1
DDA3523 Kejuruteraan Alam Sekitar (Environmental Engineering)
Bab 4- Bekalan Air (Water Supply)
4.1 Skim Bekalan Air
Sebarang rancangan untuk menyediakan bekalan air bagi sesebuah kawasan akan didahului dengan kajian kemungkinan (feasibility study). Objektif kajian ini ialah menyediakan pelan induk bagi pembangunan skim bekalan air secara berperingkat bagi memenuhi keperluan air di masa hadapan. Antara aktiviti -aktiviti utama dalam kajian tersebut ialah:
1) Kajian anggaran keperluan air dan pertumbuhan penduduk
Keperluan air adalah berdasarkan kepada: a) bilangan pengguna,
b) permintaan (keperluan) air per kapita, c) faktor perkhidmatan, dan
d) keperluan oleh industri.
Maklumat mengenai pertumbuhan penduduk dan pembangunan industri diperolehi daripada sumber-sumber seperti Jabatan Perangkaan, Unit Perancang Ekonomi, dan lain-lain.
2) Kajian sumber air
Penentuan punca-punca bekalan air seperti sungai, air bumi, dan pengumpulan data-data hidrologi seperti hujan, sejatan, dan kadar alir sungai. Pembinaan empangan dan reservoir memerlukan data tambahan seperti topografi kawasan, data geologi, sedimen, penilaian kesan kepada alam sekitar dan lain-lain.
3) Kajian kualiti air dan keperluan rawatan
Data kualiti air dianalisis. Tahap dan jenis rawatan ditentukan. Punca-punca pencemaran dan langkah-langkah pengawalan dikenalpasti.
4) Kajian terhadap skim-skim alternatif
Skim bekalan air sedia ada di kawasan kajian dikaji dan dianalisis. Penilaian dibuat sama ada keupayaannya boleh ditingkatkan atau skim bekalan yang baru perlu dibentuk.
5) Analisis kewangan dan ekonomi
Objektif utama ialah mengenal pasti skim yang paling sesuai antara skim-skim alternatif. Kos permulaan, kos operasi, dan penyenggaraan bagi setiap skim ditentukan.
6) Cadangan pelan pembangunan
Hasil kajian kemungkinan ialah mencadangkan pelan pembangunan skim bekalan air yang dapat memenuhi permintaan sesuatu kawasan bagi tempoh sekurang-kurangnya 20 tahun.
7) Penyediaan laporan
2 4.1.1 Anggaran Keperluan Air
Keperluan air adalah berdasarkan bilangan penduduk yang menerima bekalan, penggunaan air per kapita, faktor perkhidmatan, keperluan oleh industri, dan lain-lain permintaan khusus. Keperluan air boleh dianggarkan seperti di bawah:
WDn = Pn × C × F + Da
dengan,
WDn = keperluan air pada tahun n
Pn = anggaran penduduk pada tahun n
C = anggaran keperluan air per kapita pada tahun n F = faktor perkhidmatan pada tahun n
Da = keperluan tambahan (pembangunan baru seperti estet-estet perindustrian) industri ringan : 22,000 L/Ha/hari
industri berat : 45,000 L/Ha/hari
4.1.2 Anggaran Pertumbuhan Penduduk (Pn)
Antara kaedah yang boleh diguna ialah kaedah graf, kaedah zon atau kaedah formula.
Pn = P0 (1 + r)n
dengan,
Pn = anggaran penduduk pada tahun, n
P0 = bilangan penduduk pada permulaan tahun „sifar‟
r = kadar pertumbuhan penduduk
n = perbezaan antara tahun ndengan tahun „sifar‟
4.1.3 Keperluan Air Per Kapita (Per Capita Water Needs)
Keperluan air per kapita ialah penggunaan air oleh seorang penduduk sehari. Nilai di bawah digunakan untuk menganggar permintaan air.
Kawasan bandar : 230 ˗ 320 Liter seorang sehari
Kawasan sub-bandar atau pinggir bandar : 180 ˗ 230 Liter seorang sehari
Kawasan kampung : 135 ˗ 180 Liter seorang sehari
Faktor-faktor yang mempengaruhi keperluan air per kapita 1) Keadaan iklim (climatic condition)
2) Taraf sosio ekonomi (socio-economic standard)
3) Jenis industri dan perdagangan yang dijalankan (type of industry and trade which is run) 4) Kualiti air (water quality)
5) Tekanan air dalam sistem paip agihan (water pressure within the pipe distribution system) 6) Kos air dan polisi pemasangan meter (water cost and policy of metering)
7) Penggunaan tandas pam dan sistem pembetungan (toilet useage) 8) Kesedaran sivik penduduk terhadap pembaziran
4.1.4 Faktor Perkhidmatan (Service Factor)
3 4.2 Permintaan Air (Water Requirements)
Air diperlukan untuk memenuhi permintaan daripada sektor-sektor berikut: 1. Domestik
2. Industri dan perdagangan 3. Kegunaan awam
4. Kebakaran
5. Pembaziran, kebocoran
4.3 Punca-punca Air (Water Sources) Air permukaan: kolam, tasik dan sungai.
Air bumi: jernih, kurang tercemar oleh bakteria, mengandungi banyak garam galian, logam dan gas.
Punca air ditentukan oleh: a) Kuantiti
b) Kualiti
c) Jarak antara punca air dengan pengguna d) Topografi
4.4 Proses Rawatan Air (Water Treatment Process)
Menghapuskan kekotoran dari segi fizikal, kimia dan biologi bagi menghasilkan air yang mematuhi piawai air minum. Ciri-ciri umum kualiti air minum:
Bebas dari bakteria yang membawa penyakit
Jernih atau tidak berwarna
Tidak mempunyai rasa atau bau (contoh: H2S macam telur yg kereputan)
Tidak bersifat mengkakis (corrosion)
Segar (cukup oksigen terlarut)
Bebas dari bahan beracun atau toksid
Bebas dari bahan galian dan organik yang berlebihan
Sila melihat Rajah 4.1.
4.4.1 Kerja-kerja pengumpulan air (Water collection works)
Struktur pemasukan air (intake) direkabentuk untuk mengumpul air dari punca dan menyalurkannya ke loji rawatan.
4.4.2 Jejaring atau skrin (Netting or screens)
Jejaring kasar dan halus diletakkan pada struktur pemasukan air untuk menahan bahan terapung yang besar daripada memasuki loji.
4.4.3 Kebuk kersik (Gravel or sand filter)
4 Rajah 4.1 Proses rawatan air konvensional
4.4.4 Pengudaraan (Oxygenation) Proses mengudarakan air bertujuan
Meningkatkan kandungan oksigen terlarut.
Menukarkan besi (Fe) dan mangan (Mn) daripada keadaan larut kepada tidak larut.
4 Fe+2 + O2 + 10 H2O → 4 Fe(OH)3↓ + 8 H+ 2 Mn+2 + O2 + 2 H2O → 2 MnO2 ↓ + 4 H+
Menyingkirkan gas H2S dan CH4 yang menyebabkan bau dan rasa.
H2S (diss gas) + O2 → SO4-2 (s) ↓
Menyingkirkan gas CO2 yang boleh menyebabkan kakisan pada paip.
CO2 (diss gas) + O2 → CO2(g)↑
Oleh kerana kandungan setiap gas di atmosfera dan air adalah seimbang, gas akan dibebaskan (freed or de-gases) apabila kepekatannya dalam air adalah tinggi dan diserap (absorbed or re-dissolved) apabila keadaan sebaliknya berlaku. Proses berlaku amat perlahan melainkan permukaan air yang luas terdedah pada atmosfera atau air dikocak. Proses mengudarakan air dilakukan dengan memasukkan udara ke dalam air atau memercikkan air ke udara. Kecekapan diukur melalui peningkatan kepekatan O2 atau pengurangan kepekatan CO2.
Punca
Air permukaan Air bumi
Kerja-kerja pengumpulan air
Pembasmian kuman
Lain-lain rawatan Sistem pam dan graviti
Sistem paip agihan
5 Sila lihat Rajah 4.2: Jenis-jenis pengudara
Ada dua jenis cara: Air masuk udara Udara masuk air
air
O2
O2 CO2
H2S
udara
H2S
CO2 O2
udara
6
4.4.5 Koagulasi dan flokulasi (Coagulation and flocculation)
Kehadiran koloid (partikel seni bersaiz 0.001µm – 1 µ m) menyababkan air kelihatan keruh (turbid). Koloid yang bercaj negative akan kekal terampai di dalam air dan tidak boleh ditapis menggunakan penapis konvenstional. Melalui proses koagulasi, bahan kimia koagulan seperti aluminium sulfat
[Al2(SO4)3] (“alum”) dimasukkan ke dalam air dan dibaurkan dengan cepat. Al2(SO4)3 larut dalam air dan bertindak dengan kealkalian air membentuk partikel mikroskopik aluminium hidroksida [Al(OH)3]. Flokulant Al(OH)3 (“flok”) yang bercaj positif dan bersifat lekit boleh meneutralkan caj negatif pada koloid. Koloid menjadi tidak stabil dan boleh bersatu. Pengocakan air secara perlahan melalui proses flokulasi menyebabkan koloid dan pepejal terampai berlanggar antara satu sama lain, bersatu membentuk partikel flok yang lebih besar. Partikel flok boleh mengenap dan ditapis.
Tindakbalas kimia
Al2(SO)4 + H2O → 2 Al(OH)3 ↓ (flok)
(Lihat Table 4.1 dan Figure 4.15 yg dilampirkan)
Teori Koagulasi
Tak pasti tentang mekanisme koagulasi tetapi empat (4) cara mungkin boleh berlaku:
1) Ionic layer compression [Fig 2-7(b)]
2) Adsorption & charge neutralization Ciri-ciri ions lebih penting dari kuantiti.
Dos berlebihan mungkin dan akan menterbalikkan caj bahawa stabiliti berlaku sekali lagi.
3) Sweep coagulation
Produk akhir di dalam hidrolisis alum ialah Al(OH)3 – aluminum hydroxide, yang berbentuk sebagai amorphous(“tanpa bentuk tetap”), gelatinous(“lekit”) flok, lebih berat dari air dan mengenap dan menyapu (“sweeps”) semua bahan seketika mengenap.
4) Interparticle bridging (Fig 4-15)
Latihan Koagulasi
pH 5.0 – 7.5 Aluminum sulfate digunakan (paling banyak air di dalam julat ini) pH 4.5+ Ferric chloride digunakan kadang kali
pH 9.5+ Ferrous sulfate digunakan
Dos alum biasanya antara 5 mg/L dan 50 mg/L bergantung kekeruhan (turbidity).
Kumpulan 1: Kekeruhan tinggi – alkalin rendah
Dos kecil = koagulasi lebih senang terus cara Adsorption & charge neutralization (A&cn); pH lebih rendah lebih baik.
Kumpulan 2: Kekeruhan tinggi – alkalin tinggi
pH tidak dipengaruhi oleh koagulant supaya A&cn kurang efektif dan dos yg lebih besar diperlukan untuk
cara „sweep‟ koagulasi.
7
Bilangan koloid lebih susah untuk koagulasi (contoh, lelaki dan perempuan); „sweep‟ koagulasi
digunakan selepas lebih banyak kekeruhan dihasilkan oleh tambahan tanah liat (bentonite clay) bahawa keperluan dos koagulan diguna lebih rendah.
Kumpulan 4: Kekeruhan rendah – alkalin rendah
9 4.4.5.1 Ujian balang (Jar test)
Ujian baling digunakan untuk menentukan jenis dan dos (dose) koagulan yang sesuai.
Kaedah
4) Flokulant akan terbit dan dibiarkan mendap. 5) Kekeruhan sampel ditentukan semula. Peratus pengurangan kekeruhan pada setiap bikar dicatit. Dos yang sesuai ialah yang peratus pengurangan kekeruhan paling tinggi. 6) Untuk menentukan pH terbaik bagi koagulan bertindak, pH air pada setiap bikar diubah dan air dibubuh dengan dos koagulan dari ujikaji pertama. Ujikaji diulang semula.
Perkara-perkara yang mempengaruhi koagulasi dan flokulasi
a) pH air b) kekeruhan c) kealkalian d) kadar pembauran e) suhu air f) jenis dan dos koagulan
g) kimia pembantu koagulan (contoh, polielektrolit, polimer, batu kapur, dan ll)
4.4.5.2 Tangki-tangki pembauran deras (Rapid-mixing tanks)
10
Keberkesanan pembauran bergantung kepada kecerunan halaju, G, dan masa tahanan, t.
Kecerunan halaju, G
Tahap pembauran diukur dengan kecerunan halaju, G. Tahap pembauran yang tinggi memberi nilai G
yang tinggi dan sebaliknya. Nilai G bergantung kepada kuasa masukan (P), kelikatan dinamik air (µ) dan isipadu tangki (V). Bagi tangki pembauran deras, G = 700-3000 s-1. (G ialah „velocity gradient‟ antara dua partikel, A dan B, dan ialah
; kalau ∆v = 1.0 m/s dan d = 0.1 m, G = 10 s
11 atau
dengan,
P = kuasa masukan, W (N· m/s atau kg· m2/s3)
µ = kelikatan dinamik air, (kg/m· s)
V = isipadu tangki campuran (m3)
P = ρ g Q h
dengan,
ρ = ketumpatan air (kg/m3) g = gravity (9.81 m/s2) Q = kadar alir air (m3/s) h = kehilangan turus (m)
kedalaman saluran, yair =
= > 1.0m
Jarak antara hujung sesekat dengan dinding tangki, z = 1.5x Panjang saluran, b: 2.0m – 3.0m
12 Rajah 4.5 Tangki pembauran deras
Oleh kerana
Masa tahanan, t
Purata masa partikel air berada dalam tangki. Bagi tangki pembauran deras, masa tahanan diantara 1 -2 minit.
dengan, Q = kadar alir air (m3/s).
4.4.5.3 Tangki flokulasi
13
Tangka jenis ini sesuai untuk loji rawatan yang kecil dan tidak memerlukan kemahiran dalam pengendalian. Namun, operasi tidak dapat dikawal dengan kemas.
Kriteria reka bentuk tangki sesekat (Jenis aliran mengelilingi hujung sesekat)
Masa tahanan, t = 20 – 30 minit
Isipadu air, V = kadar alir, Q × masa tahanan, t
Halaju aliran air di saluran antara sesekat (halaju air), v = 0.09 – 0.24 m/sec Jarak aliran air = Halaju air, v × masa tahanan, t
Luas keratan rentas saluran, A = Isipadu air/Jarak aliran air, V/vt Jarak antara sesekat, y > 0.20 m
Flokulasi mekanikal
Pembauran air dilakukan menggunakan pengayuh. Pembentukan flokulant dan kawalan operasi lebih baik, kehilangan turus rendah, mudah dipasang di loji-loji sedia ada dan kurang penggunaan bahan kimia. Kemahiran diperlukan bagi operasi dan penyenggaraan dan kos tinggi.
Kriteria rekabentuk
vp = halaju pengayuh berbanding halaju air (halaju hujung pengayuh), m/s = 75% daripada halaju pengayuh sebenar, va
va= 2 π r ω
ω = putaran pengayuh/minit
Daya seretan ke atas pengayuh diberi sebagai
FD = CD Apρ vp3 (4.2)
14
CD = pekali seretan, 1.8 untuk pengayuh rata Ap = luas pengayuh, m2
Masukkan (4.1) ke dalam (4.2)
P = CD Apρ vp3
G =
4.4.6 Pengenapan (Settling Operations)
Pemisahan pepejal terampai dan mendakan daripada air oleh daya graviti. Aliran air yang perlahan di dalam tangki pengenapan membolehkan pepejal terampai mengenap ke bawah dan terkumpul di dasar tangki. Bahan yang terkumpul dikenali sebagai enap cemar (sludge). Air yang keluar dari tangki adalah lebih jernih.
Jenis tangki pengenapan (Settling Tank Types)
1) Segiempat tepat (rectangular) dan segiempat sama (square) 2) Bulat (round)
Corak aliran air dalam tangki (Flow design inside the tank) Mendatar (horizontal)
Aliran ke atas (upflow) Alrian jejari (radial)
Sebuah tangki pengenapan dibahagikan kepada 4 zon:
a) Zon air masuk (inlet zone) : menyeragamkan aliran air dan pepejal terampai yang memasuki tangki pengenapan
b) Zon pengenapan (settling zone) : proses pengenapan berlaku c) Zon enap cemar (sludge zone) : enap cemar terkumpul d) Zon air keluar (outlet zone)
Reka bentuk zon pengenapan bergantung kepada
i) Halaju pengenapan partikel yang hendak disingkirkan, vs
ii) Halaju reka bentuk (design velocity); juga dikenali sebagai kadar limpahan permukaan (v0) iii) Masa tahanan (t)
Zon pengenapan
Zon air keluar (efluen) Zon air masuk
15 iv) Jenis partikel atau jenis pengenapan
Kadar limpahan permukaan (beban permukaan, v0)
Oleh kerana Q = V/t,
° Suasana tenang wujud di zon pengenapan
° Kadar alir dan kandungan pepejal adalah sekata di zon pengenapan ° Pepejal yang memasuki zon enap cemar tidak terampai semula
Kriteria reka bentuk tangki pengenapan
1) v0= 0.85 hingga 1.5 m3/m2· jam
16 2) t = 2-4 jam
3) Nisbah L:w = 3:1 hingga 5:1 4) h = 3.0 hingga 5.0 m
Pengenapan Jenis I (Pengenapan partikel terasing atau diskrit)
Pengenapan Jenis I merujuk kepada partikel yang mengenap secara terasing dengan halaju yang seragam. Saiz, bentuk, dan jisim partikel tetap (tidak berubah) semasa proses pengenapan, contoh: pasir. Halaju pengenapan partikel terasing boleh dinyatakan oleh Hukum Stokes dengan membuat anggapan tertentu. Kegunaan pengenapan Jenis I ialah dalam reka bentuk kebuk kersik.
Mengikut Hukum Stokes, halaju pengenapan bagi partikel terasing yang berbentuk sfera dan mengenap pada aliran lamina diberi seperti berikut:
dengan,
d = diameter partikel (m) ρp = ketumpatan partikel (kg/m3) ρw = ketumpatan air (kg/m3)
µ = kelikatan dinamik/mutlak air (kg/m· s)
g = cepatan oleh graviti (m/s2)
Persamaan di atas menyatakan halaju pengenapan secara teori. Halaju pengenapan yang sebenar adalah kurang daripada yang diperolehi disebabkan
i) partikel tidak benar-benar sfera
17
Mencari peratus partikel/zarah yang boleh mengenap dalam sebuah tangki pengenapan empat segi tepat dengan aliran mendatar
1. Partikel yang berada di kedudukan A iaitu pada ketinggian h dari dasar tangki dan mempunyai halaju pengenapan, vs = v0 akan terenap pada kedudukan B dalam tangki. Partikel ini mempunyai masa pengenapan, ts = t, masa tahanan tangki.
vs = v0 = h/t
2. Partikel yang mempunyai halaju pengenapan, vs > v0 akan terenap tidak kira di ketinggian mana sekalipun ia memasuki tangki tersebut. Partikel ini mempunyai masa pengenapan, ts < t, masa tahanan tangki.
3. Partikel yang mempunyai halaju pengenapan, vs < v0 akan terenap dalam zon enap cemar sekiranya memasuki tangki pada ketinggian, hs = vs t dari dasar tangki.
Peratus partikel (dengan halaju pengenapan, vs) yang boleh disingkirkan oleh sebuah tangki pengenapan dengan kadir limpahan permukaan, v0.
Pengenapan Jenis II (Pengenapan partikel kelompok/flok)
Pengenapan Jenis II merujuk kepada partikel yang berkelompok iaitu partikel yang bersatu antara satu sama lain semasa proses pengenapan. Oleh yang demikian, saiz dan halajunya sentiasa berubah (lazimnya halaju akan meningkat). Tiada perkaitan matematik yang sesuai yang boleh menerangkan Pengenapan Jenis II. Formula Stokes tidak boleh digunakan oleh kerana saiz dan bentuk partikel sentiasa berubah. Ujian di makmal menggunakan turus pengenapan (settling column) untuk mendapatkan data-data yang boleh digunakan untuk tujuan reka bentuk tangki.
