1
BAB I
PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang
1. Sejarah penggunaan filter pasir
Filter pasir yang dikategorikan sebagai granular filter telah lama digunakan sebagai bagian proses dalam instalasi penyediaan air minum. Crittenden dkk (2005) menguraikan sejarah penggunaan filter pasir dimulai dari penggunaan filter pasir dan kerikil secara tradisional sejak tahun 2000 sebelum masehi di India. Bangsa Romawi menampung air yang tersaring secara alamiah melewati tanggul saluran yang dibangun sejajar danau untuk pemenuhan kebutuhan air domestik. Filter pasir digunakan di Venesia untuk menyaring air hujan dengan sistem cisterns yaitu kolam penampungan air hujan yang diisi pasir dan di bagian tengah dipasang sumur pengambilan. Sejak tahun 1750 di Perancis digunakan filter dengan media partikel seperti spons, arang, wool, pasir, kerikil dan batu pecah. Penggunaan filter pasir dalam sistem penyediaan air minum skala perkotaan dimulai di Inggris dan Skotlandia pada sekitar tahun 1800. Perkembangan lebih lanjut, pada tahun 1829 Perusahaan Air Minum Chelsea di kota London menggunakan teknologi filter pasir lambat yang cukup modern untuk penyediaan air minum perkotaan. Filter pasir lambat yaitu filter pasir yang dioperasikan pada kecepatan aliran lambat. Pada tahun 1852 pemerintah kota Metropolitan London mengeluarkan aturan kewajiban penggunaan filter pasir dalam pemanfaatan air sungai sebagai air baku air minum. Filter pasir semakin banyak digunakan seiring dengan kesadaran bahwa teknologi tersebut mempunyai peran dalam pencegahan penyakit menular yang berkembang dalam media air (waterborne disease). Kota Altona di Jerman pada tahun 1892 terbebas dari penyakit Kholera setelah masyarakat mengkonsumsi air minum yang disaring dengan filter pasir lambat. Air baku air minum kota tersebut berasal dari sungai Elbe yang telah terpolusi oleh limbah yang berasal dari kota Hamburg. Kasus yang sama ditunjukkan pada pengalaman penggunaan filter pasir lambat yang mampu menurunkan perkembangan penyakit tipus di Lawrence Massachusetts. Penggunaan filter pasir lambat pada sistem penyediaan air minum dalam skala yang lebih besar mulai dikembangkan di Amerika Serikat pada dua dekade awal abad keduapuluh. Filter pasir cepat pertama kali dikembangkan pada sekitar tahun 1880 di Amerika Serikat.
2 Filter pasir cepat yaitu filter pasir yang dioperasikan pada kecepatan aliran cepat. Pada dekade tersebut, dikembangkan teknologi filter pasir cepat yang dilengkapi dengan sistem pembersihan dengan proses backwashing (cucibalik). Proses cucibalik adalah pencucian/pembersihan media filter dengan sistem aliran yang berlawanan arah (aliran balik) dengan aliran filtrasi. Teknologi filter pasir cepat dengan sistem cucibalik tersebut digunakan pertama kali dalam sistem penyediaan air minum perkotaan di Somerville New Jersey pada tahun 1885. Filter pasir terus berkembang, dan sejak pertengahan abad ke XX sampai saat ini, filter pasir cepat lebih banyak digunakan dibanding filter pasir lambat.
Badan Pendukung Pengembangan Sistem Penyediaan Air Minum (BPPSPAM) menyebutkan bahwa di Indonesia sampai tahun 2012 terdapat 394 PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum). Teknologi pengolahan air minum yang digunakan oleh PDAM secara umum masih menggunakan teknologi konvensional dengan sistem koagulasi-flokulasi, filtrasi (filter pasir cepat) dan desinfeksi (Said dan Yudo, 2012). Filter pasir cepat dikenal secara luas di Indonesia sejak tahun 1959 bersamaan dengan pembangunan sistem penyediaan air minum di Jakarta (3.000 l/det), Bandung (250 l/det), Manado (250 l/det), Banjarmasin ((250 l/det), Padang (250 l/det), dan Pontianak (250 l/det) (WikiCamp, 2014).
2. Gambaran umum filter pasir
Filter pasir disusun dari pasir silika, kwarsa atau jenis pasir lain dengan ukuran partikel tertentu dan ditimbun atau disusun lepas (bulk arrangement) dalam suatu ruang filter dengan luasan dan ketebalan tertentu. Filter pasir dikategorikan sebagai teknologi konvensional yang difungsikan untuk membuang bahan-bahan yang terkandung dalam air seperti partikel suspensi; bahan organik penyebab bau, warna dan rasa pada air; ganggang dan jamur; serta organisme mikro.
Media filter harus keras sehingga awet dan tidak mudah pecah atau aus, terutama akibat abrasi dan tumbukan antar partikel selama proses cucibalik. Pasir, garnet dan ilmenite merupakan bahan yang cukup keras dan tahan terhadap abrasi akibat aliran air dan tumbukan antar partikel filter selama proses cucibalik (Crittenden dkk, 2005). Pasir silika dengan tingkat kekerasan 6 – 7 skala Mohs, Quartz (SiO3) 7 skala Mohs dan
3 Filter yang menggunakan satu jenis media dikenal sebagai filter media tunggal (single media filter), dan dapat pula dikombinasikan dengan bahan-bahan lain seperti anthracite, coal, zeolite atau arang aktif membentuk filter media ganda (dual media filter), atau menggunakan beberapa jenis media membentuk filter media jamak (multi media filter). Filter dirancang dengan ukuran partikel yang relatif seragam (uniformly graded) atau gradasi sempit (narrowly graded). Proses aliran melewati filter dapat dilakukan secara gravitasi (gravity filtration) atau dengan tekanan (pressure filtration). Filter dikategorikan sebagai filter pasir lambat (slow sand filter) atau filter pasir cepat (rapid sand filter) ditinjau berdasarkan kecepatan filtrasi yang digunakan.
Filter pasir lambat yang dioperasikan pada kisaran kecepatan 0,05 – 0,2 m/jam digunakan untuk menyaring air dengan tingkat kekeruhan rendah (< 50 NTU atau Nephelometry Turbidity Unit) secara langsung tanpa diawali proses pengolahan awal. Ukuran media filter pasir lambat antara 0,30 – 0,45 mm; tebal antara 0,9 – 1,5 m dan dioperasikan pada tinggi tekanan 0,9 – 1,5 m-H2O (Crittenden dkk, 2005). Filter pasir
lambat dapat pula dibuat dengan ukuran yang lebih kecil yaitu ukuran efektif (effective size - ES) antara 0,25 – 0,35 mm dengan koefisien keragaman (uniformity coefficient = UC) antara 2,0 – 3,0 dan dioperasikan pada kecepatan yang lebih tinggi antara 0,1 – 0,4 m/jam (Al-layla, 1980). Ukuran efektif partikel filter (ES) setara dengan nilai d10, sedang
koefisien keragaman (UC) setara dengan nilai d60/d10. Nilai d10 adalah ukuran yang
menunjukkan bahwa 10% dari berat total bahan filter memiliki diameter lebih kecil dari ukuran tersebut, sedang d60 adalahukuran yang menunjukkan bahwa 10% dari berat total
bahan filter memiliki diameter lebih kecil dari ukuran tersebut. Filter pasir lambat memiliki kelemahan karena membutuhkan lahan yang luas, sehingga tidak ekonomis apabila digunakan dalam penyediaan air dengan kapasitas besar. Filter pasir lambat memiliki kelebihan dibanding filter cepat, karena memiliki kemampuan menahan bakteri pathogen.
Filter pasir cepat yang dioperasikan pada kisaran kecepatan 1,7 – 15,0 m/jam digunakan untuk menyaring air keruh setelah melalui proses pengolahan awal seperti koagulasi, flokulasi dan sedimentasi. Filter pasir cepat digunakan pula pada proses penyaringan partikel suspensi dalam air limbah sebagai proses lanjutan atau proses tahap ketiga (tertiary treatment) setelah proses pengolahan biologis.
4 Filter pasir cepat memiliki ukuran efektif atau effective size (ES) antara 0,5 – 1,20 mm dan tebal antara 0,6 – 1,8 m dan dioperasikan pada tinggi tekanan 1,8 – 3,0 m-H2O.
Filter pasir dengan ukuran media yang lebih seragam (narrowly graded) sering pula digunakan pada nilai UC = 1,3 – 1,7 dan ES = 0,4 – 0,8 mm (Crittenden dkk, 2005). Filter pasir cepat sering pula dibuat dari media dengan ES lebih kecil antara 0,45 - 0,55 mm dan nilai UC = 1,50 (Al-layla, 1980) atau ES = 0,50 - 0,70 mm dengan nilai UC = 1,50 - 2,00 (Salvato, 1982). Material butiran dikatakan seragam (uniformly graded) atau narrowly graded apabila memiliki nilai ES < 3,3 (Ogbonnaya dkk, 2009).
Filter pasir harus dicuci setelah proses filtrasi berhenti yaitu setelah terjadi akumulasi partikel suspensi dalam pori filter. Kecepatan cucibalik filter pasir dibatasi pada kondisi partikel pasir terfluidisasi / terekspansi pada ketinggian tertentu, namun tetap pada posisi melayang di dalam aliran air pencuci dan tidak menyebabkan partikel filter terseret/terangkut keluar dari ruang filter.
Kecepatan aliran dan waktu yang dibutuhkan untuk cucibalik filter sangat tergantung pada jenis dan ukuran media yang digunakan, tingkat ekspansi selama proses cucibalik, dan metoda cucibalik yang digunakan. Metoda pertama adalah cucibalik menggunakan air pada kecepatan 50 m/jam selama 5 menit (Casey, 1997) atau antara 37 – 56 m/jam selama 3 – 15 menit (Baruth, 2005). Metoda kedua adalah cucibalik yang diawali scouring dengan aliran udara pada kecepatan 30 m/jam selama 3 menit dilanjutkan aliran air pada kecepatan 20 m/jam selama 5 menit (Casey, 1997). Filter pasir dengan ukuran efektif 0,6 – 1,2 mm dicucibalik dengan scouring udara pada kecepatan 18 - 36 m/jam selama 3 - 5 menit dilanjutkan aliran air pada kecepatan 12 – 18 m/jam selama 6 – 10 menit, sedang filter dual atau multi media dicucibalik dengan scouring udara pada kecepatan 36 - 90 m/jam, dilanjutkan aliran air pada kecepatan 37 – 56 m/jam (Baruth, 2005). Metoda ketiga adalah cucibalik yang diawali scouring aliran udara dengan kecepatan 50 m/jam bersama aliran air dengan kecepatan 20 m/jam selama 5 menit, dilanjutkan aliran air dengan kecepatan 20 m/jam selama 5 menit (Casey, 1997). Filter pasir dengan ukuran efektif 1,0 – 2,0 mm dicucibalik dengan scouring aliran udara dengan kecepatan 36 – 72 m/jam bersama aliran air dengan kecepatan 15,4 m/jam selama 5 - 10 menit, dilanjutkan aliran air dengan kecepatan 15,4 m/jam selama 5 - 10 menit (Baruth, 2005). Filter dengan ukuran efektif yang lebih besar pada kisaran antara 2,0 – 6,0 mm dicucibalik pada kecepatan yang lebih tinggi yaitu aliran udara pada kecepatan
5 108 – 144 m/jam dan aliran air pada kecepatan 15,4 – 18,3 m/jam. Tinggi tekanan cucibalik dilakukan antara 2,0 – 4,0 m-H2O pada dasar filter yang diperoleh dari proses
pemompaan atau dari menara air dengan tinggi tekanan lebih dari 10 m-H2O (Crittenden
dkk, 2005).
Instalasi Pengolahan Air (IPA) Kamijoro milik PDAM Bantul (kapasitas 25 l/detik) mampu menurunkan kekeruhan air sungai Progo dari 2.856 NTU menjadi <5 NTU setelah melalui proses-proses koagulasi, flokulasi dan filtrasi. Filter dibuat menggunakan media pasir kuarsa diameter partikel 0,425 – 0,85 mm dan tebal media 0,60 m ditambah arang aktif diameter partikel maksimum 2,00 mm dengan tebal media 0,20 m (lihat Gambar 1.1).
Gambar 1.1. Susunan media filter IPA Kamijoro PDAM Bantul.
Data operasional dan hasil pengamatan proses cucibalik filter di lapangan menunjukkan bahwa cucibalik dilakukan pada kecepatan lebih kurang 75 m/jam dalam waktu 6 menit. Pencucian filter dilakukan dengan intensitas 1 – 2 kali per hari tergantung kekeruhan air dan dengan kebutuhan air pencuci 1,7 – 3,4% dari kapasitas produksi filter atau 7,5 m3 per m2 luas filter (luas per unit 1,2 m2).
Media filter mengalami ekspansi selama proses cucibalik dengan besaran yang tergantung pada jenis dan ukuran media filter serta metoda cucibalik yang digunakan. Cucibalik menggunakan air tanpa diawali proses scouring dengan udara dilakukan pada tingkat ekspansi antara 20 – 50% (Baruth, 2005). Filter dual media dengan media pasir (ES = 0,55 mm, UC = 1,35 dan tebal 0,30 m) dan anthracite (ES = 0,85 mm, UC = 1,5 dan tebal 0,45 m) terfluidisasi pada tingkat ekspansi total sebesar 10% apabila dicucibalik dengan kecepatan 32 m/jam (Droste, 1997).
0,40 m 0,20 m
Pasir kuarsa Arang aktif
6
3. Permasalahan penggunaan filter pasir
Filter pasir sampai saat ini masih digunakan secara luas dalam sistem penyediaan air minum di Indonesia, karena sangat efektif menahan partikel suspensi penyebab kekeruhan air. Permasalahan yang terjadi dalam proses filtrasi menggunakan filter pasir adalah sebagai berikut:
a. Penurunan kapasitas filter dalam memproduksi air akibat sumbatan permukaan (surface clogging). Sumbatan permukaan disebabkan oleh stratifikasi partikel filter setelah proses cucibalik akibat ukuran partikel yang kurang seragam (nilai UC besar). Stratifikasi partikel filter ditandai dengan penumpukan partikel filter ukuran kecil pada permukaan atas filter dan bergradasi ke bawah ukuran partikel filter semakin besar. Penumpukan partikel kecil pada permukaan filter menyebabkan sumbatan permukaan (surface clogging) dan partikel suspensi tidak terdistribusi secara merata pada sepanjang filter. Sumbatan permukaan menyebabkan peningkatan laju kehilangan tinggi tekanan (headloss) dan memperpendek durasi operasi filter, sehingga meningkatkan intensitas pencucian filter.
b. Penurunan kemampuan filter dalam menjernihkan air akibat filter tidak bersih. Filter pasir tidak bersih apabila filter dicucibalik dengan kecepatan yang terlalu rendah dan waktu pencucian yang terlalu singkat. Cucibalik yang tidak sempurna menyebabkan partikel suspensi yang melekat pada permukaan pasir tidak terlepas sehingga dapat terbentuk gumpalan partikel pasir (mudballs). Mudballs menyebabkan air tidak terdistribusi secara merata di seluruh bidang filter atau terjadi pemusatan aliran selama proses filtrasi, sehingga partikel suspensi tidak dapat difiltrasi dengan baik. c. Penurunan kemampuan filter dalam menjernihkan air akibat tebal filter berkurang.
Tebal filter berkurang akibat partikel pasir berkurang apabila filter dicucibalik dengan kecepatan dan tekanan yang terlalu tinggi. Kecepatan dan tekanan cucibalik yang terlalu tinggi menyebabkan partikel pasir terekspansi dan terfluidisasi melebihi batas toleransi, sehingga partikel pasir terangkut bersama air pencuci keluar dari filter. d. Cucibalik filter pasir membutuhkan biaya yang tidak sedikit untuk keperluan
penyediaan air pencuci dan energi. Cucibalik balik filter pasir dibatasi oleh kecepatan dan tekanan agar partikel pasir tidak terangkut keluar dari filter namun diperoleh filter yang bersih. Batasan tersebut menyebabkan proses cucibalik tidak
7 hemat waktu, sehingga meningkatkan kebutuhan air dan biaya untuk pengadaan energi / listrik. Biaya energi diperlukan untuk menggerakkan pompa cucibalik dan untuk pengadaan air pencuci. Cucibalik filter sering pula diawali proses scouring dengan injeksi udara untuk mengurai ikatan antar partikel filter dan ikatan partikel suspensi dengan partikel filter. Cara tersebut diperlukan agar partikel suspensi yang tertahan dalam filter mudah dilepaskan, diangkut dan dibuang keluar dari ruang filter. Proses scouring meningkatkan kebutuhan biaya untuk pengadaan energi dalam pelaksanaan cucibalik.
Permasalahan penggunaan filter pasir dapat diatasi dengan cara sebagai berikut: a. Penghilangan stratifikasi partikel filter dengan menggunakan partikel yang lebih
seragam dan mengikat partikel pasir membentuk media massif. Cara ini dapat menghilangkan stratikasi partikel filter, sehingga mengurangai dampak sumbatan permukaan pada proses operasi filter dan mempertahakan kapasitas filter sesuai yang direncanakan.
b. Penerapan proses cucibalik yang tepat sehingga partikel suspensi dalam filter dapat dibuang keluar dari filter dan diperoleh filter yang benar-benar bersih. Cara ini dapat menghilangkan / mengurangi problem mudballs, sehingga dapat mempertahakan kemampuan filter dalam mereduksi partikel suspensi dalam air.
c. Pencegahan pelepasan partikel pasir terlepas saat cucibalik atau pencegahan pengurangan tebal filter setelah proses cucibalik, sehingga dapat mempertahakan kemampuan filter dalam mereduksi partikel suspensi dalam air.
d. Penerapan proses cucibalik yang tepat terkait usaha untuk lebih menghemat air, waktu, dan energi, sehingga biaya cucibalik dapat ditekan.
Filter beton dengan media beton porus yang dibuat dengan campuran pasir, semen dan air pada komposisi tertentu diusulkan sebagai alternatif / pengganti filter pasir dan diharapkan memberikan solusi dari permasalahan penggunaan filter pasir tersebut. Peluang penelitian filter beton masih sangat luas, karena aplikasi dan penelitian filter beton belum banyak dilakukan, terutama terkait pengembangan rumusan teoritis beton porus sebagai filter.
8
B.
Lingkup dan Batasan Penelitian
Agar penelitian terarah sesuai dengan tujuan penelitian yang hendak dicapai, maka ditetapkan lingkup dan batasan penelitian sebagai berikut:
1. Kajian sifat fisik filter beton dibatasi pada perubahan porositas dan diameter partikel filter beton berbasis diameter dan porositas pasir penyusun filter beton pada rasio pasir–semen tertentu.
2. Pengaruh nilai faktor air semen dan kuat tekan beton porus sebagai filter tidak dikaji dalam penelitian ini.
3. Diameter partikel pasir yang digunakan dibatasi pada 3 model ukuran dan ditetapkan berdasarkan kisaran ukuran yang umum digunakan sebagai media filter pasir lambat dan filter pasir cepat.
4. Uji coba filter menggunakan air simulasi dengan bahan dari tanah / lempung kering yang dilarutkan dalam air bersih.
5. Kinerja penjernihan air oleh filter beton dibatasi pada kajian parameter fisik mencakup kekeruhan dan kandungan partikel suspensi dalam air, dan tidak dilakukan kajian parameter kimiawi, biologi dan sifat lekatan partikel.
6. Kinerja cucibalik filter beton dibatasi pada kajian parameter fisik mencakup kekeruhan dan kandungan partikel suspensi dalam air, dan tidak dilakukan kajian kimiawi dan sifat lekatan partikel.
7. Batasan tingkat kebersihan filter beton adalah output air cucibalik dengan kekeruhan < 25 NTU. Batasan kekeruhan tersebut mengacu pada persyaratan air bersih menurut Peraturan Menteri Kesehatan No.416/MENKES/PER/IX/1990 tanggal 3 September 1990 tentang Syarat-syarat dan Pengawasan Kualitas Air Bersih dan Air Minum.
C.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian adalah melakukan kajian karakterisik hidraulik filter beton dan karakteristik cucibalik filter beton yang mencakup hal-hal sebagai berikut:
1. Pengembangan rumusan teoritis perubahan porositas dan diameter partikel filter beton berdasarkan porositas dan diameter partikel pasir penyusun filter akibat penambahan semen sebagai bahan pengikat pasir.
2. Pengembangan rumusan teoritis perubahan sifat hidraulik filter beton berdasarkan sifat hidraulik filter pasir ditinjau dari kehilangan tinggi tekanan. Rumusan teoritis
9 kehilangan tinggi tekanan dikalibrasi dengan uji aliran pada berbagai variasi kecepatan melewati filter beton yang dibuat dengan ukuran partikel pasir yang bervariasi. Hasil kalibrasi ditujukan untuk mengetahui faktor-faktor yang berpengaruh dan mendapatkan faktor koreksi perubahan kehilangan tinggi tekanan filter beton terhadap filter pasir.
3. Kajian kapasitas filter beton mengalirkan atau memproduksi air dan kemampuan filter beton mereduksi kekeruhan air.
4. Pengembangan rumusan teoritis pelepasan partikel suspensi selama cucibalik filter beton. Rumusan teoritis dikalibrasi dengan uji coba cucibalik pada berbagai variasi kecepatan terhadap filter beton yang dibuat dengan ukuran partikel pasir yang bervariasi. Hasil kalibrasi ditujukan untuk mengetahui faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pelepasan partikel dan untuk mendapatkan nilai koefisien konstanta pelepasan partikel suspensi selama cucibalik filter beton.
D. Manfaat Penelitian
Penelitian mengenai beton porus sebagai bahan struktur ringan seperti perkerasan porus (paving block) untuk meresapkan air hujan sudah banyak dilakukan, namun penelitian beton porus sebagai media filter untuk keperluan penjernihan air masih sangat sedikit dilakukan. Hasil penelitian diharapkan memberikan manfaat sebagai berikut:
1. Memberikan ide dan gagasan bagi peneliti lain untuk melakukan berbagai kajian yang mendukung pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi filtrasi dengan filter beton. Peluang penelitian menyangkut pengembangan teori filtrasi dengan filter beton sangat luas, baik dalam aspek struktur/bahan, aspek hidraulik maupun dalam aspek proses filtrasi partikel suspensi yang terdapat dalam air. Pendekatan proses filtrasi dapat ditinjau dari berbagai aspek, baik fisik/hidraulik, kimiawi maupun biologi. 2. Memberikan ide dan gagasan bagi penciptaan paket teknologi filtrasi dengan filter
beton untuk tujuan penyelesaian permasalahan penyediaan air bersih dengan air baku yang tidak memenuhi syarat kesehatan. Pengembangan teknologi filtrasi dengan filter beton yang tepat guna dan berdaya guna tinggi yang berorientasi pada kemanfaatan yang luas di masyarakat sangat dibutuhkan. Filter beton dapat diciptakan dengan berbagai bentuk yang kompak, menyesuaikan kebutuhan dan dapat dioperasikan
10 dengan mudah tanpa ketrampilan tinggi. Masyarakat dapat membuat dan mengoperasikan sendiri instalasi filtrasi dengan filter beton apabila dengan dibekali pelatihan singkat. Filter beton dapat digunakan dalam lingkup rumah tangga maupun dalam lingkup komunal di masyarakat atau dalam lingkup/kondisi khusus seperti pada saat terjadi kekurangan air bersih akibat bencana alam.
