Koagulasi Flokulasi [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Air bersih merupakan salah satu kebutuhan manusia untuk memenuhi standar kehidupan manusia secara sehat. Ketersediaan air yang terjangkau dan berkelanjutan menjadi bagian terpenting bagi setiap individu baik yang tinggal di perkotaan maupun di perdesaan. Salah satu sumber energi yang terpenting di dunia ini adalah air. Ketersediaan air yang cukup secara kuantitas, kualitas, dan kontinuitas sangat penting untuk kelangsungan hidup manusia. Untuk itu diperlukan suatu instalasi pengolahan air (IPA) guna menunjang kelancaran distribusi air pada masyarakat. Pemilihan unit operasi dan proses pada IPA harus disesuaikan dengan kondisi air baku yang digunakan. Partikel yang tersuspensi dalam air dapat berupa partikel bebas dan koloid dengan ukuran yang sangat kecil yaitu 10-7 mm – 10-1 mm. karena dimensinya ini maka partikel tidak dapat diendapkan secara langsung. Untuk mempercepat pengendapan pada sistem pengolahan air maka dilakukan proses koagulasi dan flokulasi. Koagulasi



dan



flokulasi



merupakan bagian dari pengolahan air bersih. Koagulasi-flokulasi merupakan dua proses yang terangkai menjadi kesatuan proses yang tak terpisahkan. 1.2 Tujuan Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui prinsip kerja proses koagulasi dan flokulasi. Selain itu juga dapat mengetahui kriteria desain dan perhitungan dalam perencanaan pembuatan unit koagulasi dan flokulasi.



1



BAB II ISI 2.1.



Koagulasi Koagulasi adalah proses destabilisasi koloid dan partikel-partikel yang tersuspensi



di dalam air baku karena adanya pencampuran yang merata dengan senyawa kimia tertentu (koagulan) melalui pengadukan cepat. Secara umum koagulasi merupakan proses kimia dimana ion-ion yang muatannya berlawanan dengan muatan koloid dimasukkan ke dalam air, sehingga meniadakan kestabilan koloid. Jadi koagulasi adalah proses pembentukkan koloid yang stabil menjadi koloid yang tidak stabil dan membentuk flokflok dari gabungan koloid yang berbeda muatan. Pada prinsipnya ada dua aspek yang penting dalam proses ini yaitu pembubuhan bahan kimia (koagulan) dan pengadukan. Pada proses koagulasi, koagulan dibubuhkan ke dalam air baku kemudian dilakukan



pengadukan selama beberapa saat dalam suatu



koagulator. Dari pencampuran ini akan terjadi destabilisasi koloid dan partikel tersuspensi oleh koagulan. Secara umum proses koagulasi berfungsi untuk : 1. Mengurangi kekeruhan akibat adanya partikel koloid anorganik maupun organik di dalam air. 2. Mengurangi warna yang diakibatkan oleh partikel koloid di dalamair. 3. Mengurangi bakteri-bakteri patogen dalam partikel koloid, algae, dan organisme plankton lain. 4. Mengurangi rasa dan bau yang diakibatkan oleh partikel koloid dalam air. Ada tiga faktor yang mempegaruhi keberhasilan proses koagulasi yaitu: 1. Jenis koagulan yang dipakai 2. Dosis pembubuhan koagulan 3. Proses pengadukan 2.1.1. Jenis Koagulan Pemilihan koagulan sangat penting untuk menetapkan kriteria desain dari sistem pengadukan, serta sistem flokulasi yang efektif. Jenis koagulan yang biasanya digunakan adalah koagulan garam logam dan koagulan polimer kationik. Contoh koagulan garam 2



logam diantaranya adalah: 



Alumunium sulfat atau tawas (Al3(SO4)2.14H2O)







Feri klorida (FeCl3)







Fero klorida (FeCl2)







Feri sulfat (Fe2(SO4)3) Koagulan yang umum digunakan adalah alumunium sulfat atau tawas. Sedangkan



contoh koagulan polimer atau sintetis adalah: 



Poli Alumunium Klorida (PAC)







Sitosan







Currie flock Koagulan polimer yang umumnya digunakan adalah PAC. Perbedaan dari kedua



jenis koagulan diatas adalah pada tingkat hidrolisa dalam air. Koagulan garam logam mengalami hidrolisa ketika dicampurkan ke dalam air sedangkan koagulan polimer tidak. Pembentukan unsur hidrolisis tersebut terjadi pada periode yang sangat singkat yaitu kurang dari 1 detik. Reaksi hidrolisis menghasilkan senyawa hidrokompleks seperti Al(OH)2+, Fe(H2O)33+, dan Fe(OH)2+. Setelah terbentuk, produk tersebut langsung teradsorbsi ke dalam partikel koloid serta menyebabkan destabilisasi muatan listrik pada koloid tersebut. Hal ini mengakibatkan polimerisasi dari reaksi hidrolisis. Oleh sebab itu, pada pembubuhan koagulan yang berupa garam logam, proses pengadukan cepat (flash mixing/rapid mixing) sangat penting, karena : 1. Hidrolisis dan polimerisasi adalah reaksi yang sangat cepat 2. Suplai koagulan dan kondisi pH yang merata sangat penting untuk pembentukan unsur hidrolisis 3. Adsorpsi koagulan ke dalam partikel koloid berlangsung cepat. 4. Apabila pengadukan lambat, maka reaksi koloid dengan koagulan tidak akan sempurna. Sedangkan pada penggunaan koagulan polimer, pengadukan cepat tidak terlalu kritis karena reaksi hidrolitik tidak terjadi dan adsorpsi koloid terjadi lebih lambat karena ukuran fisik polimer yang lebih besar. Waktu pengadukan sekitar 2-5 detik. Koagulan sebagai bahan kimia yang ditambahkan ke dalam air tentunya memiliki



3



beberapa sifat atau kriteria tertentu, yaitu : 1. Kation trivalen (+3) Koloid bermuatan negatif, oleh sebab itu dibutuhkan suatu kation untuk menetralisir muatan ini. Kation trivalen merupakan kation yang paling efektif. 2. Non toksik 3. Tidak terlarut pada batasan pH netral Pada penggunaan alumunium sulfat sebagai koagulan, air baku harus memiliki alkalinitas yang memadai untuk bereaksi dengan alumunium sulfat menghasilkan flok hidroksida. Umumnya, pada rentang pH dimana proses koagulasi terjadi alkalinitas yang terdapat dalam bentuk ion bikarbonat. Reaksi kimia sederhana pada pembentukan flok adalah sebagai berikut : Al2(SO4)3 . 14 H2O + 3 Ca(HCO3)2  2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 14 H2O + 6 CO2 Apabila air baku tidak mengandung alkalinitas yang memadai, maka harus dilakukan penambahan alkalinitas. Umumnya alkalinitas dalam bentuk ion hidroksida diperoleh dengan cara menambahkan kalsium hikdrosida, sehingga persamaan reaksi koagulasinya menjadi sebagai berikut : Al2(SO4)3 . 14 H2O + 3 Ca(OH)2  2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 14 H2O Sebagian besar air baku memiliki alkalinitas yang memadai sehingga tidak diperlukan penambahan bahan kimia lain selain alumunium sulfat. Rentang pH optimum untuk alum adalah 4.5 sampai dengan 8.0, karena alumunium hidroksida relatif tidak larut pada rentang tersebut. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses koagulasi antara lain : 1. Intensitas pengadukan 2. Gradien kecepatan 3. Karakteristik koagulan, dosis, dan konsentrasi 4. Karakteristik air baku, kekeruhan, alkalinitas, pH, dan suhu Pendekatan rasional untuk mengevaluasi pengadukan dan mendesain bak tempat



4



pengadukan dilakukan telah dikembangkan oleh T.R. Camp (1955). Derajat pengadukan merupakan didasarkan pada daya (power) yang diberikan ke dalam air, dalam hal ini diukur oleh gradien kecepatan. Laju tabrakan partikel proporsional terhadap gradien kecepatan ini, sehingga gradien tersebut harus mencukupi untuk menghasilkan laju tabrakan partikel yang diinginkan. 2.1.2. Dosis Koagulan Dosis koagulan berbeda-beda tergantung dari jenis koagulan yang dibubuhkan, temperatur air, serta kualitas air yang diolah. Penentuan dosis koagulan dapat dilakukan melalui penelitian laboratorium dengan metode jar test. Prosedur jar test pada prinsipnya merupakan proses pengolahan air skala kecil. Dosis optimum dari hasil percobaan ini digunakan sebagai acuan dalam pembubuhan koagulan dalam pengolahan air. Umumnya dosis optimal yang diperoleh dari hasil jar test menggambarkan dosis yang perlu diterapkan dalam operasional instalasi pengolahan air minum. Namun, untuk skala operasional akan terjadi penyimpangan, karena umumnya dosis yang perlu dimasukkan lebih banyak dari dosis hasil jar test. Perbedaan



ini



disebabkan



karena



ketidakefisienan



dalam



pengadukan



cepat



(Darmasetiawan, 2004). 2.1.3. Pengadukan Unit koagulasi merupakan suatu unit dengan pengadukan cepat dimana pengadukan cepat (koagulasi) dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu : 1. Koagulasi Hidrolis Pada prinsinya pengadukan secara hidrolis ini menggunakan efek gravitasi, sehingga terjadi besaran tinggi terjun untuk pengadukan cepat (koagulasi) dan head loss (kehilangan tekanan) atau beda tinggi permukaan pada proses pembentukan flok pada unit flokulasi. Dalam koagulasi hidrolis ini didesain untuk dua jenis aliran, yaitu aliran terbuka yang mudah dalam pengoperasian dan pemeliharaannya serta aliran bertekanan dalam pipa (Schulz dan Okun, 1984:92) Rumus yang dipergunakan untuk perhitungan pada koagulasi hidrolis adalah sebagai berikut : 5



G=√



(1)



Dimana P untuk koagulasi hidrolis menggunakan rumus : P=



(2)



Sehingga rumus untuk gradien kecepatan pada koagulasi hidrolis adalah sebagai berikut : G =√ Keterangan : G



= gradien kecepatan (/detik)



P



= daya yang diberikan (kg m2/detik3)



ρ



= densitas cairan (kg/m3)



g



= percepatan gravitasi (m/dtk2)



hL



= headloss (m)



Q



= debit (m3/dtk)



μ



= viskositas cairan (kg/m.detik)



V



= volume (m3)



2. Koagulasi Mekanis Pengadukan dengan cara mekanik adalah pengadukan yang memindahkan energi mekanik untuk pengadukkan. Pengadukkan ini dilakukan dengan menggunakan blade. Rumus yang dipergunakan untuk perhitungan pada koagulasi mekanis adalah sebagai berikut : G=√



(1)



P=



(2)



Sehingga rumus untuk gradien kecepatan pada koagulasi hidrolis adalah sebagaiberikut : G =√



Dimana : G



= gradien kecepatan (/detik)



P



= daya yang diberikan (kg m2/detik3)



6



Cd



= koefisien drag



ρ



= densitas cairan (kg/m3)



A



= luas pengaduk (m2)



v



= kecepatan aliran (m/detik)



g



= percepatan gravitasi (m/dtk2)



hL



= headloss (m)



Q



= debit (m3/dtk)



μ



= viskositas cairan (kg/m.detik)



V



= volume (m3)



2.1.4. Kriteria Desain Kriteria desain dari unit koagulasi adalah sebagai berikut : G



= 750/detik – 1000/detik



Td



= < 60 dtk



Head loss



= > 30 cm



GT value



= 104 – 106



(Sumber : Schulz & Okun, 1992) Tabel 1. Waktu detensi dan Gradien Kecepatan untuk Bak Pengaduk Cepat Unit



Kriteria



Pengaduk Cepat  Tipe



hidrolis :  terjunan  saluran bersekat  dalam instalasi pengolahan air bersekat mekanis:  blade, padle  flotasi



7



 waktu pengadukan (detik)



1-5



 nilai G/ detik



>750



2.1.5. Perhitungan Dimensi Unit Koagulasi Dimensi unit koagulasi (pengaduk cepat) dapat ditentukan dengan rumus: 1. Tipe hidrolis dengan jenis pengaduk statis



Dimana : Q



= Kapasitas pengolahan (m3/detik)



D



= diameter pinstalasi pengolahan air (m)



V



= kecepatan aliran (m/det)



Hf



= kehilangan tekanan pada pinstalasi pengolahan air dan perlengkapannya (m



kolom air) G



= gravitasi (9,81 m/detik)



f



= koefisien kehilangan melalui pinstalasi pengolahan air (0,02 - 0,26)



k



= koefisien kehilangan melalui perlengkapan pinstalasi pengolahan air (0,7 -1)



μ



= viskositas kinematik air (m2/detik)



C



= kapasitas bak (m3)



Cn



= koefisien kekasaran pinstalasi pengolahan air



S



= kemiringan hidrolis (m/m) 8



R



= jari-jari hidrolis (m)



ρ



= masa jenis air (g/cm3)



2. Tipe hidrolis dengan jenis pengaduk mekanis



Dimana:



2.2.



P



= tenaga yang diperlukan (g.cm/det.)



N



= putaran (rpm)



Gc



= faktor konversi Newton



D



= diamater impeller (cm)



K



= konstanta experimen (1.0 – 5.0)



ρ



= masa jenis air (g/cm3)



Flokulasi Flokulasi adalah proses penggabungan inti flok sehingga menjadi flok berukuran



lebih besar. Proses fokulasi hanya dapat berlangsung bila ada pengadukan. Secara garis besar pembentukan flok terbagi dalam empat tahap yaitu : 1. Tahap destabilisasi partikel koloid 2. Tahap pembentukan mikroflok 3. Tahap penggabungan mikroflok 4. Tahap pembentukan makroflok Tahap 1 dan 2 terjadi pada proses koagulasi sedangkan tahap 3 dan 4 terjadi pada proses flokulasi. Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam desain unit flokulasi : 



Kualitas air baku dan karakteristik flokulasi







Kualitas tujuan dari proses pengolahan







Headloss tersedia dan variasi debit instalasi



9



2.2.1. Pengadukan Flokulasi adalah tahap pengadukan lambat yang mengikuti unit pengaduk cepat. Tujuan dari proses ini adalah untuk mempercepat laju tumbukan partikel, hal ini menyebabkan aglomerasi



dari partikel koloid terdestabilisasi secara elektrolitik kepada



ukuran yang terendapkan dan tersaring. Terdapat beberapa kategori sistem pengadukan untuk melakukan flokulasi ini, yaitu : 1. Pengaduk Mekanis Pengadukan mekanis merupakan satu metode yang umum digunakan untuk pengadukan lambat. Pengaduk (disebut juga flokulator) mekanis yang sering digunakan dalam pengadukan lambat adalah tipe paddle yang dimodifikasi hingga membentuk roda (paddle wheel), baik dengan posisi horizontal maupun vertikal. 2. Pengadukan Hidrolis Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pengadukan lambat berbeda dengan pengadukan cepat. Pada pengadukan lambat, energi hidrolik yang diharapkan cukup kecil dengan tujuan menghasilkan gerakan air yang mendorong kontak antara partikel tanpa menyebabkan pecahnya gabungan partikel yang terbentuk. Jenis aliran yang sering digunakan sebagai pengadukan lambat adalah baffle channel. 2.2.2. Kriteria Desain



Kriteria desain dari unit flokulasi hidrolis adalah sebagai berikut ; G



= 10 – 100 /detik (Schulz & Okun, 1992)



GT



= 10.000 – 100.000 (Kawamura, 1991)



Td



= 15 – 30 menit (Kawamura, 1991)



Kriteria perencanaan untuk unit flokulasi (pengaduk lambat) dapat dilihat pada Tabel 2 (SNI 6774:2008, Tata cara perencanaan unit paket instalasi pengolahan air)



10



Tabel 2. Kriteria perencanaan unit flokulasi (pengaduk lambat) Flokulator mekanis Kriteria umum



Flokulator



Sumbu



Sumbu



Flokulator



hidrolis



horizontal dgn



vertikal



Clarifier



pedal



dengan bilah



G (1/dt)



60 - 5



60-10



70-10



100-10



waktu tinggal (mnt)



30-45



30-40



20-40



20-100



tahap flokulasi (buah)



6 - 10



6-Mar



2-4



1



bukaan



kecepatan



kecepatan



kecepatan



pengendalian energy



pintu/sekat



putaran



putaran



aliran air



maksimal kecepatan aliran (m/dt)



0,9



0,9



1,8-2,7



1,5-0,5



luas pedal : luas bak %



--



5-20



0,1-0,2



-



--



1-5



8-25



-



kecepatan perputaran sumbu (rpm) tinggi (m)



2-4



2.2.3. Perhitungan Dimensi Unit Flokulasi Dimensi unit flokulasi (pengaduk lambat) dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut: 1. Tipe hidrolis dengan jenis pengaduk statis



dimana: Q



= kapasitas pengolahan (m3/detik)



p



= panjang bak(m)



l



= lebar bak (m)



d



= tinggi (m)



td



= waktu tinggal (detik)



G



= gradien, G (detik-1)



Hf



= kehilangan tekanan pada pinstalasi pengolahan air dan perlengkapannya



(m kolom air) µ



= viskositas kinematik air (m/detik)



g



= gravitasi (9,81 m/detik2) 11



2. Tipe hidrolis dengan jenis pengaduk mekanis



dimana: P



= tenaga yang diperlukan (g.cm/det.)



n



= putaran (rpm)



gc



= faktor konversi Newton



D



= diamater impeller (cm)



k



= konstanta experimen (1.0 – 5.0)



ρ



= masa jenis air (g/cm3)



Perhitungan Gradien Kecepatan (G) Persamaan matematis yang dipergunakan untuk menghitung gradien kecepatan ini sama dengan perhitungan yang telah diberikan pada unit koagulasi, yaitu : √ dimana : G



= Gradien kecepatan (dtk-1)



ρ



= Massa jenis air (kg/m3)



g



= Percepatan gravitasi (m/s2)



hL = Headloss karena friksi, turbulensi, dll (m) µ



= Viskositas absolut air (kg/m-dtk)



T



= Waktu detensi (dtk)



Perhitungan Kehilangan Tekanan Total (Htot) Kehilangan tekanan total sepanjang saluran



horizontal



baffle



channel



ini



diperoleh dengan menjumlah kehilangan tekanan pada saat saluran lurus dan pada belokan.



12



Dimana a. Hb adalah kehilangan tekanan pada belokan yang disebabkan oleh belokan sebesar 180°. Persamaan untuk menghitung besarnya kehilangan tekan ini adalah sebagai berikut :



dimana : Hb = Kehilangan tekan di belokan (m) k



= Koefisien gesek, diperoleh secara empiris



Vb = Kecepatan aliran pada belokan (m/s) g



= Percepatan gravitasi (m/s2)



b. HL adalah kehilangan tekanan pada saat aliran lurus. Kehilangan tekanan ini terjadi pada saluran terbuka sehingga perhitungannya didasarkan pada persamaan Manning : ⁄



⁄ ⁄



⁄



dimana : HL = Kehilangan tekan pada saat lurus (m) n



= Koefisien Manning, saluran terbuat dari beton n = 0.013



VL = Kecepatan alirang pada saluran lurus (m/s) L



= Panjang saluran (m)



R = Jari-jari basah (m) = A/P A = Luas basah (m2) P = Keliling basah (m)



13



BAB III PENUTUP Kesimpulan yang dapat diambil dari makalah ini adalah: 1.



Koagulasi adalah proses destabilisasi koloid dan partikel-partikel yang tersuspensi di dalam air baku karena adanya pencampuran yang merata dengan senyawa kimia tertentu (koagulan) melalui pengadukan cepat.



2.



Ada tiga faktor yang mempegaruhi keberhasilan proses koagulasi yaitu jenis koagulan yang dipakai, dosis pembubuhan koagulan, dan proses pengadukan.



3.



4.



Kriteria desain dari unit koagulasi adalah sebagai berikut : G



= 750/detik – 1000/detik



Td



= < 60 dtk



Head loss



= > 30 cm



GT value



= 104 – 106



Flokulasi adalah proses penggabungan inti flok sehingga menjadi flok berukuran lebih besar. Proses fokulasi hanya dapat berlangsung bila ada pengadukan.



5.



Flokulasi adalah tahap pengadukan lambat yang mengikuti unit pengaduk cepat. Tujuan dari proses ini adalah untuk mempercepat laju tumbukan partikel, hal ini menyebabkan aglomerasi



dari partikel koloid terdestabilisasi secara elektrolitik



kepada ukuran yang terendapkan dan tersaring. 6.



Kriteria desain dari unit flokulasi hidrolis adalah sebagai berikut ; G



= 10 – 100 /detik (Schulz & Okun, 1992)



GT



= 10.000 – 100.000 (Kawamura, 1991)



Td



= 15 – 30 menit (Kawamura, 1991)



14