Program Studi Teknik Lingkungan
Nama Mata Kuliah Perencanaan Bangunan Pengolahan Air Minum
Jumlah SKS 3
Pengajar 1. Prof. Dr. Ir. Mary Selintung, MSc.
2. Dr. Eng. Ir. Hj. Rita Tahir Lopa, MT 3. Ir. Achmad Zubair, MSc.
4. Dr. Eng. Bambang Bakri, ST., MT.
5. Roslinda Ibrahim, SP., MT
Sasaran Belajar
Setelah lulus mata kuliah ini mahasiswa mampu membuat perencanaan dan perancangan bangunan pengolahan air minum
Mata Kuliah Prasyarat Penyediaan Air Minum
Deskripsi Mata Kuliah
Mata Kuliah bangunan pengolahan air Minum merupakan mata kuliah yang diwajibkan bagi mahasiswa semester VI yang telah mengikuti materi perkuliahan penyediaan air minum. Materi perkuliahan mencakup pembahasan mengenai pengertian dan metode perencanaan bangunan pengolahan air minum; penentuan kebutuhan air dan debit air baku, analisis kualitas air baku, perencanaan bangunan unit pengolahan: intake, prasedimentasi, koagulasi dan flokulasi, sedimentasi, filtrasi, disinfeksi, pengolahan lumpur, reservoir dan pengolahan lumpur.
FILTRASI 12
I PENDAHULUAN
1.1 CAKUPAN ATAU RUANG LINGKUP MATERI PEMBELAJARAN Materi pembahasan pada pertemuan ke-12 (duabelas) ini adalah:
Jenis filter
Filter pasir cepat
Filtrasi mikroflok
Pencucian filter
Pemeliharaan
Kriteria desain 1.2 SASARAN PEMBELAJARAN
Setelah mengikuti pertemuan ini mahasiswa diharapkan mampu memahami dan menjelaskan mengenai mekanisme, pencucian,pemeliharaan dan kriteria desain bangunan/bak filtrasi.
1.1 PRILAKU AWAL MAHASISWA
Sebaiknya mahasiswa telah mengetahui dan memahami materi pembahasan pada perkuliahan sebelumnya, utamanya materi mengenai unit distribusi pada sistem penyediaan air.
1.4 MANFAAT
Manfaat yang diperoleh setelah mengikuti pertemuan ini adalah meningkatkan pengetahuan mahasiswa mengenai hal-hal yang terkait dengan filtrasi, termasuk didalamnya mengenai mekanisme, pencucian,pemeliharaan dan kriteria desain bangunan/bak filtrasi.
1.5 URUTAN PEMBAHASAN
Materi pembahasan dimulai dengan pengetahuan mengenai pengertian dan jenis filter. Kemudian secara berurut materi pembahasan mengenai Filter pasir cepat, filtrasi mikroflok, pencucian filter, pemeliharaan dan kriteria desain.
1.6 PETUNJUK BELAJAR
Mahasiswa diharapkan membaca isu terkait pada media massa yang menambah wawasan secara umum. Membaca bahan yang akan dikuliahkan pada minggu berikut agar dapat lebih siap dan dapat didiskusikan pada pertemuan berikut.
3
II PENYAJIAN
2.1 UMUM
Proses yang terjadi pada unit filter adalah penyaringan (filtrasi). Filtrasi merupakan proses alami yang terjadi di dalam tanah, yaitu air tanah melewati media berbutir dalam tanah dan terjadi proses penyaringan. Dengan meniru proses alam ini, dikembangkan rekayasa dalam bentuk unit filter.
Tujuan filtrasi adalah untuk menghilangkan partikel yang tersuspensi dan koloidal dengan cara menyaringnya dengan media filter. Selain itu, filtrasi dapat menghilangkan bakteri secara efektif dan juga membantu penyisihan warna, rasa, bau, besi dan mangan.
2.2 JENIS FILTER
1. Berdasarkan kecepatan alirannya, filtrasi dibagi menjadi:
Slow sand filter (saringan pasir lambat)
Filter ini merupakan penyaringan partikel yang tidak didahului proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran dalam media pasir ini kecil karena ukuran media pasir lebih kecil. Saringan pasir lambat lebih menyerupai penyaringan air secara alami.
Rapid sand filter (saringan pasir cepat)
Filter ini merupakan penyaringan partikel yang didahului proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran air dalam media pasir lebih besar karena ukuran media pasir lebih besar. Filter ini digunakan untuk menyaring partikel yang tidak terendapkan di bak sedimentasi.
2. Berdasarkan arah alirannya, filtrasi dibagi menjadi:
down-flow filtration
up-flow filtration
up flow-down flow filtration
horizontal flow filtration
3. Berdasarkan sistem pengaliran/driving force, filtrasi dibagi menjadi:
gravity filtration
pressure filtration
4 Selain pasir sebagai media filter, terdapat juga membran dan karbon aktif sebagai media filtrasi dengan tujuan yang lebih khusus. Membran biasanya digunakan sebagai media filter untuk proses penyaringan bahan yang ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan ukuran partikel (suspended solid). Karbon aktif digunakan untuk media adsorpsi dengan tujuan untuk menghilangkan bahan organik.
2.3 FILTER PASIR CEPAT
1. Mekanisme filtrasi dalam filter pasir cepat meliputi:
Penyaringan secara mekanis (mechanical straining)
Sedimentasi
Adsorpsi atau gaya elektrokinetik
Koagulasi di dalam filter bed
Aktivitas biologis
Biasanya flok yang dibawa ke filter berukuran lebih kecil dari pasir. Jadi filtrasi tidak dapat menjadi semacam metode penyaringan. Flok akan tertempel pada permukaan pasir dan mengumpul sehingga bisa tertahan di pasir tanpa keluar ke air olahan. Oleh karena itu, mekanisme sistem filtrasi cepat (koagulasi- filtrasi) merupakan perekat dan jembatan, yang berarti bahwa esensi dari filtrasi cepat adalah "koagulasi".
Dalam filtrasi cepat, flok tertahan (tinggal) di seluruh bagian filter. Tentu, jumlah retensi terbesar di bagian atas dan menurun ke bawah tetapi lebih baik untuk menahan jumlah yang lebih banyak di bagian tengah sehingga masa filtrasi dapat diperpanjang. Penambahan jenis lain dari bahan filter seperti Antrasit adalah salah satu cara perbaikan. Efek penambahan ini akan memperbesar
Pasir
Flok
Berpindah di antara pasir Tertempel
di pasir
Mikro- flok
Permukaan pasir
Mikro- flok
Gambar 12.1 Mekanisme filtrasi cepat
5 jumlah retensi dengan menempatkan partikel yang lebih besar untuk membuat ruang sehingga flok menjadi lebih lebar.
Karena bagian mikro-flok yang tertempel tumbuh menjadi lebih besar, jalan air menjadi lebih sempit dan aliran air menjadi lebih cepat. Selanjutnya, bagian flok akan terkikis dari pasir dan lolos ke air olahan. Hal ini akan terjadi ketika filter mencapai jumlah retensi maksimum.
Jika tempelan berproses, jalan air menjadi sempit
Jika jalan air sempit, aliran air cepat
Pasir Flok tertempel primer
Flok tertempel sekunder Kedalaman pasir
Jumlah retensi Jumlah retensi maksimum
Kedalaman pasir
Jumlah retensi
Dasar pasir
Bagian putih:
Kapasitas tersisa
penambaha n
Anthrasit
=> Menaikkan jumlah retensi
Dasar pasir
Gambar 12.2 Retensi dari filtrasi dalam
Gambar 12.3 Flok tertempel
6 2. Bagian-bagian dari filter pasir cepat meliputi:
Bak filter, bak ini merupakan tempat proses filtrasi berlangsung. Jumlah dan ukuran bak tergantung debit pegolahan (minimum dua bak).
Media filter, media filter merupakan bahan berbutir/granular yang mempunyai pori-pori. Di pori-pori antar butiran inilah air mengalir dan terjadilah proses penyaringan. Media dapat tersusun oleh satu macam bahan (single media), dua macam (dual media), atau banyak media (multi media).
Susunan media berdasarkan ukurannya dibedakan menjadi:
o Seragam (uniform) o Gradasi (stratified) o Tercampur (mixed)
Sistem underdrain, underdrain merupakan sistem pengaliran air yang telah melewati proses filtrasi yang terletak di bawah media filter. Underdrain terdiri atas:
o Orifice, yaitu lubang pada sepanjang pipa lateral sebagai jalan masuknya air dari media filter ke dalam pipa.
o Lateral, yaitu pipa cabang yang terletak di sepanjang pipa manifold.
o Manifold, yaitu pipa utama yang menampung air dari lateral dan mengalirkannya ke bangunan penampung air.
Gambar 12.4 Bagian-bagian filter
7 3. Pengoperasian filter pasir cepat
Selama proses filtrasi berlangsung, partikel yang terbawa air akan tersaring di media filter. Sementara itu, air terus mengalir melewati media pasir dan penyangga, masuk lubang/orifice, ke pipa lateral, terkumpul di pipa manifold, dan akhirnya air keluar menuju bak penampung (Gambar 10.2).
Partikel yang tersaring di media lama kelamaan akan menyumbat pori-pori media sehingga terjadi clogging (penyumbatan). Clogging ini akan meningkatkan headloss aliran air di media. Peningkatan headloss dapat dilihat dari meningkatnya permukaan air di atas media atau menurunnya debit filtrasi. Untuk menghilangkan clogging, dilakukan pencucian media.
Pencucian dilakukan dengan cara memberikan aliran balik pada media (backwash) dengan tujuan untuk mengurai media dan mengangkat kotoran yang menyumbat pori-pori media filter. Aliran air dari manifold, ke lateral, keluar orifice, naik ke media hingga media terangkat, dan air dibuang melewati gutter yang terletak di atas media (lihat Gambar 10.3).
Bila media filter telah bersih, filter dapat dioperasikan kembali.
Gambar 12.5 Aliran air pada saat operasi filter
Gambar 12.6 Aliran air pada saat pencucian filter
8
Head loss h
Periode operasi filtrasi t Turbiditas maksimum Maximum head loss
Turbidity C
Waktu Operasi o Head loss
Jika filtrasi berlanjut, resistensi tekanan dalam filter meningkat dan menaikkan permukaan air (head loss).
o Turbiditas air saringan
Seperti ditunjukkan dalam gambar, setelah backwash, kekeruhan menurun ke tingkat minimum dan bertahan dalam jangka waktu tertentu. Ketika kebocoran dimulai, kekeruhan meningkat secara bertahap. Ketika sampai ke sebuah kriteria (biasanya 1 NTU), filtrasi harus dihentikan (kekeruhan maksimum)
Oleh karena itu, kekeruhan harus dipantau untuk menghasilkan air yang baik tetapi hal ini tidak praktis. Supaya lebih mudah, amati head loss filtrasi bukan kekeruhan. Jika kekeruhan maksimum dicapai pada t1, periode head loss maksimum (t2) harus ditentukan sebelum t1. t1 dan t2 dapat dicari dengan metode trial and error. Dari situ, putuskan kapan backwash harus dilakukan dengan melihat head loss pada t2. seperti yang ditunjukkan pada gambar, kekeruhan akan tinggi di bagian pertama filtrasi, pembuangan lumpur dianjurkan untuk menjaga kualitas air yang baik.
2.4 FILTRASI MIKRO-FLOK
Ketika kekeruhan air baku rendah, hanya mikro-flok yang terbentuk, bukan jaringan flok yang dapat mengendap. Mikro-flok tidak dapat ditahan di sedimentasi dan akan dibawa ke filtrasi. Dalam hal ini, filtrasi mikro-flok harus dilakukan.
Konsep filtrasi mikro-flok berbeda dari metode koagulasi-filtrasi normal.
Metode mikro-flok diadopsi jika sedimentasi tidak berfungsi. Sebagaimana
9 ditunjukkan dalam tabel di bawah ini, mikro-flok akan ditahan di filtrasi sementara flok yang tumbuh ditahan di sedimentasi.
Tabel 10.1 Perbedaan antara operasi Normal dan filtrasi Mikro-flok Metode
Item Operasi Normal Filtrasi Mikro-
flok
Konsep Tahan di
sedimentasi Tahan di filtrasi
Tingkat ALT Tinggi Rendah
Status Flok
Komponen utama Aluminium
hydroxide Kekeruhan
Ukuran Besar Kecil
Berat jenis Kecil Besar
Sedimentasi Cepat Lambat
Hardness Halus Keras
Status Filtrasi
Jumlah retensi Kecil Besar
Head loss Besar (tinggi) Kecil (rendah) Kebocoran
turbiditas Awal Akhir
Masa operasi Pendek Panjang
Gambar flok
Metode mikro-flok penting untuk menghasilkan tingkat–ALT yang rendah, flok keras dan kecil sehingga dapat tertahan di filter. Sebaliknya, jika flok berbentuk pasta dengan tingkat -ALT-tinggi yang terkirim ke filtrasi, mereka cenderung untuk menyumbat jalan air di antara pasir, tinggal di bagian atas filter dan memperpendek periode operasi.
10 Gambar 12.7 Filtrasi Mikro flok
Dalam filtrasi mikro flok, perlu untuk memantau kekeruhan air filter karena adanya flok kecil yang terbentuk yang mungkin lolos dalam metode ini.
2.5 PENCUCIAN FILTER
Metode backwash adalah metode utama untuk memulihkan fungsi filtrasi.
Namun, biasanya, backwash tidak cukup untuk menghilangkan flok secara efisien. Untuk menghilangkan kotoran yang tidak dapat dihilangkan dengan backwash, metode surface-washing atau air-washing bersifat efektif untuk dipakai bersama backwash.
Metode surface-washing merusak lapisan kotoran yang terakumulasi di permukaan pasir. Potongan kotoran akan tertinggal di pasir, sehingga sebaiknya dilakukan sebelum backwash. Metode air-washing adalah untuk membilas kotoran dari partikel pasir dengan mengalirkan udara dari bawah filter. Hal ini dapat menyebabkan distribusi yang tidak merata dari pasir, sehingga harus mulai dan selesai selama backwash.
Carry-over pada operasi normal
Filtrasi mikro-flok
Gambar 12.8 Lapisan kotoran yang terbentuk pada permukaan (kiri), surface-washing (kanan)
11 Gambar 12.9 Metode alternatif merusak lapisan kotoran
2.6 PEMELIHARAAN
1. Pembersihan lapisan kotoran
Jika lapisan kotoran tebal dan volume besar yang terbentuk, metode pencucian normal tidak bekerja. Dalam kasus ini, kotoran harus diambil langsung dengan tangan. Pada kolam filter seperti ini, filtrasi susah berfungsi.
Hal ini diasumsikan bahwa lapisan lumpur terbentuk dengan tingkat-ALT-tinggi, flok berbentuk pasta dan menumpuk di pasir.
Gambar 12.10 defisiensi filter oleh lapisan kotoran
Kotoran jangka panjang akan menyatukan dirinya dan akhirnya menjadi bola lumpur.
Bola lumpur akan menebal setiap waktu dan turun ke pasir jika kerapatannya semakin besar. Bola lumpur di pasir akan memotong aliran air dan lebih dari itu, fragmen lumpur bisa lolos keluar ke air olahan.
2. Lumpur yang berproses
Skema berikut mengungkapkan struktur dari satuan pengolahan yang diperkenalkan ke banyak IPA. Air olahan langsung menuju reservoir dan tidak
Gambar 12.11 Bola lumpur pada filter
12 dikeluarkan dalam hal apapun. Pada saat back-wash, air dari reservoir kembali ke bak filter sehingga kotoran yang tertahan dalam pasir dapat dihilangkan.
Jika partikel kotoran lolos dari pasir, mereka secara alami akan masuk di ruang bawah filter atau dasar reservoir. Tetapi, dasar reservoir tidak bisa dicuci, kecuali reservoir dikosongkan. Biasanya, kotoran akan kembali.
Usaha yang paling penting adalah mencegah kebocoran air keruh dengan memantau kekeruhan di reservoir. Namun, jika kotoran sudah ada (jika air reservoir selalu mendung/berwarna putih), jaga supaya air olahan tetap bersih dengan operasi yang hati-hati (gunakan dosis dengan tingkat- ALT-rendah dan sering back-wash) dan hilangkan kotoran dengan mengambilnya secara bertahap.
3. Modifikasi back-wash
Titik lemah back-wash pada pengolahan jenis di atas adalah kontrol laju back-wash yang sulit. Jika aliran tidak cukup cepat (jika memakan waktu lama supaya air back-wash menjadi bersih), batasi jumlah kolam yang akan di back- wash secara bersamaan.
Jika aliran backwash lambat walaupun dengan satu kolam saja, mengangkat puncak reservoir lebih awal disarankan. Beberapa saluran over-
Reservo ir Bak
filter Operasi normal
Reservo ir Bak
filter Back-wash operation Reservo
ir Bak
filter Operasi
normal
Reservo ir Bak
filter Back-wash operation
13 Kondisi jelek Kondisi baik
Filter setelah backwash
flow ditempatkan lebih rendah dari yang diharapkan dan kita tidak bisa mendapatkan aliran back-wash yang cukup. Sebelum back-wash, tahan pipa saluran dengan papan atau sesuatu untuk mengangkat puncak air.
Selanjutnya, mulai back-wash seperti biasa dan angkat papan jika tidak perlu.
4. Kontrol “start” dan “finish” dari keran/katup secara bertahap Proses tiba-tiba atau arus
cepat dari air backwash dapat menyebabkan pencampuran lapisan filter. Kontrol “start”
dan “finish” dari keran/katup
pembuangan secara bertahap dapat menjaga lapisan filter dalam kondisi baik.
Di sisi lain, “start” yang cepat pada backwash akan menghamburkan lapisan lumpur di bagian bawah reservoir dan “finish” yang tiba-tiba akan menyebabkan urutan filter/pasir tidak teratur. Filter dalam kondisi buruk seperti ini tidak berfungsi dengan baik. Intensitas backwash akan ideal jika ketinggian pasir naik sampai 120-130% dari tinggi aslinya.
2.7 KRITERIA DESAIN
1. Kecepatan penyaringan : 6 – 11 m/jam 2. Pencucian :
Sistem pencucian : Tanpa/dengan blower & atau surface wash
Kecepatan : 36 – 50 m/jam
Lama pencucian : 10 – 15 menit
Periode antara dua pencucian: 18 – 24 jam
Ekspansi 30 – 50%
Operasi normal Sebelum back-wash operation Reservoi
r Bak
filter
Reservoi r Bak
filter
14 3. Media pasir:
Tebal 300 – 700 mm
o Singel media : 600 – 700 mm o Media ganda : 300 -600 mm
Ukuran efektif,ES : 0,3 – 0,7 mm
Koefisien keseragaman ,UC : 1,2 – 1,4
Berat jenis : 2,5 – 2,65 kg/dm3
Porositas 0,4
Kadar SiO2 > 95 % 4. Media antransit:
Tebal : 400 – 500 mm
ES : 1,2 – 1,8 mm
UC : 1,5
Berat jenis : 1,35 kg/dm3
Porositas: 0,5
5. Filter botom/dasar saringan:
a. Lapisan penyangga dari atas ke bawah
Kedalaman : 80 – 100 mm Ukuran butir : 2 – 5 mm
Kedalaman : 80 – 100 mm Ukuran butir : 5 – 10 mm
Kedalaman : 80 – 100 mm Ukuran butir : 10 – 15 mm
Kedalaman : 80 – 150 mm Ukuran butir : 15 – 30 b. Filter Nozel
Lebar Slot nozel : < 0,5 mm
Prosentase luas slot nozel terhadap luas filter: > 4 %
15 III. PENUTUP
3.1 RANGKUMAN
Tujuan filtrasi adalah untuk menghilangkan partikel yang tersuspensi dan koloidal dengan cara menyaringnya dengan media filter. Selain itu, filtrasi dapat menghilangkan bakteri secara efektif dan juga membantu penyisihan warna, rasa, bau, besi dan mangan.
Berdasarkan kecepatan alirannya, filtrasi dibagi menjadi flter pasir cepat dan filter pasir lambat. Mekanisme filtrasi dalam filter pasir cepat meliputi Penyaringan secara mekanis (mechanical straining), Sedimentasi, Adsorpsi, Koagulasi di dalam filter bed dan Aktivitas biologis.
3.2 SOAL TES FORMATIF
Untuk mengetahui tingkat penguasaan pengetahuan yang diperoleh mahasiswa, maka dosen sebagai fasilitator memberikan tes formatif berupa pertanyaan sebagai berikut:
1. Sebut dan jelaskan bagian-bagian dari filter pasir cepat !
2. Jelaskan secara singkat pencucian filter dengan metode backwash dan metode surface-washing !
3.3 UMPAN BALIK
Diskusi dan memberikan pertanyaan untuk memonitor penerimaan mahasiswa akan bahan kuliah yang disajikan.
3.4 DAFTAR PUSTAKA
Qasim, Syed R, Edward M. Motley, dan Guang Zhu, Water Works Engineering:
Planning, Design dan Operation, Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, NJ 07458, 2000.
Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2nd edition, PWS Publishing Company, Boston, 1996.
Standar Nasional Indonesia (SNI) 6774: 2008 tentang Tata cara perencanaan unit paket instalasi pengolahan air, Badan Standarisasi Nasional
