BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Air
Air adalah unsur yang penting bagi kehidupan, keberadaannya menutupi 70 persen permukaan bumi. Data United Nations Environment Programme (UNEP) tahun 2002 menyebutkan volume air di bumi sebesar 1,4 Triliun km3 dengan komposisi air asin 97,5% dan sisanya 2,5% terdistribusi untuk air sungai, air tanah, rawa, danau, gletser hingga salju abadi.
2.1.1 Siklus Hidrologi
Pada prinsipnya keberadaan air di bumi tetap dan mengikuti suatu aliran yang di namakan Siklus Hidrologi. Untuk lebih jelasnya di gambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.1 Siklus Hidrologi
Dengan adanya penyinaran matahari, maka semua air yang ada di permukaan bumi dan yang dikeluarkan oleh tanaman akan menguap dan membentuk uap air (evaporation dan evapotranspiration). Karena adanya angin, maka uap air ini akan bersatu dan berada di tempat yang tinggi yang sering dikenal dengan nama awan (cloud). Oleh angin, awan ini akan terbawa makin lama makin tinggi di mana temperatur di atas makin rendah, yang menyebabkan titik-titik air dan jatuh ke bumi sebagai hujan (precipitation).
Air hujan ini sebagian mengalir ke dalam tanah (infiltration), dan sebagian lagi akan terus mengalir ke bawah (percolation). Jika menjumpai lapisan rapat air, maka peresapan akan berkurang, dan sebagian air akan mengalir di atas lapisan rapat air ini (ground water). Jika air ini ke luar pada permukaan bumi, maka air ini akan disebut mata air.
Sebagian air akan mengalir diatas permukaan tanah (run – off) dan kemudian berkumpul membentuk sungai-sungai dan jika melalui suatu tempat rendah (cekung) maka air akan berkumpul, membentuk suatu danau atau telaga.
Tetapi banyak di antaranya yang mengalir ke laut kembali dan kemudian akan mengikuti siklus hidrologi kembali.
2.1.2 Manfaat Air Bagi Kehidupan
Volume air yang begitu besar memiliki berbagai manfaat bagi manusia dan makhluk hidup lainnya. Beberapa manfaat tersebut diantaranya:
1. Penyediaan air minum
Air disadap dari berbagai sumber untuk kemudian diolah agar memenuhi standar untuk air minum.
2. Penggunaan untuk pertanian / irigasi
Pertanian membutuhkan sebuah manajemen pengairan yang efektif dan efisien. Irigasi adalah salah satu upaya untuk mengairi pertanian secara efektif dan efisien.
3. Pembiakan ikan dan satwa liar
Ikan membutuhkan air sebagai tempat pembiakkannya. Satwa liar membutuhkan air untuk keberlangsungan hidupnya.
4. Pelayaran
Air juga digunakan untuk berbagai keperluan pelayaran, baik sungai danau maupun laut.
5. Rekreasi dan olah raga air
Air laut, sungai, waduk dipergunakan untuk tempat rekreasi dan olah raga air.
6. Industri
Air digunakan untuk kegiatan produksi dalam sebuah industri baik sebagai produk maupun sebagai pendingin alat – alat produksi.
2.2 Sumber – Sumber Air Minum
Air yang diperuntukan untuk minum dapat diambil dari berbagai sumber.
Untuk dapat digunakan sebagai air minum, air yang berasal dari sumber – sumber yang tersedia tersebut harus diolah terlebih dahulu untuk menghilangkan dan meningkatkan beberapa unsur yang dikandungnya. Sumber – sumber air tersebut diantaranya air laut, air meteriologik (hujan), air permukaan dan air tanah.
2.2.1 Air laut
Air laut adalah air yang terdapat di laut atau berada di permukan laut. Air laut memiliki rasa asin karena mengandung garam (NaCl) hingga 3%, hal ini membuat air laut tidak bisa dikonsumsi secara langsung sebagai air minum.
2.2.2 Air Meteriologik
Air meteriologik lebih dikenal dengan nama air hujan. Air hujan dihasilkan oleh penguapan air laut dan air permukaan diakibatkan oleh panas sinar matahari dan pada kondisi tertentu turun sebagai air hujan. Pada dasarnya air hujan adalah air murni namun akibat adanya pengotoran udara akibat industri, gas buangan kendaraan bermotor, debu dan lain sebagainya telah menyebabkan air hujan terkontaminasi sehingga membutuhkan pengolahan khusus untuk dapat dipergunakan sebagai air minum.
2.2.3 Air Tanah
Air tanah adalah air yang terdapat di dalam tanah. Air tanah berasal dari salju, hujan atau bentuk curahan lain yang meresap ke dalam tanah dan tertampung pada lapisan kedap air. Air tanah biasa disebut dengan air sumur. Air tanah dapat dibagi ke dalam 2 jenis yaitu:
a. Air tanah dalam / air artesis.
Air tanah dalam / air artesis adalah air tanah yang terletak jauh di dalam tanah, di antara dua lapisan kedap air. Lapisan diantara dua lapisan kedap air tersebut disebut lapisan akuifer. Lapisan tersebut banyak menampung air. Jika lapisan kedap air retak, secara alami air
akan keluar ke permukaan. Air yang memancar ke permukaan disebut mata air artesis. Air artesis dapat diperoleh melalui pengeboran. Sumur pengeborannya disebut sumur artesis. Terdapat setelah lapis rapat air yang pertama. Pengambilan air tanah dalam, tak semudah pada air tanah dangkal. Dalam hal ini harus digunakan bor dan memasukkan pipa ke dalamnya hingga mencapai suatu kedalaman tertentu (biasanya antara 100 - 300 m) akan didapatkan suatu lapis air.
Pada umumnya air tanah dalam lebih baik dari air tanah dangkal, karena penyaringannya lebih sempurna dan bebas dari bakteri.
Susunan unsur – unsur kimianya tergantung pada lapis – lapis tanah yang dilalui. Jika melalui tanah kapur, maka air itu akan menjadi sadah, karena mengandung Ca (HCO3)2 dan Mg (HCO3)2 . Jika melalui batuan granit, maka air itu lunak dan agresif karena mengandung gas CO2 dan Mn (HCO3).
b. Air tanah dangkal / air freatis
Air freatis adalah air tanah yang terletak di atas lapisan kedap air tidak jauh dari permukaan tanah. Air freatis sangat dipengaruhi oleh resapan air di sekelilingnya. Pada musim kemarau jumlah air freatis berkurang. Sebaliknya pada musim hujan jumlah air freatis akan bertambah. Air freatis dapat diambil melalui sumur atau mata air.
Pada umumnya pada sumur air freatis, lumpur akan tertahan, demikian pula dengan sebagian bakteri, sehingga air tanah akan jernih tetapi lebih banyak mengandung zat kimia (garam-garam
yang terlarut) karena melalui lapisan tanah yang mempunyai unsur-unsur kimia tertentu untuk masing – masing lapisan tanah.
Lapis tanah di sini berfungsi sebagai saringan. Di samping penyaringan, pengotoran juga masih terus berlangsung, terutama pada muka air yang dekat dengan muka tanah.
Di Indonesia umumnya pada air tanah dangkal dan air tanah dalam dapat dijumpai kandungan Fe, Mn dan Sulfur (Belerang) yang tinggi sehingga menyebabkan air berbau busuk.
2.2.4 Air permukaan
Air permukaan adalah air yang mengalir di permukaan bumi. Karena mengalir di permukaan bumi maka pada umumnya air permukaan akan mengalami pencemaran yang diakibatkan oleh lumpur, batang – batang kayu, daun – daun limbah industry kota dan lain sebagainya. Pencemaran yang terjadi berbeda – beda tergantung pada daerah pengaliran air permukaan tersebut.
Air permukaan ada 2 macam yakni:
a. Air sungai
Sebagian air sungai telah mengalami pengotoran akibat aktifitas manusia maupun akibat pembusukan daun – daun dan kayu – kayu.
Sehingga untuk dapat dipergunakan sebagai air minum, membutuhkan pengolahan yang sempurna. Air sungai masih menjadi alternatif utama sebagai sumber air minum karena kondisi morfologis sungai yang memungkinkan untuk membuat bendung dan
mengarahkan air. Selain itu debit air yang relatif konstan menjamin suplai air yang berkelanjutan.
b. Air danau dan rawa
Air danau pada umumnya memiliki kualitas yang sangat baik namun keberadaan manusia yang melakukan aktifitas di sekitar danau dapat menyebabkan air danau tercemar. Pencemaran yang terjadi biasanya meliputi pencemaran akibat pakan ikan, jika danau tersebut digunakan sebagai sarana untuk keramba ikan. Selain itu kebiasaan masyarakat untuk membuang sampah dan limbah rumah tangga ke danau juga menjadi salah satu pencemar danau.
Air rawa pada umumnya berwarna karena adanya zat – zat organik yang telah membusuk seperti: asam humus yang menyebabkan air berwarna kecoklatan. Pembusukan zat organik yang tinggi akan menyebabkan kadar Fe dan Mn tinggi pula. Jika kelarutan oksigen sangat minim, maka unsur – unsur Fe dan Mn ini akan larut. Pada permukaan air akan tumbuh alga (lumut) akibat sinar matahari dan oksigen.
2.3 Metode Pengolahan Air Minum
Sumber – sumber air seperti air laut, air tanah, air hujan dan air permukaan merupakan sumber air baku bagi air minum. Karena adanya kandungan dan sifat dari masing – masing sumber air tersebut maka diperlukan suatu upaya tersendiri untuk menjadikan air baku tersebut menjadi air bersih dan layak untuk dikonsumsi.
Untuk membatasi penguraian selanjutnya, pada tugas akhir ini penulis hanya akan membahas berbagai metode pengolahan air minum untuk air permukaan dan air tanah yang umumnya digunakan pada instalasi pengolahan air dalam memenuhi kebutuhan masyarakat (komunal).
Pengolahan air pada dasarnya adalah upaya membuang atau mengurangi dan meningkatkan kandungan tertentu pada air sehingga aman untuk dikonsumsi.
Beberapa metode yang umum digunakan adalah:
o Sedimentasi
Sedimentasi adalah upaya mengurangi kandungan zat berbahaya pada air dalam bentuk partikel dengan jalan mengendapkan partikel – partikel tersebut. Ketika partikel telah mengendap di dasar wadah air, selanjutnya air pada permukaan dapat digunakan untuk dikonsumsi.
o Aerasi
Aerasi adalah salah satu proses pengolahan air dengan cara mencampur air dengan udara (oksigen) untuk mengikat (mengoksidasi) unsur Fe dan Mn yang terlarut dalam konsentrasi tinggi di dalam air. Umumnya digunakan pada air sumur bor dan air rawa. Pada proses ini terjadi reaksi antara oksigen dengan kation – kation Besi (Fe2+) dan Mangan (Mn2+) yang akan membentuk senyawa oksida 4Fe(OH3) + 8H+ dan 2MnO2 + 4H+. Reaksi pada saat proses aerasi :
4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH3) + 8H+ 2Mn2+ + O2 + 2H2O → 2MnO2 + 4H+
Gambar 2.2 Proses Aerasi pada Air o Koagulasi dan Flokulasi
Koagulasi adalah upaya merubah partikel – partikel koloid yang terdispersi pada air menjadi partikel non koloid sehingga terjadi proses flokulasi yaitu saling mengikatnya partikel – partikel non koloid membentuk flok – flok. Untuk proses koagulasi digunakan zat koagulan seperti Aluminium Sulphate (tawas).
Koagulasi dan flokulasi dilakukan pada Clarifier yang juga dilengkapi tempat terjadinya sedimentasi flok – flok.
Gambar 2.3 Clarifier Konvensional
Gambar 2.4 Clarifier Modern
o Filtrasi
Filtrasi adalah upaya mengurangi kandungan unsur yang terdapat di dalam air melalui proses penyaringan. Terdapat dua jenis filter yang umum digunakan dalam pengolahan air skala besar yaitu Saringan Pasir Lambat (Slow Sand Filter) untuk air baku yang tanpa memerlukan proses pengolahan awal dan Saringan Pasir Cepat (Rapid Sand Filter).
Gambar 2.5 Saringan Pasir Lambat
Gambar 2.6 Saringan Pasir Cepat (Rapid Sand Filter)
Air baku Pasir Halus (Ø 0.15 – 0.35 mm)
Kerikil (Ø 2 – 8 mm) Kerikil (Ø 8 – 16 mm)
Kerikil (Ø 16 – 32 mm) Air hasil
saringan Air baku
o Desinfeksi
Desinfeksi adalah upaya untuk membunuh mikroorganisme berbahaya dengan menambahkan desinfektan.
Pemilihan metode pengolahan air sangat bergantung pada kondisi air baku.
Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya masing – masing sehingga untuk mendapatkan kualitas air yang optimal, umumnya metode – metode pengolahan air tersebut dikolaborasikan antara satu metode dengan metode yang lain.
2.3.1 Metode Pengolahan Air Tanah
Untuk kondisi air baku yang berasal dari air tanah, jika air tersebut relatif jernih tanpa kandungan Fe dan Mn yang tinggi maka metode pengolahannya cukup dengan menggunakan saringan pasir lambat.
Gambar 2.7 Bagan Proses Pengolahan Air Tanah
Kemudian air dialirkan ke reservoir setelah sebelumnya diberi desinfektan untuk membunuh mikroorganisme, mencegah tumbuhnya lumut di reservoir dan pipa – pipa distribusi. Dari reservoir kemudian air didistribusikan ke pelanggan.
Namun kebanyakan air tanah di Indonesia mengandung unsur Fe dan Mn yang tinggi sehingga membutuhkan proses aerasi untuk mengoksidasi unsur Fe dan Mn yang terlarut dalam air. Setelah proses aerasi dilakukan, air akan keruh akibat Fe dan Mn yang sebelumnya terlarut dalam air telah menjadi padatan.
Pelanggan Intake
(sumur)
Slow Sand Filter
(Saringan Pasir Lambat) Desinfeksi Reservoir
Tahap selanjutnya Fe dan Mn yang telah berbentuk padat tersebut diendapkan (sedimentasi). Kemudian air disaring menggunakan Saringan Pasir Lambat (Slow Sand Filter) untuk menyaring sisa – sisa padatan yang tidak mengendap. Setelah itu, air diberi desinfektan dan dialirkan menuju reservoir untuk kemudian didistribusikan ke pelanggan.
Gambar 2.8 Bagan Proses Pengolahan Air Tanah dengan Kandungan Fe dan Mn yang Tinggi
2.3.2 Metode Pengolahan Air Rawa
Instalasi Pengolahan Air untuk mengolah air rawa menjadi air bersih jarang dijumpai dikarenakan unsur yang dikandungnya sangat banyak dan sulitnya proses pengambilan air baku.
Pengambilan air rawa harus benar – benar diperhitungkan agar berada pada kedalaman tertentu untuk menghindari terbawanya lumut pada permukaan air dan endapan – endapan Fe dan Mn pada dasar rawa.
Gambar 2.9 Air Rawa
Intake
(sumur) Aerasi
Reservoir
Slow Sand Filter
(Saringan Pasir Lambat) Desinfeksi
Pelanggan Sedimentasi
Pada pengolahan air rawa, diperlukan proses aerasi untuk menurunkan kadar Fe dan Mn yang terlarut di dalam air karena kandungan oksigen yang sangat minim.
Setelah membentuk senyawa oksida, selanjutnya untuk menghilangkan partikel – partikel terdispersi lainnya maka dilakukan proses koagulasi dan flokulasi dengan bantuan clarifier ddan tambahan zat koagulan seperti tawas.
Pada clarifier juga terjadi proses sedimentasi yaitu pengendapan partikel – partikel dalam bentuk lumpur. Selanjutnya air disaring menggunakan saringan pasir cepat yang terdiri dari kerikil, pasir dan antrasit sehingga kadar Fe dan Mn akan turun hingga 90%.
Setelah disaring, pada air diinjeksikan desinfektan untuk membunuh bakteri selanjutnya air dialirkan ke reservoir sebelum didistribusikan kepada pelanggan.
Gambar 2.10 Bagan Proses Pengolahan Air Rawa
2.3.3 Metode Pengolahan Air Danau
Air danau pada umumnya memiliki tingkat kekeruhan yang relatif rendah, hal ini mengindikasikan kandungan unsur yang dimiliki air tersebut rendah.
Pengolahan air danau dengan tingkat kekeruhan air yang rendah dapat dilakukan dengan menggunakan saringan pasir lambat.
Intake
(rawa) Aerasi Koagulasi Flokulasi
Reservoir
Sedimentasi
Desinfeksi Pelanggan
Rapid Sand Filter (Saringan Pasir Cepat)
Saringan pasir lambat sangat efektif dalam menyaring partikel – partikel dan bakteri. Saringan pasir lambat baik digunakan untuk mengolah air baku yang memiliki tingkat kekeruhan rendah. Semakin keruh air baku maka akan semakin lama proses penyaringan yang terjadi karena partikel – partikel akan mengendap pada pasir sehingga akan menutup pori – pori yang dapat dilalui air, akibatnya air akan semakin sulit melalui pori – pori.
Menggunakan saringan pasir lambat untuk menyaring air danau merupakan langkah yang tepat karena biaya pengolahan air lebih murah. Setelah proses penyaringan selesai, desinfektan diinjeksikan ke air yang akan dialirkan ke reservoir.
Gambar 2.11 Bagan Proses Pengolahan Air Danau
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
(Saringan Pasir Lambat) Desinfeksi Reservoir
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 (Saringan Pasir Cepat)
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 partikel dipengaruhi oleh bilangan Reynolds (Re).
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:
(2.6)
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
dan sedimentasi)
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) Dimana :
: 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.
2.4 Standar Kualitas Air Minum
Akibat daur hidrologi dan aktifitas manusia, air mengandung zat – zat dan mikro organisme yang sering disebut dengan pencemar. Zat dan mikro organisme pencemar ini dalam takaran tertentu dapat membahayakan kesehatan. Untuk menghindari berbagai kondisi yang tidak diinginkan maka air minum memerlukan parameter yang dapat dijadikan sebagai acuan agar air tersebut layak dikonsumsi.
Air untuk minum harus memenuhi kriteria dari segi fisik, kimia, biologi dan radioaktif. Adapun kriteria air yang layak dikonsumsi adalah sebagai mana ditunjukan oleh tabel berikut:
Tabel 2.2 Kriteria Air Minum
No. PARAMETER SATUAN
KADAR MAKS.
UTK AIR MINUM
KETERANGAN
A. FISIKA
1 Warna TCU 15
2 Bau dan Rasa - - Tidak Berbau dan Berasa
3 Temperatur oC suhu udara ± 3°C
4 Kekeruhan NTU 5
B. KIMIA ORGANIK
1 Aluminimum (Al ) mg/L 0.2
2 Air Raksa (Hg) mg/L 0.001
3 Ammonia (NH3 -N) mg/L 1.5
4 Besi (Fe) mg/L 0.3
5 Flourida (F ) mg/L 1.5
6 Khlorida (Cl) mg/L 250
7 Kesadahan (sebagai CaCO3) mg/L 500
8 Kromium (Cr -6) mg/L 0.05
9 Mangan (Mn) mg/L 0.1
10 Nitrat (Sebagai NO3) mg/L 50
11 Nitrit (Sebagai NO2) mg/L 3
12 pH - 6.5 - 8.5
13 Seng (Zn) mg/L 3
14 Sianida (CN) mg/L 0.07
15 Sulfat (SO4) mg/L 250
16 Sulfida (H2S) mg/L 0.05
17 Tembaga (CU) mg/L 1
18 Total Padatan Terlarut (TDS) mg/L 1000
C. MIKROBIOLOGI
1 Total Coliform Jlh/100 mL 0
2 Faecal Coliform Jlh/100 mL 0
D. RADIOAKTIVITAS
1 Gross aktifitas A Bq/L 0.1
2 Gross aktifitas B Bq/L 1
Sumber: Permenkes RI No. 907/MENKES/SK/VII/2002 KETERANGAN:
mg = miligram mL = mililiter
NTU = Nephelometric Turbidity Units TCU = True Colour Units
Bq = Bequerel
2.4.1 Standar Kualitas Fisika
Suhu, warna, rasa, bau dan kekeruhan adalah 5 kriteria fisik yang mempengaruhi kualitas air minum. Kualitas air minum akan mempengaruhi kesehatan makhluk hidup yang mengkonsumsinya.
1. Suhu
Temperatur air akan mempengaruhi penerimaan masyarakat akan air tersebut dan dapat mempengaruhi pula reaksi kimia di dalam pengelolaan terutama apabila temperatur tersebut sangat tinggi.
Selain itu, temperatur yang terjaga akan menghambat pertumbuhan mikroorganisme dan virus berbahaya.
2. Warna
Bahan – bahan yang menimbulkan warna pada air antara lain adalah reruntuhan organis seperti daun dan kayu yng membusuk. Walaupun warna yang diakibatkan oleh bahan – bahan pewarna alamiah tersebut tidak memiliki sifat – sifat membahayakan namun dari segi estetika akan mempengaruhi tingkat penerimaan dari masyarakat.
3. Bau dan Rasa
Bau dan rasa selain mempengaruhi penerimaan masyarakat juga mengindikasikan adanya bahan – bahan organik yang membusuk dan persenyawaan kimia seperti phenol yang berasal dari berbagai sumber yang dikhawatirkan bersifat toksik (racun) sehingga berbahaya bagi kesehatan.
4. Turbidity (Kekeruhan)
Kekeruhan pada air mengindikasikan adanya kandungan tertentu pada air. kekeruhan ini disebabkan oleh adanya benda tercampur atau benda koloid di dalam air. Partikel – partikel koloid umumya berasal dari kwarsa (pasir), tanah liat, sisa tanaman, ganggang, zat organik dan lain – lain. Sehingga kekeruhan menjadi salah satu parameter kualitas air.
2.4.2 Standar Kualitas Kimia
Zat – zat kimia yang terkandung di dalam air selain dapat mempengaruhi kesehatan, dalam proses pendstribusian air juga akan dapat mempengaruhi dan merusak pemipaan selain itu juga menimbulkan bau dan rasa yang menggangu
estetika. Berikut ini gambaran ringkas mengenai pengaruh unsur – unsur kimia yang terdapat pada air:
1. Aluminium (Al)
Kadar alumunium yang tinggi pada air minum yang dikonsumsi secara terus – menurus menurut penelitian dapat menyebabkan penyakit Alzheimer dan penurunan kognitif.
2. Besi (Fe)
Zat besi merupakan unsur penting yang diperlukan untuk metabolism tubuh. Setidaknya tubuh manusia membutuhkan zat besi sebesar 7 – 35 mg/l/hari. Konsentrasi yang lebih besar dari 1 mg/l dapat menyebabkan warna air menjadi kemerah – merahan dan memberi rasa yang tidak enak pada minuman. Untuk konsentrasi besi yang lebih besar 2 mg/l akan menimbulkan noda – noda pada peralatan dan bahan – bahan yang berwarna putih. Zat besi yang dalam jumlah berlebih jika dikonsumsi secara terus - menerus akan batu ginjal.
3. Flourida (F)
Penggunaan air untuk minum yang mengandung 8-20 mg/l fluorida selama lebih selama 20 tahun akan dapat menimbulkan fluorosis (pengeroposan) pada tulang. Sedangkan mengkonsumsi air minum dengan kandungan flourida yang melebihi 1 mg/l secara terus menerus dapat menyebabkan pengeroposan gigi yang disebut dental fluorosis hal ini sering menyerang anak – anak umur 1 – 4 tahun.
4. Khlorida (Cl)
Kadar khlorida dalam jumlah kecil dibutuhkan untuk desinfektan.
Namun apabila unsur khlorida bertemu dengan ion Na+ dapat menyebabkan rasa asin pada air sehingga dapat merusak pipa – pipa air. Jumlah 250 mg/l dalam air minum dianggap tidak akan menimbulkan bahaya bagi kesehatan manusia.
5. Kromium (Cr)
Kadar kromium di dalam air yang melebihi standar maksimum kemungkinan akan menyebabkan kanker kulit dan mengganggu alat – alat pernafasan.
6. Mangan (Mn)
Konsentrasi mangan yang lebih besar dari 0,5 mg/l dapat menyebabkan rasa yang aneh pada minuman dan menimbulkan warna kecoklatan pada pakaian/cucian. Dari segi kesehatan, konsentrasi mangan yang lebih besar dari 0,5 mg/l dapat merusak fungsi hati.
7. Nitrat (NO3)
Konsentrasi nitrat yang melebihi 45 mg/l dalam air tidak boleh digunakan untuk campuran makanan dan minuman bayi.
Konsentrasi nitrat yang melebihi 50 mg/l pada air minum, akan berbahaya bagi kesehatan. Di dalam usus, nitrat akan berubah menjadi nitrit yang dapat bereaksi langsung dengan hemoglobin darah membentuk methaemoglobin yang dapat menghalangi perjalanan oksigen di dalam tubuh.
8. Nitrit (NO2)
Bahaya yang dapat ditimbulkan oleh nitrit sama hal nya dengan nitrat. Nitrit bersifat racun.
9. pH
pH adalah istilah yang digunakan untuk menyatakan intensitas keadaan basa atau asam suatu larutan dan juga merupakan satu cara untuk menyatakan konsentrasi ion H+ . untuk pH yang lebih kecil dari 7 bersifat basa dan pH lebih besar dari 7 bersifat asam.
Mikroorganisme hidup baik pada pH antara 6,0 – 8,0. Sebagian hidup baik pada pH 2,0 dan 8,5. Bila pH lebih kecil dari 6,5 dan lebih besar dari 9,2 akan dapat menyebabkan korosi pada pipa air dan dapat menyebabkan beberapa senyawa kimia berubah menjadi racun yang menggangu kesehatan.
10. Seng (Zn)
Unsur seng diperlukan bagi metabolisme tubuh sebesar 10 – 15 mg/l/hari. Pada konsentrasi 675 – 2280 mg/l dapat menyebabkan muntah. Konsentrasi yang terlalu tinggi pada akan menimbulkan rasa pahit dan sepat pada air namun kondisi yang terlalu kecil akan menghambat pertumbuhan anak.
11. Sianida (CN)
Konsentrasi CN dalam air minum yang melebihi standar akan menggangu metabolism oksigen sehingga jaringan tubuh tidak mampu mengubah oksigen. Konsentrasi yang tinggi juga dapat meracuni hati.
12. Sulfat (SO4)
Sulfat pada konsentrasi 600 – 1000 mg/l, apabila bertemu dengan kation Mg+ dan Na+ kemudian bergabung akan membentuk MgSO4
dan Na2SO4 yang dapat menimbulkan rasa mual dan ingin muntah.
Pada konsentrasi yang cukup besar akan membuat tubuh melakukan pencucian perut.
13. Sulfida (H2S)
Adanya H2S pada air merupakan kelanjutan dari terdapatnya SO4 dalam air yang telah direduksi oleh bakteri – bakteri anaerob. H2S adalah gas yang sangat beracun dan berbau busuk sehingga kehadirannya dalam air akan mempengaruhi penerimaan masyarakat terhadap air minum tersebut. Dalam jumlah besar dapat memperbesar keasaman air sehingga dapat menyebabkan korosifitas pada pipa – pipa logam.
14. Tembaga (Cu)
Tembaga diperlukan untuk metabolisme dalam tubuh dalam rangka pembentukan sel-sel darah merah. Pada konsentrasi tinggi dapat menimbulkan rasa tidak enak di lidah dan juga dapat menyebabkan kerusakan hati. Konsentrasi tembaga diatas 1 mg/l dapat menimbulkan rasa yang tidak enak pada air.
15. Total Padatan Terlarut
Zat padat terlarut adalah bahan yang tertinggal sebagai residu pada penguapan dan pengeringan pada suhu 103oC – 105oC. Konsentrasi zat padat terlarut yang melebihi 1000mg/l akan memberikan rasa
tidak enak pada lidah dan menimbulkan rasa mual akibat natrium sulfat dan magnesium sulfat.
16. Air Raksa (Hg)
Kandungan air raksa dalam air minum dengna konsentrasi yang melebihi kadar 0,001 mg/l dapat meracuni sel – sel tubuh, merusak ginjal, hati dan saraf. Selain itu dapat pula menyebabkan keterbelakangan mental pada anak bayi.
17. Kesadahan (Sebagai CaCO3)
Kesadahan dapat membuat menurunnya efektifitas dari kerja sabun.
Semakin tinggi kesadahan air, semakin boros sabun. Selain itu, kesadahan tinggi juga dapat membuat timbulnya lapisan kerak pada pipa – pipa .
18. Ammonia (NH3-N)
Ammonia dalam jumlah besar dapat menimbulkan bau yang sangat tajam dan menusuk hidung.
2.4.3 Standar Kualitas Mikrobiologi
Air minum tidak boleh mengandung bakteri –bakteri penyakit (patogen) sama sekali dan tidak boleh mengandung bakteri – bakteri golongan Coli melebihi batas – batas yang telah ditentukannya yaitu 1 Coli / 100 ml.air .
Bakteri golongan Coli ini berasal dari usus besar (faeces) dan tanah.
Bakteri patogen yang mungkin ada dalam air antara lain adalah : - Bakteri typhsum.
- Vibrio colera - Bakteri dysentria - Entamoba hystolotica
- Bakteri enteritis (penyakit perut).
Air yang mengandung golongan Coli dianggap telah terkontaminasi (berhubungan) dengan kotoran manusia. Sehingga pemeriksaan bakteriologik, menggunakan indikator bakteri golongan Coli.
2.4.4 Standar Kualitas Radioaktif
Bequerrel adalah satuan yang dinyatakan untuk menyatakan keaktifan dari suatu radiokatif yakni jumlah disintegrasi (peluruhan) dalam satuan waktu. Dalam sistem satuan SI, keaktifan dinyatakan dalam Bq. Satu Bq sama dengan satu disintegrasi per sekon.
1Bq = 1 dps
dps = disintegrasi per sekon
Energi dari radioaktif, apapun jenisnya yang diterima mahluk hidup walaupun kecil tetapi dapat menimbulkan pengaruh yang serius. Hal ini karena radioaktif dapat mengakibatkan ionisasi, yaitu pemutusan ikatan kimia penting atau membentuk radikal bebas yang reaktif. Ikatan kimia penting bagi makhluk hidup misalnya ikatan pada struktur DNA dalam kromosom. Perubahan yang terjadi pada struktur DNA akan diteruskan pada sel berikutnya yang dapat mengakibatkan kelainan genetik, kanker dll.
Mengingat begitu besarnya bahaya yang dapat ditimbulkan oleh radioaktif maka untuk menghindari efek buruk, perlu ditetapkan standar radioaktif yang boleh terkandung dalam air bersih/minum.
2.5 Aliran Melalui Pipa
Pipa pada umumnya berpenampang lingkaran yang berfungsi untuk mengalirkan zat cair atau gas. Pipa dianggap saluran tertutup jika zat cair yang dialirkan memenuhi pipa namun apabila zat cair yang dialirkan tidak memenuhi pipa dengan kata lain terdapat udara pada pipa, maka aliran tersebut digolongkan aliran pada saluran terbuka dikarenakan tekanan didalam pipa sama dengan tekanan atmosfer.
2.5.1 Aliran Laminer dan Turbulen
Zat cair memiliki viskositas (kekentalan) yang dipengaruhi oleh temperatur. Untuk air, viskositas terjadi pada temperatur tertentu yang memberikaan sifat air (viskositas kinematik) pada tekanan atmosfer dan beberapa temperatur ditunjukan oleh tabel 2.2. Akibat adanya pengaruh viskositas tersebut, menyebabkan adanya perbedaan tipe aliran. Aliran tersebut dibedakan menjadi 2 (dua) tipe yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.
Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil dan atau kekentalan besar.
Pengaruh kekentalan adalah sangat besar sehingga dapat meredam gangguan yang dapat menyebabkan aliran menjadi turbulen. Dengan
berkurangnya kekentalan dan bertambahnya kecepatan aliran maka daya redam terhadap gangguan akan berkurang, yang sampai pada suatu batas tertentu akan menyebabkan terjadinya perubahan aliran dari laminer ke turbulen.
Tabel 2.3 Kekentalan Kinematik Air ( ) Menurut Temperatur Temperatur Air (o C) 0 5 10 15 20 25
(m2/detik) x 10-6 1.79 1.52 1.31 1.15 1.01 0.90 Sumber : Twort,C.Alan, Don D. Ratnayaka and Malcolm J.Brandt (2006)
Reynodls menunjukan bahwa aliran laminer dan turbulen dapat diklasifikasikan berdasarkan suatu angka tertentu yang disebut dengan bilangan Reynolds (Re). Aliran laminer terjadi jika Re < 2000, aliran turbulen terjadi jika Re > 4000, sedangkan jika 2000 < Re < 4000 aliran yang terjadi digolongkan pada aliran transisi. Bilangan Reynolds dapat ditentukan melalui persamaan 2.16 berikut:
(2.16) Dimana:
Re : Bilangan Reynolds
V : Kecepatan aliran (m/detik) D : Diameter pipa (m)
: Kekentalan Kinematik, untuk air lihat tabel 2.3
2.5.2 Kehilangan Energi (Head Loss) pada Pipa
Adanya kekentalan pada fluida akan menyebabkan terjadinya tegangan geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan merubah sebagian energi
aliran menjadi bentuk energi lain seperti panas, suara dan sebagainya. Pengubahan bentuk energi tersebut menyebabkan terjadinya kehilangan energi.
Secara umum didalam suatu instalasi jaringan pipa dikenal dua macam kehilangan energi (Head Loss):
a. Major Head loss, yang diakibatkan oleh gesekan air terhadap pipa.
Untuk menghitungnya digunakan persamaan Darcy-Weisbach berikut:
(2.17) Dimana:
Hfa : Kehilangan Energi akibat gesekan (m) f : faktor gesek
L : panjang pipa V : Kecepatan aliran D : Diameter pipa
g : percepatan gravitasi, 9.81 m/d2
Bagi aliran laminer menurut Darcy-Weisbach, faktor gesek (f) memiliki persamaan sebagai berikut:
(2.18)
Dimana:
f : faktor gesek
Re : Bilangan Reynolds
Bagi aliran turbulen, nilai faktor gesek (f) didapatkan dari grafik Moody pada gambar 2.16 melalui perbandingan bilangan Reynolds
dan Kekasaran Relatif. Kekasaran Relatif dapat dihitung menggunakan persamaan 2.19 berikut ini:
(2.19) Dimana:
K : Tinggi kekasaran pipa (lihat tabel 2.4) D : Diameter pipa
Tabel 2.4 Nilai Kekasaran Pipa (K) untuk Berbagai Jenis Pipa
Jenis Pipa Nilai K (mm)
Kaca
Besi dilapis aspal Besi Tuang Plester Semen Beton Baja Baja keling Pasangan Batu
0,0015 0,06 – 0,24 0,18 – 0,90 0,27 – 1,20 0,30 – 3,00 0,03 – 0,09 0,90 – 9,00
6
Sumber: Bambang Triatmodjo (2003)
Gambar 2.16 Grafik Moody
Untuk pipa halus dengan aliran turbulensi sempurna menurut Nikuradse, nilai faktor kekasaran pipa (f) dapat ditentukan dengan cara trial-error melalui persamaan 2.20 berikut:
(2.20)
Dimana:
f : faktor gesek
Re : Bilangan Reynolds
b. Minor Head loss, yang diakibatkan oleh asesoris pipa seperti perubahan ukuran penampang, sambungan dan belokan pipa.
Untuk menghitungnya digunakan persaman 2.21 berikut:
(2.21) Dimana:
Hfb : Kehilangan energy minor (m)
Kc : koefisien, tergantung pada sambungan, jenis belokan dan perbesaran pipa
V : Kecepatan aliran (m/detik) g : percepatan gravitasi 9.81 m/d2
Nilai Kc untuk perbesaran pipa, belokan pipa dan sambungan pipa dapat ditentukan melalui tabel dibawah ini:
Gambar 2.17 Perbesaran Pipa Secara Berangsur
Tabel 2.5 Nilai Kc untuk Perbesaran Pipa
α 10o 20o 30o 40o 50o 60o 75o
Kc 0,078 0,31 0,49 0,60 0,67 0,72 0,72
Sumber: Bambang Triatmodjo (2003)
Gambar 2.18 Belokan Pipa
Tabel 2.6 Nilai Kc untuk Belokan Pipa
α 20o 40o 60o 80o 90o
Kc 0,05 0,14 0,36 0,74 0,98 Sumber: Bambang Triatmodjo (2003)
Gambar 2.19 Nilai Kc untuk Sambungan Pipa
V1 V2
?
A1
A2
α
α
Kc = 0.08
Gambar 2.20 Belokan Berangsur 90o
Tabel 2.7 Nilai Kc untuk Belokan Berangsur 90o
R/D 1 2 4 6 10 16 20
Kc 0,35 0,19 0,17 0,22 0,32 0,38 0,42
Sumber: Bambang Triatmodjo (2003)
Selain karena gesekan, Head Loss juga dipengaruhi oleh elevasi (Head Loss statis) sehingga persamaan Total Head loss menjadi:
Ht = Hs + Hf ( 2.22) Dimana:
Ht : Head loss total (m)
Hs : Head loss statis akibat elevasi (m) Hf : Head loss friction (m)
2.5.3 NPSHa dan NPSHr Pompa
Dalam sebuah instalasi pipa, pompa yang digunakan harus memiliki Net Positive Suction Head Available (NPSHa) yang lebih besar dari Net Positive Suction Head Required (NPSHr) agar air mampu dihisap oleh pompa untuk kemudian dipompa menuju tempat yang diinginkan.
R
D
NPSHa bisa di hitung dari sistem yang ada, sedangkan NPSHr di dapat dari pabrik pembuat pompa. Untuk keamanan (karena desain sistem yang tidak mungkin sempurna 100%) maka diambil nilai keamanan sebesar 1 meter. NPSHa dapat dihitung menggunakan persamaan 2.23 berikut:
(2.23)
Dimana :
Po : Tekanan pada permukaan air (pascal), 1 atm = 1,013x105 pascal
Pv : Tekanan uap air (pascal) dipengaruhi oleh suhu.
ρ : rapat massa air (1000 kg/m3) g : percepatan gravitasi 9.81 m/d2
hs : tinggi hisap diukur terhadap posisi pompa (m), bernilai positif jika berada dibawah dibawah permukaan air, negative jika berada diatas permukaan air.
hl : head loss friction pipa hisap (m)
Untuk suhu air berkisar 20oC – 55oC, NSHPa dapat dihitung dengan menyederhanakan persamaan 2.23 menjadi:
(2.24)
Dimana :
10 : tekanan atmosfer (1 atm = 1 bar = 10 meter)
hs : tinggi hisap diukur terhadap posisi pompa (m) hl : head loss friction pipa hisap (m)
