BAB 5 UNIT KOAGULASI-FLOKULASI 5.1. Kestabilan Partikel Tersuspensi Air baku dari air permukaan umumnya mengandung partikel tersuspensi. Partikel tersuspensi dalam air dapat berupa partikel bebas dan koloid dengan ukuran yang sangat kecil, antara 0,001 mikron (10-6 mm) sampai 1 mikron (10-3 mm). Partikel yang ditemukan dalam kisaran ini meliputi (1) partikel anorganik, seperti serat asbes, tanah liat, dan lanau/silt, (2) presipitat koagulan, dan (3) partikel organik, seperti zat humat, virus, bakteri, dan plankton. Dispersi koloid mempunyai sifat memendarkan cahaya. Sifat pemendaran cahaya ini terukur sebagai satuan kekeruhan. Partikel tersuspensi sangat sulit mengendap langsung secara alami (lihat Tabel 5.1). Hal ini karena adanya stabilitas suspensi koloid. Stabilitas koloid terjadi karena: Gaya van der Waals. Gaya ini merupakan gaya tarik-menarik antara dua massa, yang besarnya tergantung pada jarak antar keduanya. Gaya Elektrostatik. Gaya elektrostatik adalah gaya utama yang menjaga suspensi koloid pada keadaan yang stabil. Sebagian besar koloid mempunyai muatan listrik. Oksida metalik umumnya bermuatan positif, sedangkan oksida nonmetalik dan sulfida metalik umumnya bermuatan negatif. Kestabilan koloid terjadi karena adanya gaya tolak antar koloid yang mempunyai muatan yang sama. Gaya ini dikenal sebagai zeta potensial. Gerak Brown. Gerak ini adalah gerak acak dari suatu partikel koloid yang disebabkan oleh kecilnya massa partikel. Gaya van der Waals dan gaya elektrostatik saling meniadakan. Kedua gaya tersebut nilainya makin mendekati nol dengan makin bertambahnya jarak antar koloid. Resultan kedua gaya tersebut umumnya menghasilkan gaya tolak yang lebih besar (Gambar 5.1). Hal ini menyebabkan partikel dan koloid dalam keadaan stabil.
Tabel 5.1 Pengendapan Partikel dalam Air Ukuran Partikel Tipe Partikel (mm) 10 Kerikil 1 Pasir 10-1 Pasir Halus 10-2 Lempung 10-3 Bakteri 10-4 Koloid -5 10 Koloid 10-6 Koloid Sumber: Water Treatment Handbook Vol. 1 (1991)
Waktu Pengendapan pada Kedalaman 1 Meter 1 detik 10 detik 2 menit 2 jam 8 hari 2 tahun 20 tahun 200 tahun
1
Gambar 5.1 Gaya-gaya pada koloid
5.2. Koagulasi-Flokulasi Koagulasi-flokulasi merupakan dua proses yang terangkai menjadi kesatuan proses tak terpisahkan. Pada proses koagulasi terjadi destabilisasi koloid dan partikel dalam air sebagai akibat dari pengadukan cepat dan pembubuhan bahan kimia (disebut koagulan). Akibat pengadukan cepat, koloid dan partikel yang stabil berubah menjadi tidak stabil karena terurai menjadi partikel yang bermuatan positif dan negatif. Pembentukan ion positif dan negatif juga dihasilkan dari proses penguraian koagulan. Proses ini berlanjut dengan pembentukan ikatan antara ion positif dari koagulan (misal Al3+) dengan ion negatif dari partikel (misal OH-) dan antara ion positif dari partikel (misal Ca2+) dengan ion negatif dari koagulan (misal SO42-) yang menyebabkan pembentukan inti flok (presipitat). Segera setelah terbentuk inti flok, diikuti oleh proses flokulasi, yaitu penggabungan inti flok menjadi flok berukuran lebih besar yang memungkinkan partikel dapat mengendap. Penggabungan flok kecil menjadi flok besar terjadi karena adanya tumbukan antar flok. Tumbukan ini terjadi akibat adanya pengadukan lambat. Proses koagulasi-flokulasi dapat digambarkan secara skematik pada Gambar 5.2. 2
Larutan koagulan
inlet outlet
pengadukan cepat
pengadukan lambat
Koagulasi Ca2+(HCO3-)2
Ca2+(HCO3-)2
Ca2+
Ca2+
Mg2+
Al3+
Al(OH)3
Al(OH)3
Mg2+
Al3+
Na+ Al(OH)3
Ca2+(HCO3-)2
Al3+
Al3+
Al3+
Ca2+
Partikel koloid stabil
Ca2+ Al3+
Al3+
Na+ Mg2+
Flokulasi
Ca2+
Al3+
Al(OH)3
Mg2+
Destabilisasi partikel
Pembentukan flok besar
Gambar 5.2 Gambaran proses koagulasi-flokulasi Proses koagulasi-flokulasi terjadi pada unit pengaduk cepat dan pengaduk lambat. Pada bak pengaduk cepat, dibubuhkan koagulan. Pada bak pengaduk lambat, terjadi pembentukan flok yang berukuran besar hingga mudah diendapkan pada bak sedimentasi. Koagulan yang banyak digunakan dalam pengolahan air minum adalah aluminium sulfat atau garam-garam besi. Kadang-kadang koagulan-pembantu, seperti polielektrolit dibutuhkan untuk memproduksi flok yang lebih besar atau lebih cepat mengendap. Faktor utama yang mempengaruhi proses koagulasi-flokulasi air adalah kekeruhan, padatan tersuspensi, temperatur, pH, komposisi dan konsentrasi kation dan anion, durasi dan tingkat agitasi selama koagulasi dan flokulasi, dosis koagulan, dan jika diperlukan, koagulan-pembantu. Beberapa jenis koagulan beserta sifatnya dapat dilihat pada Tabel 5.2. Pemilihan koagulan dan konsentrasinya dapat ditentukan berdasarkan studi laboratorium menggunakan jar test apparatus (Gambar 5.3) untuk mendapatkan kondisi optimum. Reaksi kimia untuk menghasilkan flok adalah: Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O + 6CO2 Pada air yang mempunyai alkalinitas tidak cukup untuk bereaksi dengan alum, maka perlu ditambahkan alkalinitas dengan menambah kalsium hidroksida. Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(OH)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O Derajat pH yang optimum untuk alum berkisar 4,5 hingga 8, karena aluminium hidroksida relatif tidak terlarut.
3
Gambar 5.3 Peralatan Jar test
Ferro sulfat membutuhkan alkalinitas dalam bentuk ion hidroksida agar menghasilkan reaksi yang cepat. Untuk itu, Ca(OH)2 ditambahkan untuk mendapatkan pH pada level di mana ion besi diendapkan sebagi Fe(OH)3, lihat Gambar 5.4. Reaksi ini adalah reaksi oksidasi-reduksi yang membutuhkan oksigen terlarut dalam air. Dalam reaksi koagulasi, oksigen direduksi dan ion besi dioksidasi menjadi ferri, di mana akan mengendap sebagai Fe(OH)3. 2FeSO4.7H2O + 2Ca(OH)2 + 1/2 O2 2Fe(OH)3 + 2CaSO4 + 13H2O Untuk berlangsungnya reaksi ini, pH harus sekitar 9,5 dan kadang-kadang stabilisasi membutuhkan kapur berlebih. Penggunaan ferri sulfat sebagai koagulan berlangsung mengikuti reaksi: Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 Reaksi ini biasanya menghasilkan flok yang padat dan cepat mengendap. Jika alkalinitas alami tidak cukup untuk reaksi, diperlukan penambahan kapur. Rentang pH optimum adalah sekitar 4 hingga 12, karena ferri hidroksida relatif tidak larut dalam rentang pH ini. Reaksi ferri klorida sebagai koagulan berlangsung sebagai berikut: 2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2 Penambahan kapur diperlukan bila alkalinitas alami tidak mencukupi. 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 Reaksi ferri klorida berlangsung pada pH optimum 4 sampai 12. Flok yang terbentuk umumnya padat dan cepat mengendap.
4
Tabel 5.2 Beberapa Jenis Koagulan dalam Praktek Pengolahan-Air Nama Kimia
Aluminium sulfat
Ferri klorida
Ferri sulfat Ferro sulfat
Nama Lain
Rumus Kimia
Berat Molekul
Alum
Al2(SO4)3.14,3H2O
599,77
Alum cair
Al2(SO4)3.49,6H2O
1235,71
Besi (III) klorida, Besi triklorida
FeCl3
162,21
FeCl3.6H2O
270,30
FeCl3.13,1H2O
398,21
Fe2(SO4)3.9H2O
562,02
Fe2(SO4)3.36,9H2O
1064,64
FeSO4.7H2O
278,02
Ferri klorin cair Besi (III) sulfat, Besi persulfat Ferri sulfat cair Copperas
Densitas bulk, kg/m3
Specific Gravity
1000-1096
1,25-1,36
Sekitar 872
Al: 9,0-9,3
1,30-1,34
Sangat larut
Al: 4,0-4,5
721-962
Sekitar 719
Fe: kira2 34
962-1026
Sekitar 814
Fe: 20,3-21,0
Sangat larut
Fe: 12,7-14,5
Wujud Putih terang, padat Putih atau terang- abu abu kekuningan, cair Hijau-hitam, bubuk Kuning-coklat, bongkahan Coklat kemerahan, cair Merah-coklat, bubuk Coklat kemerahan, cair Hijau, bongkahan kristal
1,20-1,48
Kelarutan dalam Air, kg/m3
1122-1154
Sumber: Qasim, dkk. (2000)
5
Kadar Air % w/w
pH larutan Sekitar 3,5
71,2-74,5
56,5-62,0
0,1-1,5
56,5-64,0
0,1-1,5
Fe: 17,9-18,7 1,40-1,57
1010-1058
Kadar Kimia %w/w
Sangat larut
Fe: 10,1-12,0 Fe: Sekitar 20
Gambar 5.4 Pengaruh pH terhadap kelarutan Fe(III) pada temperatur 25 oC (diambil dari Fair dkk, 1981)
5.3. Pengadukan Pengadukan merupakan operasi yang mutlak diperlukan pada proses koagulasi-flokulasi. Pengadukan cepat berperan penting dalam pencampuran koagulan dan destabilisasi partikel. Pengadukan lambat berperan dalam upaya penggabungan flok. 5.3.1. Jenis Pengadukan Jenis pengadukan dapat dikelompokkan berdasarkan kecepatan pengadukan dan metoda pengadukan. Berdasarkan kecepatannya, pengadukan dibedakan menjadi pengadukan cepat dan pengadukan lambat. Berdasarkan metodanya, pengadukan dibedakan menjadi pengadukan mekanis, pengadukan hidrolis, dan pengadukan pneumatis. Kecepatan pengadukan merupakan parameter penting dalam pengadukan yang dinyatakan dengan gradien kecepatan. Gradien kecepatan merupakan fungsi dari tenaga yang disuplai (P): G
P .V
(5.1)
dalam hal ini: P
= suplai tenaga ke air (N.m/detik)
V
= volume air yang diaduk, m3
= viskositas absolut air, N.detik/m2
Persamaan (5.1) berlaku umum untuk semua jenis pengadukan. Parameter yang membedakannya adalah besarnya tenaga yang disuplai ke dalam air (P) yang dapat dihitung dengan rumus-rumus yang akan dijelaskan pada subbab 5.3.2. Rumus yang digunakan untuk menghitung nilai P bergantung pada metoda pengadukan yang digunakan. 6
5.3.1.1. Pengadukan Cepat Tujuan pengadukan cepat dalam pengolahan air adalah untuk menghasilkan turbulensi air sehingga dapat mendispersikan bahan kimia yang akan dilarutkan dalam air. Secara umum, pengadukan cepat adalah pengadukan yang dilakukan pada gradien kecepatan besar (300 sampai 1000 detik-1) selama 5 hingga 60 detik atau nilai GTd (bilangan Champ) berkisar 300 hingga 1700. Secara spesifik, nilai G dan td bergantung pada maksud atau sasaran pengadukan cepat. Untuk proses koagulasi-flokulasi: • Waktu detensi = 20 - 60 detik • G = 1000 - 700 detik-1 Untuk penurunan kesadahan (pelarutan kapur/soda): • Waktu detensi = 20 - 60 detik • G = 1000 - 700 detik-1 Untuk presipitasi kimia (penurunan fosfat, logam berat, dan lain-lain) • Waktu detensi = 0,5 - 6 menit • G = 1000 - 700 detik-1 Pengadukan cepat dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu: 1. Pengadukan mekanis 2. Pengadukan hidrolis 3. Pengadukan pneumatis 5.3.1.2. Pengadukan Lambat Tujuan pengadukan lambat dalam pengolahan air adalah untuk menghasilkan gerakan air secara perlahan sehingga terjadi kontak antar partikel untuk membentuk gabungan partikel hingga berukuran besar. Pengadukan lambat adalah pengadukan yang dilakukan dengan gradien kecepatan kecil (20 sampai 100 detik-1) selama 10 hingga 60 menit atau nilai GTd (bilangan Champ) berkisar 48000 hingga 210000. Untuk menghasilkan flok yang baik, gradien kecepatan diturunkan secara bertahap agar flok yang telah terbentuk tidak pecah lagi dan berkesempatan bergabung dengan yang lain membentuk gumpalan yang lebih besar. Secara spesifik, nilai G dan waktu detensi untuk proses flokulasi adalah sebagai berikut: • Untuk air sungai: - Waktu detensi = minimum 20 menit - G = 10 - 50 detik-1 • Untuk air waduk: - Waktu = 30 menit - G = 10 - 75 detik-1 • Untuk air keruh: - Waktu dan G lebih rendah • Bila menggunakan garam besi sebagai koagulan: - G tidak lebih dari 50 detik-1 • Untuk flokulator 3 kompartemen: - G kompartemen 1 : nilai terbesar - G kompartemen 2 : 40 % dari G kompartemen 1 - G kompartemen 3 : nilai terkecil Untuk penurunan kesadahan (pelarutan kapur/soda): • Waktu detensi = minimum 30 menit • G = 10 - 50 detik-1 7
Untuk presipitasi kimia (penurunan fosfat, logam berat, dan lain-lain) • Waktu detensi = 15 - 30 menit • G = 20 - 75 detik-1 • GTd = 10.000 - 100.000 Pengadukan lambat dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain: 1. Pengadukan mekanis 2. Pengadukan hidrolis 5.3.1.3. Pengadukan Mekanis Pengadukan mekanis adalah metoda pengadukan menggunakan peralatan mekanis yang terdiri atas motor, poros pengaduk (shaft), dan alat pengaduk (impeller). Peralatan tersebut digerakkan dengan motor bertenaga listrik. Berdasarkan bentuknya, ada tiga macam impeller, yaitu paddle (pedal), turbine, dan propeller (baling-baling). Bentuk ketiga impeller tersebut dapat dilihat pada Gambar 5.5 dan Gambar 5.6. Kriteria impeller dapat dilihat pada Tabel 5.3.
(a)
(b)
Gambar 5.5 Tipe paddle (a) tampak atas, (b) tampak samping
Tabel 5.3 Kriteria Impeller Tipe Kecepatan Impeller Putaran Paddle 20 - 150 rpm
Dimensi
diameter: 50-80% lebar bak lebar: 1/6-1/10 diameter paddle Turbine 10-150 rpm diameter:30-50% lebar bak Propeller 400-1750 rpm diameter: max. 45 cm Sumber: Reynold & Richards (1996)
8
Keterangan
jumlah pitch 1-2 buah
(a)
(b)
(c)
(d) (e) Gambar 5.6 Tipe turbine dan propeller. (a) turbine blade lurus, (b) turbine blade dengan piringan, (c) turbin dengan blade menyerong, (d) propeller 2 blade, (e) propeller 3 blade (Qasim, dkk., 2000) Pengadukan mekanis dengan tujuan pengadukan cepat umumnya dilakukan dalam waktu singkat dalam satu bak (Gambar 5.6). Faktor penting dalam perancangan alat pengaduk mekanis adalah dua parameter pengadukan, yaitu G dan td. Sekadar patokan, Tabel 5.4 dapat digunakan dalam pemilihan nilai G dan td. Pengadukan mekanis dengan tujuan pengadukan lambat umumnya memerlukan tiga kompartemen dengan ketentuan G di kompartemen I lebih besar daripada G di kompartemen II dan G di kompartemen III adalah yang paling kecil (Gambar 5.7). Pengadukan mekanis yang umum digunakan untuk pengadukan lambat adalah tipe paddle yang dimodifikasi hingga membentuk roda (paddle wheel), baik dengan posisi horisontal maupun vertikal (Gambar 5.8). motor
bak pengaduk
inlet
outlet impeller
Gambar 5.6 Pengadukan cepat dengan alat pengaduk Tabel 5.4 Nilai Gradien Kecepatan dan Waktu Pengadukan Waktu Pengadukan, td (detik) Gradien Kecepatan (1/detik) 20 1000 30 900 40 790 700 50 Sumber: Reynold & Richards (1996) 9
inlet
outlet
kompartemen I
kompartemen II
kompartemen III
Gambar 5.7 Pengadukan lambat dengan alat pengaduk Arah putaran
Poros horisontal
Gambar 5.8 Flokulator paddle wheel dengan blade tegak lurus aliran air (tipe horizontal shaft) 5.3.1.4. Pengadukan hidrolis Pengadukan hidrolis adalah pengadukan yang memanfaatkan aliran air sebagai tenaga pengadukan. Tenaga pengadukan ini dihasilkan dari energi hidrolik yang dihasilkan dari suatu aliran hidrolik. Energi hidrolik dapat berupa energi gesek, energi potensial (jatuhan) atau adanya lompatan hidrolik dalam suatu aliran. Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pada pengadukan cepat haruslah aliran air yang menghasilkan energi hidrolik yang besar. Dalam hal ini dapat dilihat dari besarnya kehilangan energi (headloss) atau perbedaan muka air. Dengan tujuan menghasilkan turbulensi yang besar tersebut, maka jenis aliran yang sering digunakan sebagai pengadukan cepat adalah terjunan (Gambar 5.9), loncatan hidrolik, dan parshall flume. Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pada pengadukan lambat adalah aliran air yang menghasilkan energi hidrolik yang lebih kecil. Aliran air dibuat relatif lebih tenag dan dihindari terjadinya turbulensi agar flok yang terbentuk tidak pecah lagi. Beberapa contoh pengadukan hidrolis untuk pengadukan lambat adalah kanal bersekat (baffled channel, Gambar 5.10), perforated wall, gravel bed dan sebagainya.
10
Pembubuhan koagulan
Gambar 5.9 Pengadukan cepat dengan terjunan
baffle
channel
inlet
outlet
Gambar 5.10 Denah pengadukan lambat dengan baffled channel
5.3.1.5. Pengadukan pneumatis Pengadukan pneumatis adalah pengadukan yang menggunakan udara (gas) berbentuk gelembung sebagai tenaga pengadukan. Gelembung tersebut dimasukkan ke dalam air dan akan menimbulkan gerakan pada air (Gambar 5.11). Injeksi udara bertekanan ke dalam air akan menimbulkan turbulensi, akibat lepasnya gelembung udara ke permukaan air. Aliran udara yang digunakan untuk pengadukan cepat harus mempunyai tekanan yang cukup besar sehingga mampu menekan dan menggerakkan air. Makin besar tekanan udara, kecepatan gelembung udara yang dihasilkan makin besar dan diperoleh turbulensi yang makin besar pula. koagulan
outlet inlet udara
gelembung udara
Gambar 5.11 Pengadukan cepat secara pneumatis 11
5.3.2. Tenaga Pengadukan Tenaga pengadukan adalah tenaga yang digunakan untuk melakukan pengadukan. Tenaga ini dihasilkan oleh peralatan mekanis, aliran hidrolis, atau gelembung udara sebagaimana telah dijelaskan pada subbab jenis pengadukan. Besarnya tenaga untuk operasi pengadukan mempengaruhi besarnya gradien kecepatan (lihat kembali persamaan 5.1). Bila suatu sistem pengadukan telah ditentukan nilai gradien kecepatannya, maka tenaga pengadukan dapat dihitung. Perhitungan tenaga pengadukan berbeda-beda bergantung pada jenis pengadukannya. Pada pengadukan mekanis, yang berperan dalam menghasilkan tenaga adalah bentuk dan ukuran alat pengaduk serta kecepatan putaran alat pengaduk. Hubungan antar variabel itu dapat dinyatakan dengan persamaan (5.2) untuk bilangan Reynold (NRe) lebih dari 10.000 dan persamaan (5.3) untuk nilai NRe kurang dari 20. Bilangan Reynold untuk alat pengaduk dapat dihitung dengan persamaan (5.4).
P K T .n3 .Di 5 .
(5.2)
P K L .n 2 .Di .
(5.3)
3
Di n 2
N Re
(5.4)
dengan: P
= tenaga , N-m/det.
KT
= konstanta pengaduk untuk aliran turbulen
n
= kecepatan putaran, rps
Di
= diameter pengaduk, m
= massa jenis air, kg/m3
KL
= konstanta pengaduk untuk aliran laminar
μ
= kekentalan absolut cairan, (N-det/m2).
Nilai KT dan KL untuk tangki bersekat 4 buah pada dinding tangki, dengan lebar sekat 10 % dari diameter tangki diberikan pada Tabel 5.5. Tabel 5.5 Konstanta KT dan KL untuk tangki bersekat Jenis Impeller Propeller, pitch of 1, 3 blades Propeller, pitch of 2, 3 blades Turbine, 4 flat blades, vaned disc Turbine, 6 flat blades, vaned disc Turbine, 6 curved blades Fan turbine, 6 blades at 45 Shroude turbine, 6 curved blades Shrouded turbine, with stator, no baflles Flat paddles, 2 blades (single paddle), Di/Wi = 4 Flat paddles, 2 blades , Di/Wi = 6 Flat paddles, 2 blades , Di/Wi = 8 Flat paddles, 4 blades , Di/Wi = 6 Flat paddles, 6 blades , Di/Wi = 8 Sumber: Reynold & Richards (1996)
12
KL 41,0 43,5 60,0 65,0 70,0 70,0 97,5 172,5 43,0 36,5 33,0 49,0 71,0
KT 0,32 1,00 5,31 5,75 4,80 1,65 1,08 1,12 2,25 1,70 1,15 2,75 3,82
Besarnya tenaga yang dihasilkan oleh putaran paddle wheel tergantung pada gaya drag dan kecepatan relatif paddle wheel. Persamaan berikut digunakan untuk menghitung tenaga yang dihasilkan oleh putaran paddle wheel:
P CD A
v3 2
(5.5)
di mana: P = tenaga, N.m/det CD = koefisien drag (dapat dilihat pada Tabel 5.6) A = luas permukaan paddle wheel, m2
= rapat massa air, kg/ m3 v = kecepatan relatif putaran paddle, m/det Bila paddle wheel tersusun oleh lebih dari satu pasang paddle (dengan ukuran yang sama), maka persamaan (5.5) berubah menjadi:
1 P CD Av i3 2
(5.6)
i = 1, 2, 3 ……..n
Tabel 5.6 Nilai Koefisien Drag Ratio Li/Wi 5 20 ~ Keterangan: Li = panjang paddle Wi = lebar paddle
CD 1,20 1,50 1,90
Pada pengadukan hidrolis, tenaga dapat dituliskan sebagai berikut:
P Q ..g.h dimana :
(5.7)
P = tenaga, N.m/det Q = debit aliran, m3/det = berat jenis, kg/m3 g = percepatan gaya gravitasi, 9,8 m/det 2 h = tinggi jatuhan, m = kehilangan energi (head loss)
Penggabungan persamaan (5.7) ke dalam persamaan (5.1) menghasilkan: G
dimana :
Q . .g.h .V
g.h
(5.8)
.td
= /, viskositas kinematis, m2/detik td = V/Q = waktu tinggal hidrolik, detik
13
Nilai h dapat dihitung dengan persamaan berikut: a.
Aliran air dalam pipa :
hL f
Lv 2 D.2.g
dimana :
b.
f L v D
(5.9) = = = =
koefisien kekasaran pipa Darcy-Weisbach panjang pipa, m Kecepatan aliran air, m/det diameter pipa, m
Aliran air di baffled channel :
v2 hL k 2.g dimana : c.
(5.10) k v
= koefisien kekasaran pipa Darcy-Weisbach = Kecepatan aliran air, m/det
Aliran air pada media berbutir :
hL
f 1 L v 2 3 d g
(5.11)
1 1,75 f 150 RN
RN dimana :
d L
d.v .
= = = v = RN = =
diameter rata-rata butiran, m kedalaman media berbutir, m porositas butiran ( 0,4) kecepatan aliran air, m/det bilangan reynold faktor bentuk ( 0,8)
Besarnya tenaga pada flokulator kanal bersekat (baffled channel) dapat dihitung dengan persamaan 5.8, dengan h sama dengan headloss total sepanjang baffled channel. Besarnya headloss dipengaruhi oleh jumlah sekat dan kanal pada bak tersebut. Jumlah kanal dapat ditentukan dengan persamaan berikut : 1.
Jumlah kanal dalam flokulator aliran horizontal: 1/ 3
2 2.t H.L.G n Q 1 . 44 f
2.
(5.12)
Jumlah kanal dalam flokulator aliran vertikal: 1/ 3
2 2.t W .L.G n 1.44 f Q
(5.13)
14
dimana : h = head loss (m) v = kecepatan fluida (m/det) g = konstata gravitasi ( 9,81 m/det2) k = konstanta empiris ( 2,5 – 4) n = jumlah kanal H = kedalaman air dalam kanal (m) L = panjang bak flokulator (m) G = gradien kecepatan (1/det) Q = debit aliran (m3/det) t
= waktu flokulasi (det)
= Kekenatalan dinamis air (kg/m.det) = Berat jenis air (kg/m3) f
= koefisien gesek sekat
W = lebar bak (m) Pada pengadukan pneumatis, tenaga yang dihasilkan merupakan fungsi dari debit udara yang diinjeksikan, yang dapat dituliskan sebagai berikut:
h 10,4 P 3904.Ga.Log 10,4 dimana :
(5.14)
P = power, (N.m/s) Ga = debit udara, m3/menit h = kedalaman diffuser, m
15
Contoh Soal 5.1. Sebuah bak pengaduk berbentuk bujur sangkar digunakan untuk mengaduk air dengan debit 7500 m3/hari. Kedalaman air sama dengan 1,2 kali lebar. Diharapkan dalam bak tersebut terjadi pengadukan dengan nilai gradien kecepatan 800 m/detik-m dengan waktu tinggal hidrolik td = 45 detik. Suhu air adalah 25 C dan kecepatan putaran poros alat pengaduk adalah 100 rpm. Tentukan: 1. Ukuran bak pengaduk 2. Tenaga yang dibutuhkan 3. Diameter impeller jika digunakan vane-disc impeller 6 flat blades dan tangki memiliki 4 baffle tegak. 4. Diameter impeller jika tidak digunakan baffle tegak. 5. Tinggi jatuhan minimum jika dipergunakan sistim terjunan hidrolik 6. Udara yang dibutuhkan jika pengadukan pneumatis digunakan dan lokasi diffuser 20 cm di atas dasar tangki.
Penyelesaian: 1. Volume tangki = Q x td = 7500 m3/hari x 1 hari/1440 menit x 1 menit/60 detik x 45 detik = 3,90 m3 Volume = Pb x Lb x Hb = Lb x Lb x 1,2 Lb = 3,90 m3 Maka lebar bak = 1,48 m dan kedalaman = 1,2 x 1,48 = 1,78 m 2. Tenaga yang dibutuhkan: Pada suhu air = 25oC, = 0,000890 N.detik/m2 2
N.m 800 0,000890 N. det 3 P G 2 V 3,90m 2221 2 det m det = 2221 watt. 3. Diameter impeller : Persamaan (5.2) ditulis sebagai berikut: 1/ 5
P Di 3 KT n
Berdasarkan Tabel 5.4 didapatkan nilai KT = 5,75 Pada suhu air = 25oC, = 997,0 kg/m3 n = 100 rpm = 1,667 rps
2221 N.m 1 m 3 kg. m 1 Di 3 2 det 5,75 1,667 rps 997 kg N. det = 0,610 m 16
1/ 5
Di/Lb = 0,610/1,48 = 0,412 = 41,2 % Cek nilai Nre:
Di n 2
N Re
0,610m2 1,667 rps 997 kg / m 3 N. det 2 0,000890 N. det/ m 2
kg. m
= 694.865 >>> 10.000 (OK) 4. Jika tanpa sekat (baffle) tegak, tenaga yang dibutuhkan adalah 75 % dari tenaga untuk tangki bersekat. Jadi nilai KT = 0,75 X 5,75 = 4,31.
2221 N.m 1 m 3 kg.m 1 Di 3 2 det 4,31 1,667 rps 997 kg N. det
1/ 5
= 0,65 m Di/Lb = 0,65/1,48 = 0,439 = 43,9 % 5. Jika digunakan sistem hidrolik, maka tinggi jatuhan dapat dihitung dengan rumus :
G 2 ..td 800 0,000890 N. det 1m 3 45 det H 2 .g m2 det 997 kg 9,81 m / det 2
6. Jika digunakan pengadukan pneumatis: h = 1,78 m – 0,20 m = 1,58 m sehingga :
Ga
P / 3904 2221 / 3904 9,26 m 3 menit h 10,4 1,58 10,4 log log 10 , 4 10,4
17
2,62 m
Contoh Soal 5.2: Sebuah IPAM mengolah air dengan debit Q = 1,8 m3/detik dengan unit koagulasi menggunakan pengaduk cepat mekanis. Gradien kecepatan 1000/detik dan waktu detensi td = 15 detik. Untuk pemilihan motor pengaduk, tersedia spesifikasi motor sebagai berikut:
1. Model Mix-25
n = 30 - 45 rpm
Power = 0,18 kW
2. Model Mix-50
n = 30 - 45 rpm
Power = 0,37 kW
3. Model Mix-75
n = 45 - 70 rpm
Power = 0,56 kW
4. Model Mix-100
n = 45 - 110 rpm
Power = 0,75 kW
5. Model Mix-150
n = 45 - 110 rpm
Power = 1,12 kW
6. Model Mix-200
n = 70 - 110 rpm
Power = 1,5 kW
7. Model Mix-300
n = 110 - 175 rpm
Power = 2,24 kW
8. Model Mix-500
n = 110 - 175 rpm
Power = 3,74 kW
9. Model Mix-750
n = 110 - 175 rpm
Power = 5,59 kW
10. Model Mix-1000
n = 110 - 175 rpm
Power = 7,46 kW
11. Model Mix-1500
n = 110 - 175 rpm
Power = 11,19 kW
Tentukan ukuran dan jumlah bak pengaduk cepat dengan ketentuan tiap bak terdapat satu alat pengaduk. Alat pengaduk dapat dipilih dari spesifikasi di atas. Penyelesaian:
1. Hitung volume bak pengaduk: V = td x Q = 15 detik x 1,8 m3/detik = 27 m3
2. Hitung power yang diperlukan: Diasumsikan suhu air 25oC
2
N.m 1000 0,000890 N. det 3 P G 2 V 24,03 kW 30m 24030 2 det m det Bila dianggap efisiensi power motor menjadi power pengadukan air adalah 80%, maka power motor yang diperlukan adalah 24,03 kW / 0,8 = 30,0 kW. Berdasarkan motor yang tersedia, dapat dipilih motor model Mix-1500 sebanyak tiga buah. Jadi jumlah bak adalah tiga. Debit air untuk satu bak adalah 0,6 m 3/detik.
3. Hitung kembali volume bak berdasarkan power motor terpilih: P = 11,19 kW x 0,8 = 8,952 kW
V
8952 N.m P det. 10,06 10 m3 G2 . (1000 / det)2 x 0,00089 N.det 2 m
Lebar bak = pajang bak = 2,2 m Kedalaman = 2,0 m Cek td td = 10 m3/0,6 m3/detik = 16,7 detik
4. Disain alat pengaduk: Direncanakan menggunakan alat pengaduk tipe turbine, 6 flat blades, vaned disc dengan 18
nilai KT = 5,75. Gunakan persamaan (5.2): 1/ 5
P Di 3 KT n
Hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel berikut: No
n, rpm
n, rps
Di , m
Di/Lb
1
110
1,83
1,08
0,490
2
120
2
1,02
0,465
3
130
2,17
0,98
0,443
4
140
2,33
0,93
0,424
5
150
2,5
0,90
0,407
6
160
2,67
0,86
0,391
7
170
2,83
0,83
0,377
8
175
2,92
0,82
0,371
Berdasarkan kriteria ratio diameter alat pengaduk / lebar bak, yaitu 30 – 50%, maka semua alternatif n dan Di pada Tabel di atas dapat dipilih. Makin kecil diameter alat pengaduk, maka kecepatan putaran makin diperbesar.
19
Contoh Soal 5.3: Rancanglah suatu flokulator kanal bersekat (baffled channel) aliran horizontal air dengan kapasitas 12.000 m3/hari. Bak flokulator dibagi dalam tiga ruang kecepatan masing–masing 75/detik, 35/detik, dan 20/detik. Waktu flokulasi menit dan suhu air 25 C. Dinding kanal memiliki nilai koefisien kekasaran f flokulator ditetapkan 12 m dan kedalaman kanal 1,2 m.
untuk mengolah dengan gradien keseluruhan 24 = 0,3. Panjang
Penyelasian: 1. Dihitung flokulator pertama dengan gradient kecepatan, G = 75/detik dan waktu tinggal hidrolik, td = 8 menit. a. Total volume flokulator : V = 24 menit x 12.000 m3/hari x 1 hari/1440 menit = 200 m3 b. Total lebar flokulator : V 200 m 3 13,89 m LxH 12 mx1,2 m c. Lebar tiap kompartemen : W = 14 m/3 = 4,7 m d. Pada suhu 25 C nilai = 0,89 x 10-3 kg/m.det dan =997 kg/m3 e. Jumlah kanal dalam flokulator pertama : W
1/ 3
2 2 .t H.L.G n 1,44 f Q
2 3 2(0,89x10 )(8)(60) (1,2)(12)(75) n 9971,44 0,3 12000 / 86400 f. Jarak antar sekat = 12/31 = 0,39 m g. Head loss pada flokulator :
h
1/ 3
31
.t 2 0,89x10 3 860 752 0,25m G .g 9979,81
2. Dengan cara yang sama dapat dihitung untuk kompartment kedua dan ketiga Kompartmen kedua : - G = 35/detik - Td = 8 menit - Jumlah sekat = 19 - Jarak antar sekat = 0,63 m - Head loss = 0,05 m Kompartmen ketiga : - G = 20/detik - Td = 8 menit - Jumlah sekat = 13 - Jarak antar sekat = 0,92 m - Head loss = 0,02 m 3. Total head loss = 0,25 + 0,05 + 0,02 = 0,32 m selisih muka air di inlet dan outlet
20
Contoh Soal 5.4: Sistem IPAM memiliki flokulator seperti gambar di bawah untuk mengolah air dengan debit 12.000 m3/hari. Flokulator terdiri dari tiga kompartemen dengan ukuran yang sama, panjang total 18 m dan tinggi 4,5 m dan lebar 4,5 m. Kompartemen pertama memiliki 4 buah paddle dengan jarak dari poros sebesar 1,9 ; 1,7 ; 1,5; 1,3 m. Kompartemen kedua memiliki 3 buah paddle dengan jarak dari poros 1,9 ; 1,7; 1,5 m, sedangkan kompartemen ketiga memiliki 2 buah paddle dengan jarak dari poros sebesar 1,9 dan 1,5 m. Setiap paddle memiliki ukuran lebar 0,1 m dan panjang 4,5 m. Pada suhu 25 C, hitung kecepatan putar poros agar nilai G rata–rata 25/detik.
Poros horisontal
4,5 m
18 m
Penyelasian: 1. Hitung tenaga untuk menghasilkan G = 25/detik dengan persamaan (5.1) Pada suhu 25 C nilai = 0,89 x 10-3 kg/m.det dan =997 kg/m3 P = G2 μ V = (25/detik)2 x (0,89 x 10-3 kg/m.det) x (18 m x 4,5 m x 4,5 m) = 203 N-m/detik Nilai P ini adalah tenaga total yang dihasilkan oleh tiga kompartemen. 2. Hitung nilai kecepatan relatif tiap paddle pada kompartemen pertama: Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,9 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,9 = (8,95 n) m/detik Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,7 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,7 = (8,01 n) m/detik Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,5 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,5 = (7,07 n) m/detik Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,3 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,3 = (6,13 n) m/detik 3. Hitung nilai kecepatan relatif tiap paddle pada kompartemen kedua: Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,9 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,9 = (8,95 n) m/detik Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,7 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,7 = (8,01 n) m/detik 21
Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,5 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,5 = (7,07 n) m/detik 4. Hitung nilai kecepatan relatif tiap paddle pada kompartemen ketiga: Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,9 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,9 = (8,95 n) m/detik Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,5 m: vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,5 = (7,07 n) m/detik 5. Hitung kecepatan putaran (n): Dalam sistem flokulator di atas, hanya ada satu nilai n karena putaran dihasilkan oleh satu poros. Ukuran paddle adalah sama, Li = 4,5 m dan Wi = 0,1 m. Ratio Li/Wi = 45. Berdasarkan Tabel 5.6, nilai CD = 1,9 A = jumlah tangkai x 4,5 m x 0,1 m = 2 x 4,5 m x 0,1 m Gunakan persamaan (5.6):
1 P CD Av i3 2 203 N-m/detik = (1/2) x 1,9 x (2 x 4,5 m x 0,1 m) x (997 kg/m3) x {(8,95 n)3 + (8,01 n)3 + (7,07 n)3 + (6,13 n)3 + (8,95 n)3 + (8,01 n)3 + (7,07 n)3 + (8,95 n)3 + (7,07 n)3} m/detik n = 0,0377 rps = 2,26 rpm Jadi, untuk menghasilkan nilai G rata–rata 25/detik, maka paddle wheel harus diputar dengan kecepatan 2,26 putaran per menit.
22
5.4. Soal-soal 1. Pengaduk mekanis berupa propeller 3 blades berdiameter 40 cm diputar dengan kecepatan 425 rpm. a. Tentukan dimensi bak agar diperoleh gradient kecepatan 825 m/detik-m b. Berapa debit air yang dapat diolah ? 2. Tangki pengaduk cepat berbentuk bujur sangkar dengan debit 8 x 10 3 m3/hari, memiliki kedalaman 1,25 kali lebar. Nilai G = 1000/detik dan suhu 20C, waktu detensi 30 detik. Pengaduk berupa vans disk impeller dengan 6 blade. Tentukanlah: Dimensi tangki, kebutuhan power input, kecepatan impeller jika diameter impeller 50 % lebar tangki. 3. Berapa debit udara yang diperlukan untuk menjaga nilai G sebesar 500/detik dalam suatu tangki dengan kedalaman 2,75 m dan waktu tinggal air selama 5 menit, suhu air 20 C. 4. Pada percobaan jar test digunakan gelas beaker berisi 1 liter air dengan paddle berukuran seperti gambar berikut:
2,5 cm
8,0 cm Pertanyaan: a. Bila paddle diputar dengan kecepatan 100 rpm selama 1 menit, hitunglah gradien kecepatan yang dihasilkan oleh putaran paddle tersebut. b. Bila akan digunakan sebagai pengaduk lambat, berapakah kecepatan paddle harus diputar? 5. Hitung kembali contoh soal 5.2 untuk pengadukan lambat tiga kompartemen dengan nilai G masing-masing 70, 35, 20 det-1 dan td total 30 menit. 6. Buatlah rancangan alat pengaduk mekanis tipe paddle wheel untuk mengaduk air (slow mixing) dengan debit 100 l/detik sehingga dihasilkan GTd yang menurun masing-masing 70000, 55000, dan 45000 (waktu detensi total 45 menit). Rancangan meliputi: - bentuk dan dimensi bak dan alat pengaduk - kecepatan putaran - power motor yang diperlukan Temperatur air = 30oC 7. Gambar berikut adalah potongan memanjang baffled channel:
23
h1
h2
h3
h4
Kedalaman air : 1,5 meter Panjang bak : 15 meter Lebar bak : 2 meter Headloss : lihat gambar, h1=h4= 4 cm, h2=h3= 7 cm Hitunglah bilangan Camp! 8. Sistem IPAM memiliki flokulator seperti gambar di bawah untuk mengolah air dengan debit 12.000 m3/hari. Flokulator terdiri dari tiga kompartemen dengan ukuran yang sama, panjang total 18 m dan tinggi 4,5 m dan lebar 4,5 m. Kompartemen pertama memiliki 4 buah paddle dengan jarak dari poros sebesar 1,9 ; 1,7 ; 1,5; 1,3 m. Kompartemen kedua memiliki 3 buah paddle dengan jarak dari poros 1,9 ; 1,7; 1,5 m, sedangkan kompartemen ketiga memiliki 2 buah paddle dengan jarak dari poros sebesar 1,9 dan 1,5 m. Setiap paddle memiliki ukuran lebar 0,1 m dan panjang 4,5 m. Pada suhu 25 C, hitung kecepatan putar poros agar nilai G rata–rata 25/detik. Arah putaran
Poros horisontal
4,5 m
18 m
9. Koagulasi-Flokulasi di lakukan dalam satu sistem baffled chamel horisontal flow dengan debit air yang diolah 150 lt/dt. = 10-6 m2/dt G = 800 dt-1 td = 1 menit
G = 80 I td = 7,5 menit
G = 40 II 7,5 menit
G = 20 III 7,5 menit
L Koagulasi
Flokulasi 24
P
a. Koagulasi -
Hitung berapa luas area (Pbx Lb) koagulasi jika kedalaman air 1 meter
-
Hitung berapa headloss yang diperlukan di unit koagulasi (g = 9,81 m/dt2)
-
Hitung berapa jumlah sekat horisontal
-
Berapa jarak/lebar di belokan
b. Flokulasi -
Hitung berapa luas (Pbx Lb) pada unit flokulasi jika panjang bak disesuaikan dengan bak koagulasi
-
Hitung berapa headloss yang diperlukan di masing-masing bak flokulasi
-
Hitung berapa jumlah sekat horisontal
-
Berapa jarak/lebar di belokan
5.5. Bahan Bacaan 1. -----, Water Treatment Handbook, 6th edition, Volume 1, Degremont Water and the Environment, 1991 2. Casey. T.J., Unit Treatment Processes in Water and Wastewater Engineering, John Wiley & Sons, Singapore, 1997. 3. Droste, Ronald L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, New York, 1997 4. 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. 5. Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2nd edition, PWS Publishing Company, Boston, 1996. 6. Fair, Gordon M., Geyer, John C., dan Okun, Daniel A., Water and Wastewater Engineering, Volume 2: Water Purification and Wastewater Treatment and Disposal, John Wiley and Sons Inc. New York, 1981
25
