266
Perancangan Pengukur Laju Alir pada Sistem Penyaringan Limbah Cair
Agus Muhemin
1, Zahran Nur Addha M
2, B.S. Rahayu Purwanti
3, Yogi Widiawati
41,2,3,4 Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Elektronika Industri, Politeknik Negeri Jakarta
Jl. Prof. Dr. G.A Siwabessy, Kampus Baru UI, Depok, 16424
E-mail:
(1)[email protected],
2)[email protected]
3)[email protected], 4)[email protected]Abstract
The behavior of craftsmen in the Tempe Block, Citeureup, Bogor Regency endangers the surrounding environment, they dispose of their residual liquid waste into the Cibeber River. Tempe / tofu production per craftsman 200-600 kg of soybeans which are processed into tempe / tofu. One time to produce tempe it takes 6 drums of clean water to wash, boil, ferment, grind, and filter soybeans. Production liquid waste needs to be handled so as not to pollute the environment. One production, about 345,600 dm3 (liter) of liquid waste is disposed of to the kitchen floor. This calculation does not include household wastewater. Production waste enters drainage channels and is integrated with wastewater from households. River water is cloudy, greenish yellow, and smells bad due to pollution. If it is not immediately addressed, the densely populated and labor-intensive environment can be disrupted. The way the filter system works in this study adopts a filtering concept consisting of three stages with materials, namely quartz sand, zeolite, and activated charcoal. The focus of research is to test the flow meter function to detect the flow rate in the pipe. Blockages during screening have not been previously found on a laboratory scale. Filter clogging is due to the filtered solid waste, measuring the flow rate with the FS400A G1 flow meter connected to the Arduino Mega 2560. The results of the flow rate detection are displayed on the TFT LCD. Flow rate detection system for predicting blockage due to solids filter. Buzzer as an indicator to warn of clogged filter gaps in the filtering process.
Keywords: Arduino Mega, Flow Meter FS400A G1”, Flow Rate, Liquid Waste, Monitoring Abstrak
Perilaku pengrajin di Blok Tempe, Citeureup, Kabupaten Bogor membahayakan lingkungan sekitarnya, mereka membuang limbah cair produk residu ke Sungai Cibeber. Tempe/tahu produksi per pengrajin 200-600 kg kedelai yang diolah menjadi tempe/tahu. Satu kali produksi tempe perlu 6 drum air bersih untuk mencuci, merebus, fermentasi, menggiling, dan menyaring kedelai. Limbah cair produksi perlu ditangani agar tidak mencemari lingkungan. Satu
produksi, sekitar 345.600 dm3(liter) limbah cair yang dibuang ke lantai dapur. Perhitungan ini tidak termasuk air limbah
rumah tangga. Limbah produksi memasuki saluran drainase dan terintegrasi dengan air limbah dari rumah tangga. Air sungai keruh, berwarna kuning kehijauan, dan berbau tidak sedap karena polusi. Jika tidak segera ditangani, maka lingkungan padat penduduk dan padat karya dapat terganggu. Cara kerja sistem penyaring pada penelitian ini mengadopsi konsep penyaringan terdiri dari tiga tahap dengan bahan, yaitu pasir kuarsa, zeolite, dan arang aktif. Fokus penelitian uji fungsi flow meter untuk mendeteksi laju alir pada pipa. Penyumbatan selama penyaringan belum ditemukan sebelumnya pada skala laboratorium. Penyumbatan filter karena limbah padat yang disaring, pengukuran laju alirnya dengan flow meter FS400A G1 yang terkoneksi ke Arduino Mega 2560. Hasil deteksi laju alir ditampilkan pada TFT LCD. Sistem deteksi laju alir pada alat untuk untuk memprediksi penyumbatan akibat alat penyaring penuh padatan. Buzzer sebagai indikator untuk memperingatkan tersumbatnya celah filter pada proses penyaringan.
267
1. Pendahuluan
Limbah cair sisa produksi tempe di Blok Tempe Citeureup mengalir dan masuk sungai Cibeber. Sungai Cibeber merupakan pembatas wilayah RT 02/RW 11 dengan RW 13 Desa Citeureup Kabupaten Bogor. Satu kali produksi para pengrajin di Blok Tempe mampu mengolah 200-600 kg kedelai menjadi tempe. Jumlah pengrajinnya mencapai 96 % (288) dari total warga 300 Kepala Keluarga. Sekali produksi memerlukan 6 drum air bersih untuk tahap-tahapperebusan, fermentasi, penggilingan, penyaringan, dan peragian. Sisa produksi berupa limbah padat dan kulit kedelai sudah ditampung pengepul untuk pakan ternak. Limbah cair produksi tempe/tahu di Blok Tempe masih perlu ditangani agar tidak mencemari lingkungan. Perhitungan kasar air sungai terisi limbah cair (6 x 288)
drum = 1.728 drum kali 200 dm3. Limbah yang masuk
ke sungai Cibeber > 345.600 dm3 (liter) per
produksi/hari. Perhitungan tersebut belum termasuk buangan air rumah tangga. Limbah produksi tersebut masuk ke saluran drainase dan menyatu dengan buangan air dari rumah tangga. Air sungai keruh, warna kuning-kehijauan, dan berbau tak sedap akibat aliran kecil dan tercemar limbah. Bila hal ini tidak segera ditangani maka lingkungan sarat penduduk dan padat karya dapat terganggu lingkungannya.
Penanganan limbah dengan metode filterisasi telah dilakukan sebelumnya. Penggunaan arang aktif banyak digunakan sebagai adsorben zat warna, gas dan logam yang terkandung dalam air limbah rumah tangga [1]. Pasir kuarsa berguna untuk mengurangi kadar besi (Fe) dan mangan (Mn) serta sangat efektif dalam menyaring lumpur [2].Zeoliteberfungsi untuk membunuh bakteri dan mampu mengikat logam yang terkandung dalam air [3]. Ketiga peneliti tersebut belum membahas kendala proses penyaringan yang ditemukan pada upaya pengolahan limbah cair di Blok Tempe. Penyumbatan filter model drum vertikal dimulai dari ruang sekat paling atas. Poresitas sela-sela pasir kuarsa material filter ruang sekat paling atas tersumbat. Penyumbatan akibat padatan limbah yang terfilter ini belum diperhitungkan sebelumnya. Nyiru dapat diangkat berikut material filternya jika penyaringan selesai. Kejadian penyumbatan saat penyaringan belum ditemukan sebelumnya di skala laboratorium.
Penyumbatan filter akibat padatan limbah yang tersaring menjadi ide untuk mengimplementasikan harapan pengusul dengan integrasi dua sensor (turbidity dan flow meter) sehingga penumpukan padatan limbah dapat terdeteksi sebelum penyumbatan. Kedua sensor ini juga terkoneksi ke pemonitor, agar padatan limbah yang terfilter terukur di ruang sekat material filter. Penyaringannya terdiri dari tiga tahapan dengan material berbeda, yaitu media filter pasir kuarsa, zeolite, dan arang aktif. Sepasang sensor dipasang pada setiap ruang sekat filter limbah cair
dalam tangki set drum ke-1. Celah filter yang tersumbat dideteksi laju alir limbahnya. Deteksi laju alir dengan flow meter FS400A G1” di celah filter mengindikasi penyumbatan oleh padatan limbah. Makin kecil hasil deteksi flow meter, mengindikasi makin tersumbat filternya. Makin banyak padatan penyumbat meningkat pula hasil deteksi sensor kekeruhan yang nilai kekeruhannya didisplai ke TFT LCD 3,5”. Selain dua set drum yang dipasang di salah satu produsen di Blok Tempe, dibuat juga alat peraga skala laboratorium untuk uji sistem filter. Bahan material sama tetapi ruang filter menggunakan kotak
acrylic sebagai pengganti drum. Pompa dari set drum 1
ke 2 lebih kecil daya dan ukurannya.
2. Metode Penelitian
2.1. Perancangan Alat
Perancangan alat pendeteksi laju alir pada sistem pemonitor penyaringan limbah cair pada tugas akhir ini secara umum dibagi menjadi dua bagian, yaitu perancangan mekanik dan pemrograman sistem.
Realisasi sistem fokus pada: (1)instalasi sensor flow
meter sebagai pendeteksi laju aliran air, (2)instalasi
buzzer sebagai indikator, (2)instalasi pompa dan
solenoid valve 12V DC sebagai aktuator,
(4)pemrograman instruksi pemroses data pada
mikrokontroller Arduino Mega, (5)pemrograman
tampilan HMI pada Nextion HMI TFT LCD 3,5” Pelaksanaan perakitan alat pada sistem sesuai Diagram Blok (Gambar 1) pada setiap bloknya:
Mikrokontroler Arduino Mega PROSES INPUT OUTPUT Flow Meter Sensor
Modul Nection HMI TFT LCD 3,5"
Buzzer Solenoid Valve
Pompa 12V DC Gambar 1. Diagram Blok
Sensor Flow Meter FS400A G1” (Gambar 2) terdiri dari bodi katup plastik, rotor dan sebuah sensor Hall
Effect [4]. Flow Meter memanfaatkan fenomena hall effect untuk mengukur debit fluida. Hall-Effect
merupakan transduser yang output tegangannya berubah terhadap respon medan magnetik.Ketika ada arus listrik yang mengalir pada perangkathall effect yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Saat fluida mengalir melewati rotor, rotor akanberputar dengan kecepatan yang proporsional
268
dengan kecepatan linier fluida. Putaran rotor menyebabkan ujung blade rotor yang memiliki magnet menghasilkan sinyal pulsa digital on dan off yang dideteksi oleh sensor hall effect [5].Putaran tersebut menghasilkan sinyal pulsa digital yang banyaknya sebanding dengan banyak fluida yang mengalir. Sinyal pulsa.tersebut diproses [6] menjadi data digital melalui mikrokontroler.
Gambar 2. Sensor Flow Meter FS400A G1” Pengolahan data hasil deteksi tegangan sensor dengan instruksi mikrokontroler Arduino Mega (Gambar 3). Arduino Mega membutuhkan supply tegangan 5 V DC
dan dilengkapi dengan (1)54 pin I/O digital (15 dapat
digunakan sebagai output PWM), (2)16 pin analog
input, 4 UART, 16 MHz crystal oscillator, dll. Hasil konversi deteksi sensor (turbidity) diproses oleh mikrokontroler dan ditampilkan pada tampilan HMI Nextion.
Gambar 3. Mikrokontroler Arduino Mega Nextion TFT LCD (Gambar 4) dengani pin-pin berikut;
ground, Rx, Tx, dan VCC [7].TFT LCD mendapatkan
sumber tegangan VCC dan ground dari mikrokontroller Arduino Mega. Pengaturan koneksi Nextion, memungkinkan perangkat untuk terhubung dengan mikrokontroler yang berbeda, seperti Arduino Mega, Raspberry Pi, dan NodeMCU12e. Perangkat ini memiliki dua pin komunikasi, Tx untuk mengirim data, Rx untuk menerima data. Kedua pin ini dihubungkan ke pin Rx dan Tx mikrokontroler.
Gambar 4. TFT LCD Nextion 3,5” (NX4832T035)
Solenoid valve (Gambar 5) merupakan katup yang
digerakkan oleh energi listrik yang mempunyai koil sebagai penggeraknya [8]. Solenoid valve memiliki saluran masuk (inlet port) dan saluran keluar (outlet
port) yang berfungsi sebagai lubang masuk-keluarnya
air [9]. Ketika koil mendapat tegangan, plungerakan bergerak keatas menekan spring, sehingga spring berada diantara koil. Saat posisi plunger berada diatas, aliran dari lubang masukan akan melewati solenoid
valve.Solenoid valve juga terbagi menjadi dua jenis
berdasarkan cara kerjanya, yaitu Normally Close dan
Normally Open[10].
Gambar 5. Solenoid Valve 12V DC
Buzzer digunakan sebagai indikator [11] bahwa proses
telah selesai atau terjadi suatu kesalahan pada sebuah alat (alarm). Buzzer mampu menghasilkan frekuensi di kisaran 1-5 kHz dengan tegangan operasional buzzer berkisar 3-12 V. Modul buzzer KY-012 (Gambar 6) menghasilkan suara melalui instruksi program pada mikrokontroler. Tegangan output mikrokontroler menggerakkan diafragma [12] secara bolak-balik sehingga membuat udara bergetar yang akan
menghasilkan suara.
Gambar 6. Modul Buzzer KY-012
Gambar 7. Pompa 12V DC
Pada prinsipnya, pompa (Gambar 7) mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida (hidrolik) [13]. Energi yang diterima fluida berfungsi untuk menaikkan tekanan dan mengatasi tahanan pada saluran yang dilalui. Hal Ini dicapai dengan membuat suatu tekanan rendah pada sisi masuk (suction) dan tekanan tinggi pada sisi keluar (discharge) dari pompa [14]. Keseluruhan cara kerja alat pendeteksi laju alir pada sistem pemonitor penyaringan limbah cair
269
mengacu pada flowchart. Sensor flow meterterhubung ke pin digital Arduino Mega dan pin (Rx dan Tx) TFT LCD 3,5” terhubung ke pin digital (Rx dan Tx) Arduino Mega. Instruksi program “pendeteksi flow
rate” mikrokontroler berfungsi untuk mengkonversi
hasil deteksi sinyal pulsa berupa tegangan dan menampil hasil konversi tersebut pada tampilan HMI Nextion.
3. Hasil Dan Pembahasan
Pengujian alat terdiri dari tiga tahap yaitu: (1)kalibrasi
hasil pengukuran sensor flow meter, (2)pengujian
indikator dan fungsi buzzer, dan (3)pengujian
buka-tutup solenoid valve. Hasil deteksi sensor flow meter dibandingkan dengan perhitungan rumus debit dengan satuan liter per menit (l/min).Buzzer sebagai indikator akan berbunyi ketika hasil ukur laju alir melewati batas minimum laju alir (< 2 l/min). Solenoid valve akan menutuo dan memberhentikan aliran air pada sistem pemyaringan limbah cair agar penyumbatan pada filter tidak semakin menumpuk.
Tabel 1. Hasil Pengukuran Sensor dengan Debit 2 l/min
Tabel 2. Hasil Pengukuran Sensor dengan Debit 5 l/min
Dari tabel 1 dan 2 dapat dianalisa hubungan antara hasil ukur sensor dengan debit 2 l/min dan 5 l/min dan rumus perhitungan [15] debit (1).Persentase error [16]kedua hasil ukur dihitung dengan (2) sebagai parameter kelayakan alat. Hasil pengukuran sensor dapat dihitung rata-rata persentase error(%) menggunakan rumus (3).
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 =𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑉𝑉 (1)
𝑃𝑃𝐷𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃𝐷𝐷𝑃𝑃𝐷𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃𝐷𝐷 𝐸𝐸𝑃𝑃𝑃𝑃𝐸𝐸𝑃𝑃 (%) = �𝐹𝐹𝑉𝑉−𝑄𝑄𝑄𝑄 � × 100% (2) 𝑅𝑅𝑃𝑃𝐷𝐷𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐷𝐷𝑃𝑃 𝐷𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃𝐸𝐸𝑃𝑃 (%) =𝑏𝑏𝑊𝑊𝑏𝑏𝑏𝑏𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑑𝑑𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊∑data 𝑉𝑉𝑒𝑒𝑒𝑒𝑉𝑉𝑒𝑒 (3)
4. Kesimpulan
Berdasarkan pembuatan rancangbangun alat pendeteksi laju alir pada sistem pemonitor penyaringan limbah cair dan pengujian yang telah dilakukan, diperoleh kesimpulan:
1. Implementasi sensor flow meter FS400A G1” pada sistem pemonitor penyaringan limbah cair sudah sesuai tujuan. Sensor flow meter mampu mendeteksi laju alir (flow rate) dalam satuan liter per menit (l/min) dan ditampilkan pada TFT LCD 3,5”
2. Fungsi sensor flow meter FS400A G1”pada sistem pemonitor penyaringan limbah cair secara keseluruhan juga sudah sesuai dengan tujuan, yaitu untuk mengantisipasi terjadinya penyumbatan filter oleh padatan limbah saat proses penyaringan limbah cair berlangsung. Saat hasil deteksi sensor melewati batas minimum laju alir (< 2 l/min) maka indikator buzzer berbunyi dan solenoid valveakan menghentikan laju alir.
3. Berdasarkan pengujian kalibrasi hasil pengukuran sensor, didapatkan total keseluruhan rata-rata error (%) sensor sebesar 4,06 %. Sehingga dapat dikatakan rata-rata akurasi sensor flow meter sebesar 95,94%.
4. Berdasarkan pengujian, besar dan kecilnya debit atau laju alir yang diukur mempengaruhi tingkat akurasi hasil pengukuran sensor.
Ucapan Terima Kasih
Terima kasih kepada Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (P3M) PNJ yang telah mendanai penelitian ini dalam skim Bantuan Tugas Akhir Mahasiswa (BTAM) Tahun Anggaran 2020.
Daftar Pustaka
[1] Kristianto, H. (2017). Sintesis Karbon Aktif dengan Menggunakan Aktivasi Kimia ZnCl2.
270
[2] Muhammad Nur Fajri, Y. L. (2017). Efektifitas Rapid Sand Filter untuk Meningkatkan Kualitas Air Daerah Gambut di Provinsi Riau. Jom
FTEKNIK, 4(1), 4.
[3] Alwin Mugiyantoro, I. H. (2017). Penggunaan Bahan Alam Zeolit, Pasir Silika, dan Arang Aktif dengan Kombinasi Teknik Shower dalam Filterisasi Fe, Mn, dan Mg pada Air Tanah di UPN "Veteran" Yogyakarta. Seminar Nasional
Kebumian Ke-10, 1130.
[4] Alel, C. D., & Aswardi, A. (2020). Rancang Bangun Buka Tutup Pintu Air Otomatis Pada Irigasi Sawah Berbasis Arduino Dan Monitoring Menggunakan Android. JTEV (Jurnal Teknik
Elektro dan Vokasional), 6(1), 167-178.
[5] Hakim, D. P. A. R., Budijanto, A., & Widjanarko, B. (2018). Sistem Monitoring Penggunaan Air PDAM pada Rumah Tangga Menggunakan Mikrokontroler NODEMCU Berbasis Smartphone ANDROID. Jurnal IPTEK, 22(2), 9-18
[6] Achmad Brahmantio Ramadhan, S. S. (2019). Desain dan Implementasi Pengukuran Debit Air Menggunakan Sensor Water Flow Berbasis IoT.
e-Proceeding of Engineering, 6, 2.
[7] Antonio Carlos Bento, A. R. (2019). NodeMCU12e + Nextion TFT an Experimental Sruvey with Virtual Keyboard in IoT Projects.
International Journal of Advanced Engineering Reasearch and Science (IJAERS), 6(1), 39-41.
[8] Fadli Sirait, F. S. (2017). Peningkatan Efisiensi Sistem Penditribusin Air dengan Menggunakan IoT (Internet of Things). Jurnal Teknologi
Elektro, 8(3), 234-235.
[9] Rhendy, R., & Hakim, A. R. (2019). Perancangan Dan Implementasi Keran Air Otomatis Dengan Sensor Ultrasonik Berbasis Arduino. Computer
and Science Industrial Engineering (COMASIE), 1(01), 92-101.
[10] Raharja, I. K. A. W., Zamzami, F., Fransiska, I. G. F., & Janardana, I. G. N. Smart Irigasi Berbasis Arduino Sebagai Kontrol Air Subak untuk Mempertahankan Ketahanan Pangan. [11] Hervita, D., Taqwa, A., & Rose, M. M. (2017).
Sistem Monitoring Level Air Radiator Kendaraan Dengan Metode Fuzzy. Jurnal Elektro dan
Telekomunikasi Terapan, 4(1), 485-485.
[12] Pramana, R., & Nababan, R. (2019). Perancangan Perangkat Penghitung Jumlah Penumpang Pada Kapal Komersial Menggunakan Mikrokontroller.
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan, 8(1), 18-29.
[13] Ardiansyah, S. (2018). Prototype Pengontrol Pengisian Tandon Air Secara Paralel Menggunakan Solenoid Valve Berbasis Atmega 2560. Jurnal Informatika, 7(2).
[14] Yana, K. L., Dantes, K. R., & Wigraha, N. A. (2017). Rancang Bangun Mesin Pompa Air dengan Sistem Recharging. Jurnal Pendidikan
Teknik Mesin Undiksha, 5(2)
[15] Gunastuti, D. A. (2018). Pengukuran Debit Air Pelanggan Air Bersih Berbasis IoT Menggunakan Raspberry Pi. EPIC (Journal of Electrical Power,
Instrumentation and Control), 1(2), 167-175
[16] Frima Setyawan, A. A. (2017). Telemetri Flow Meter Menggunakan RF Modul 433MHz Berbasis Arduino. JEEE-U (Journal of Electrical
and Electronic Egineering-UMSIDA), 1(1), 9..
LAMPIRAN
Tabel 3. Pengujian Indikator dan Fungsi Buzzer
271
Gambar 9. Grafik Perbandingan Hasil Deteksi Sensor dan Rumus Perhitungan Debit
dengan Debit 2 l/min
Gambar 10. Grafik Perbandingan Hasil Deteksi Sensor dan Rumus Perhitungan Debit
dengan Debit 5 l/min
Gambar 11. Tampilan HMI pada Box Pemonitor
Gambar 12. Tabung Penampung Limbah Cair
Gambar 13. Tampak Keseluruhan Alat Pemonitor Penyaringan Limbah Cair
