Kata kunci: Waste Water Treatment, Taguchi Method, TOPSIS, Orthogonal Array

Transkripsi

1 OPTIMASI SIMULTAN VARIABEL PROSES PADA WASTEWATER TREATMENT PLANT ( STUDI KASUS DI PT. YTL - PAITON) Sophia Dian Kartikasari, Haryono Program Studi Magister Manajemen Teknologi ITS Jl. Cokroaminoto 12A Surabaya [email protected] ABSTRAK PT.YTL Paiton mempunyai unit pengolahan air limbah yang disebut Waste Water Treatment Plant (WWTP), dimana pada unit ini diperlukan pengolahan air limbah yang optimal untuk memberikan hasil sesuai standar. Untuk mendapatkan hasil pengolahan air limbah yang optimum, maka diperlukan suatu komposisi penambahan parameter-parameter yang optimum pula yaitu dengan cara menentukan kombinasi dari parameter-parameter yang ada yaitu konsentrasi FeSO4 (A), penambahan NaOH (B), konsentrasi SCU polymer (C), kecepatan pengadukan di rapid mix tank (D) dan kecepatan pengadukan di reaction tank (E). Dan respon yang diinginkan adalah Turbidity max 5 NTU, konsentrasi Fe max 10 ppm. Penelitian ini dilakukan dengan metode Taguchi Multirespon, adapun langkah langkah dari penelitian ini adalah merumuskan masalah dari objek penelitian, memilih indikator (respon) kualitas atau karakteristiknya, memilih parameter atau faktor yang mungkin mempengaruhi indikator (respon) dan kemudian meng identifikasikan controllable factor dan noise factor, merencanakan level pada tiap parameter (faktor), memilih rancangan Orthogonal Array (OA), dan memasukkan parameter-parameter dan interaksi yang ada kedalam kolom-kolom yang tersedia, melakukan tes eksperimen sesuai dengan rancangan Orthogonal Array (OA), menganalisa hasil eksperimen dan mencari kombinasi level-level faktor yang mengoptimalkan kedua respon. Dengan menggunakan metode Taguchi Multirespon, maka didapatkan kombinasi level faktor untuk respon Turbidity adalah A1, B1, C2, D2, E3 dan respon konsentrasi Fe adalah A2, B1, C3, D2, E3. Oleh karena hasil kombinasi keduanya berbeda maka dilakukan pendekatan TOPSIS dan didapatkan kombinasi level A1, B1, C2, D2 dan E3. Improvement yang terjadi setelah menggunakan metode Taguchi untuk respon Turbidty, didapatkan nilai improvement 30% yang berarti kadar turbidity turun 30% dari kondisi yang digunakan sebelumnya. Sedangkan untuk respon Kandungan Fe didapatkan nilai improvement 8.6% yang berarti terjadi penurunan kandungan Fe sebesar 8.6% dari kondisi yang digunakan sebelumnya. Kata kunci: Waste Water Treatment, Taguchi Method, TOPSIS, Orthogonal Array

2 PENDAHULUAN Latar Belakang PT.YTL Paiton mempunyai unit pengolahan air limbah yang disebut Waste Water Treatment Plant (WWTP), Proses di unit WWTP berbasis proses kimia, dimana aliran proses diikuti dengan proses clarification dan filtration. Wastewater dari unit-unit perusahaan ditampung didalam basin. Kemudian di pompa masuk kedalam rapid mix tank. Didalam rapid mix tank ditambahkan NaOH untuk menaikkan ph antara 9 11, karena pada ph tersebut FeSO4 yang juga ditambahkan kedalam rapid mix tank bisa bekerja. Fungsi dari penambahan FeSO4 adalah untuk membantu mengikat metal yang terkandung didalam wastewater. Setelah keluar dari rapid mix tank aliran masuk kedalam reaction tank. Dimana pada reaction tank, dialirkan udara melalui reaction tank blower untuk membantu terjadinya proses oksidasi terhadap metal yang ada didalam wastewater. Wastewater keluar dari rapid mix tank secara gravity, dan masuk kedalam Solids Contact Unit ( SCU ), dimana di SCU ini ditambahkan polymer. Polymer dan Ferrous Sulfate bereaksi dengan wastewater dalam kodisi basa, untuk terjadi proses koagulasi dimana terbentuk flok flok yang mengabsorb impuritiesimpurities yang terkandung didalam air. Didalam SCU tank terdapat 3 zona, yang pertama Rapid mix zone (draft tube) dimana pada zona ini wastewater dari reaction tank masuk dan SCU polymer ditambahkan. Pada zona ini terjadi pengadukan cepat yang bertujuan untuk mencampur wastewater dengan chemical sehingga terbentuk flokflok. Kedua adalah slow mix zone (detention zone), dimana pada zona ini pengadukan secara lambat untuk memberi kesempatan flok-flok berikatan dengan impurities yang terlarut dan membesar. Zona yang ketiga adalah clarified water zone (settling zone) dimana flok-flok yang telah terbentuk mulai mengendap, dan dikeluarkan. Kontrol terhadap ph sangat penting karena untuk mengoptimumkan proses koagulasi. Flokulan/sludge yang terbentuk jatuh kebagian bawah SCU tank dan dikeluarkan menuju sludge thickner. Polymer kedua dimasukkan kedalam filter press untuk memadatkan sludge yang terbentuk. Penambahan polymer ini untuk menaikkan efisiensi pada plate and frame filter press, dimana pada alat ini sludge dikompress menjadi dry cakes untuk dibuang. HCl ditambahkan untuk menurunkan ph dari air yang keluar dari SCU tank menjadi ph normal yaitu antara 7 8. Air tesebut disebut clear well. (Sumber: WWTP, Production Departement, volume 1-section 4&6) Dari alur proses diatas penulis mencoba mencari parameter operasi yang paling optimal baik parameter-parameter yang mempengaruhi, maupun parameter-parameter respon pada wastewater treatment. Dua respon yang perlu diamati untuk memperoleh kondisi optimal ideal adalah Turbidity dan kandungan Fe, sedangkan parameterparameter yang mempengaruhi respon tersebut ada lima, yaitu: Pertama, konsentrasi FeSO4, FeSO4 ditambahkan di rapid mix tank sebagai koagulan, untuk mengendapkan kandungan metal yang terikut, yaitu besi. Semakin banyak FeSO4 yang ditambahkan semakin mudah kandungan-kandungan metal mengendap, namun harus didapatkan jumlah konsentrasi FeSO4 yang optimum. Kedua, Penambahan NaOH, NaOH ditambahkan di rapid mix tank atau di reaction tank. Penambahan ini bertujuan untuk menaikkan ph menjadi sesuai dengan ph yang diperlukan untuk reaksi, yaitu Ketiga, konsentrasi polymer SCU, polymer SCU ditambahkan di SCU tank. Penambahan polymer SCU ini sebagai flokulan. Dimana dengan penambahan polymer SCU akan terbentuk flok-flok dari suspended solid yang terkandung dalam wastewater. (Sumber: WWTP, Production Departement, volume 1-section 8) A-13-2

3 Keempat dan kelima adalah kecepatan pengadukan di rapid mix tank dan di reaction tank. Perlunya mengetahui kecepatan pengadukan yang optimum sehingga didapatkan hasil yang optimum pula. Perumusan Masalah Dari latar belakang diatas, maka permasalahan yang timbul adalah menentukan kombinasi dari parameter-parameter yang ada yaitu konsentrasi FeSO4, konsentrasi NaOH, konsentrasi SCU polymer, kecepatan pengadukan di rapid mix tank dan kecepatan pengadukan di reaction tank. Respon yang diinginkan yaitu Turbidity max 5 NTU, kandungan Fe max 10 ppm. Tujuan dan Manfaat Dengan melihat permasalahan yang ada diatas maka penelitian ini diharapkan dapat mencapai tujuan dan manfaat sebagai berikut: 1. Mengetahui faktor-faktor yang berpengaruh secara signifikan terhadap Turbidity, dan kandungan Fe dalam air yang sudah di-treatment. 2. Menentukan suatu setting yang optimum pada konsentrasi FeSO4, Penambahan NaOH, konsentrasi SCU polymer, kecepatan pengadukan di rapid mix tank dan kecepatan pengadukan di reaction tank. 3. Mengetahui efisiensi perbaikan respon dengan menggunakan setting dan komposisi yang optimum. 4. Menambah kemampuan dalam menerapkan ilmu manajemen kualitas baik dalam industri manufaktur maupun jasa (proses) untuk mencapai kondisi operasi yang paling optimum. 5. Dapat memberikan informasi kepada perusahaan tentang parameter-parameter yang optimum pada pengolahan wastewater treatment. 6. Mengetahui setting dan komposisi yang optimum untuk mendapatkan kandungan Turbidity, dan kandungan Fe sesuai standar yang ada. METODA Metode Taguchi diperkenalkan oleh Dr. Genichi Taguchi pada tahun 1940 dengan tujuan untuk peningkatan kualitas dengan mengembangkan metode of line quality control. Eksperimen dengan menggunakan metode Taguchi mempunyai tujuan untuk mengidentifikasi parameter-parameter kunci yang memiliki kontribusi terbesar dalam hal variasi dan memastikan pengaturan-pengaturan atau nilai-nilai yang menghasilkan variabilitas yang minimum (peace). Metode ini dapat menjadikan produk robust dengan berbagai faktor noise sehingga metode ini disebut juga Robust Design. Metode ini mengadaptasi penggunaan orthogonal array sebagai alat desain eksperimen yang efektif untuk mereduksi jumlah eksperimen namun tetap berusaha untuk mencapai perbaikan desain produk dan produktivitas proses. Sebelumnya kebanyakan studi mengenai eksperimen menggunakan pendekatan klasik full factorial. Ratio Signal To Noise (S/N) Ratio S/N digunakan untuk faktor-faktor yang memiliki kontribusi pada pengurangan variasi suatu respon. Ratio S/N merupakan rancangan untuk mentransformasikan pengulangan data (paling sedikit dua kali untuk satu eksperimen) A-13-3

4 ke dalam suatu nilai yang merupakan ukuran keragaman yang timbul. Terdapat beberapa jenis ratio S/N yang sesuai dengan karakteristik kualitas. Ratio S/N didefinisikan sebagai logaritma rata-rata kuadrat simpangan dari nilai target dengan persamaan matematik: S/N = - 10 log MSD MSD adalah mean square deviation (rata-rata simpangan kuadrat). Kombinasi faktor yang memberikan hasil optimal pada eksperimen tentunya akan memberikan ratio S/N yang tinggi. Apabila ratio S/N semakin besar maka nilai MSD menjadi semakin kecil dan sebaliknya. Dalam berbagai karakteristik kualitas, MSD tergantung pada jenis yang diamati dan beberapa jenis ratio S/N yang ada: 1. Smaller the better Karakteristik kualitas ini meliputi pengukuran dimana semakin rendah nilainya (mendekati nol) maka kualitasnya akan lebih baik. Misalnya residu, waktu respon, akibat kerusakan, kebisingan, dan lain-lain. Nilai S/N untuk jenis karakteristik kualitas ini adalah: r 1 2 S / N LB 10log Y i r i 1 dimana r = jumlah tes dalam percobaan (trial) n MSD yi (y1 y 2... y n ) n i 1 n 2. Larger the better Karakteristik kualitas ini meliputi pengukuran dimana semakin besar nilainya maka kualitasnya akan lebih baik. Misalnya kekuatan, titik lebur, vibrasi, daya dorong, efisiensi bahan bakar kendaraan dan sebagainya. r 1 1 S / N LB 10log 2 r i 1 Yi 3. Nominal is the best Pada karakteristik kualitas ini biasanya ditetapkan suatu nilai nominal tertentu. Dan semakin mendekati nilai tersebut maka kualitas semakin baik. Dalam hal ini nilai mean dan variansinya nol. Contohnya adalah kadar air biji kopi, ukuran ubin, ketebalan dan sebagainya. S / N 10 log MSD LB r 1 10 log Y 2 i m r i 1 dimana m = nilai target eksperimen (Sumber: Quality by Design Taguchi Method for Industrial Experimentation by Nicolo Belavendam, 1997) Pengaplikasian metode Taguchi ini hanya pada optimasi respon tunggal, sedang untuk kasus multirespon sangat terbatas. Namun seringkali produsen menginginkan untuk mempertimbangkan lebih dari satu karakteristik kualitas pada produk secara serentak. Untuk mengatasi persoalan secara multidimensi pada metode Taguchi, Tong dan Su memperkenalkan prosedur Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). Adapun langkah-langkah percobaan dan analisa data adalah sebagai berikut: 1. Merumuskan masalah dari objek penelitian. 2. Memilih indikator (respon) kualitas atau karakteristiknya. A-13-4

5 3. Memilih parameter atau faktor yang mungkin mempengaruhi indikator (respon) dan kemudian mengidentifikasikan controllable factor dan noise factor. 4. Merencanakan level pada tiap parameter (faktor). 5. Memilih rancangan Orthogonal Array (OA), dan memasukkan parameter-parameter dan interaksi yang ada kedalam kolom-kolom yang tersedia. 6. Melakukan tes eksperimen sesuai dengan rancangan Orthogonal Array (OA). 7. Menganalisa hasil eksperimen dan mencari kombinasi level-level faktor yang mengoptimalkan kedua respon. Variabel Penelitian dan Pemilihan Level Ada dua jenis respon yang diamati untuk memastikan bahwa proses pengolahan wastewater sesuai dengan yang dikehendaki, yaitu Turbidity dan kandungan Fe dengan kualitas smaller the better. Adapun variabel bebasnya adalah sebagai berikut: Controllable factor Code Level 1 Level 2 Level 3 Konsentrasi FeSO4 A 100 ppm 150 ppm 200 ppm Penambahan NaOH B sampai ph 9.5sampai ph 10 sampai ph 10.5 Konsentrasi SCU polymer C 0.5 ppm 1 ppm 1.5 ppm Kecepatan pengadukan di rapid mix tank D 50 rpm 60 rpm 70 rpm Kecepatan pengadukan di SCU tank E 10 rpm 15 rpm 20 rpm Respon factor Code Turbidity R1 5 NTU Smaller the better Kandungan Fe R2 10 ppm Smaller the better Perhitungan rancangan untuk Orthogonal Array yang sesuai adalah: db lima faktor utama = (dba 1) + (dbb 1) + (dbc 1) + (dbd 1) + (dbe 1) = ( 3 1 ) + ( 3 1 ) + ( 3 1 ) + ( 3 1 ) + ( 3 1 ) = 10 Interaksi antar lima variabel bebas: A x B ; A x D Derajad bebas interaksi: A x B = ( 3 1) x (3 1) = 4 A x D = ( 3 1) x (3 1) = 4 Total derajad bebas = = 18 Tabel Orthogonal Array standar yang ada untuk 3 level adalah L9(3 4 ) dan L27(3 13 ) dan yang dipilih harus mempunyai jumlah baris minimum yang tidak boleh kurang dari jumlah derajad bebas, sehingga dipilih Tabel Orthogonal Array L27(3 13 ). Linear graph standart dari interaksi yang ada adalah: 1 3,4 2 6,7 9,10 12, A-13-5

6 HASIL DAN DISKUSI Tabel 1. Hasil Perhitungan Rasio S/N untuk respon Turbidity & Kandungan Fe Variabel Proses Rasio S/N Rasio S/N no A B AB C D AD E Turbidity Kandungan Fe A-13-6

7 Tabel 2. Respon S/N Ratio [ FeSO 4] terhadap Turbidity dan Kandungan Fe Turbidity (NTU) A B AB C D AD E level level level Delta Peringkat Kandungan Fe (ppm) A B AB C D AD E level level level Delta Peringkat Dari tabel respon S/N untuk FeSO4, terlihat bahwa untuk turbidity yang mempunyai nilai dari yang tertinggi sampai dengan yang terendah adalah faktor B (penambahan NaOH), C (konsentrasi SCU polymer), A (konsentrasi FeSO 4), interaksi AxB (kons entrasi FeSO4 dan penambahan NaOH), D (kecepatan pengadukan di rapid mix tank), interaksi AxD (konsentrasi FeSO 4 dan kecepatan pengadukan di rapid mix tank) dan faktor E (kecepatan pengadukan di SCU tank). Sedangkan untuk pengaruh terhadap Konsentrasi Fe yang mempunyai nilai dari yang tertinggi sampai dengan yang terendah adalah faktor A (konsentrasi FeSO 4), C (konsentrasi SCU polymer), interaksi AxD (konsentrasi FeSO 4 dan kecepatan pengadukan di rapid mix tank), E (kecepatan pengadukan di SCU tank), B (penambahan NaOH), D (kecepatan pengadukan di rapid mix tank) dan faktor interaksi AxB (konsentrasi FeSO4 dan penambahan NaOH). Maka makin tinggi rasio S/N berarti hasil eksperimen makin kokoh terhadap faktor noise atau mempunyai ragam yang paling kecil, sehingga perlu dipilih level dengan nilai terbesar dari setiap faktor yang paling berpengaruh, yaitu: Turbidity, diperoleh kombinasi faktor dan level: A3, B3, C1, AxB 3, D3, AxD2, E2. Konsentrasi Fe, diperoleh kombinasi faktor dan level: A3, B2, C1, AxB 1, D3, AxD2, E3. Dari kedua hasil optimasi diatas ternyata respon optimal Turbidity dan Konsentrasi Fe tidak mempunyai kombinasi level yang sama. Dengan menggunakan metode TOPSIS akan diperoleh level yang tepat untuk masing-masing faktor yang dapat mengoptimalkan kedua respon secara serentak. A-13-7

8 Tabel 3. Hasil Perhitungan Nilai TOPSIS untuk FeSO 4 Kolom Percobaan A B C D E TOPSIS Untuk menentukan kombinasi level optimum dipilih level setiap faktor yang memberikan nilai TOPSIS terbesar. Pengaruh level tiap faktor terhadap nilai TOPSIS ditabelkan sebagai berikut: Tabel 4. Pengaruh Tiap Level Terhadap Nilai TOPSIS untuk FeSO 4 Level A B C D E AxB AxD Pengaruh Variabel Proses Terhadap Nilai TOPSIS Nilai TOPSIS A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 AxB AxB AxB Variabel AxD AxD AxD Berdasarkan Grafik 1 maka untuk masing-masing faktor terlihat kombinasi optimum nilai TOPSIS untuk FeSO4 dicapai pada A1, B1, C2, D2, E3. A-13-8

9 Kombinasi tersebut adalah: Konsentrasi FeSO4 = 100 ppm. Penambahan NaOH = ph 9.5. Konsentrasi SCU Polymer = 1 ppm. Kecepatan Pengadukan di Rapid Mix Tank = 60 rpm. Kecepatan Pengadukan di SCU Tank = 20 rpm. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil berdasarkan analisa data dan pembahasan dalam bab sebelumnya adalah: 1. Kombinasi faktor yang berpengaruh secara signifikan terhadap respon Turbidity dan kandungan Fe berturut-turut adalah: Dari respon Turbidity diperoleh kombinasi faktor dan level: A1, B1, C2, AxB 2, AxD 1, D2, E3. Sedangkan untuk respon kandungan Fe, diperoleh kombinasi faktor dan level: A2, B1, C3, AxB 1, AxD 3, D2, E3. 2. Kondisi optimum dari TOPSIS untuk respon besarnya Turbidity dan kandungan Fe. Kombinasi level yang didapatkan adalah A1, B1, C2, AxB 2, AxD 1, D2 dan E3, yaitu: Konsentrasi FeSO4 = 100 ppm, penambahan NaOH = ph 9.5, konsentrasi SCU Polymer = 1 ppm, kecepatan Pengadukan di Rapid Mix Tank = 60 rpm, kecepatan pengadukan di SCU Tank = 20 rpm. 3. Improvement yang terjadi setelah menggunakan metode Taguchi, didapatkan Yˆ opt = 3,274167, Yexsiting = dan nilai improvement = 0, yang berarti terjadi peningkatan mutu sekitar 30% dari kondisi yang digunakan sebelumnya. Sedangkan untuk respon Kandungan Fe didapatkan Yˆ opt = 1,362, Yexsiting = dan nilai improvement = 0,08589 yang berarti terjadi peningkatan mutu sekitar 8.6% dari kondisi yang digunakan sebelumnya. DAFTAR PUSTAKA Belavendam, N, 1997, Quality by Design Taguchi Techniques Experimentation, First edition, Prentice Hall. Chau Dr, Chen Torng, Chao Dr, Yu Chou, Hui Dr, Rong Liu, 1999, Applying Quality Engineering Technique to Improve Wastewater Treatment, vol 15. Fowlkes, William Y, 1995, Engineering Method for Robust Product Development, Addison Wessey Publishing Company, USA. Gasperz, Vincent, 2002, Pedoman Implementasi Program Six Sigma, PT Gramedia, Pustaka Utama, Jakarta. Hicks, Charles R, 1993, Fundamental Concepts in the Design of Experiment, Oxford University, Press Inc, New York. Lee, Ing R, and Chao, Tun, 1997, Optimizing Multirespon Problem In Taguchi Methods by Fuzzy Multiple Attribute Decision Making, vol 13. Lochner, Robert H, et al, 1990, Design for Quality, Chanpman An Hall, Washington. WWTP unit, Production Departement, volume 1-section 4,6,8. A-13-9

10 A-13-10