MATAKULIAH
SATUAN OPERASI
OLEH:
1 Mekanika Fluida Pengadukan
Fenomena mekanika fluida pengadukan dapat dijelaskan melalui penjelasan Hukum Newton mengenai viskositas seperti ilustrasi yang ditunjukkan pada gambar 2.1. Dari gambar 2.1 dapat dilihat bahwa lempeng seluas A yang berada di atas permukaan air ditarik dengan gaya F dan karena adanya kekentalan air maka air dibawahnya juga ikut terseret sampai dasar air.
Gambar 2.1 Ilustrasi viskositas pada Hukum Newton Apabila fenomena Hukum Newton mengenai viskositas di atas diturunkan pada bidang dua dimensi, hasilnya akan menjadi sbb:
dy dv A F x yx xz x Dimana:
Fx (N) = Gaya yang diterapkan pada lempeng pada arah x Axz(m2) = Luas lempeng mendatar pada sumbu xz
yx(N/m2) = Tegangan permukaan atau gaya per satuan luas lempeng yang berpengaruh pada arah y yang vertikal
(Ndt/m2) = Viskositas dinamik pada 30oC = 0,798 x 103 vx(m/dt ) = Kecepatan air pada arah x
y(m) = Arah y vertikal
Apabila rumusan di atas dikembangkan dalam bidang tiga dimensi (lihat gambar 2.2), dimana diperhitungkan zumbu z tegak lurus x, maka persamaan keseimbangan gaya dapat diturunkan sbb.
Plat seluas A Vx dy dv F y Gambar 2.1.
x y
p y z z y z y p x x p p z y p Fx 0 …..(2.14)Dimana p adalah tekanan yang bekerja pada kubus tiga dimensi yang diamati dalam hal ini sama dengan F/Ayz dengan demikian apabila kita melihat persamaan 2.13. Maka tekanan dapat diekpresikan sebagai berikut:
y y p ………..(2.15)
Gambar 2.2 Keseimbangan gaya pada bidang tiga dimensi Daya secara umum dapat diekspresikan sebagai
v F
P ………...(2.16)
Dengan mensubstitusikan persamaan di atas dalam kesetimbangan gaya, dapat diperoleh sebuah persamaan kesetimbangan Daya (lihat gambar 2.3) yaitu:
y z y y v v z x v z y y y v p z y p y y v v P Pout Pin 2 2 ………...(2.17) p z P+p/x. x +/x.x y x Gambar 2.2.Gambar 2.3 Kesetimbangan daya pada bidang tiga dimensi Apabila persamaan 2.17 dikembangkan lebih jauh lagi akan menjadi:
z y x y v z y x y v z y x x p v P ……….. (2.18)
Volume suatu kubus adalah :
z y x
V ………...(2.19)
Dengan menggabungkan persamaan 2.19 dengan persamaan 2.18, maka diperoleh persamaan sbb.
V P y v ……….…………...(2.20)
Dengan menggabungkan persamaan 2.13 dengan persamaan 2.20 maka akan didapatkan persamaan sbb.
V P y v 2 ………..………...(2.21)
Bila P diterapkan dalam suatu reaktor dengan volume V dan v/y merupakan gradien kecepatan G, maka secara matematis persaman di atas dapat disederhanakan sebagai berikut.
(v+ y. y).p
y 2 (p+ p. x). (v+ y. y)x y 2
v+ v).y y v+ y. y y v v Gambar 2.3.
V P VP ……….………...(2.22a) dan G y v ………...(2.22b)
Dengan mensubsitusi persamaan 2.22a dan 2.22b ke dalam persamaan 2.21, maka akan diperoleh persamaan baru sbb.
V P
G
2 ………...………(2.23a)
Atau persamaan ini dapat pula ditulis sebagai berikut.
2
VG
P ………...………..…(2.23b)
P adalah Daya atau power dengan satuan N.m/dt yang dimasukkan ke dalam air dengan volume V (m3) sebagai tenaga pengadukan
untuk mengasilkan gradien kecepatan senilai G (1/dt). Besaran G ini juga tergantung dari nilai kekentalan dari air atau Ndt/m2).
Didalam suatu perencanaan, G merupakan parameter terbentuk tidaknya flok. Oleh sebab itu nilai G dapat diketahui dan dihasilkan dari suatu reaktor. Sedangkan P dan V merupakan besaran yang harus dirancang dalam rangka menghasilkan G yang baik.
Letterman dan kawan kawan, pada tahun 1973, menemukan hubungan empiris antara G (waktu tinggal), td (waktu detensi) dan C (konsentrasi dosis alum). Hubungan antara G, td dan C ditunjukkan dalam persamaan berikut ini.
6 46 , 1 5,910 C Gtdopt ………...………..… (2.24) Dimana :
tdopt =adalah waktu detensi pada kondisi optimal C =adalah konsentrasi dari alum dalam mg/L
Secara umum gradien kecepatan yang disyaratkan untuk koagulasi dan flokulasi dapat dilihat pada tabel 2.2.
Nilai G dan lamanya pengadukan untuk koagulasi dan flokulasi G(1/dt) Td (dt) G.x td Koagulasi - Minimum 700 40 30 000 - Maksimum 1000 20 20 000 Flokulasi 20-70 10x60-20x60 10 000 – 100 000 Flokulasi umumnya dibagi dalam 4 sampai 6 tahap tergantung dari kebutuhan.
Nilai G dan td yang sesuai untuk diterapkan pada air yang akan diolah dapat diperkirakan melalui simulasi jar test.
Idealnya, nilai besaran G dan td suatu instalasi pengolahan air, perlu direncanakan dengan teliti. Namun sejak dilaksanakannya program pembangunan massal instalasi pengolahan air, nilai G dan td diambil sama untuk setiap daerah dan selain itu ada beberapa instalasi yang dibangun dengan kriteria perencanaan yang sama untuk setiap jenis air baku. Hal ini berakibat pada gagalnya sebagian instalasi dalam mengolah air sesuai dengan debit rencananya, umumnya terjadi pada sumber dengan air baku berwarna.
Untuk menyesuaikan kembali G dan td yang terlanjur salah ini, biasanya dilakukan pengaturan kembali debit operasionalnya (lihat persamaan 2.27).
Nilai G pada sebuah instalasi dapat diatur besarannya dengan mengatur hidrolisnya. Tetapi pengaturan nilai td sulit dilakukan karena menyangkut rancangan volume reaktor. Untuk itu, perencanaan td suatu instalasi pengolahan air terutama untuk flokulasi sangatlah penting. Flokulasi yang terlalu cepat akan menghasilkan flok yang kurang besar untuk diendapkan secara sempurna, sedangkan flokulasi yang terlalu lama akan menghancurkan kembali flok yang sudah jadi.
Sebagai gambaran, pada tabel 2.3 diberikan kriteria perencanaan untuk penentuan nilai G dan td yang disesuaikan dengan klasifikasi air bakunya yang disertai contoh instalasi Pengolahan Air (IPA) yang sudah dibangun dan telah beroperasi dengan baik sesuai dengan air baku yang diolah.
Tabel 2.3.Kriteria Nilai G dan Td yang dapat diterapkan atas
beberapa jenis air dengan Alum
Kriteria yang dapat diterapkan
Koagulasi Flokulasi Contoh IPA Jenis Air G(1/dt) td(dtk) GxTd G(1/dt) td(dtk) GxTd 1. Kekeruha n yg tinggi 500 60 30 000 20-70 10x60 104-105IPA 30 L/dt Cengkareng drain PIK*) Jakarta 2. Kekeruha n rendah sd sedang 500-1000 20-60 20 000-30 000 20-70 10-15x60 104-105IPA 50 L/dt Kab Purwakarta 3.Air berwarna 1000 60 30 000 20-40 15-20x60 104-105IPA 80 L/dt Kab S Raya Pontianak
1 Teknik Pengadukan
1.1 Umum
Pengadukan dalam pengertian mekanika fluida adalah memasukkan daya ke dalam suatu reaktor air. Sehingga kaitan antara cara pengadukan dan gradien hidrolis yang dihasilkan harus jelas secara matematis. Dengan demikian, pengendalian terhadap proses pengadukan dapat dilakukan secara tepat.
Daya untuk pengadukan dapat dibangkitkan melalui cara : Hidrolis
Mekanik
Media berlubang Pneumatik
1.2 Pengadukan Secara Hidrolis
Dalam prakteknya, pengadukan secara hidrolis adalah yang paling sering dilakukan di Indonesia, dengan alasan sebagai berikut : dapat dilakukan secara gravitasi
tidak melibatkan peralatan mekanik
pengendalian terhadap besaran gradien hidrolis G cukup mudah. Pada prinsipnya pengadukan secara hidrolis menggunakan efek gravitasi, sehingga besaran yang mempengaruhi untuk dapat dihasilkannya nilai G yang sesuai, melalui pengadukan jenis ini adalah :
besaran tinggi terjun untuk pengadukan cepat atau koagulasi dan head loss (kehilangan tekanan) atau beda tinggi permukaan
pada proses pembentukan flok (flokulasi)
Secara mekanika fluida, daya yang mempunyai satuan Watt atau Joule per detik dapat diturunkan sebagai berikut:
ghQ
P ……….………….(2.25).
P=daya (Watt)
g=percepatan gravitasi (9.81 m/dt2)
=massa jenis air (pada suhu 30oC adalah 995,7 kg/m3) Q=debit air (m3/dt)
h=kehilangan tekanan atau beda tinggi tekanan (m)
Apabila dikaitkan dengan gradien kecepatan yang dapat dihasilkan menurut persamaan 2.23, maka rumusan kehilangan tekanan dapat digambarkan sebagai berikut:
gQ VG h 2 ……….……….(2.26).
Sedangkan persamaan waktu detensi yang secara hidrolis merupakan volume reaktor dibagi dengan debit air yang mengalir adalah sebagai berikut.
Q V
Td ………….……….……….(2.27)
Dimana :td= adalah waktu detensi dalam satuan detik
Dan apabila viskositas kinematik adalah viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis air maka akan didapat persamaan sbb.:
….……….……….(2.28)
Dengan menggabungkan persamaan 2.27 dengan persamaan 2.28 maka akan didapatkan rumusan kehilangan tekan sbb.
g G t h d 2 ……….……….….(2.29) Atau d t gh G ……….……….….(2.30)
Dengan perumusan di atas, maka dapat direncanakan kebutuhan beda tinggi untuk melakukan pengadukan, baik pengadukan cepat (koagulasi) maupun pengadukan lambat (flokulasi).
1. Pengadukan Cepat (Koagulasi)
Pengadukan cepat dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu: Terjunan
Pengadukan dalam pipa
Seperti telah dijelaskan sebelumnya, pengadukan cepat harus dilakukan dalam waktu yang singkat, merata dan dengan enerji yang dapat menghasilkan nilai G yang tepat.
a) Pengadukan dengan terjunan
Pengadukan dengan terjunan adalah pengadukan yang umum dipakai pada instalasi air minum dengan kapasitas>50 L/dtk. Pembubuhan dilakukan sesaat sebelum air diterjunkan, sehingga air yang terjun sudah mengandung koagulan yang siap diaduk. Pengadukan dilakukan setelah air terjun dengan energi (daya) pengadukan sama dengan tinggi terjunan. Tinggi terjunan untuk suatu pengadukan adalah tipikal untuk semua debit, sehingga debit tidak perlu dimasukkan dalam perhitungan. Dari persamaan 2.29 dapat diturunkan kebutuhan ketinggian terjun untuk masing masing tingkat gradien pengadukan G . Hubungan antara ketinggian dengan gradien pengadukan dapat dilihat pada gambar berikut
.
b) Pengadukan dalam pipa
0 0.5 1 1.5 2 2.5 Nilai G (1/dt) K et in gg ia n te rju n (h = m ) 100 200 300 400 500 600 700 td =30 dt td = 60 dt td= 90 dt td = 120 dt td = 180 dt td 240 dt gambar 2.4.
Pengadukan dalam pipa juga mengikuti prinsip di atas, dimana h merupakan kehilangan tekanan yang terjadi pada saat pengadukan pipa sedangkan td adalah panjang pipa dibagi dengan kecepatan aliran.
V L
td ………..…..(2.30)
Berdasarkan rumusan di atas, maka panjang pipa dengan pengadukan dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut ini. 2 G ghv L
……….…...(2.31)Dengan kehilangan tekan 0,5, maka secara grafis perumusan 2.31 dapat dilihat pada gambar 2.5.
Contoh Soal 2.1: 0 5 10 15 Nilai G (1/dt) 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 v = 1 m/dt v = 1.5 m/dt v = 2 m/dt v = 2.5 m/dt Gambar 2.5.
a. Koagulasi dengan Terjunan Diketahui:
Q= 50 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh Ditanya:
Rencanakan pengadukan cepat dengan terjunan
1. Berapa volume ruang pengadukan cepat yang dibutuhkan? 2. Berapa tinggi terjunan?
Kriteria Perencanaan : 1. Dosing Koagulan : Alum (Al3S04) : 25-40 ppm PAC : 5-15 ppm 2. Kapasitas Perencanaan : 50 L/dt = 0.05 m3/dt 3. Gradien Kecepatan : 200-1000 1/dt
4. Kondisi Aliran : NRe>10000 5. Waktu Kontak = Gxtd = 104-105 6. Mixer tipe terjunan (td = 60 detik) Jawab :
1. Volume = debit aliran x waktu detensi V= Q x td V= 50x60 V= 3000 l V= 3 m3 2. Tinggi terjunan :h m= 0.798 x 10-3 = 995.7 kg/m3 G= 500 1/dt g= 9.81 m/dt2 maka g G t h d 2 = 1.22 m
b. Koagulasi dalam Pipa Diketahui:
Q= 10 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh Diaduk dengan pipa spiral diameter 100 mm Ditanya:
Rencanakan pengadukan cepat dalam pipa dengan spiral Dan berapa panjang pipa?
Kriteria Perencanaan : 1. Dosing Koagulan :
Alum (Al3S04) : 25-40 ppm
PAC : 5-15 ppm
2. Kapasitas Perencanaan : 10 L/dt = 0.01 m3/dt
3. Gradien Kecepatan : 1000-2000 1/dt (ambil 1800 1/dt) 4. Kondisi Aliran : NRe>10000
5. Waktu Kontak = Gxtd = 104-105 6. Mixer tipe terjunan (td = 60 detik) Jawab: Panjang pipa = L 2 G ghv L
24
1
D
Q
A
Q
v
=1.27 m/det g G t h d 2 = 0.5 m L = 2.4 m2. Pengadukan Lambat (Flokulasi)
Pengadukan lambat dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: dialirkan melalui penghalang penghalang secara horizontal
maupun vertikal
dialirkan melalui media kerikil/pasir
Pada prinsipnya semua pengadukan secara hidrolis harus dilakukan dengan perencanaan kehilangan tekanan yang tepat. Kehilangan tekanan yang dihasilkan dapat di rencanakan dalam kondisi statik maupun dinamik (dapat disesuaikan menurut kebutuhan).
a). Pengadukan melalui penghalang secara horizontal maupun vertikal
Buffle channel horizontal Buffle channel vertikal
Buffle channel vertikal yang melingkar (cyclone) Pengadukan melalui plat berlubang
Pengadukan dengan pulsator
i). Buffle Channel (Saluran Pengaduk) Horizontal
Pengadukan dengan saluran pengaduk memanfaatkan energi pengadukan yang berasal dari :
Friksi pada dinding saluran pada saluran lurus Turbulensi pada belokan
Kehilangan tekanan sepanjang saluran dapat dihitung dengan menggunakan rumus Manning yaitu:
n S R A Q 2 1 3 2 ( ) ) ( ……….(2.32) Dimana :
A=luas penampang saluran (m2) R=Radius hidrolis
n=Koefisien Manning beton=0.12
S=Slope Hidrolis (h/Lt), dimana h=head loss & Lt= total panjang saluran pengaduk untuk 1 zone.
Saluran pengadukan umumnya berbentuk persegi dengan lebar saluran adalah B dan tinggi air dalam saluran adalah H sedangkan radius hidrolis A adalah B.H/(B+2.H) maka Perumusan di atas menjadi :
B
H
n
L
h
BH
Q
t 3 2 2 1 3 52
/
……….(2.33)Maka h atau kehilangan tekanan hidrolis adalah:
2 3 5 2 1 3 2 2 BH nLt H B Q h ………(2.34)Kehilangan tekanan pada turbulensi pada saluran membelok dapat dihitung dengan perumusan
g v K h 2 2 ………(2.35) Dimana K=koefisien kontraksi (1-2) V=kecepatan (Q/BH)
Berdasarkan dua persamaan di atas, maka total kehilangan tekanan untuk saluran sepanjang satu segmen Ls dengan jumlah belokan N adalah sbb.
2 2 2 3 5 2 1 2 1 3 2 2 2 BH g NKQ BH Ls nN H B Q h ……… (2.36) atau
gLs K BH n H B BH NLsQ h 2 2 2 3 4 3 2 2 2 ………(2.36)Apabila disubstitusikan pada persamaan 2.29 dengan t = (L.B.H)/Q maka G yang dapat dihasilkan adalah ;
2 1 2 3 4 3 2 3 3 2 2 gLs K BH n H B BH NgQ G
…………..(2.37)Untuk menghindari endapan dalam saluran pengaduk kecepatan air dalam saluran tidak boleh kurang dari 0,2 m/dt. Sedangkan untuk mendapatkan hasil pengadukan yang baik maka pengadukan dibagi dalam 4 sampai 6 zone pengadukan dengan nilai G dari 100 1/dt pada buffle pertama kemudian menurun sampai 30 pada zone terakhir. Untuk lebih jelasnya, ilustrasi mengenai kondisi di atas dapat dilihat pada gambar 2.6.
MODUL SATUAN OPERASI 2 II-8 denah
Gambar 2.6 Flokulator buffle horizontal
Pengadukan lambat atau flokulasi dengan cara ini banyak diterapkan pada IPA yang dibangun pada tahun 1970-an. Salah satu contohnya adalah instalasi pengolahan di Depok.
Keunggulan pengadukan dengan cara ini adalah: Pengendalian terhadap pengadukan mudah Kapasitas dapat ditingkatkan dengan mudah
Sedangkan kelemahannya adalah membutuhkan lahan yang sangat luas.
Pembangunan instalasi dengan pendekatan metode ini tidak lagi digunakan dengan pertimbangan luas lahan yang dibutuhkan cukup besar.
Contoh Soal 2.2.: Diketahui:
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh.
Setelah koagulasi dillanjutkan dengan flokulasi buffle channel 4 tahap dimana tahap 1 G= 100, td=5x60 dt tahap 2 G= 70, td=4x60 dt tahap 3 G = 50, td=4x60 dt tahap 4 G = 30, td=3x60 dt total td=16x60 dt V minimum=0,2 m/dt Q = 50 L/dt = 0.05 m3/dt = 0.798x10-3 = 995.7 kg/m3 = 0.8x10-6 (30oC) G = 9.81 m/dt2 n = 0.012 K= 1.5 (Lihat rumus 2.35) Ls = 5m panjang jalur Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel untuk koagulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel untuk koagulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.3.
Uraian Satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
H (tinggi air) m ditentukan 0.60 0.47 0.41 0.38
B (Lebar dasar buffle) m ditentukan 0.35 0.50 0.67 1.00
G (gradien kecepatan) m Rumus
2.37
72.56 55.60 41.12 23.52
h (beda tinggi muka air) m Rumus
2.29
0.13 0.06 0.03 0.01
v (Kecepatan) m/dt Q/(H.B) 0.24 0.21 0.18 0.13
td (waktu retensi) dt ditentukan 300.00 240.00 240.00 180.00
Gxtd total= 5.104 2.104 1.104 1.104 4.103
Lt = Ls x N m v x td 71.43 50.96 43.65 23.86
Ls m ditentukan 10 10 10 10
N (jumlah jalur) buah Lt/Ls 7 5 4 2
ii). Buffle Channel (Saluran Pengaduk) Vertikal
Pada pengadukan vertikal, titik berat pengadukan terletak pada kontruksi celah antar buffle yang tingkat pengadukannya diatur dengan pintu yang ada antar buffle. Gradien kecepatan yang dihasilkan dapat dihitung dengan perumusan 2.38. HA Qh G ……….…… (2.38) Dimana: h=beda tinggi (m)
H=tinggi muka air dihilir pengatur (m) A=luas dasar
Penampang saluran pengaduk vertikal berbentuk segi empat, sehingga apabila pemerataan aliran tidak dilakukan dengan baik, akan mengakibatkan dead zone terutama di sudut-sudut kompartemen (dapat dilihat pada gambar 2.7)
Gambar 2.7 Flokulator buffle vertikal
IPA yang menggunakan sistem ini adalah Typical IPA Paket Maswandi yang dibangun diberbagai daerah, sebagai contoh di Perumahan Alam Sutra Tangerang yaitu Paket IPA Maswandi 50 L/dt yang dirancang oleh Ir Maswandi. Pengolahan jenis ini menghasilkan flok yang cukup baik karena sekat antar bak dapat di atur bukaannya untuk mendapatkan nilai G yang tepat.
Contoh Soal 2.3.: Diketahui:
Q= 50 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh. Setelah koagulasi dillanjutkan dengan flokulasi buffle vertikal channel 6 tahap dimana: tahap 1 G = 70, td=2x60 dt tahap 2 G = 60, td=2x60 dt tahap 3 G = 40, td=2x60 dt tahap 4 G = 30, td=2x60 dt tahap 5 G = 25, td=2x60 dt tahap 6 G = 20, td=2x60 dt total td=12x60 dt Q = 50 L/dt = 0.05 m3/dt m= 0.798x10-3
r = 995.7 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 = 0.8x10-6 (30oC) Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel untuk flokulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel untuk flokulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.4.
Hasil Perhitungan Flokulasi dengan buffle vertikal
Uraian satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6 H (tinggi air) m H2=H1-h1 3.00 2.50 2.20 2.05 1.95 1.90 B=L(lebar=panjang) m ditentukan 1.41 1.41 1.41 1.41 1.41 1.41
A (luas dasar) m2 ditentukan 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00
h (beda tinggi) m ditentukan 0.50 0.30 0.15 0.10 0.05 0.03
G (gradien kecepatan) m Rumus 2.38 72.10 61.18 46.12 39.01 28.28 20.26 v (Kecepatan) m/dt Q/(H.B) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
td (waktu retensi) dt ditentukan 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0
Gxtd total= 3.10 4 9.10 3 7.10 3 6.10 3 5.10 3 3.10 3 2.10 3
iii). Buffle Channel (Saluran Pengaduk) Vertikal dengan diputar (Sistem Hexagonal atau cyclone)
Jenis Pengadukan ini dikembangkan dari jenis aliran vertikal, dimana pengadukan dilakukan dalam kompartemen berbentuk bundar atau bersegi banyak (enam=hexagonal).
Pengadukan dengan cara ini memanfaatkan energi dari: Beda tinggi antar ruang
Air yang berputar dalam kompartemen akan membantu proses pembentukan flok
Putaran dapat dilakukan dengan mengatur keluaran air didasar kompartemen dengan arah melingkar.
Gradien kecepatan pada pengadukan dihitung dengan perumusan 2.39. 2 HD Qh G
………..…..(2.39)Sedangkan putaran air (dengan satuan 1/dt) tergantung dari gradien kecepatan dan posisi titik pengamatan terhadap sumber. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Dengan kembali mengacu pada persamaan 2.22, dilakukan substitusi dy=dr (karena bersifat radial),
sehingga dr dv G Bila v=r maka
r dr
d G / ………..….(2.40) atau dr d r dr dr G ……….…….(2.40) Apabila K dr d , maka 2 KD G ……….(2.41) dengan batasan 0< K < 2.G/DApabila transfer energi untuk pengadukan sempurna, maka K mendekati 0. Sedangkan apabila semburan air dari lubang inlet kurang kuat dan air tidak berputar maka K mendekati 2.G/D.
Untuk mendapatkan putaran yang baik perbandingan antara diameter (2r) dan kedalaman air (H) didalam kompartemen adalah 1:3 sampai dengan 1:5.
Pengadukan dengan putaran dilakukan pada jenis Instalasi Kedasih yang dirancang oleh Ir Poedjastanto CES dimana flokulator berbentuk hexagonal. Jenis IPA ini sangat efektif dalam menghasilkan flok. Contoh IPA ini adalah di PDAM Cimahi dengan kapasitas 150 L/dt. (Lihat gambar 2.8).
Gambar 2.8 Flokulasi cyclone dengan bentuk hexagonal
Contoh 2.4. perhitungan untuk kasus diatas adalah sbb. : Diketahui :
Q= 50 L/dt. Air yang diolah adalah air sungai yang keruh. Setelah koagulasi dilanjutkan dengan flokulasi buffle vertikal dengan cyclone berbentuk hexagonal 6 tahap dimana
tahap 1 G = 70, td=2x60 dt tahap 2 G = 60, td=2x60 dt tahap 3 G = 40, td=2x60 dt tahap 4 G = 30, td=2x60 dt inlet outlet
tahap 5 G = 25, td=2x60 dt tahap 6 G = 20, td=2x60 dt total td=12x60 dt m = 0.798x10-3 = 995.7 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 = 0.8x10-6 (30oC) Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel dengan cyclone hexagonal untuk flokulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel dengan cyclone hexagonal untuk flokulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.5.
Hasil Perhitungan Flokulasi dengan cyclone hexagonal
Uraian satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6
H (tinggi air) m Ditentukan 4.10 3.62 3.27 3.11 3.02 2.97
D=(Diameter) m Ditentukan 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37
A (luas dasar) m2 D2 1.46 1.46 1.46 1.46 1.46 1.46
h (beda tinggi) m Ditentukan 0.48 0.35 0.16 0.09 0.05 0.03
G (gradien kecepatan) m Rumus 2.38 71 64 46 35 27 21 v (Kecepatan) m/dt Q/(H.B) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
td (waktu retensi) dt Ditentukan 120 120 120 120 120 120
Gxtd total= 3.104 8.103 8.103 5.103 4.103 3.103 2.103
iv). Pengadukan melalui plat berlubang
Pengadukan melalui plat berlubang memanfaatkan kontraksi pada waktu air melalui lubang. Kehilangan tekanan dapat dihitung dengan persamaan 2.35. Dan apabila jumlah lubang ada N dan diameter lubang adalah D maka persamaan 2.35 dapat dinyatakan sebagai berikut. 2 2 2 4 2 D gN KQ h ……….…..(2.42)
Dengan menggabungkan persamaan di atas dengan persamaan 2.29 maka akan diperoleh perumusan sbb.
2 1 3 2 8 1 ALNxNy K Q D G ………..(2.43) Dimana :
A= adalah luas plat (m2) L=jarak antar plat (m)
Nx=jumlah lubang arah horizontal Ny=jumlah lubang arah verikal D= Diameter lubang (m) K=Koefisien Kontraksi 2-4 g= percepatan gravitasi (m/dt2)
Pengadukan flokulasi dengan cara ini diterapkan pada IPA Karang Pilang Surabaya 1000 L/dt, yang dirancang oleh Dr Sutiman; IPA Purwakarta 50 L/dt, yang dirancang oleh Ir Tamrin; dan Paket IPA Ruhak Pala ciptaan Ir.H.Tobing. Keunggulan pada pengadukan dengan cara ini adalah penggunaan ruang sangat ringkas tetapi mempunyai kelemahan yaitu sulit dilakukan pengaturan nilai G karena sifatnya statik. Untuk lebih jelasnya, pengadukan flokulasi dengan menggunakan plat berlubang dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 2.9 Flokulasi melalui media berlubang
G a m b a r 2 .9 . F lo k u la to r m ela lu i m e d ia b e rlu b a n g
L e b ar d e n g a n lu b an g 3 0 x 3 0
Contoh 2.5. perhitungan untuk kasus diatas adalah sebagai berikut :
Diketahui : Q= 50 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh
Setelah koagulasi dillanjutkan dengan flokulasi plat berlubang dengan posisi aliran vertikal kebawah dengan 4 tahap yaitu: tahap 1 G= 70, td=3x60 dt tahap 2 G= 60, td=3x60 dt tahap 3 G = 40, td=3x60 dt tahap 4 G = 20, td=3x60 dt total td=12x60 dt Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel dengan media berbutir untuk flokulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel dengan media berbutir untuk flokulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.6.
Hasil Perhitungan Flokulasi dengan melalui plat berlubang
Uraian satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
Lebar Plat m ditentukan 4.00 4.00 4.00 4.00
Panjang Plat m ditentukan 3.00 3.00 3.00 3.00
A (Luas Plat) m2 Panjang x
lebar
12.00 12.00 18.00 30.00
L (Jarak antar Plat) m ditentukan 0.75 0.75 0.50 0.30
Diameter lubang mm ditentukan 40.00 50.00 50.00 50.00
Diameter lubang m 1/1000.D 0.04 0.05 0.05 0.05
Nx (Jumlah lubang x) ditentukan 30.00 30.00 50.00 60.00
Ny (Jumlah lubang y) ditentukan 30.00 30.00 40.00 40.00
h (beda tinggi) m Rumus 2.29 0.10 0.10 0.10 0.10
G (gradien kecepatan) m Rumus 2.43 82.82 53.00 29.03 20.53
td (waktu retensi) dt ditentukan 180 180 180 180
Gxtd total= 3.104 1.104 1.104 5.103 4.103
Pengadukan dalam cone umumnya dilakukan pada jenis sedimentasi dengan aliran vertikal (up flow), lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 Flokulator melalui sludge blanket Berdasarkan persamaan 2.25 daya pengaduk yang dibutuhkan adalah:
12
gQh
P ………(2.44)
Dimana,
h12= kehilangan tekanan dari h1 sampai h2
1 2 121
h
h
h
c w s
………(2.44) Dimana,s= massa jenis flok (+ 1 600 kg/m3)
w= massa jenis air (+ 1 000 kg/m3)
e= flok yang terapung/Volume cone
e= (v/vs)0,2
dengan:
v= kecepatan aliran vertikal ke atas (1-3 m/jam) vs= kecepatan pengendapan flok (3-6 m/jam), maka e= (1/3)0,25sampai dengan (1/2)0,25
Sehingga gradien kecepatan yang dihasilkan adalah:
Gambar 2.10. Flokulasi melalui sludge blanket
A=18 m 3, D=4,7m
2 1 1 21
d c w w st
h
h
g
G
………….……….(2.35) atau,
2 11
c w sw
v
g
G
………..(2.35) Contoh soal 2.6.:Sebuah clarifier dengan sistem cone debit rencana adalah 20 L/dt. Tebal sludge blanket zone adalah 1 m. Penampang cone adalah 18m2. Dan diameter 4,74 m. Dengan demikian Loading rate atau kecepatan aliran ke atas adalah 4 m/jam. Lihat gambar 2.10
Berapa Gradien kecepatan G pengadukan dalam sludge blanket ? Diketahui : Q = 20 L/dt = 0.02 m3/dt m = 0.798x10-3 = 995.7 kg/m3 s = 1200 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 = 0.8 x10-6 h2-h1= 1.00 m V = 4.00 m/jam Vs = 12.00 m/jam Ditanya :G Jawab : (V/VS)0.25= 0.76 A= 18 m2 Vcone = A.(h2-h1) = 18 m3 Td = 15 menit
2 11
c w w sv
g
G
= 108 1/detikvi). Pengadukan dengan Pulsator
Proses pengadukan dengan pulsator adalah dengan mengakumulasikan flok pada bagian dasar dari suatu bak pengendap. Untuk dapat memperbesar flok air yang sudah terkoagulasi tersebut, secara berkala flok disentakkan/dikejut dengan cara mengalirkan air baku secara tiba-tiba di inlet. Melalui sentakan ini, flok yang kecil tertumbuk satu sama lain kemudian menghasilkan flok yang lebih besar. Flok yang telah membesar dan jenuh dibuang secara kontinu ke saluran pembuang.
Flokulator jenis ini dirancang oleh De’ Gremont, yaitu perusahaan yang mengkhususkan diri dibidang pengolahan air. Instalasi pengolahan yang menggunakan flokulator jenis ini biasanya memiliki debit di atas 100 L/dt, antara lain di Jakarta, Banjarmasin, Pontianak, Samarinda dan Balikpapan.
Namun sebagian besar proses pulsator dari instalasi yang ada sudah tidak berfungsi, umumnya disebabkan oleh kurangnya faktor pemeliharaan.
1.3 Pengadukan secara mekanik
Pengadukan dengan cara mekanik pada intinya merupakan proses memindahkan energi mekanik untuk keperluan pengadukan. Pengadukan dilakukan dengan menggunakan blade, baik blade yang berbentuk menerus maupun blade yang hanya diujungnya, seperti yang tergambar dalam gambar 2.11.
Gambar 2.11 Koagulasi dengan motor pengaduk
Energi yang diberikan dapat diformulasikan sebagai berikut :
ef v F P ………... (2.45) Dimana :
F= gaya gesek dari paddle (N)
Vef=kecepatan efektif paddle bergerak (m/dt) 2 2 1 CdAvef F ………..………... (2.46) Dimana :
Cd=koefisien Gesek (drag coeficient) A=luas permukaan blade
massa jenis air
Gambar 2.11.
Dengan mensubsitusikan persamaam 2.46 ke dalam persamaan 2.45, maka diperoleh rumusan energi yang baru yaitu:
3 2
1 CdAvef
P ………..………...
(2.4)
vef adalah kecepatan efektif yang bekerja antara blade dengan air. vef melaju lebih lambat dari pada vb (kecepatan blade) sebanyak k*vb.
Nilai k merupakan koefisien blade, yang nilainya disesuaikan menurut jenis blade yang digunakan, yaitu:
- Untuk blade pada ujung tangkai; k=0,25 - Untuk blade jenis menerus; k=0-0,15
Nilai Cd adalah sebesar 1,8 sedangkan untuk luas blade besarannya adalah 15 sampai 20% dari penampang basah air yang diaduk.
Rumusan kecepatan efektif dari ujung pengaduk adalah sbb.:
b ef Vb k V V ………..……... (2.48) atau ) 1 ( k Vb Vef ………..…..…... (2.49)
Bila vb Dikaitkan dengan putaran blade maka
r
Vb ………...(2.50)
dimana,
putaran perdetik
r jarak blade dari pusat pemutaran
bila diketahui n= putaran per menit, maka :
60 /
n
………..…………..(2.51)
Jika persamaan 2.50 dan 2.51 disubstitusikan pada persamaan 2.49 maka diperoleh rumusan baru kecepatan efektif dari ujung pengaduk, yaitu:
k
n r Vef 60 1 ………... (2.52)Hdr
A ………...(2.53)
Dimana, H = tinggi blade
Jika persamaan 2.52 dan 2.53 disubsitusikan pada persamaan 2.47 maka rumusan daya yang dibutuhkan untuk menggerakan blade adalah :
3 60 1 2 1 CdHdr k n r dP ……….……... (2.54) Atau
k
n r dr CdH dP 3 3 60 1 2 1 ……….……. (2.55)Apabila r1 sampai r2 merupakan lebar blade untuk dua sisi maka rumusan daya yang dibutuhkan menjadi :
CdH k n r dr P r r 3 3 2 1 60 1 ….……….… (2.56) Atau
4 1 4 2 3 4 1 60 1 k n r r CdH P ……… (2.57)Untuk koagulasi biasanya blade yang dipakai menerus dengan demikian r1=0 Dengan demikian,
4 3 4 1 60 1 k n r CdH P ………... (2.58) Sehingga,
3 4
13 3 14
1
60
/
1
k
r
CdH
P
n
……….…... (2.59)Sedangkan untuk blade yang berada r1 dari pusat putaran sampai r2 adalah sebagai berikut :
CdH k n r r r r r P 2 2 1 1 2 2 3 4 1 60 1 ………... (2.60) Sehingga,
13 1 2 2 1 2 2 3 3 14
1
60
/
1
k
r
r
r
r
r
CdH
P
n
………….…... (2.61) Dimana ,
r
2r
1
r
Instalasi Pengolahan Air di Indonesia jarang sekali yang memakai sistem mekanik dengan menggunakan blade ini untuk flokulasi, salah satunya adalah Instalasi Sei Ladi di P Batam dengan debit 100 L/dt.
Contoh Soal 2.7.: Soal 2.7.1
Diketahui :
Koagulasi dengan menggunakan pengadukan mekanik untuk mengolah air baku dengan debit 50 L/dt; G=1000; dan td = 1 menit.
Ditanya :
1. Berapa daya pengadukan?
2. Berapa daya motor pengaduk yang dibutuhkan yang dibutuhkan bila efisiensi ( daya =0,6?
3. Berapa putaran motor yang dibutuhkan? Jawab: Q = 50 L/dt = 0.05 m3/dt = 0.798x10-3; = 995.7 kg/m3 ; s = 1600 kg/m3 g = 9.81 m/dt2; = 0.8x10-6 m2/dt; Td =1menit = 60 detik Cd = 1.8; k= 0.15; G = 1000 1/dt
Volume = Qxtd = 3 m3
Kedalaman bak = 1.5 m, Luas dasar bak = Vol/kedalaman = 2 m2
m A d Diameter( ) 4 42 1.58
Jari-jari blade (r ) = diameter/2 = 0.79 m Lebar blade = 0.3 m
Daya Pengadukan =P= V.G2 P =2.394 watt
Daya motor pengaduk =
3
.
990
6
.
0
394
.
2
P
P
motorwatt
3 4
13 3 14
1
60
/
1
k
r
CdH
P
n
= 252 rpm Soal 2.7.2: Diketahui :Flokulasi dengan menggunakan pengadukan mekanik untuk mengolah air baku dengan debit adalah 50 L/dt terbagi dalam 4 tahap dengan perincian sebagai berikut:
Tahap 1 G=100 dan td = 4 menit. Tahap 2 G=60 dan td = 4 menit. Tahap 3 G=40 dan td = 4 menit. Tahap 4 G=20 dan td = 4 menit. Ditanya : Untuk masing masing tahap: 1. Berapa daya pengadukan?
2. Berapa daya motor pengaduk yang dibutuhkan bila =0,6? 3. Berapa putaran motor yang dibutuhkan?
Jawab :
Jawab: Hasil perhitungan flokulasi secara mekanik dengan menggunakan paddle pada masing-masing tahap adalah sbb.
Tabel 2.7. Perhitungan Flokulasi secara mekanik Parameter Satuan Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3 Tahap 4
td= menit 4 4 4 4 detik 240 240 240 240 Volume= Qxtd Qxtd Qxtd Qxtd Volume= m3 12 12 12 12 Kedalam bak= M 2.5 2.5 2.5 2.5 Luas dasar= m2 4.8 4.8 4.8 4.8 Diamater bak m 2.45 2.45 2.45 2.45 Jari jari r1 m 0.8 0.8 0.8 0.8
Parameter Satuan Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3 Tahap 4 Jari jari r2 m 1.2 1.2 1.2 1.2 lebar blade= m 1.5 1.5 1.5 1.5 G= 1/dt 100 60 40 20 P= V.G2 Ppengadukan= Watt 110.4 39.744 17.664 4.416 Pmotor= Watt 184 66.24 29.44 7.36
3 4
13 3 14
1
60
/
1
k
r
CdH
P
n
Putaran blade RPM 37 26 20 13Gambar 2.12 Pengadukan lambat dengan pengaduk mekanik
2.4. Pengadukan Melalui Media
Pengadukan media dilakukan melalui media kerikil di dalam rongga antar butir. Dengan demikian energi pengadukan diperoleh dari kehilangan tekanan selama melalui media tersebut. Volume pengadukan sama dengan volume rongga yang terdapat diantara butir. Arah aliran dari pengadukan jenis ini dapat vertikal dari bawah ke atas atau horizontal.
Kehilangan tekanan pada aliran vertikal dari bawah ke atas dapat dihitung dengan menggunakan rumus 2.62.
Gambar 2.12.
L hf s 1 ………... (2.62) Dimana: Hf= kehilangan tekanan (m)s= massa jenis butiran media kerikil (1 600 kg/m3)
massa jenis air (1.000 kg/m3) porositas media kerikil
Sedangkan Gradien pengadukan yang terjadi adalah sebagai berikut:
2 1 1 td L g G s ………...(2.63)Jika L/td merupakan kecepatan aliran atau loading permukaan Q/A atau v, maka :
2 1 1 v g G s ………...(2.64) Atau
1 2 s g G v ……….………...(2.64)Pengadukan jenis ini di Indonesia belum ada kecuali pada taraf laboratorium.
Contoh Soal 2.8.: Diketahui :
Flokulasi melalui media kerikil dengan porositas 0,4.
Debit rencana adalah 50 L/dt dan G pengadukan yang perlu dicapai adalah 60 1/dt dengan td pengadukan 7 menit.
Ditanya :
1. Berapa Volume kerikil yang dibutuhkan? 2. Berapa kecepatan filtrasi?
3. Berapa luaspermukaan filter? 4. Ketebalan media ?
Q = 50 l/det = 0.05 m3/dt 0.920x10-3 995.7 kg/m3; s= 1600 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 0.8x10-6 m2/dt td = 420 detik G = 60 1/detik Volume air (V) = Qxtd = 5x10-2x420 = 21 m3 1. Volume kerikil (Vs) = V/ = 52.5 m3 2. Kecepatan filtrasi (v) :
1 2 s g G v =9.31x10-04 m/dt3. Luas permukaan (A)
7 . 53 10 31 . 9 10 5 4 2 v Q A m2 4. Ketebalan media (L) 420 10 31 . 9 04 v td L =0.39 m
2.5. Pengadukan Secara Pneumatik (dengan udara)
Pengadukan dengan udara dilakukan dengan cara melepaskan udara di dasar bak pengaduk sehingga selagi udara melewati air baku, udara melakukan pengadukan.
Udara yang melewati air mengalami ekspansi secara eksotermis. Pada proses ini:
tan kons PV ………..(2.66) Dimana: P= tekanan (N/m2) V=Volume (m3)
Kerja yang dilakukan udara adalah:
P
V
V
P
E
……….. (2.67)0
P
V
………...(2.68)Jadi energi yang bekerja adalah
P
V
P Pi
2
………... (2.69) Karena P.V=p1V1=p2V2=K maka o t Pt P Pt P P P K P P K P V ln 0 0
………... (2.70) atau o t P P V P E
ln
………..………...(2.71)Daya yang bekerja adalah Kerja/Usaha yang bekerja pada suatu satuan waktu, yaitu:
t E P ………..………....(2.72) atau
t
P
P
V
P
P
o t
ln
………..………...(2.73)Udara yang dialirkan adalah
t V Q ………..………..………...(2.74) Sehingga, o t o P P Q P P ln ………..……….…………... (2.75) Dimana: po= 1 atmosfir =10 336 N/m2
Qu = debit udara aerasi m3/dt
Rumusan gradien kecepatan (G) yang dihasilkan dapat diperoleh dengan mensubstitusi persamaan 2.73 pada persamaan 2.25, yaitu:
2 1 ln V P P Q P G o t o ………..….. (2.76)
Pengadukan dengan cara ini di Indonesia belum ada kecuali skala laboratorium.
Contoh Soal 2.9.: Diketahui :
Flokulasi melalui aerasi.
Debit rencana adalah 50 L/dt sedang G pengadukan yang perlu dicapai adalah 60 1/dt. Td pengadukan adalah 7 menit dan kedalaman bak adalah 2,5 m.
Ditanya:
1. Berapa Volume bak aerasi yang dibutuhkan? 2. Debit udara dan tekanan yang dibutuhkan? Jawab: Q = 50 l/det = 0.05 m3/dt 0.920x10-3 995.7 kg/m3; s= 1600 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 9.24x10-7 m2/dt td = 420 detik G = 60 1/detik Po= 10333 N/m3
1.
Volume air (V) = Qxtd = 5x10-2x420 = 21 m3 2. Debit udara (Qu) dan tekanan (P) yang diperlukanP = .V.G2 = 70 watt o t o P P Q P P ln Pt= Po +gH = 10333 + 995.7x 9.81x2.5 = 34.752 N/m3=3.35 atm Q= 0.0017 m3/dt =1.7 L/dt
2 Teknik Pengadukan
2.1 Umum
Pengadukan dalam pengertian mekanika fluida adalah memasukkan daya ke dalam suatu reaktor air. Sehingga kaitan antara cara pengadukan dan gradien hidrolis yang dihasilkan harus jelas secara matematis. Dengan demikian, pengendalian terhadap proses pengadukan dapat dilakukan secara tepat.
Daya untuk pengadukan dapat dibangkitkan melalui cara : Hidrolis
Mekanik
Media berlubang Pneumatik
2.2 Pengadukan Secara Hidrolis
Dalam prakteknya, pengadukan secara hidrolis adalah yang paling sering dilakukan di Indonesia, dengan alasan sebagai berikut : dapat dilakukan secara gravitasi
tidak melibatkan peralatan mekanik
pengendalian terhadap besaran gradien hidrolis G cukup mudah. Pada prinsipnya pengadukan secara hidrolis menggunakan efek gravitasi, sehingga besaran yang mempengaruhi untuk dapat dihasilkannya nilai G yang sesuai, melalui pengadukan jenis ini adalah :
besaran tinggi terjun untuk pengadukan cepat atau koagulasi dan head loss (kehilangan tekanan) atau beda tinggi permukaan
pada proses pembentukan flok (flokulasi)
Secara mekanika fluida, daya yang mempunyai satuan Watt atau Joule per detik dapat diturunkan sebagai berikut:
ghQ
P ……….………….(2.25).
P=daya (Watt)
g=percepatan gravitasi (9.81 m/dt2)
=massa jenis air (pada suhu 30oC adalah 995,7 kg/m3) Q=debit air (m3/dt)
h=kehilangan tekanan atau beda tinggi tekanan (m)
Apabila dikaitkan dengan gradien kecepatan yang dapat dihasilkan menurut persamaan 2.23, maka rumusan kehilangan tekanan dapat digambarkan sebagai berikut:
gQ VG h 2 ……….……….(2.26).
Sedangkan persamaan waktu detensi yang secara hidrolis merupakan volume reaktor dibagi dengan debit air yang mengalir adalah sebagai berikut.
Q V
Td ………….……….……….(2.27)
Dimana :td= adalah waktu detensi dalam satuan detik
Dan apabila viskositas kinematik adalah viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis air maka akan didapat persamaan sbb.:
….……….……….(2.28)
Dengan menggabungkan persamaan 2.27 dengan persamaan 2.28 maka akan didapatkan rumusan kehilangan tekan sbb.
g G t h d 2 ……….……….….(2.29) Atau d t gh G ……….……….….(2.30)
Dengan perumusan di atas, maka dapat direncanakan kebutuhan beda tinggi untuk melakukan pengadukan, baik pengadukan cepat (koagulasi) maupun pengadukan lambat (flokulasi)
1. Pengadukan Cepat (Koagulasi)
Pengadukan cepat dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu: Terjunan
Pengadukan dalam pipa
Seperti telah dijelaskan sebelumnya, pengadukan cepat harus dilakukan dalam waktu yang singkat, merata dan dengan enerji yang dapat menghasilkan nilai G yang tepat.
a) Pengadukan dengan terjunan
Pengadukan dengan terjunan adalah pengadukan yang umum dipakai pada instalasi air minum dengan kapasitas>50 L/dtk. Pembubuhan dilakukan sesaat sebelum air diterjunkan, sehingga air yang terjun sudah mengandung koagulan yang siap diaduk. Pengadukan dilakukan setelah air terjun dengan energi (daya) pengadukan sama dengan tinggi terjunan. Tinggi terjunan untuk suatu pengadukan adalah tipikal untuk semua debit, sehingga debit tidak perlu dimasukkan dalam perhitungan. Dari persamaan 2.29 dapat diturunkan kebutuhan ketinggian terjun untuk masing masing tingkat gradien pengadukan G . Hubungan antara ketinggian dengan gradien pengadukan dapat dilihat pada gambar berikut
.
b) Pengadukan dalam pipa
0 0.5 1 1.5 2 2.5 Nilai G (1/dt) K et in gg ia n te rju n (h = m ) 100 200 300 400 500 600 700 td =30 dt td = 60 dt td= 90 dt td = 120 dt td = 180 dt td 240 dt gambar 2.4.
Pengadukan dalam pipa juga mengikuti prinsip di atas, dimana h merupakan kehilangan tekanan yang terjadi pada saat pengadukan pipa sedangkan td adalah panjang pipa dibagi dengan kecepatan aliran.
V L
td ………..…..(2.30)
Berdasarkan rumusan di atas, maka panjang pipa dengan pengadukan dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut ini. 2 G ghv L
……….…...(2.31)Dengan kehilangan tekan 0,5, maka secara grafis perumusan 2.31 dapat dilihat pada gambar 2.5.
Contoh Soal 2.1: 0 5 10 15 Nilai G (1/dt) 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 v = 1 m/dt v = 1.5 m/dt v = 2 m/dt v = 2.5 m/dt Gambar 2.5.
a. Koagulasi dengan Terjunan Diketahui:
Q= 50 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh Ditanya:
Rencanakan pengadukan cepat dengan terjunan
1. Berapa volume ruang pengadukan cepat yang dibutuhkan? 2. Berapa tinggi terjunan?
Kriteria Perencanaan : 1. Dosing Koagulan : Alum (Al3S04) : 25-40 ppm PAC : 5-15 ppm 2. Kapasitas Perencanaan : 50 L/dt = 0.05 m3/dt 3. Gradien Kecepatan : 200-1000 1/dt
4. Kondisi Aliran : NRe>10000 5. Waktu Kontak = Gxtd = 104-105 6. Mixer tipe terjunan (td = 60 detik) Jawab :
1. Volume = debit aliran x waktu detensi V= Q x td V= 50x60 V= 3000 l V= 3 m3 2. Tinggi terjunan :h m= 0.798 x 10-3 = 995.7 kg/m3 G= 500 1/dt g= 9.81 m/dt2 maka g G t h d 2 = 1.22 m
b. Koagulasi dalam Pipa Diketahui:
Q= 10 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh Diaduk dengan pipa spiral diameter 100 mm Ditanya:
Rencanakan pengadukan cepat dalam pipa dengan spiral Dan berapa panjang pipa?
Kriteria Perencanaan : 1. Dosing Koagulan :
Alum (Al3S04) : 25-40 ppm
PAC : 5-15 ppm
2. Kapasitas Perencanaan : 10 L/dt = 0.01 m3/dt
3. Gradien Kecepatan : 1000-2000 1/dt (ambil 1800 1/dt) 4. Kondisi Aliran : NRe>10000
5. Waktu Kontak = Gxtd = 104-105 6. Mixer tipe terjunan (td = 60 detik) Jawab: Panjang pipa = L 2 G ghv L
24
1
D
Q
A
Q
v
=1.27 m/det g G t h d 2 = 0.5 m L = 2.4 m2. Pengadukan Lambat (Flokulasi)
Pengadukan lambat dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: dialirkan melalui penghalang penghalang secara horizontal
maupun vertikal
dialirkan melalui media kerikil/pasir
Pada prinsipnya semua pengadukan secara hidrolis harus dilakukan dengan perencanaan kehilangan tekanan yang tepat. Kehilangan tekanan yang dihasilkan dapat di rencanakan dalam kondisi statik maupun dinamik (dapat disesuaikan menurut kebutuhan).
a). Pengadukan melalui penghalang secara horizontal maupun vertikal
Buffle channel horizontal Buffle channel vertikal
Buffle channel vertikal yang melingkar (cyclone) Pengadukan melalui plat berlubang
Pengadukan dengan pulsator
i). Buffle Channel (Saluran Pengaduk) Horizontal
Pengadukan dengan saluran pengaduk memanfaatkan energi pengadukan yang berasal dari :
Friksi pada dinding saluran pada saluran lurus Turbulensi pada belokan
Kehilangan tekanan sepanjang saluran dapat dihitung dengan menggunakan rumus Manning yaitu:
n S R A Q 2 1 3 2 ( ) ) ( ……….(2.32) Dimana :
A=luas penampang saluran (m2) R=Radius hidrolis
n=Koefisien Manning beton=0.12
S=Slope Hidrolis (h/Lt), dimana h=head loss & Lt= total panjang saluran pengaduk untuk 1 zone.
Saluran pengadukan umumnya berbentuk persegi dengan lebar saluran adalah B dan tinggi air dalam saluran adalah H sedangkan radius hidrolis A adalah B.H/(B+2.H) maka Perumusan di atas menjadi :
B
H
n
L
h
BH
Q
t 3 2 2 1 3 52
/
……….(2.33)Maka h atau kehilangan tekanan hidrolis adalah:
2 3 5 2 1 3 2 2 BH nLt H B Q h ………(2.34)Kehilangan tekanan pada turbulensi pada saluran membelok dapat dihitung dengan perumusan
g v K h 2 2 ………(2.35) Dimana K=koefisien kontraksi (1-2) V=kecepatan (Q/BH)
Berdasarkan dua persamaan di atas, maka total kehilangan tekanan untuk saluran sepanjang satu segmen Ls dengan jumlah belokan N adalah sbb.
2 2 2 3 5 2 1 2 1 3 2 2 2 BH g NKQ BH Ls nN H B Q h ……… (2.36) atau
gLs K BH n H B BH NLsQ h 2 2 2 3 4 3 2 2 2 ………(2.36)Apabila disubstitusikan pada persamaan 2.29 dengan t = (L.B.H)/Q maka G yang dapat dihasilkan adalah ;
2 1 2 3 4 3 2 3 3 2 2 gLs K BH n H B BH NgQ G
…………..(2.37)Untuk menghindari endapan dalam saluran pengaduk kecepatan air dalam saluran tidak boleh kurang dari 0,2 m/dt. Sedangkan untuk mendapatkan hasil pengadukan yang baik maka pengadukan dibagi dalam 4 sampai 6 zone pengadukan dengan nilai G dari 100 1/dt pada buffle pertama kemudian menurun sampai 30 pada zone terakhir. Untuk lebih jelasnya, ilustrasi mengenai kondisi di atas dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Flokulator buffle horizontal
Pengadukan lambat atau flokulasi dengan cara ini banyak diterapkan pada IPA yang dibangun pada tahun 1970-an. Salah satu contohnya adalah instalasi pengolahan di Depok.
Keunggulan pengadukan dengan cara ini adalah: Pengendalian terhadap pengadukan mudah Kapasitas dapat ditingkatkan dengan mudah
Sedangkan kelemahannya adalah membutuhkan lahan yang sangat luas.
denah
potongan
Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
Pembangunan instalasi dengan pendekatan metode ini tidak lagi digunakan dengan pertimbangan luas lahan yang dibutuhkan cukup besar.
Contoh Soal 2.2.: Diketahui:
Q= 50 L/dt
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh.
Setelah koagulasi dillanjutkan dengan flokulasi buffle channel 4 tahap dimana tahap 1 G= 100, td=5x60 dt tahap 2 G= 70, td=4x60 dt tahap 3 G = 50, td=4x60 dt tahap 4 G = 30, td=3x60 dt total td=16x60 dt V minimum=0,2 m/dt Q = 50 L/dt = 0.05 m3/dt = 0.798x10-3 = 995.7 kg/m3 = 0.8x10-6 (30oC) G = 9.81 m/dt2 n = 0.012 K= 1.5 (Lihat rumus 2.35) Ls = 5m panjang jalur Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel untuk koagulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel untuk koagulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.3.
Hasil Perhitungan Koagulasi dengan Buffle channel
Uraian Satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
H (tinggi air) m ditentukan 0.60 0.47 0.41 0.38
B (Lebar dasar buffle) m ditentukan 0.35 0.50 0.67 1.00
G (gradien kecepatan) m Rumus
2.37
72.56 55.60 41.12 23.52
h (beda tinggi muka air) m Rumus
2.29
0.13 0.06 0.03 0.01
v (Kecepatan) m/dt Q/(H.B) 0.24 0.21 0.18 0.13
td (waktu retensi) dt ditentukan 300.00 240.00 240.00 180.00
Gxtd total= 5.104 2.104 1.104 1.104 4.103
Lt = Ls x N m v x td 71.43 50.96 43.65 23.86
Ls m ditentukan 10 10 10 10
N (jumlah jalur) buah Lt/Ls 7 5 4 2
ii). Buffle Channel (Saluran Pengaduk) Vertikal
Pada pengadukan vertikal, titik berat pengadukan terletak pada kontruksi celah antar buffle yang tingkat pengadukannya diatur dengan pintu yang ada antar buffle. Gradien kecepatan yang dihasilkan dapat dihitung dengan perumusan 2.38. HA Qh G ……….…… (2.38) Dimana: h=beda tinggi (m)
H=tinggi muka air dihilir pengatur (m) A=luas dasar
Penampang saluran pengaduk vertikal berbentuk segi empat, sehingga apabila pemerataan aliran tidak dilakukan dengan baik, akan mengakibatkan dead zone terutama di sudut-sudut kompartemen (dapat dilihat pada gambar 2.7)
Gambar 2.7 Flokulator buffle vertikal
IPA yang menggunakan sistem ini adalah Typical IPA Paket Maswandi yang dibangun diberbagai daerah, sebagai contoh di Perumahan Alam Sutra Tangerang yaitu Paket IPA Maswandi 50 L/dt yang dirancang oleh Ir Maswandi. Pengolahan jenis ini menghasilkan flok yang cukup baik karena sekat antar bak dapat di atur bukaannya untuk mendapatkan nilai G yang tepat.
Contoh Soal 2.3.: Diketahui:
Air yang diolah adalah air sungai yang keruh. Setelah koagulasi dillanjutkan dengan flokulasi buffle vertikal channel 6 tahap dimana: tahap 1 G = 70, td=2x60 dt tahap 2 G = 60, td=2x60 dt tahap 3 G = 40, td=2x60 dt tahap 4 G = 30, td=2x60 dt tahap 5 G = 25, td=2x60 dt tahap 6 G = 20, td=2x60 dt total td=12x60 dt Q = 50 L/dt = 0.05 m3/dt m= 0.798x10-3 r = 995.7 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 = 0.8x10-6 (30oC) Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel untuk flokulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel untuk flokulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.4.
Hasil Perhitungan Flokulasi dengan buffle vertikal
Uraian satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6 H (tinggi air) m H2=H1-h1 3.00 2.50 2.20 2.05 1.95 1.90 B=L(lebar=panjang) m ditentukan 1.41 1.41 1.41 1.41 1.41 1.41
A (luas dasar) m2 ditentukan 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00
h (beda tinggi) m ditentukan 0.50 0.30 0.15 0.10 0.05 0.03
G (gradien kecepatan) m Rumus 2.38 72.10 61.18 46.12 39.01 28.28 20.26 v (Kecepatan) m/dt Q/(H.B) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
td (waktu retensi) dt ditentukan 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0 Gxtd total= 3.10 4 9.10 3 7.10 3 6.10 3 5.10 3 3.10 3 2.10 3
iii). Buffle Channel (Saluran Pengaduk) Vertikal dengan diputar (Sistem Hexagonal atau cyclone)
Jenis Pengadukan ini dikembangkan dari jenis aliran vertikal, dimana pengadukan dilakukan dalam kompartemen berbentuk bundar atau bersegi banyak (enam=hexagonal).
Pengadukan dengan cara ini memanfaatkan energi dari: Beda tinggi antar ruang
Air yang berputar dalam kompartemen akan membantu proses pembentukan flok
Putaran dapat dilakukan dengan mengatur keluaran air didasar kompartemen dengan arah melingkar.
Gradien kecepatan pada pengadukan dihitung dengan perumusan 2.39. 2 HD Qh G
………..…..(2.39)Sedangkan putaran air (dengan satuan 1/dt) tergantung dari gradien kecepatan dan posisi titik pengamatan terhadap sumber. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Dengan kembali mengacu pada persamaan 2.22, dilakukan substitusi dy=dr (karena bersifat radial),
sehingga dr dv G Bila v=r maka
r dr
d G / ………..….(2.40) atau dr d r dr dr G ……….…….(2.40) Apabila K dr d , maka 2 KD G ……….(2.41) dengan batasan 0< K < 2.G/D
Apabila transfer energi untuk pengadukan sempurna, maka K mendekati 0. Sedangkan apabila semburan air dari lubang inlet kurang kuat dan air tidak berputar maka K mendekati 2.G/D.
Untuk mendapatkan putaran yang baik perbandingan antara diameter (2r) dan kedalaman air (H) didalam kompartemen adalah 1:3 sampai dengan 1:5.
Pengadukan dengan putaran dilakukan pada jenis Instalasi Kedasih yang dirancang oleh Ir Poedjastanto CES dimana flokulator berbentuk hexagonal. Jenis IPA ini sangat efektif dalam menghasilkan flok. Contoh IPA ini adalah di PDAM Cimahi dengan kapasitas 150 L/dt. (Lihat gambar 2.8).
inlet
outlet
Gambar 2.8 Flokulasi cyclone dengan bentuk hexagonal
Contoh 2.4. perhitungan untuk kasus diatas adalah sbb. : Diketahui :
Q= 50 L/dt. Air yang diolah adalah air sungai yang keruh. Setelah koagulasi dilanjutkan dengan flokulasi buffle vertikal dengan cyclone berbentuk hexagonal 6 tahap dimana
tahap 1 G = 70, td=2x60 dt tahap 2 G = 60, td=2x60 dt tahap 3 G = 40, td=2x60 dt tahap 4 G = 30, td=2x60 dt tahap 5 G = 25, td=2x60 dt tahap 6 G = 20, td=2x60 dt total td=12x60 dt m = 0.798x10-3 = 995.7 kg/m3 g = 9.81 m/dt2 = 0.8x10-6 (30oC) Ditanya:
tentukan dimensi buffle channel dengan cyclone hexagonal untuk flokulasi (untuk masing-masing zone)
Jawab:
Hasil perhitungan buffle channel dengan cyclone hexagonal untuk flokulasi pada masing-masing zone dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.5.
Hasil Perhitungan Flokulasi dengan cyclone hexagonal
Uraian satuan formula Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6
H (tinggi air) m Ditentukan 4.10 3.62 3.27 3.11 3.02 2.97
D=(Diameter) m Ditentukan 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37
A (luas dasar) m2 D2 1.46 1.46 1.46 1.46 1.46 1.46
h (beda tinggi) m Ditentukan 0.48 0.35 0.16 0.09 0.05 0.03
G (gradien kecepatan) m Rumus 2.38 71 64 46 35 27 21 v (Kecepatan) m/dt Q/(H.B) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
td (waktu retensi) dt Ditentukan 120 120 120 120 120 120
