KOAGULASI 9 Program Studi Nama Mata Kuliah Teknik Lingkungan Perencanaan Bangunan Pengolahan Air Minum Jumlah SKS 3 Pengajar Sasaran Belajar Mata Kuliah Prasyarat Deskripsi Mata Kuliah 1. Prof. Dr. Ir. Mary Selintung, MSc. 2. Dr. Eng. Ir. Hj. Rita Tahir Lopa, MT 3. Ir. Achmad Zubair, MSc. 4. Dr. Eng. Bambang Bakri, ST., MT. 5. Roslinda Ibrahim, SP., MT Setelah lulus mata kuliah ini mahasiswa mampu membuat perencanaan dan perancangan bangunan pengolahan air minum Penyediaan Air Minum Mata Kuliah bangunan pengolahan air Minum merupakan mata kuliah yang diwajibkan bagi mahasiswa semester VI yang telah mengikuti materi perkuliahan penyediaan air minum. Materi perkuliahan mencakup pembahasan mengenai pengertian dan metode perencanaan bangunan pengolahan air minum; penentuan kebutuhan air dan debit air baku, analisis kualitas air baku, perencanaan bangunan unit pengolahan: intake, prasedimentasi, koagulasi dan flokulasi, sedimentasi, filtrasi, disinfeksi, pengolahan lumpur, reservoir dan pengolahan lumpur.
I PENDAHULUAN 1.1 CAKUPAN ATAU RUANG LINGKUP MATERI PEMBELAJARAN Materi pembahasan pada pertemuan ke-9 (sembilan) ini meliputi: Tinjauan umum Jar test Mekanisme koagulasi Pengadukan cepat Kriteria desain 1.2 SASARAN PEMBELAJARAN, Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa mampu memahami dan menjelaskan proses jar test, mekanisme koagulasi, pengadukan cepat dan kriteria desain bak bangunan/bak koagulasi. 1.3 PRILAKU AWAL MAHASISWA Sebaiknya mahasiswa telah mengetahui dan memahami materi pembahasan pada perkuliahan sebelumnya, agar dapat mengikuti pembahasan materi pada pertemuan ini dengan baik. 1.4 MANFAAT Manfaat yang didapatkan setelah mengikuti pertemuan ini adalah meningkatkan pengetahuan dan wawasan mahasiswa mengenai hal-hal yang terkait dengan koagulasi termasuk didalamnya mengenai jar test, mekanisme koagulasi, pengadukan cepat dan kriteria desain bangunan. 1.5 URUTAN PEMBAHASAN Materi pembahasan dimulai dengan tinjauan umum dan jar tes. Kemudian secara berurut dilanjutkan dengan pembahasan materi mengenai mekanisme koagulasi, pengadukan cepat dan kriteria desain bangunan/bak koagulasi. 1.6 PETUNJUK BELAJAR Mahasiswa diharapkan membaca isu terkait pada media massa yang menambah wawasan secara umum. Membaca bahan yang akan dikuliahkan pada minggu berikut agar dapat lebih siap dan dapat didiskusikan pada pertemuan berikut.
II PENYAJIAN 2.1 UMUM 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 (koagulan) yang menyebabkan pembentukan inti flok (presipitat). selanjutnya diikuti oleh proses flokulasi, yaitu penggabungan inti flok menjadi flok berukuran lebih besar yang memungkinkan partikel dapat mengendap. Proses koagulasi-flokulasi dapat digambarkan secara skematik pada gambar berikut, Gambar 9.1 Gambaran proses koagulasi-flokulasi Koagulasi adalah proses pembentukan koloid yang stabil menjadi koloid yang tidak stabil dan membentuk flok-flok dari gabungan koloid yang berbeda muatan. Bagian integral dari proses koagulasi adalah pengadukan dan percampuran cepat (flash mixing). Tujuannya untuk mencampur dan mendistribusikan bahan kimia ke seluruh bagian air baku secara merata. Pengadukan dan pencampuran cepat dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu mekanis, hidrolis dan pneumatis. 3
2.2 JAR TEST 1. Kondisi fisik Jar test dioperasikan untuk mensimulasi pengadukan cepat, pengadukan lambat dan pengendapan untuk memperoleh kondisi koagulasi yang paling baik melalui metode uji coba. Jar test pada kondisi awal Pada kondisi yang tepat, flok besar akan terbentuk dan jatuh ke bawah. Gambar 9.2 Proses Jar test Setelah sedimentasi air bersih akan diperoleh. Persyaratan untuk pengadukan cepat dan lambat didefenisikan dengan kecepatan putar yang dinyatakan dengan unit seperti (cm/dt) karena energy yang diberikan ke flok diperoleh dari pergerakan baling-baling dari mixer. Pergerakan baling baling ditentukan tidak hanya oleh kecepatan rotasi (rpm) tetapi juga oleh radius baling-baling. Persyaratan untuk pengadukan cepat dan lambat sering diset masing masing 40cm/detik dan 15cm/detik. Bila radius baling baling dari jar tester berbeda, kecepatan rotasi harus diperoleh melalui perhitungan dengan kecepatan putar dan radius seperti disebutkan dibawah. Circumfere nce( cm) 2 r (Keliling) RotationSp eed ( rpm) a/ min (Kecepatan putar) Circumfere ncespeed ( cm / min) 2 r a (kecepatan lingkar) 2 r a CircumferenceSpeed ( cm /sec) 60 (kecepatan lingkar) 4
where: r = jari jari mixer, a = jumlah putaran Selanjutya rumus dapat ditransformasikan sesuai dengan nilai tertentu dari kecepatan putar (seperti 40 dan 15).. 60 a1 ( rpm) 40 2 r 60 a2 ( rpm) 15 2 r Condition According to Circumferential Speed Radius (cm) 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 40cm/s 15cm/s 0.6 0.4 0.2 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Rotation speed (rpm) Rumus diatas dapat diperlihatkan seperti gambar disamping sehingga kondisi dapat diperoleh secara sederhana. Kecepatan rotasi untuk kondisi koagulasi dari kedua pengadukan cepat (40 cm/det) dan lambat (15cm/det) dapat diketahui. 2. Kondisi kimiawi, Kondisi-kondisi yang lain akan diatur sebagai berikut:. 1. Dosis koagulan Jaga supaya dosis koagulan lebih kecil dengan mempertimbangkan konsumsi dan sisa koagulan terhadap air olahan. 2. Pembentukan flok Flok yang muncul pada pengadukan lambat dikehendaki lebih besar supaya dapat mengendap lebih cepat. 3. Pengendapan Densitas flok dikehendaki lebih tinggi supaya flok mengendap lebih cepat. Densitas dihitung/diuji berdasarkan kecepatan sedimentasi. 4. Kekeruhan (Turbiditas) Kekeruhan adalah parameter yang paling penting untuk mengetahui kejernihan air olahan. Standar kekeruhan untuk kualitas air adalah 5 NTU. 5. ph 5
Nilai ph air olahan harus dikontrol sebab koagulan dapat menurunkan nilai ph dibanding ph air baku. Range ph untuk standar kualitas air adalah 6,5 8,5. 6. Alkalinitas Koagulan menurunkan nilai alkalinitas. Jika alkalinitas tidak cukup, proses koagulasi tidak akan berhasil dan nilai ph bisa tidak stabil akibat turunnya kapasitas buffer. 7. Temperatur Pada daerah dingin, suhu merupakan parameter penting untuk dimonitor karena berpengaruh terhadap koagulasi. Namun, direkomendasikan untuk mencatat suhu pada saat musim panas untuk bahan referensi. Tabel 7.1 Contoh Bentuk tabel jar test Item Sampel Air baku Kondisi perlakuan 1 2 3 4 5 6 Keterangan Alum - 15 20 25 30 35 40 Sebaiknya lebih kecil Pemb. flok - smal l mid large large large large Sebaiknya lebih besar Sedimentasi - slow fast fast fast fast fast Sebaiknya lebih cepat Turbiditas 50 25 15 11 9 10 7 Ambil yang paling kecil ph 7.5 7.2 7.0 6.8 6.6 6.4 6.2 Dalam standar (6.5-8.5) Alkalinitas 30 25 24 22 21 19 17 Sebaiknya 20 atau lebih Temperatur 25 - - - - - - Pembanding Evaluasi C A AA A B C Ambil kondisi yang paling baik (AA) 2.3 MEKANISME KOAGULASI Secara alami, muatan partikel adalah negatif dan saling tolak menolak satu dengan yang lainnya. Ion yang bermuatan positip menetralisir muatan listrik dan mengkoagulasi partikel-partikel tersebut. Ion-ion ini dinamakan koagulan. Partikel-partikel kecil cenderung untuk mengambang dalam cairan dan tidak mengendap. Partikel partikel sekecil 10-3 mm disebut koloid yang tidak terlihat. 6
Partikel-partikel terkoagulasi tumbuh menjadi lebih besar, bertambah berat dan menjadi mudah untuk mengendap, sehingga diperoleh air bersih. Coagulan t Koagulan Gambar 9.3 Proses Koagulasi 2.4 PENGADUKAN CEPAT Kogulan Aluminium seperti Alum dan Poly Aluminium Chloride (PAC), terhidrolisa dalam air dan bertindak sebagai kogulan tetapi tidak berfungsi bila dihidrolisa secara berlebihan. Untuk mencegah masalah ini, kogulan Aluminium harus diaduk/dicampur dan didifusi secara cepat. Sesudah itu, koagulan menetralisir partikel dalam air dan membentuk mikro flok. Pengadukan cepat adalah pengadukan yang dilakukan dengan gradien kecepatan besar (300 sampai 1000 detik -1 ). Waktu yang diperlukan pada 7
pengadukan cepat tidak lebih dari 1 menit. Pengadukan dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu cara mekanis, cara hidrolis, dan cara pneumatis. 1. Pengadukan mekanis adalah metoda pengadukan menggunakan alat pengaduk berupa impeller yang digerakkan dengan motor bertenaga listrik. Umumnya pengadukan mekanis terdiri dari motor, poros pengaduk, dan gayung pengaduk (impeller). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut, Gambar 9.4 Pengadukan cepat dengan alat pengaduk 2. Pengadukan hidrolis adalah pengadukan yang memanfaatkan gerakan air sebagai tenaga pengadukan. Sistem pengadukan ini menggunakan energi hidrolik yang dihasilkan dari suatu aliran hidrolik. Energi hidrolik dapat berupa energi gesek, energi potensial (jatuhan) atau adanya lompatan hidrolik dalam suatu aliran. Gambar 9.5 Pengadukan cepat dengan terjunan 3. Pengadukan pneumatis adalah pengadukan yang menggunakan udara (gas) berbentuk gelembung yang dimasukkan ke dalam air sehingga menimbulkan gerakan pengadukan pada air. Injeksi udara bertekanan ke dalam suatu badan air akan menimbulkan turbulensi, akibat lepasnya gelembung udara ke 8
permukaan air. Makin besar tekanan udara, kecepatan gelembung udara yang dihasilkan makin besar dan diperoleh turbulensi yang makin besar pula. Gambar 9.6 Pengadukan cepat secara pneumatis 2.5 KRITERIA DESAIN Kriteria desain untuk bangunan unit pengolahan koagulasi sebagai berikut: 1. Periode pengadukan (td) : 10 30 detik 2. Gradient Kecepatan (G) : 700-1000/detik 3. Gtd < = 6.10 4 4. N (speed paddle) = 2 150 rpm 2.6 CONTOH DESAIN KOAGULASI Q satu bak = 28,375 m 3 /hari=0.328 m 3 /detik Detention time = td = 30 detik Volume bak = Q x td = 0.328 x 30 =9.84m 3 Permukaan bak bujur sangkar panjang=lebar =L Asumsikan kedalaman bak =d =1.5 lebar=1.5 L JAWAB V = L x L x1.5 L -------L =1.9 m d = 1.5 x 1.9 = 2.85 m Pengadukan mekanis G = 950/det P = G 2 Vμ μ =1.518 x10-3 N-s/m 2 pada 5 0 C = 1.44 x 10 4 N-m/s=14.4 kw 9
III PENUTUP 3.1 RANGKUMAN Koagulasi adalah proses pembentukan koloid yang stabil menjadi koloid yang tidak stabil dan membentuk flok-flok dari gabungan koloid yang berbeda muatan. Jar test dioperasikan dengan tujuan untuk memperoleh kondisi koagulasi yang paling baik melalui metode uji coba. Dalam proses koagulasi dibutuhkan pengadukan cepat untuk membentuk flok. Pengadukan dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu cara mekanis, cara hidrolis, dan cara pneumatis 3.2 SOAL TES FORMATIF Untuk mengetahui tingkat penguasaan pengetahuan yang diperoleh mahasiswa, maka dosen sebagai fasilitator memberikan tes formatif berupa pertanyaan sebagai berikut: 1. Jelaskan perbedaan ketiga jenis pengadukan cepat! 2. Bak pengaduk cepat direncanakan digunakan untuk mengolah air sungai dengan debit pengambilan Q = 100 L/detik. Proses pengadukan menggunakan pengadukan mekanis dengan menggunakan motor penggerak. Rencanakan bak pengaduk cepat tersebut 3.3 UMPAN BALIK Diskusi dan memberikan pertanyaan untuk memonitor penerimaan mahasiswa akan bahan kuliah yang disajikan. 3.4 DAFTAR PUSTAKA 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. Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2 nd edition, PWS Publishing Company, Boston, 1996. Standar Nasional Indonesia (SNI) 6774: 2008 tentang Tata cara perencanaan unit paket instalasi pengolahan air, Badan Standarisasi Nasional 10