengadukan lambat. Diharapkan flok – flok yang terbentuk mengikat partikel – partikel koloid dan dapat difiltrasi.
Frank L. Spellman mempersyaratkan waktu detensi 15 – 45 menit untuk proses flokulasi yang efektif.
Waktu detensi untuk proses flokulasi dan sedimentasi pada Clarifier IPA Meunasah Reudeup merupakan hasil antara volume Clarifier dikurangi volume unit pengadukan cepat dibagi dengan debit aliran.
(2.11)
Dimana:
tfs : waktu detensi flokulasi dan sedimentasi (detik)
r : Jari – jari clarifier, (m) h : Tinggi Clarifier, (m)
rr : Jari – jari unit pengadukan cepat, (m)
hr : Tinggi unit pengadukan cepat, (m)
Q : Debit Air masuk ke unit pengadukan cepat, (m3/detik)
5. Sedimentasi
Proses sedimentasi dirancang untuk membuang partikel – partikel tersuspensi yang telah berbentuk flok yang dihasilkan dari proses koagulasi dan flokulasi, menggunakan penurunan secara gravitasi oleh partikel itu sendiri.
Frank L. Spellman mengemukakan setidaknya dibutuhkan waktu 2 – 6 jam untuk proses sedimentasi yang efektif sedangkan American
Water Works Association memberikan waktu detensi yang lebih
cepat yaitu 30 menit untuk flokulasi dan sedimentasi.
6. Filtrasi
Proses filtrasi merupakan salah satu proses dalam pengolahan air bersih. Tahap ini penting untuk mencapai kualitas air yang baik. Meski kurang lebih 90% kekeruhan dan warna dipisahkan dalam koagulasi dan sedimentasi, namun sejumlah flok masih terbawa keluar dan memerlukan pemisahan lebih lanjut.
Proses filtrasi dilakukan dengan melewatkan air hasil pengolahan dari clarifier melalui media filter dengan ukuran dan kedalaman tertentu.
Tipe saringan pasir cepat (Rapid Sand Filter) adalah tipikal filtrasi yang umum digunakan di Indonesia. Dengan menggunakan pasir (ø 0,4 – 0,9 mm), antrasit (ø 0,85 – 1,55 mm) dan kerikil (ø 4,76 – 38,1 mm) diharapkan dapat menangkap flok – flok yang terbawa keluar dari clarifier dan mengurangi nilai kekeruhan air.
Untuk hasil yang efektif, aliran pada saat filtrasi harus dijaga agar laminar dengan bilangan Reynolds, Re < 1000
Untuk menghitung Headloss pada saat proses penyaringan digunakan persamaan Kozeny-Carman, persamaan ini hanya berlaku untuk
aliran laminar dimana bilangan Reynolds (Re < 1000). Adapun persamaannya adalah:
(2.12)
Dimana :
: Head loss (m)
: viskositas kinetik air,
untuk 20oC = 1.01 x 10-6 (m2/detik)
: kecepatan air melalui media filter (m/detik) : porositas
: diameter media filter (m)
g : percepatan gravitasi, 9.81 m/d2
: koefisien bentuk, berkisar antara 0.6 – 0.95 (lihat tabel 2.1)
Tabel 2.1 Koefisien Bentuk ( )
Sumber: McCabe, Warren L. Julian.C. Smith, Peter Harriot (1993)
Bilangan Reynolds dihitung menggunakan persamaan berikut: (2.13)
: bilangan Reynolds : viskositas kinetik air,
untuk 20oC = 1.01 x 10-6 (m2/detik)
: kecepatan air melalui media filter (m/detik) : diameter pasir/kerikil media filter (m)
Saringan pasir cepat yang digunakan secara terus - menerus akan menyebabkan flok dan partikel yang tersaring menyumbat pori – pori filter. Flok dan partikel yang terakumulasi pada media filter akan menyebabkan penurunan kemampuan dari saringan dan bahkan dapat menyebabkan saringan tidak dapat lagi bekerja (mampet). Untuk mengatasinya perlu dilakukan Backwash yaitu mengalirkan air dan udara berlawanan arah dari proses penyaringan dengan menggunakan air dari reservoir dan udara (blower).
Agar proses backwash berlangsung efektif maka perlu dijaga kecepatan aliran. Aliran yang lambat akan menyebabkan flok dan partikel yang menempel pada media filter tidak terangkat sedangkan aliran yang terlalu cepat akan menyebabkan media filter ikut terangkat dan terbuang bersama air sisa backwash.
Kecepatan aliran udara pada proses backwash pada umumnya direncanakan adalah 16 mm/detik (0.016 m/detik) dan 4 – 5 mm/detik (0.004 – 0.005 m/detik) untuk air namun pada beberapa kasus dimana proses backwash tidak efektif, kecepatan aliran udara dan air dapat ditambahkan dengan syarat tidak akan menyebabkan
ikut terbawanya media filter. Kecepatan aliran dapat ditambahkan hingga 14 – 22 mm/detik (0.014 – 0.022 m/detik) untuk udara dan 10 – 18 mm/detik (0.01 – 0.018 m/detik) untuk air dengan pemakaian air 1 – 2,5% dari reservoir (Twort,C.Alan, Don D. Ratnayaka and Malcolm J.Brandt. 2006).
7. Desinfeksi dan Pengaturan pH
Dikarenakan ukuran mikroorganisme yang sangat kecil, maka tidak mungkin untuk menjamin bahwa pengolahan air semacam koagulasi dan filtrasi dapat memisahkan mikroorganisme secara sempurna. Tujuan dari proses disinfeksi ini tentunya untuk membunuh mikroorganisme pathogen.
Zat desinfektan yang umum digunakan di Indonesia adalah khlorin ataupun kaporit sebagai cadangan. Di negara – negara maju telah dikembangkan penggunaan ozon dan sinar ultraviolet untuk mensterilkan air minum.
Penggunaan khlorin dilakukan karena selain harganya yang murah dan dapat berbentuk gas, cairan maupun serbuk, juga karena kelarutannya relatif tinggi (7000 mg/l). Selain itu, sisa dari penggunaan khlorin pada air bersih yang dihasilkan juga cukup aman bagi manusia.
Penggunaan zat – zat desinfektan dapat membuat pH air tidak stabil, bahkan cenderung turun. Maka perlu ditambahkan zat kapur atau
soda ash agar pH air tetap pada kisaran 6,5 – 8,5 sesuai standar kesehatan berdasarkan Kepmenkes 907/Menkes/SK/VII 2002.
8. Reservoir
Reservoir difungsikan untuk penyimpanan air yang telah diolah sebelum didistribusikan ke pelanggan. Perencanaan reservoir harus mencukupi kebutuhan air yang dibutuhkan baik di musim hujan maupun di musim kemarau.
Melalui data distribusi ke pelanggan, kita dapat menghitung kapasitas reservoir yang dibutuhkan dengan menggunakan persamaan berikut:
Volume defisit = ∑ (f defisit – 1 ) x Q rata-rata (2.14) Volume surplus = ∑ (f surplus – 1 ) x Q rata-rata (2.15) Dimana:
• Volume surplus dan defisit dalam m3 sedangkan debit (Q) rata-rata dalam m3/jam.
• Volume surplus adalah volume pada saat jam di bawah rata- rata, sedangkan volume defisit adalah volume pada saat jam puncak.
• f adalah faktor pengali (fp) yang didapat dari hasil pembagian Q distribusi dengan Q rata – rata.
Di reservoir juga dilengkapi Finish Water Pump (FWP) yang berfungsi untuk memompakan air bersih ke pelanggan. FWP juga difungsikan sebagai backwash terhadap unit penyaringan.