METODE Prosedur Penelitian Perhitungan Proses Koagulasi pada Unit Distribution Chamber

Transkripsi

1 1 Evaluasi dan Desain Unit Pengolahan Air Minum Dalam Rangka Peningkatan Kapasitas Instalasi di PT. Krakatau Tirta Industri, Cilegon, Banten Evaluation and Design of Water Treatment Plant to Increase Plant Capacity at PT. Krakatau Tirta Industri, Cilegon, Banten Rizka Amalia 1, Arief Sabdo Yuwono 2, Allen Kurniawan 3 Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Fakultas Teknologi Pertanian, InstitutPertanian Bogor,PO. BOX. 220, Kampus IPB Dramaga, Bogor, rizkaaipb46@gmail.com 1, arief_sabdo_yuwono@yahoo.com 2, allen.kurniawan@gmail.com 3 Abstrak: Air bersih merupakan salah satu kebutuhan utama manusia, namun ketersediaannyamenjadi terbatas apabila dikonsumsi dan dikelola dengan tidak bijak.tujuan penelitian ini untuk mengevaluasi kondisi terkini unit Instalasi Pengolahan Air Minum PT. Krakatau Tirta Industri (PT. KTI), serta mengkaji peningkatan kapasitas pengolahan instalasi berdasarkan aspek proses dan desain. Penelitian dilakukan dengan dua tahap, yaitu pengambilan data primer dan sekunder, serta analisis kalkulasi proses dan desain. Air baku diolah pada instalasi pengolahan air, melalui proses koagulasi, flokulasi, sedimentasi, filtrasi,netralisasi, dan disinfektansi.hasil pengukuran tiap bak distribusi didapatkan berupa profil aliran yang menggambarkan bahwa aliran akan semakin kecil mendekati dasar saluran. Berdasarkan hasil perhitungan, nilai gradien hidrolik pada unit koagulasi berada pada kisaran detik -1 hingga 1284 detik -1 sehingga tidak sesuai dengan kriteria desain antara detik -1. Pada unit flokulasi nilai G sebesar 39.1 detik -1 sehingga telah memenuhi kriteria desain pada kisaran detik -1. detensi (t d ) padaunit koagulasi pada kisaran detik masih memenuhi kriteria desain t d <1 menit. Pada unit flokulasi t d berada pada kisaran detik sehingga belum memenuhi kriteria desain pada kisaran detik.oleh karena itu, diperlukan perbaikan berupa perubahan desain agar diperoleh hasil yang sesuai dengan kriteia desain. Kata kunci : flokulasi, Instalasi Pengolahan Air Minum, koagulasi, kriteria desain Abstract: Fresh water is one of the human main needs, but its availability becomes limited when it isn t consumed and managed wisely. Purposes oft his study are to evaluate the current condition of WaterTreatment Plantunits at PT. KrakatauTirtaIndustri(PTKTI)and to review the development of installationcapacitybased onprocessanddesign aspects. The study is conducted in two stages, namely collecting primary and secondary data and analyzing process and design calculations. Raw water istreated in water treatment plant by coagulation, flocculation, sedimentation, filtration, neutralization,and disinfection process. Result of velocity measurement of each chamber was obtained water flow profilethat thedeeper point, the smaller velocity. Based on calculations, value ofhydraulicgradient in coagulationunitwere in range of1035.5sec -1 to1284sec -1 which didn t comply withdesign criteriain rangeof sec -1. Inflocculationunit,Gvalueof39.1sec -1 complied with design criteriain range of10-100sec -1. Detention time(t d ) incoagulationunitwere in range of30-40 secondsstill met design criteriat d <1minute. In flocculationunit, t d values were in range of17-27seconds soit didn t meetdesign criteriain range of12-18seconds.therefore, the improvements such as design changes are required in order to obtain results that match design criteria. Keywords: coagulation, design criteria, flocculation, Water Treatment PENDAHULUAN Air merupakan salah satu kebutuhan utama makhluk hidup terutama manusia. Tidak hanya untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari, air juga diperlukan dalam bidang industri, transportasi, dan bidang lainnya. Pengolahan air diperlukan untuk menjaga ketersediaan air bersih yang didistribusikan kepada pengguna.

2 2 Menurut Zemmouri et al. (2012), pengolahan air minum bertujuan memproduksi air yang aman baik secara biologis maupun kimiawi untuk dapat dikonsumsi oleh manusia dan secara estetik baik dari segi bau, rasa, dan penampakan. Di Indonesia, kualitas air minum diatur dalam Peraturan Menteri Kesehatan Nomor 416 tahun 1990 Tentang Syarat-syarat Dan Pengawasan Kualitas Air. Industri merupakan salah satu kegiatan yang memerlukan air dalam jumlah yang besar. PT. Krakatau Tirta Industri (PT. KTI) merupakan industri yang memasok kebutuhan air untuk kawasan industri yang berada di kota Cilegon. Perusahaan ini sebelumnya merupakan unit penunjang kegiatan operasional PT. Krakatau Steel (Persero) dalam bidang penyediaan air bersih yang mulai beroperasi sejak Kapasitas di unit pengolahan air saat ini adalah sebesar liter/detik, dengan penggunaan mencapai 60%. Mengingat permintaan akan pasokan air terus bertambah, PT. KTI berniat melakukan peningkatan kapasitas menjadi 2500 liter/detik. Penambahan debit tersebut diikuti oleh perubahan unit pengolahan yang sesuai dengan debit air yang diolah. Oleh karena itu, evaluasi kinerja instalasi diperlukan agar tidak terjadi permasalahan pada proses produksi saat penambahan kapasitas unit. Evaluasi unit pengolahan air juga pernah dilakukan oleh Kobayashi, et al. (2013) berdasarkan peningkatan turbiditas air baku akibat perubahan iklim. Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mengevaluasi kondisi terkini unit Instalasi Pengolahan Air Minum PT. KTI. 2. Mengkaji peningkatan kapasitas pengolahan instalasi berdasarkan aspek proses dan desain. METODE a. Prosedur Penelitian Penelitian dilaksanakan di PT. Krakatau Tirta Industri, Cilegon, Banten. Pelaksanaan penelitian dilakukan dua tahap, yaitu tahap pertama pengambilan data primer dan sekunder selama bulan Februari-April 2013, serta tahap kedua berupa analisis proses desain selama bulan Maret-Mei Alat yang digunakan pada penelitian ini antara lain Current Meter untuk mengukur aliran air, stopwatch, kalkulator, alat tulis dan seperangkat komputer atau laptop yang dilengkapi dengan Microsoft Office. Selain itu, peralatan untuk mengukur kualitas air, yaitu Turbidity Meter, ph Meter, spektrofotometer, Conductivity Meter, Flocculator, Stirer, Incubator, Oven, hotplate,dan peralatan gelas dan bahan kimia dibutuhkan dalam proses analisis di laboratorium.diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 1. b. Perhitungan Proses Koagulasi pada Unit Distribution Chamber Koagulasi dilakukan menggunakan proses pencampuran menggunakan metode terjunan (hydraulic jump). Pada proses pengadukan (mixing), pengukuran (v) dilakukan untuk mencari debit yang masuk ke dalam tiap-tiap bak. Nilai gradient dapat diperkirakan berdasarkan ketinggian terjunan dan waktu detensi (t d ). Perhitungan nilai G dan NRe (Darmasetiawan, 2001) dapat dilihat pada persamaan berikut: (1)

3 3.(2) (3) (4) Keterangan: = waktu detensi, detik = volume reaktor, m 3 = debit aliran air, m 3 /dt = gradien, dt -1 = viskositas kinematik, N-m-dt/kg µ = viskositas dinamik pada 30 C, N-dt/m 2 = percepatan gravitasi, 9.81 m/dt 2 ρ = massa jenis air pada suhu air di Indonesia, kg/m 3 = beda tinggi tekanan, m = Kecepatan aliran, m/dt R = jari-jari hidrolik, m Mengidentifikasi proses terkini pada setiap unit pengolahan air Studi literatur Pengambilan data Data primer Data sekunder Pengolahan dan perhitungan data Tidak Evaluasi hasil berdasarkan kriteria desain Ya Perhitungan peningkatan kapasitas unit pengolahan Gambar 1. Diagram alir penelitian

4 4 Selain perhitungan di atas proses Jar Test juga harus dilakukan untuk mengetahui dosis optimum yang diberikan pada bak distribusi. Proses Jar Test diawali dengan pemberian koagulan dengan dosis berbeda pada 3-6 gelas ukur 1 liter. Untuk pengadukan cepat (proses koagulasi), air yang akan dimasukkan harus terjadi olakan pada gelas ukur. Selanjutnya, pengadukan lambat (proses flokulasi) dilakukan dengan 65 rpm selama 10 menit.kemudian air didiamkan selama 10 menit untuk mengendapkan flok.pada air yang sudah lebih jernih dilakukan pengukuran ph, kekeruhan dan warna. Titik optimum pencampuran antara koagulan dan air baku pada bak koagulasi dapat diperkirakan melalui pengamatan. Pengamatan dilakukan dengan pengambilan air pada setiap kedalaman 1 meter dari permukaan air pada bak koagulasi.dari air yang telah di ambil, kemudian diamati waktu pembentukan flok yang paling cepat dari setiap titik. c. Perhitungan Unit Accelator Clarifier pada Proses Flokulasi dan Sedimentasi Proses flokulasi dan sedimentasi berada dalam satu bangunan berbentuk sirkular yang disebut Accelator Clarifier. Evaluasi dapat dilakukan dengan menghitung nilai gradien hidrolik dan nilai bilangan Reynolds (NRe) (Qasim, 2000), melalui persamaan berikut:.. (5)..(6)..(7) Keterangan: = gradient, dt -1 = daya atau power, N-m/dt µ = viskositas dinamik pada 30 C, N-dt/m 2 = volume reaktor, m 3 = bilangan Reynolds = diameterimpeller, m = impeller, rps Ρ = massa jenis air pada suhu air di Indonesia, kg/m 3 Np = nilai tenaga dari impeller Analisis proses pengendapan dilakukan di laboratorium melalui reaktor unit sedimentasi. Pada reaktor tersebut, tingkat pengendapan flok hasil proses koagulasi-flokulasi akan diamati berdasarkan parameter Total Suspended Solid (TSS) pada setiap titik sampling pada kedalaman yang berbeda-beda. Bahan yang dibutuhkan yaitu tabung yang terbuat dari plastic fiber transparan, keran untuk mengambil contoh air, serta peralatan pendukung pengukuran (Turbiditymeter dan Stopwatch). Desain reaktor dapat dilihat pada Gambar 2.

5 5 Tabung Plastik fibertransparan atau kaca Papan atau besi kayu penyangga Gambar2. Dimensi reaktor sedimentasi yang dirancang HASIL DAN PEMBAHASAN PT. KTI melakukan pengolahan air baku menjadi air bersih yang sebagian besar air untuk dialirkan sebagian besar sebagai kebutuhan industri, disamping sebagai kebutuhan masyarakat kota Cilegon dalam skala minor. Air baku dialirkan dari tiga sumber, yaitu Sungai Cidanau, Waduk Krenceng, dan kombinasi keduanya. Apabila waduk penuh atau instalasi pumps station (PS) Cidanau tidak dapat beroperasi, air baku diambil dari Waduk Krenceng. Penggunaan air dari kombinasi kedua sumber digunakan apabila Waduk Krenceng penuh dan kualitas air baku Cidanau menurun sehingga meningkatkan efisiensi energi listrik dan bahan kimia pembantu. Air baku diambil dari Sungai Cidanau yang bersumber dari danau alam "Rawa Dano" dan dialirkan menggunakan pipa diameter 1.4m sepanjang ±28km untuk diolah menjadi air bersih di unit Instalasi Pengolahan Air Minum. Instalasi ini terdiri atas beberapa tahapan proses yaitu koagulasi, flokulasi, sedimentasi, filtrasi, netralisasi dan diakhiri unit disinfektansi. PT KTI memiliki beberapa unit utama dalam pengolahan air. Pertama, unit bangunan distribusi (distribution structure) berfungsi sebagai bak pembagi yang dilengkapi dengan gate valve. Kedua, unit distribution chamber (bak distribusi) berfungsi sebagai sarana dalam proses pembubuhan koagulan Aluminium Sulfat (Al 2 (SO 4 ) 3 ) yang akan mengalami turbulensi antara air baku dengan koagulan tersebut. Aluminium sulfat diberikan melalui pipa berlubang. Bak koagulasi berupa saluran persegi terbuka yang berjumlah tiga buah dengan proses pengadukan berupa terjunan (hydraulic jump). Ketiga, unit accelator sebagai perpaduan unit flokulasi dan sedimentasi. Di dalam unit ini, flok yang terbentuk dari proses koagulasi akan bergabung membentuk flok dalam ukuran yang lebih besar (flokulasi) sehingga lebih mudah diendapkan pada zona sedimentasi. Berat jenis partikel yang lebih besar dari berat jenis air akan mengendap secara gravitasi dan disapu oleh scrapper. Unit ini terdiri atas tiga bangunan yang masing-masing terhubung dengan bak distribusi. Keempat, penyaring (filter) berfungsi sebagai media untuk penyaringan partikel halus yang terbawa dari accelator, serta menghilangkan warna, turbiditas, dan kekeruhan. Kelima, unit netralisasi dan disinfeksi berupa kanal yang mengalir dari filter menuju reservoir. Pada unit ini

6 6 dilakukan pembubuhan kapur dan klorin secara terus-menerus. Dan keenam, reservoir berfungsi sebagai media bak penampung air bersih yang akan didistribusikan ke konsumen. Proses pengolahan lebih lengkap dapat dilihat pada Gambar 3. Hasil pengukuran tiap bak didapatkan berupa profil aliran dari setiap bak. Profil aliran yang terbentuk menggambarkan bahwa aliran akan semakin kecil mendekati dasar saluran. Hal ini mengindikasikan bahwa terjadi olakan (pencampuran) pada kedalaman mendekati dasar saluran. Pada bak ketiga terdapat penyimpangan yang menggambarkan berkurang semakin ke dalam, tetapi pada kedalaman 280 cm kembali bertambah. Hal ini dapat menyebabkan pencampuran yang terjadi belum sempurna pada bak ketiga. Profil aliran tiap bak dapat dilihat pada Gambar 4a, b, dan c. Kecepatan rata-rata pada bak kesatu sebesar m/detik, bak kedua sebesar meter/detik, dan bak ketiga sebesar meter/detik. Ketiga bak memiliki lebar yang sama, yaitu sebesar 0.80 meter dengan tinggi terjunann sebesar 3.50 meter. Akan tetapi, ketinggian air pada setiap bak berbeda, yaitu pada bak kesatu sebesar 3.20 meter, pada bak kedua sebesar 3.10 meter, dan pada bak ketiga sebesar 3.40 meter. Setelah didapatkan dan luas permukaan aliran, debit yang masuk ke dalam tiap bak juga telah ditentukan. Hasil perhitungan tersebut didapatkan debit setiap bak sebagai berikut: = m 3 /detik = m 3 /detik = m 3 /detik Raw Water Intake Cidanau Sand Trap Shock Chlorine Pump Station I Surge Tank 27.2 km Shock Chlorine Distribution Structure Pump Station II Krenceng Reservoir By Pass & Sump Pump Vaccum Tank Alum Sulphate Distribution Chamber Accelator Clarifier Lime Hydrate Chlorine Green Leaf Filter Sludge Blow of Sump Reservoir Pump Station IV Water Tower Wash Water Outlet Sump Sludge Field Pump Station III Consumer Bak Penampung Backwash Gambar 3. Proses pengolahan air di PT. Krakatau Tirta Industri, Cilegon, Banten

7 Kedalaman (cm) Kedalaman (cm) Kedalaman (cm) 7 Kecepatan (m/detik) (a) Bak kesatu Kecepatan (m/detik) (b) Bak kedua Kecepatan (m/detik) (c) Bak ketiga Gambar 4. Profil aliran bak distribusi Proses koagulasi terjadi dengan pencampuran menggunakan terjunan dengan ketinggian terjunan sebesar 3.50 meter. Dengan adanya data debit yang masuk dan dimensi dari bak distribusi,nilai t d dan G dapat dihasilkan (Tabel 1.). Pada tabel 1 terdapat pula hasil perhitungan proses flokulasi pada accelator clarifier. Pengandukan lambat pada proses flokulasi dilakukan dengan pengaduk yang memiliki putaran sebesar 1455 rpm dan diameter impeller sebesar 5.8 meter.

8 8 Tabel 1 Hasil perhitungan unit Distribution Chamber danaccelator Clarifier Kriteria Desain Hasil Perhitungan Bak ke- Sumber Ket Parameter Nilai Dosis koagulan (alum) Kondisi aliran kontak grid detensi (td) Dosis koagulan (alum) detensi (td) detensi (td) Kondisi aliran detensi detensi detensi ppm (1/dt) NRe > Darmasetiawan (2001) untuk kekeruhan tinggi Koagulasi ppm ppm ppm x x v v <1 menit v 20 ppm 50 ppm 50 ppm 50 ppm x Qasim, et al. 950 (1/dt) (2000) x detik x (1/dt) Delphos, et al. (AWWA, 2004) x 30 detik x /dt Flokulasi v Darmasetiawan NRe>10000 (2001) 1.018E E E+09 v 8-12 menit x 30 1/dt Qasim, et al x (2000) 30 menit v 50 1/dt Delphos, et v al.(awwa, 18 menit 2004) x Contoh perhitungan G, t d, dan NRe pada unit koagulasi pada bak kesatu: = detik = detik -1 =

9 9 Contoh perhitungan P, G, dan NRe pada unit flokulasi pada bak kesatu: ( ) = 567 Watt = detik -1 = Berdasarkan hasil perhitungan proses koagulasi, dosis koagulan pada proses koagulasi di setiap bak melebihi kriteria desain, baik menurut Darmasetiawan (2001) maupun Qasim, et al.(2000). Pada PT. KTI, penentuan dosis koagulan berdasarkan Jar Test dalam durasi setiap dua jam. Dosis yang digunakan berbeda sesuai dengan kekeruhan dari air baku yang digunakan. Kekeruhan air baku yang tinggi menyebabkan koagulan yang dibutuhkan lebih banyak untuk mendapatkan turbiditas yang optimum. Zemmouri, et al. (2012) melakukan percobaan Jar Test pada air baku Keddara Dam menggunakan koagulan aluminium sulfat. Pada penelitian itu didapatkan hasil tingkat turbiditas paling rendah menggunakan koagulan sebanyak 40 ppm. Berdasarkan kriteria desain koagulasi dari Darmasetiawan (2001), semua parameter sesuai dengan kriteria desain, kecuali untuk nilai G yang didapatkan pada ketiga bak berada pada rentang detik -1 masih melebihi kriteria desain sebesar detik -1. Akan tetapi, semua parameter kriteria desain tidak ada yang memenuhi berdasarkan sumber Qasim, et al. (2000) dan Delphos, et al. (2004). Pada proses flokulasi, nilai G (sebesar detik -1 ) yang dihasilkan masih sesuai kriteria desain oleh Darmasetiawan (2001) dan Delphos, et al. (2004) tetapi melebihi kriteria desain oleh Qasim, et al. (2000). Penelitian yang dilakukan oleh Cheng, et al.(2011) menyatakan bahwa pada pengadukan lambat dengan G sebesar 38/detik dapat terbentuk diameter flok yang paling besar. Pada bak kedua, waktu detensi yang terjadi (sebesar detik) sesuai dengan kriteria desain yang ditetapkan oleh semua sumber, tapi untuk bak pertama (sebesar detik) dan bak ketiga (sebesar detik) masih melebihi kriteria desain Darmasetiawan(2001) dan Delphos,et al.(2004). Kondisi aliran yang terjadi berupa aliran turbulen (NRe > 10000). Nilai yang tidak sesuai dengan kriteria desain bisa berasal dari dimensi bangunan yang tidak sesuai dengan debit yang masuk sehingga diperlukan perbaikan. Perbaikan yang dapat dilakukan berupa perubahan desain yang sesuai dengan kriteria desain. Selain itu, perlu dilakukan perbaikan desain apabila akan dilakukan peningkatan debit air bersih. Evalusi unit IPAM yang masih belum dilakukan adalah unit sedimentasi dan filtrasi. Unit tersebut direncanakan akan selesai dievalusi pada minggu kedua bulan April. Pengkajian peningkatan kapasitas instalasi juga akan dilakukan pada bulan April-Mei. SIMPULAN 1.a. Proses koagulasi yang terjadi dalam bak distribusi memiliki aliran yang semakin kecil mendekati dasar saluran. Proses terjunan yang terjadi

10 10 menyebabkan olakan dengan jenis aliran turbulen. Dosis koagulan yang diberikan berkisar antara ppm. Nilai tersebut masih berada di atas kriteria desain karena turbiditas air baku yang tinggi. Pada bak distribusi kesatu, kedua, dan ketiga berturut-turut didapatkan nilai gradien hidrolik sebesar detik -1, 1284 detik -1, dan 1168 detik -1, waktu detensi sebesar detik, detik, dan detik, dan bilangan Reynolds sebesar , , dan Nilai yang didapatkan tersebut masih ada yang belum memenuhi kriteria desain dari beberapa sumber, sehingga perlu dilakukan perbaikan desain. b. Aliran pada proses flokulasi juga merupakan aliran turbulen karena bilangan Reynolds yang didapatkan sebesar 10 9 lebih besar dari hidrolik yang dihasilkan (39.1 detik -1 ) sudah memenuhi kriteria desain, sedangkan untuk nilai waktu detensi (26.8 menit, 17.4 menit, dan 21.0 menit) masih belum memenuhi kriteria desain.nilai yang tidak sesuai dengan kriteria desain bisa berasal dari dimensi bangunan yang tidak sesuai dengan debit yang masuk sehingga diperlukan perbaikan. Perbaikan yang dapat dilakukan berupa perubahan desain yang sesuai dengan kriteria desain. Selain itu, perlu dilakukan perbaikan desain apabila akan dilakukan peningkatan debit air bersih. c. Perhitungan dan desain unit sedimentasi dan filtrasi belum dapat dilakukan, sehingga kesimpulan belum dapat diambil. 2. Kajian peningkatan kapasitas pengolahan belum dilaksanakan hingga saat ini, sehingga belum dapat diambil kesimpulan dari hasil perhitungan. DAFTAR PUSTAKA Cheng, WP., Chang JN., Chen, PH., Yu, RF., Huang, YW Turbidity Fluctuation as a Measure of Floc Size in a Coagulation Pilot Study. Desalination and Water Treatment. Doi: /dwt Darmasetiawan, Martin Teori dan Perencanaan Instalasi Pengolahan Air. Bandung: Yayasan Suryono. Delphos, JP, Werner, GM Mixing, Coagulation, and Flocculation. Di dalam: American Water Works Association/American Society of Civil Engineers. Water Treatment Plant Design fourth edition. Amerika Serikat: McGraw-Hill. Willis, John F Clarification. American Water Works Association/American Society of Civil Engineers. Water Treatment Plant Design fourth edition. Amerika Serikat: McGraw-Hill. Kobayashi, Y, Itoh, M, Yamada, T, Akiba, M, Matsui, Y Experimental Evaluation of Water Treatment Systems Using a Pilot-Scale Plant for Adaptations to a Sharp Increase in Raw-Water Turbidity Caused by Climate Change.Water Science and Technology: Water Supply Doi: /ws Qasim, SR, Motley, EM, Zhu, G Water Works Engineering Planning, Design, & Operation. Amerika Serikat: Prentice-Hall. Qaim.

11 Zemmouri, H, Drouiche, M, Sayeh, A, Lounici, H, Mameri, N Coagulation Flocculation Test of Keddara s Water Dam Using Chitosan and Sulfate Aluminium. Procedia Engineering, 33, (2012) , doi: /j.proeng