BAGIAN II:

PROSES PENGOLAHAN SECARA FISIK

21

Dalam bagian II ini, akan dibahas pengolahan secara phisik yaitu pengolahan tanpa

rekayasa penambahan bahan kimia atau bahan lain untuk pemisahan zat padat atau

pengotor yang terkandung didalam air baku. Proses pengolahan secara phisik

umumnya dilakukan secara bertahap berdasarkan pada dimensi materi yang ada

didalam air baku sebagai mana dijelaskan pada bagian I buku ini. Materi dalam

bagian II ini akan disajikan dalam 3 bab secara berurutan sesuai dengan tahapan

pengolahan yang mengacu pada ukuran bahan atau partikel dalam air baku yaitu :

1. BAB 2 : Penyaringan .

2. BAB 3 Pengendapan

3. BAB 4 Filtrasi.

22

BAB 2

PENYARINGAN

RINGKASAN

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip penyaringan

benda-benda kasar yang terapung di air dengan screening (Gambar 2.1).

Ringkasan bab ini adalah sebagai berikut:

1. Penyaringan kasar merupakan unit pertama dari instalasi pengolahan air

minum karena fungsinya menyisihkan benda berukuran besar.

2. Prinsip kerja Penyaringan adalah melewatkan air melalui lubang atau celah

dengan ukuran bukaan lebih kecil dari ukuran benda – benda yang hendak

dipisahkan.

3. Energi pemisahan diperoleh dari energi hidrolik dengan aliran air secara

gravitasi.

4. Metode pembersihan benda – benda yang tersaring dalam media penyaring

dapat dilakukan secara manual atau mekanis.

�������������� �

������������������

�����

Gambar 2.1 Skema screening

23

2.1. Umum

Unit operasi terdepan dalam suatu instalasi pengolahan air adalah unit Saringan

(Screen). Suatu Screen adalah suatu alat dengan bukaan (opening) dengan ukuran

yang seragam berfungsi untuk menahan padatan yang terdapat dalam air baku

Instalasi Pengolahan Air Minum (IPAM). Penyaringan kasar (screening)

dimaksudkan untuk menyaring benda-benda kasar terapung atau melayang di air agar

tidak terbawa ke dalam unit pengolahan. Contoh benda – benda kasar yaitu daun,

plastik, kayu, kain, botol plastik, bangkai binatang, dan sebagainya.

Screening biasanya menjadi bagian dari suatu bangunan penyadap air (intake, Gambar

2.2), yang terdiri atas batang-batang besi yang disusun berjajar/paralel (selanjutnya

disebut screen). Screening juga sering ditempatkan pada saluran terbuka yang

menghubungkan sungai (sumber air) menuju ke bak pengumpul (lihat Gambar 2.3).

Gambar 2.2 Screen di intake

24

Gambar 2.3 Potongan memanjang saluran dan screen dalam statu saluran.

Dalam pengoperasiannya, air akan mengalir melalui bukaan (space) di antara batang

besi. Bila air membawa benda kasar, maka benda ini akan tertahan oleh besi berjajar

tersebut. Benda kasar yang tetahan dalam batang –batang screen akan menurunkan

luas bukaan sehingga menghambat laju aliran air yang berakibat pada terjadinya

penyumbatan dan meningkatkan kehilangan energi aliran atau headloss.

Headloss biasanya dihitung pada kondisi screen bersih dan pada kondisi screen

setengah tersumbat. Rumus untuk menghitung headloss pada screen adalah sebagai

berikut:

( )22221 2

1vv

gChhh sc

d

−=−=∆ (2.1)

dengan:

∆h = headloss akibat aliran melewati screen, m

Cd = Koefisien debit (biasanya 0,84)

g = percepatan gravitasi, m/det2

vsc = kecepatan aliran di screen, m/det

v = kecepatan aliran sebelum screen, m/det

Perhitungan ini penting dilakukan untuk memastikan air bisa mengalir, yang

ditunjukkan dengan nilai headloss yang kecil. Hasil perhitungan juga dapat digunakan

untuk menentukan waktu pembersihan screen, terutama untuk screen yang

dibersihkan secara manual.

25

Pembersihan secara manual merupakan pembersihan yang menggunakan tenaga

manusia dengan cara mengambil (menggaruk) benda yang tersangkut di screen

dibawa ke atas atau disingkirkan dari screen. Pembersihan ini dilakukan secara

berkala dan tidak boleh melebihi kondisi setengah tersumbat karena dikhawatirkan

headlossnya melebihi batas yang ditentukan sehingga air tidak mengalir ke unit

pengolahan berikutnya.

Jenis pembersihan lainnya adalah pembersihan secara mekanik. Pembersihan ini

mengandalkan tenaga mekanis, yaitu alat pengambil (penggaruk) benda yang

tersangkut di screen yang berjalan terus-menerus dengan digerakkan oleh motor.

Gambar 2.4 menunjukkan screen yang pembersihannya dilakukan secara manual dan

mekanis.

��������������

��������������

���

���

Gambar 2.4 Pembersihan screen: (a) cara manual, (b) cara mekanis

26

BAB 3

PENGENDAPAN

RINGKASAN

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip pengendapan

(Gambar 3.1) untuk menyisihkan partikel yang terdapat di dalam air baku.

Ringkasan materi bab ini adalah sebagai berikut:

1. Proses pengendapan partikel berlangsung secara gravitasi dalam air yang

mengalir secara horisontal.

2. Ditinjau dari jenis partikel yang diendapkan, pengendapan dibedakan menjadi

prasedimentasi (mengendapakan partikel diskret) dan sedimentasi

(mengendapakan partikel flokulen).

3. Bak pengendap ideal tersusun oleh empat zona, yaitu zona inlet, zona

pengendapan, zona lumpur, dan zona outlet.

Gambar 3. 1 Proses pengendapan partikel diskret dan flokulen

27

MATERI

Pengendapan dimaksudkan untuk memisahkan solid-liquid menggunakan

pengendapan secara gravitasi. Ditinjau dari jenis partikel yang diendapkan,

pengendapan dibedakan menjadi dua macam, yaitu prasedimentasi dan sedimentasi.

3.1. Prasedimentasi

Prasedimentasi (disebut juga plain sedimentation atau sedimentasi I) dimaksudkan

untuk mengendapkan partikel diskret atau partikel kasar atau lumpur. Partikel diskret

adalah partikel yang tidak mengalami perubahan bentuk dan ukuran selama

mengendap di dalam air.

Prasedimentasi hanya diperlukan apabila dalam air baku terdapat partikel diskret atau

partikel kasar atau lumpur dalam jumlah yang besar. Pengendapan dilakukan dalam

bak berukuran besar (biasanya membutuhkan waktu detensi selama 2 hingga 4 jam)

dalam aliran yang laminer, untuk memberikan kesempatan lumpur mengendap tanpa

terganggu oleh aliran. Pengendapan berlangsung secara gravitasi tanpa penambahan

bahan kimia sebelumnya. Kecepatan pengendapan dapat dihitung dengan rumus

Stoke’s sebagai berikut:

2gs 1)d(S

18�g

V −= (3.1)

atau

2ss �)d(�

18�g

V −= (3.2)

dengan:

Vs = kecepatan pengendapan, m/det

Sg = Specific gravity

ρs = densitas massa partikel, kg/m3

ρ = densitas massa liquid, kg/m3

g = percepatan gravitasi, m/detik2

28

� = viskositas kinematik, m2/detik

µ = viskositas absolut, N.detik/m2

Bentuk bak pengendap ada dua macam, yaitu:

a. Rectangular (segi empat)

b. Circular (lingkaran)

Bak sedimentasi ideal. Sebuah aliran horizontal dalam bak sedimentasi menunjukkan

karakteristik, yang secara umum digunakan untuk melukiskan cara pengendapan

partikel diskrit :

a. aliran melalui bak terdistribusi merata melintasi sisi melintang bak

b. partikel terdispersi merata dalam air

c. pengendapan partikel yang dominan terjadi adalah type I

Sebuah bak sedimentasi ideal dibagi menjadi 4 zona (lihat Gambar 3.2), yaitu:

a. zona inlet

b. zona pengendapan

c. zona lumpur

d. zona outlet

Zona inlet. Dalam zona ini aliran terdistribusi tidak merata melintasi bagian

melintang bak; aliran meninggalkan zona inlet mengalir secara horisontal dan

langsung menuju bagian outlet.

Zona pengendapan. Dalam zona ini, air mengalir pelan secara horisontal ke arah

outlet, dalam zona ini terjadi proses pengendapan. Lintasan partikel diskret tergantung

pada besarnya kecepatan pengendapan.

Zona lumpur. Dalam zona ini lumpur terakumulasi. Sekali lumpur masuk area ini ia

akan tetap disana

Zona outlet. Dalam zona ini, air yang partikelnya telah terendapkan terkumpul pada

bagian melintang bak dan siap melngalir keluar bak.

29

�����������

�����������������

��

����

���

���

���

����

�

�

��

�

�

��

��

�������������

�������

�����

�����

���

����

!�

��

���

��

����"��

���

����

Gambar 3.2 Pola pengendapan partikel diskret

3.2. Sedimentasi

Sedimentasi dimaksudkan untuk menyisihkan partikel/suspended solid dalam air

dengan cara mengendapkannya secara gravitasi. Jenis partikel yang diendapkan

adalah partikel flokulen, yaitu partikel yang dihasilkan dari proses koagulasi-flokulasi.

Ciri partikel flokulen adalah partikel yang selalu mengalami perubahan ukuran dan

bentuk selama proses pengendapan berlangsung.

Mekanisme sedimentasi adalah sebagai berikut:

a. Pengendapan partikel flokulen berlangsung secara gravitasi.

b. Flok yang dihasilkan pada proses koagulasi-flokulasi mempunyai ukuran yang

makin besar, sehingga kecepatan pengendapannya makin besar.

c. Untuk menghindari pecahnya flok selama proses pengendapan, maka aliran air

dalam bak harus laminer. Untuk tujuan ini, digunakan indikator bilangan Reynold

(NRe) dan bilangan Froud (NFr).

d. Aliran air yang masuk pada inlet diatur sedemikian rupa sehingga tidak

mengganggu pengendapan. Biasanya dipasang diffuser wall / perforated baffle

untuk meratakan aliran ke bak pengendap dengan kecepatan yang rendah.

Diusahakan agar inlet bak langsung menerima air dari outlet bak flokulator.

30

e. Air yang keluar melalui outlet diatur sedemikian, sehingga tidak mengganggu flok

yang telah mengendap. Biasanya dibuat pelimpah (weir) dengan tinggi air di atas

weir yang cukup tipis (1,5 cm).

Bentuk bak sedimentasi:

a. segi empat (rectangular). Pada bak ini, air mengalir horisontal dari inlet

menuju outlet, sementara partikel mengendap ke bawah (Gambar 3.3).

(a) (b)

Gambar 3.3 Bak sedimentasi berbentuk segi empat: (a) denah, (b) potongan

memanjang

b. lingkaran (circular) - center feed. Pada bak ini, air masuk melalui pipa menuju

inlet bak di bagian tengah bak, kemudian air mengalir horisontal dari inlet

menuju outlet di sekeliling bak, sementara partikel mengendap ke bawah

(Gambar 3.4). Secara tipikal bak persegi mempunyai rasio panjang : lebar

antara 2 : 1 – 3 : 1.

(a) (b)

Gambar 3.4 Bak sedimentasi berbentuk lingkaran – center feed: (a) denah, (b)

potongan melintang

c. lingkaran (circular) - periferal feed. Pada bak ini, air masuk melalui sekeliling

lingkaran dan secara horisontal mengalir menuju ke outlet di bagian tengah

lingkaran, sementara partikel mengendap ke bawah (Gambar 3.5). Hasil

penelitian menunjukkan bahwa tipe periferal feed menghasilkan short circuit

yang lebih kecil dibandingkan tipe center feed, walaupun center feed lebih

31

sering digunakan. Secara umum pola aliran pada bak lingkaran kurang

mendekati pola ideal dibanding bak pengendap persegi panjang. Meskipun

demikian, bak lingkaran lebih sering digunakan karena penggunaan peralatan

pengumpul lumpurnya lebih sederhana.

(a) (b)

Gambar 3.5 Bak sedimentasi berbentuk lingkaran – periferal feed: (a) denah, (b)

potongan melintang

Bagian-bagian dari bak sedimentasi (Gambar 3.6):

a. Inlet: tempat air masuk ke dalam bak.

b. Zona pengendapan: tempat flok/partikel mengalami proses pengendapan.

c. Ruang lumpur: tempat lumpur mengumpul sebelum diambil ke luar bak.

Kadang dilengkapi dengan sludge collector/scrapper.

d. Outlet: tempat di mana air akan meninggalkan bak, biasanya berbentuk

pelimpah (weir).

Vh

a b d Vs VR

c

Gambar 3.6 Bagian-bagian bak sedimentasi

32

Zona Inlet atau struktur influen. Zona inlet mendistribusikan aliran air secara

merata pada bak sedimentasi dan menyebarkan kecepatan aliran yang baru

masuk. Jika dua fungsi ini dicapai, karakteristik aliran hidrolik dari bak akan

lebih mendekati kondisi bak ideal dan menghasilkan efisiensi yang lebih baik.

Zona influen didesain secara berbeda untuk kolam rectangular dan circular.

Khusus dalam pengolahan air, bak sedimentasi rectangular dibangun menjadi

satu dengan bak flokulasi. Sebuah baffle atau dinding memisahkan dua kolam

dan sekaligus sebagai inlet bak sedimentasi. Disain dinding pemisah sangat

penting, karena kemampuan bak sedimentasi tergantung pada kualitas flok.

Zona outlet atau struktur efluen. Seperti zona inlet, zona outlet atau struktur

efluen mempunyai pengaruh besar dalam mempengaruhi pola aliran dan

karakteristik pengendapan flok pada bak sedimentasi. Biasanya weir/pelimpah

dan bak penampung limpahan digunakan untuk mengontrol outlet pada bak

sedimentasi. Selain itu, pelimpah tipe V-notch atau orifice terendam biasanya

juga dipakai. Diantara keduanya, orifice terendam yang lebih baik karena

memiliki kecenderungan pecahnya sisa flok lebih kecil selama pengaliran dari

bak sedimentasi menuju filtrasi.

Selain bagian-bagian utama di atas, sering bak sedimentasi dilengkapi dengan

settler. Settler dipasang pada zona pengendapan (Gambar 3.6) dengan tujuan

untuk meningkatkan efisiensi pengendapan.

pelimpah

Settler

Diffuser wall

Gambar 3.7 Settler pada bak sedimentasi

33

BAB 4

FILTER

RINGKASAN

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip filtrasi dengan

berbagai jenis filter dan media. Operasi pengaliran air pada berbagai filter dapat

dilihat pada Gambar 4.1. Ringkasan materi bab ini adalah sebagai berikut:

1. Mekanisme filtrasi yang dominan dalam filter pasir cepat adalah mechanical

straining, yaitu tertangkapnya partikel oleh media filter karena ukuran partikel

lebih besar daripada ukuran pori-pori media, sedangkan mekanisme filtrasi

dalam filter pasir lambat adalah proses biologis.

2. Filtrasi dengan membran ditujukan untuk menyaring bahan berukuran

molekuler dan ionik. Untuk berlangsungnya filtrasi ini, diperlukan driving

force, seperti perbedaan konsentrasi, potensial listrik, perbedaan tekanan, dan

sebagainya.

3. Filter karbon aktif merupakan media untuk proses adsorpsi yang ditujukan

untuk menghilangkan bahan organik dalam air.

Gambar 4. 1 Operasi pengaliran air pada filter

34

MATERI

Proses yang terjadi pada unit filter adalah penyaringan (filtrasi). Filtrasi merupakan

proses alami yang terjadi di dalam tanah, yaitu air tanah melewati media berbutir

dalam tanah dan terjadi proses penyaringan. Dengan meniru proses alam ini,

dikembangkan rekayasa dalam bentuk unit filter. Tujuan filtrasi adalah untuk

menghilangkan partikel yang tersuspensi dan koloidal dengan cara menyaringnya

dengan media filter. Selain itu, filtrasi dapat menghilangkan bakteri secara efektif dan

juga membantu penyisihan warna, rasa, bau, besi dan mangan.

Berdasarkan kecepatan alirannya, filtrasi dibagi menjadi:

a. Slow sand filter (saringan pasir lambat), merupakan penyaringan partikel yang

tidak didahului oleh proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran

dalam media pasir ini kecil karena ukuran media pasir lebih kecil. Saringan

pasir lambat lebih menyerupai penyaringan air secara alami.

b. Rapid sand filter (saringan pasir cepat), merupakan penyaringan partikel yang

didahului oleh proses pengolahan kimiawi (koagulasi). Kecepatan aliran air

dalam media pasir lebih besar karena ukuran media pasir lebih besar. Biasanya

filter ini digunakan untuk menyaring partikel yang tidak terendapkan di bak

sedimentasi.

Berdasarkan arah alirannya, filtrasi dibagi menjadi:

a. down-flow filtration

b. up-flow filtration

c. up flow-down flow filtration

d. horizontal flow filtration

Berdasarkan sistem pengaliran/driving force, filtrasi dibagi menjadi:

a. gravity filtration

b. pressure filtration

Selain pasir sebagai media filter, terdapat juga membran dan karbon aktif sebagai

media filtrasi dengan tujuan yang lebih khusus. Membran biasanya digunakan sebagai

media filter untuk proses penyaringan bahan yang ukurannya jauh lebih kecil

35

dibandingkan ukuran partikel (suspended solid). Karbon aktif digunakan untuk media

adsorpsi dengan tujuan untuk menghilangkan bahan organik.

4.1. Filter Pasir Cepat

Mekanisme filtrasi dalam filter pasir cepat meliputi:

a. Penyaringan secara mekanis (mechanical straining)

b. Sedimentasi

c. Adsorpsi atau gaya elektrokinetik

d. Koagulasi di dalam filter bed

e. Aktivitas biologis

Bagian-bagian dari filter pasir cepat meliputi (Gambar 4.2):

a. Bak filter. Bak ini merupakan tempat proses filtrasi berlangsung. Jumlah dan

ukuran bak tergantung debit pegolahan (minimum dua bak)

b. Media filter. Media filter merupakan bahan berbutir/granular yang

mempunyai pori-pori. Di pori-pori antar butiran inilah air mengalir dan

terjadilah proses penyaringan. Media dapat tersusun oleh satu macam bahan

(single media), dua macam (dual media), atau banyak media (multi media).

Susunan media berdasarkan ukurannya dibedakan menjadi:

• Seragam (uniform)

• Gradasi (stratified)

• Tercampur (mixed)

c. Sistem underdrain. Underdrain merupakan sistem pengaliran air yang telah

melewati proses filtrasi yang terletak di bawah media filter. Underdrain

terdiri atas:

• Orifice, yaitu lubang pada sepanjang pipa lateral sebagai jalan masuknya

air dari media filter ke dalam pipa.

• Lateral, yaitu pipa cabang yang terletak di sepanjang pipa manifold.

• Manifold, yaitu pipa utama yang menampung air dari lateral dan

mengalirkannya ke bangunan penampung air.

36

�������

������

��� ����

��� ����

��� �����������

��� ��� ����

Gambar 4.2 Bagian-bagian filter

Pengoperasian filter pasir cepat adalah sebagai berikut:

• Selama proses filtrasi berlangsung, partikel yang terbawa air akan tersaring di

media filter. Sementara itu, air terus mengalir melewati media pasir dan

penyangga, masuk lubang/orifice, ke pipa lateral, terkumpul di pipa manifold,

dan akhirnya air keluar menuju bak penampung (lihat Gambar 4.3).

• Partikel yang tersaring di media lama kelamaan akan menyumbat pori-pori

media sehingga terjadi clogging (penyumbatan). Clogging ini akan

meningkatkan headloss aliran air di media. Peningkatan headloss dapat dilihat

dari meningkatnya permukaan air di atas media atau menurunnya debit filtrasi.

Untuk menghilangkan clogging, dilakukan pencucian media.

• Pencucian dilakukan dengan cara memberikan aliran balik pada media

(backwash) dengan tujuan untuk mengurai media dan mengangkat kotoran

yang menyumbat pori-pori media filter. Aliran air dari manifold, ke lateral,

keluar orifice, naik ke media hingga media terangkat, dan air dibuang

melewati gutter yang terletak di atas media (lihat Gambar 4.4).

• Bila media filter telah bersih, filter dapat dioperasikan kembali.

37

#����� �����

$� ����

% ����

&���������

Gambar 4.3 Aliran air pada saat operasi filter

#����� �����

���������

�������'�'�

&���������

��������

���'�'���

Gambar 4.4 Aliran air pada saat pencucian filter

4.2. Filter Pasir Lambat

Filter pasir lambat adalah filter yang mempunyai kecepatan filtrasi lambat.

Dibandingkan filter cepat, kecepatan filtrasi pada filter lambat sekitar 20 – 50 kali

lebih lambat, yaitu sekitar 0,1 hingga 0,4 m/jam. Kecepatan yang lebih lambat ini

disebabkan ukuran media pasir juga lebih kecil (effective size = 0,15 – 0,35 mm).

Filter pasir lambat cukup efektif digunakan dalam menghilangkan kandungan bahan

organik dan organisme pathogen dari air baku yang mempunyai kekeruhan relatif

rendah. Filter pasir lambat banyak digunakan untuk pengolahan air dengan kekeruhan

air baku di bawah 50 NTU. Efisiensi filter pasir lambat tergantung pada distribusi

ukuran partikel pasir, ratio luas permukaan filter terhadap kedalaman dan kecepatan

filtrasi.

Filter pasir lambat bekerja dengan cara pembentukan lapisan gelatin atau biofilm yang

disebut lapisan hypogeal atau Schmutzdecke di beberapa milimeter bagian atas

lapisan pasir halus. Lapisan ini mengandung bakteri, fungi, protozoa, rotifera, dan

38

larvae serangga air. Schmutzdecke adalah lapisan yang melakukan pemurnian efektif

dalam pengolahan air minum. Selama air melewati Schmutzdecke, partikel akan

terperangkap dan organik terlarut akan teradsorpsi, diserap dan dicerna oleh bakteri,

fungi dan protozoa.

Proses yang terjadi dalam schmutzdecke sangat kompleks dan bervariasi, tetapi yang

utama adalah mechanical straining terhadap kebanyakan bahan tersuspensi dalam

lapisan tipis yang berpori-pori sangat kecil kurang dari satu mikron. Ketebalan lapisan

ini meningkat terhadap waktu hingga mencapai sekitar 25 mm, yang menyebabkan

aliran mengecil.

Pengujian kualitas air dilakukan secara berkala sampai standar dilampaui. Ketika

kecepatan filtrasi turun sampai tingkat tertentu, filter harus dicuci dengan mengambil

lapisan pasir bagian atas setebal sekitar 25 mm.

Keuntungan filter lambat antara lain:

• Biaya konstruksi rendah

• Rancangan dan pengoperasian lebih sederhana

• Tidak diperlukan tambahan bahan kimia

• Variasi kualitas air baku tidak terlalu mengganggu

• Tidak diperlukan banyak air untuk pencucian, pencucian hanya dilakukan di

bagian atas media, tidak dilakukan backwash

Kerugian filter pasir lambat adalah besarnya kebutuhan lahan, yaitu sebagai akibat

dari lambatnya kecepatan filtrasi.

Secara umum, filter pasir lambat hampir sama dengan filter pasir cepat. Filter lambat

tersusun oleh bak filter, media pasir, dan sistem underdrain (Gambar 4.5). Perbedaan

filter cepat dan filter lambat dapat dilihat pada Tabel 4.1.

39

Gambar 4.5 Skema filter pasir lambat

Tabel 4.1 Kriteria untuk Filter Pasir Cepat dan Filter Pasir Lambat Kriteria Filter Pasir Cepat Filter Pasir Lambat

Kecepatan filtrasi 4 – 21 m/jam 0,1 – 0,4 m/jam

Ukuran bed Kecil, 40 – 400 m2 Besar, 2000 m2

Kedalaman bed 30 – 45 cm kerikil, 60 – 70 cm pasir, tidak berkurang saat

pencucian

30 cm kerikil, 90 – 110 cm pasir, berkurang 50 – 80 cm

saat pencucian

Ukuran pasir Effective size >0,55 mm, uniformity coefficient <1,5

Effective size 0,25-0,3 mm, uniformity coefficient 2-3

Distribusi ukuran media Terstratifikasi Tidak terstratifikasi

Sistem underdrain Pipa lateral berlubang yang mengalirkan air ke pipa utama

Sama dengan filter cepat atau batu kasar dan beton berlubang

sebagai saluran utama

Kehilangan energi 30 cm saat awal, hingga 275 cm saat akhir

6 cm saat awal, hingga 120 cm saat akhir

Filter run (jarak waktu pencucian)

12 – 72 jam 20 – 60 hari

Metoda pembersihan Mengangkat kotoran dan pasir ke atas dengan backwash

Mengambil lapisan pasir di permukaan dan mencucinya

Jumlah air untuk pembersihan

1 – 6% dari air tersaring 0,2 – 0,6% dari air tersaring

Pengolahan pendahuluan Koagulasi-flokulasi-sedimentasi

Biasanya tidak ada bila kekeruhan kurang dari 50 NTU

Biaya konstruksi Relatif tinggi Relatif rendah

Biaya operasi Relatif tinggi Relatif rendah

Biaya depresiasi Relatif tinggi Relatif rendah Sumber: Schulz dan Okun (1984)

40

4.3. Filter Membran

Penggunaan membran dalam pengolahan air bertujuan untuk pemisahan substansi dari

larutan. Membran mampu menyaring partikel dalam larutan yang tidak nampak oleh

mata telanjang, bahkan membran mikrofiltrasi dapat menahan yeast (3 hingga 12

mikron) dan mikrofiltrasi yang lebih kecil dapat menahan bakteri terkecil

(Pseudomonas diminuta, 0,2 mikron). Gambar 4.6 menunjukkan perbadingan ukuran

polutan yang dapat dipisahkan dengan berbagai teknik pengolahan. Aplikasi membran

berdasarkan ukuran pori-pori membran dan mekanisme kerja membran atau proses

pemisahannya dapat dikelompokkan menjadi:

� Mikrofiltrasi, ukuran pori sekitar 0,05 – 10 mikron

� Ultrafiltrasi, ukuran pori sekitar 0,005 – 10 mikron

� Dialisis, ukuran pori sekitar 0,0005 – 0,1 mikron

� Elektrodialisis, ukuran pori sekitar 0,0005 – 0,01 mikron

� Reverse Osmosis, ukuran pori sekitar 0,0005 – 0,008 mikron

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

Rentang Ion Makromolekul Mikron Partikel

µ

Reverse Osmo sis

Elektrodialisis

Pertukaran Ion

Ultrafiltrasi

Ultrasentrifugasi

M ikro filtrasi

Sentrifugasi

Sedimentasi

Filtrasi Kain

Dialisis

Gambar 4.6 Rentang teknik pemisahan dengan membran dibandingkan dengan teknik lain (Reynolds, 1996)

41

Tabel 4.2 memberikan gambaran perbandingan berbagai teknik membrane.

Teknik Membran

Air Umpan Ukuran Pori Gaya Dorong Tujuan Penyisihan

Mikrofiltrasi Dari filter 0,1-2 mikron (umumnya 0,45 mikron)

Tekanan > 10 psi (> 0,7 kg/cm2)

Bakteri menyerupai partikel tak larut, bahan koloid

Ultrafiltrasi Dari filter 0,002-0,1 mikron (umumnya 0,01 mikron)

Tekanan > 20 psi (> 1,4 kg/cm2)

Senyawa berukuran molekuler, termasuk mikroorganisme

Elektrodialisis TDS 500 – 8000 mg/l

< 1 nm Arus DC 0,27-0,36 kW/lb garam

Ion garam

Reverse Osmosis

TDS 100 – 36000 mg/l

< 1 nm Tekanan > 200 psi (> 14 kg/cm2)

Ion garam dan bahan koloid

Sumber: Kawamura, S. (1991)

4.3.1. Mikrofiltrasi

Mikrofiltrasi adalah proses membran cross-flow tekanan rendah untuk

memisahkan partikel koloid dan tersuspensi berukuran 0,05-1 mikron.

Mikrofiltrasi mampu menyisihkan kekeruhan, presipitat besi dan mangan,

organik terkoagulasi, dan pathogen seperti Giardia dan kista Cryptospiridium.

Membran mikrofiltrasi terbuat dari berbagai bahan, terutama selulosa asetat.

Ukuran pori-pori membran lebih dari 0,1 mikron dan yang sering digunakan

adalah 0,45 mikron.

Penggunaan filtrasi terus-menerus akan menyebabkan tersumbat (dalam

teknologi membran sering disebut fouling) yang menyebabkan debit (flux)

turun drastis. Bila foluling terjadi, maka membran harus diganti.

4.3.2. Ultrafiltrasi

Ultrafiltrasi adalah proses pemisahan selektif yang menggunakan membrane

dengan ukuran pori kurang dari 0,1 mikron yang dioperasikan pada tekanan 30

sampai 90 psi (2 – 6 kg/cm2). Ultrafiltrasi mampu menyisihkan virus, bakteri,

partikel koloid berukuran lebih dari 0,01 mikron, dan senyawa organik berat

molekul tinggi. Ultrafiltrasi dapat mengkonsentrasikan suspended solid dan

solute hingga berat molekul lebih dari 1000. Permeat mengandung solute

42

organik berat molekul rendah. Aplikasi ultrafiltrasi banyak pada pemisahan

protein.

Permasalahan utama aplikasi membran adalah fouling. Dalam kondisi

demikian, menbran harus diganti. Beberapa jenis membran ultrfiltrasi tertentu

dapat di-backwash.

Membran ultrfiltrasi biasanya tersusun oleh dua lapis; lapisan sangat tipis (1-5

mikron) dan lapisan lebih tebal (25-50 mikron) di atasnya yang mempunyai

pori-pori halus.

4.3.3. Dialisis

Dialisis merupakan pemisahan solute dari ion atau zat berukuran molekul yang

berbeda pada larutan menggunakan membran permeabel selektif. Driving

force untuk dialisis adalah perbedaan konsentrasi solute yang melewati

membran. Dalam sel dialisis secara batch, larutan yang didialisis dipisahkan

dari pelarutnya dengan membran semipermeabel. Ion atau molekul yang lebih

kecil dapat menembus membran, sementara itu ion dan molekul yang lebih

besar tidak menembus karena ukuran relatif pori membran lebih kecil.

4.3.4. Elektrodialisis

Elektrodialisis merupakan proses pemisahan elektrokimia yang memindahkan

ion melewati membran semipermeabel. Proses elektrodialisis pada dasarnya

sama dengan proses dialisis. Faktor yang membedakan adalah pada driving

force. Driving force pada elektrodialisis adalah adanya gaya elektromotif

sehingga akan menghasilkan tingkat transfer ion yang meningkat.

Sebuah stack elektrodialisis mempunyai tiga sel (lihat Gambar 4.7). Stack

membran tersusun oleh:

- umpan air baku

- elektroda (katoda dan anoda)

- membran (anion-permeable dan cation-permeable)

- outlet air produk

- outlet konsentrat

43

(a)

(a)

(b)

Gambar 4.7 Prinsip elektrodialisis. (a) tampak atas, (b) penampang

Aliran air dalam stack elektrodialisis berlangsung seperti pada penjelasan

berikut. Jika aliran langsung mengenai elektroda, maka semua ion bermuatan

positif (kation) cenderung bergerak menuju katoda. Sebaliknya, semua ion

bermuatan negatif (anion) cenderung bergerak menuju anoda. Kation dapat

menembus membran cation-permeable, dan akan tertahan oleh membran

Air Laut

A A A C C C

Air Tawar (Produk)

Air Garam

Katoda (-)

Anoda (+)

+

+ +

+ +

+ +

- -

- -

- - -

+ + + +

+ +

-

- -

- - -

-

+

44

anion-permeable. Sebaliknya anion dapat menembus membran anion-

permeable, dan akan tertahan oleh membran cation-permeable. Kompartemen

dibuat berselang-seling antara yang berkonsentrasi ion yang lebih besar atau

lebih kecil daripada konsentrasi ion di umpan. Sebagai hasilnya, aliran dari

stack mengandung air produk, yang mempunyai konsentrasi elektrolit rendah,

dan larutan garam, yang mempunyai konsentrasi elektrolit tinggi. Sel dalam

stack disambungkan dengan aliran paralel. Gas sering terbentuk pada

elektroda, seperti hidrogen pada katoda dan oksigen serta klor pada anoda.

Sebuah membran elektrodialisis bersifat berpori, tipis, matriks terbuat dari

resin penukar ion sintetis. Matriks membran cation-permeable mempunyai

muatan negatif karena ionisasi dari site penukar kation. Kation yang dapat

ditukar dengan ruang pori sebanding dengan muatan negatif matriks. Jika arus

mengalir, kation masuk ke pori dan menembus membran sehingga gaya

perpindahan elektrik kation lebih besar daripada gaya tarik antara kation dan

membran cation-permeable. Jika matriks bermuatan negatif, dia akan

menolak anion. Membran anion-permeable dibuat dengan cara yang sama, di

mana anion dapat menembus, tetapi kation akan tertahan.

4.3.5. Reverse Osmosis

Reverse osmosis meliputi pemisahan pelarut (solvent), seperti air, dari larutan

garam dengan menggunakan membran semi permeabel dan tekanan

hidrostatik. Perhatikan gambar sketsa sel dialisis (Gambar 4.8a.). Aliran

pelarut menembus membran semi permeabel menuju larutan garam di

sebelahnya hingga terjadi konsentrasi yang setimbang. Fenomena ini disebut

osmosis (Gambar 4.8b). Tekanan hidrostatik yang terjadi selama kondisi

setimbang disebut tekanan osmotik. Jika dari arah yang sebaliknya diberikan

gaya yang lebih besar daripada tekanan osmotik, maka akan terjadi pengaliran

pelarut menembus membran semi permeabel menuju arah yang berlawanan

dengan osmosis. Proses demikian disebut reverse osmosis (Gambar 4.8c).

45

(a) (b) (c)

Gambar 4.8 Osmosis dan reverse osmosis (Reynolds, 1996)

Reverse osmosis serupa dengan ultrafiltrasi atau mikrofiltrasi karena ketiga

teknik itu memanfaatkan membran semi permeabel dan tekanan hidrostatik

untuk mendorong pelarut menembus membran. Pada ultrafiltrasi atau

mikrofiltrasi, pemisahan disebabkan oleh aksi penyaringan, tidak oleh osmosis

balik.

Tekanan osmotik larutan elektrolit dapat ditentukan dengan:

RTVnφνπ = (4.1)

di mana:

π = tekanan osmotik, atm

φ = koefisien osmotik

ν = jumlah ion yang terbentuk dari satu molekul elektrolit

n = jumlah mol elektrolit

V = volume pelarut, liter

R = konstanta gas

T = temperatur absolut, OK

Koefisien osmotik tergantung pada sifat zat dan konsentrasinya. Tekanan

osmotik untuk air laut yang mempunyai padatan terlarut 35.000 mg/l adalah

2740 kPa pada 25oC.

Pelarut Lar. Garam

Tek. Osmotik

Membran Tekanan

46

Diagram skematik unit reverse osmosis secara kontinyu dapat dilihat pada

Gambar 4.9. Larutan garam umpan ditekan sehingga perbedaan tekanan di

antara dua kompartemen lebih besar daripada perbedaan tekanan osmotik.

Meskipun perpindahan pelarut akan dimulai jika perbedaan tekanan melebihi

perbedaan tekanan osmotik, kecepatan perpindahan massa pelarut akan

meningkat sejalan dengan meningkatnya perbedaan tekanan. Secara praktis,

tekanan yang digunakan untuk aliran umpan adalah 1720 sampai 5520 kPa.

Tekanan disain tergantung pada perbedaan tekanan osmotik antara larutan

umpan dan produk, karakteristik membran, dan temperatur.

Gambar 4.9 Sketsa reverse osmosis kontinyu

Parameter disain yang utama adalah produksi per satuan luas membran dan

kualitas air produk. Produksi diukur dengan flux air melewati membran

(misal: l/hari-m2). Besarnya flux membran tergantung pada karakteristik

membran (ketebalan dan porositas) dan kondisi sistem (temperatur, perbedaan

tekanan, konsentrasi garam, kecepatan aliran).

Membran reverse osmosis digunakan untuk memisahkan zat terlarut yang

memiliki berat molekul yang rendah seperti garam anorganik atau molekul

organik kecil seperti glukosa dan sukrosa dari larutannya. Membran yang lebih

rapat dengan tahanan hidrodinamik yang lebih besar diperlukan pada proses

ini. Hal ini menyebabkan tekanan operasi pada reverse osmosis akan sangat

besar untuk menghasilkan fluks yang sama dengan proses mikrofiltrasi dan

ultrafiltrasi. Tekanan osmotik juga sangat berpengaruh pada proses ini.

Lar. Garam bertekanan

Air Produk

Buangan Garam

Membran

47

Tekanan yang diberikan pada proses reverse osmosis berkisar antara 20

sampai 100 bar, jauh lebih tinggi dibandingkan tekanan operasi pada proses

mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Material membran sangat berpengaruh pada

efisiensi pemisahan. Material yang digunakan pada proses ini diusahakan

memiliki afinitas yang besar terhadap pelarut (air) dan afinitas yang rendah

terhadap zat terlarut. Pemilihan material menjadi sangat penting karena secara

langsung akan menentukan sifat intrinsik membran.

Membran reverse osmosis banyak digunakan pada proses desalinasi air laut

dan air payau. Material yang digunakan umumnya bersifat hidrofilik,

mempunyai permeabilitas yang tinggi terhadap air dan kelarutan yang sangat

rendah terhadap zat terlarut. Material yang digunakan antara lain dari

golongan ester selulosa seperti selulosa diasetat dan selulosa triasetat tetapi

material ini tidak tahan terhadap zat kimia, bakteri, dan suhu yang ekstrim.

Material lainnya adalah poliamida. Poliamida memiliki selektivitas yang tinggi

terhadap gara tetapi material ini kurang begitu tahan terhadap klorin.

Aplikasi reverse osmosis terutama adalah untuk pemurnian air, khususnya

desalinasi air laut dan air payau menjadi air minum. Jumlah kandungan garam

dalam air payau berkisar antara 1000-5000 ppm dan dalam air laut sekitar

35000 ppm. Aplikasi lain adalah untuk membuat air ultra murni yang

digunakan pada industri semi konduktor.

4.4. Filter Karbon Aktif

Dalam pengolahan air, karbon aktif digunakan sebagai adsorben untuk menyisihkan

rasa, bau, atau warna yang disebabkan oleh kandungan bahan organik dalam air,

produk samping disinfeksi, pestisida, dan bahan organik sintetis lainnya.

Pertimbangan utama dalam memilih karbon aktif sebagai adsorben adalah:

a. Bentuk karbon aktif (bubuk atau butiran)

b. Kapasitas adsorptif

c. Laju adsorpsi

48

Pengoperasian proses adsorpsi berbeda antara karbon aktif berbentuk bubuk dan

butiran. Karbon aktif bubuk biasanya dibubuhkan pada air yang diolah dan diaduk

secara merata agar terjadi kontak, setelah itu diendapkan. Pada karbon aktif butiran,

karbon aktif dijadikan sebagai media filter dalam sebuah kolom adsorpsi (lihat

Gambar 4.10) yang dipasang setelah filter pasir konvensional atau disebut post

filtration.

������(�����

)�����*��� +�����������(�����

$�,�����-�*���

$� �����

% �����

(�����

���

. � �/����

*��������/����

(����������-�����

. ��� *��������/����

Gambar 4.10 Sistem adsorpsi fixed-bed

Persamaan yang umum digunakan dalam perhitungan adsorpsi adalah:

a. Langmuir:

bCbCq

mx m

+=

1 (4.2)

di mana x/m adalah besarnya adsorbat yang teradsorpsi oleh adsorben

(mg/gr), qm adalah maksimum adsorbat yang dapat teradsorpsi, b adalah

konstanta Langmuir (l/mg) dan C adalah konsentrasi adsorbat di air pada

saat kesetimbangan. Persamanaan ini dapat dimodifikasi menjadi

persamaan linier sebagai berikut:

49

mmmx qCbq

1111 += (4.2a)

b. Persamaan Freundlich:

nKCmx

1

= (4.3)

di mana x/m adalah besarnya adsorbat yang teradsorpsi oleh adsorben

(mg/gr), K adalah konstanta Freundlich (mg/g) yang proporsional dengan

ratio distribusi konsentrasi adsorbat di solid-air, 1/n menyatakan ketidak

linieran (tanpa satuan) dan C adalah konsentrasi adsorbat di air pada saat

kesetimbangan. Persamanaan ini dapat dimodifikasi menjadi persamaan

linier sebagai berikut:

Clnn

Klnmx

ln1+= (4.3a)

Kedua rumus di atas sering digunakan untuk memperkirakan banyaknya kebutuhan

karbon aktif untuk menyisihkan bahan organik hingga kadar tertentu yang diinginkan

(konsentrasi breakthrough). Banyaknya kebutuhan karbon aktif tersebut dapat

digunakan untuk mengadsorpsi bahan organik dalam waktu tertentu, disebut service

time. Setelah melewati waktu tersebut, konsentrasi efluen akan cenderung meningkat

hingga mencapai kondisi efluen hampir sama dengan influen (exhaust). Hal ini karena

karbon aktif telah mengalami kejenuhan (saturasi).

Untuk mengatasi kondisi demikian, maka perlu dilakukan regenerasi, yaitu pencucian

karbon aktif dengan air bersih dan bahan tertentu atau dilakukan regenerasi dengan

pemanasan karbon aktif dalam furnace.

50

Daftar Bacaan

• Droste, Ronald L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment,

John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997

• 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

• Kawamura, Susumu, Integrated Design of Water Treatment Facilities, John

Wiley & Sons, Inc., New York, 1991

• Qasim, S.R., Motley, E.M., dan Zhu, G., Water Work Engineering: Planning,

Design & Operation, Prentice Hall PTR, Texas, 2000

• Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in

Environmental Engineering, PWS Publishing Company, Boston, 1996

• Schulz, C.R. dan Okun, Daniel A., Surface Water Treatment for Communities

in Developing Countries, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1984

• http://www.oasisdesign.net/water/treatment/slowsandfilter.htm, 7 Mei 2006