Rabu, 13 Maret 2013

Proses Pengolahan Air Minum : FISIK



Sistem penyedian air bersih memerlukan air baku yang jumlahnya sebanding dengan kebutuhan air. Instalasi pengolahan air yang memanfaatkan air permukaan sebagai air baku harus memperhatikan kualitas dari air baku yang digunakan karena semakin buruk kualitas air baku yang digunakan, semakin sulit pengolahan yang harus dilakukan untuk mendapatkan air yang sesuai baku mutu air bersih atau air minum. Pada umumnya, sumber air baku dari air permukaan harus diperhatikan segi kekeruhan dan segi mikrobiologisnya. Kondisi air baku yang buruk menyebabkan biaya pengolahan yang dibutuhkan semakin tinggi karena bahan kimia yang diperlukan akan semakin banyak atau bahkan diperlukan unit pengolahan yang baru untuk menjaga agar kualitas air sesuai dengan baku mutu.
Baku mutu yang digunakan untuk kualitas air minum di Indonesia adalah Peratuan Menteri Kesehatan No. 907/MENKES/SK/VII/2002. Jika air minum yang diproduksi tidak memenuhi baku mutu, harus dilakukan pengolahan lanjutan untuk memastikan air tersebut aman untuk dikonsumsi. Pengolahan air baku secara umum dilakukan melalui proses fisika dan proses kimia atau kombinasi antara kedua proses tersebut. Proses pengolahan dan unit-unit pengolahan yang digunakan harus disesuaikan dengan kualitas air baku, polutan yang harus disisihkan, dan tujuan dari penggunaan air hasil pengolahan.

1.  Pengolahan Fisik

Prinsip pengolahan air secara fisika adalah menggunakan proses penyaringan dan gravitasi. Pengolahan fisika pada umumnya digunakan untuk menghilangkan kekeruhan yang disebabkan oleh partikel-partikel terlarut dalam air baku.

1.1.  Sedimentasi

Sedimentasi merupakan unit yang berfungsi memisahkan padatan dan cairan dengan menggunakan pengendapan secara gravitasi untuk memisahkan partikel tersusupensi yang terdapat dalam cairan tersebut (Reynols, 1982). Untuk kondisi air baku dengan kekeruhan yang tinggi (>1000 mg/l), sebelum unit sedimentasi terdapat unit lain yaitu unit pra-sedimentasi yang berfungsi untuk mengendapkan partikel tersuspensi dalam air, sehingga unit sedimentasi berfungsi untuk mengendapkan partikel-partikel yang tidak terendapkan dalam unit prasedimentasi serta flok-flok yang terbentuk setelah melalui proses koagulasi dan flokulasi.
Aplikasi utama dari sedimentasi pada instalasi pengolahan air minum adalah :
  1. Pengendapan awal dari air permukaan sebelum pengolahan menggunakan saringan pasir cepat.
  2. Pengendapan air yang telah melalui proses koagulasi dan flokulasi sebelum memasuki unit saringan pasir cepat.
  3. Pengendapan air yang telah melalui proses koagulasi dan flokulasi pada instalasi yang menggunakan sistem pelunakan air oleh kapur-soda.
  4. Pengendapan air pada instalasi pemisahan besi dan mangan.
Bak Sedimentasi
Bak sedimentasi berfungsi untuk mengendapkan flok-flok yang dibentuk pada proses koagulasi dan flokulasi. Agar pengendapan yang terjadi pada bak sedimentasi berjalan dengan baik, terdapat beberapa persyaratan yang harus dipenuhi menyangkut karakteristik aliran dalam bak sedimentasi yang akan dibangun. Untuk mencapai pengendapan yang baik, bentuk bak sedimentasi harus dibuat sedemikian rupa sehingga karakteristik aliran di dalam bak tersebut memiliki aliran yang laminar dan tidak mengalami aliran mati (short-circuiting).
Bak sedimentasi pada umumnya terbuat dari konstruksi beton bertulang dengan bentuk bulat maupun persegi panjang. Terdapat tiga konfigurasi utama untuk bak sedimentasi, yaitu :
  1. Bak persegi panjang dengan aliran horizontal
  2. Bak sedimentasi dengan aliran vertikal
  3. Clarifier dengan aliran vertikal

1.2.  Filter Karbon

Karbon aktif dengan media granular (Granular Activated Carbon) merupakan proses filtrasi yang berfungsi untuk menghilangkan bahan-bahan organik, desinfeksi, serta menghilangkan bau dan rasa yang disebabkan oleh senyawa‑senyawa organik. Selain untuk menyisihkan senyawa-senyawa organik, karbon aktif juga dapat digunakan untuk menyisihkan partikel-partikel terlarut.
Prinsip pengolahan karbon aktif adalah mengadsorbsi bahan-bahan pencemar menggunakan media karbon. Proses adsorbsi yang berlangsung dalam karbon aktif tergantung pada luas permukaan media yang digunakan dan berhubungan dengan luas total pori-pori yang terdapat dalam media. Untuk mengefektifkan proses adsorbsi, diperlukan waktu kontak yang cukup antara permukaan media dengan air yang diolah sehingga zat-zat pencemar dapat dihilangkan secara efisien. Jika waktu kontak tidak mencukupi, alternatif lain yang bisa dilakukan adalah menaikan luas permukaan media menggunakan media dengan ukuran yang lebih kecil. Zat-zat dalam air yang teradsorbsi biasanya berupa senyawa organik (menyebabkan bau dan rasa yang tidak diinginkan), trihalometane, serta Volatile Organic coumpunds (VOCs).
Dalam instalasi pengolahan air minum, pengolahan menggunakan karbon aktif dilakukan sebelum proses ozonisasi karena secara umum unit pengolahan karbon aktif tidak dapat menyisihkan mikroorganisme patogen seperti virus dan bakteri. Selain itu, karbon aktif juga tidak efektif dalam menyisihkan kalsium (Ca) dan magnesium (Mn) yang menimbulkan kesadahan pada air, flour dan nitrat.
Media yang digunakan dalam unit pengolahan karbon aktif dapat berupa arang kayu, batok kelapa dan batubara. Media yang sering digunakan dalam unit karbon aktif adalah batubara yang telah diproses melalui proses pembakaran dengan temperatur sedang dalam kondisi anaerob sehingga diharapkan batubara tidak terbakar tetapi mengalami perubahan menjadi material karbon yang berpori-pori (porous). Batubara yang dihasilkan dari proses ini diaktifkan melalui proses pemanasan dengan uap air dan udara pada temperatur 1500 oF. Proses aktifasi ini akan mengoksidasi permukaan dan pori-pori media.
Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam desain unit pengolahan karbon aktif ini adalah debit pengolahan dan headloss yang tersedia, senyawa-senyawa organik yang terdapat dalam air baku, media yang digunakan, ukuran media karbon aktif, kecepatan filtrasi, waktu kontak, dan waktu pembersihan media karbon aktif. Media karbon aktif harus dibersihkan atau di regenerasi kembali dalam waktu tertentu karena media ini akan mengalami keadaan jenuh dimana kemampuan media untuk mengabsorbsi senyawa-senyawa organik dan polutan akan berkurang. Proses regenerasi karbon aktif ini dilakukan dengan tiga cara yaitu penguapan, pemanasan dan penggunaan bahan kimia.

1.3.  Membran

Filtrasi adalah proses pemisahan padatan dan larutan, dimana larutan dilewatkan melalui suatu media berpori atau materi berpori lainnya untuk menyisihkan partikel tersuspensi yang sangat halus sebanyak mungkin. Proses ini digunakan pada instalasi pengolahan air minum untuk menyaring air yang telah dikoagulasi dan diendapkan untuk menghasilkan air minum dengan kualitas yang baik. Filtrasi dapat dilakukan menggunakan beberapa jenis filter, antara lain : saringan pasir lambat, saringan pasir cepat, atau dengan menggunakan teknologi membran.
Pada awalnya filtrasi menggunakan membran merupakan unit pengolahan air alternatif untuk menggantikan filtrasi pasir lambat (slow sand filtration). Dengan kemajuan yang sangat pesat dari teknologi ini, terutama dari penurunan biaya operasional dan instalasinya, membran semakin banyak digunakan dalam instalasi pengolahan air terutama untuk insatalasi pengolahan air yang bertujuan menghasilkan air layak minum. Keunggulan utama membran dibandingkan filtrasi pasir lambat adalah unit pengolahan yang dibutuhkan mempunyai ukuran yang lebih kecil, kapasitas pengolahan lebih besar, serta mampu menghasilkan air layak minum. Secara umum sistem membran dapat dibedakan menjadi empat jenis yaitu Reverse osmosis (RO), Elektrodialisis (ED), Ultrafiltrasi (UF), dan Mikrofiltrasi
(MF). Hubungan antara jenis membran, jari-jari lubang membran dan tekanan kerja membran diterangkan pada tabel 2.7.
Tabel 2.7 Jenis-jenis Membran
Jenis Membran
Jari-jari Lubang (micron)
Tekanan Kerja (psi)
Reverse osmosis
0.0006
>500
Elektrodialisis
0.001
Menggunakan potensial listrik
Ultrafiltrasi
0.002-0.1
30-100
Mikrofiltrasi
0.03-10
15-60
Sumber: Susumu kawamura, Integrated Design Of Water Treatment Facilities,1991
Media yang digunakan untuk pembuatan filter membran tersedia dalam berbagai jenis material dan metoda pembuatannya. Media yang digunakan dapat digolongkan menjadi media absolut dan media nominal, tergantung dari kemampuannya untuk menahan partikel yang mempunyai ukuran sama atau lebih besar dari ukuran lubang pada media. Filter Membran biasanya digolongkan sebagai media absolut yang dapat dibuat menggunakan berbagai macam bahan polimer, logam, dan keramik. Media nominal biasanya dibuat menggunakan bahan dari serat kaca (fiber glass), serat polimer, dan keramik.
Berdasarkan struktur lubang medianya, filter membran dibedakan menjadi dua, yaitu membran tipis (screen membrane) dan membran tebal (depth membrane). Membran tipis mempunyai lubang (pore) dengan bentuk lingkaran yang sempurna atau hampir sempurna. Lubang-lubang tersebut tersebar secara acak pada permukaan membran. Membran ini dibuat melalui proses pelubangan media menggunakan penembakan electron (nuclear track) dan proses penggoresan (etch process). Membran tipis pada umumnya digunakan pada proses analisis gravimetri, sitologi, analisis partikulat, analisis aerosol, dan penyaringan darah.
Filter membran tebal mempunyai struktur permukaan yang tidak beraturan, tampak kasar jika dilihat dengan perbesaran dan lubangnya (pore) terlihat lebih besar daripada karakteristik lubang yang seharusnya. Filter membran tipe ini dibuat dari berbagai jenis polimer melalui proses pencetakan. Bahan utama yang sering digunakan dalam pembuatan filter membran adalah ester selulosa. Selulola membran dibuat dengan cara melarutkan ester selulosa dalam pelarut organik, ditambah beberapa bahan kimia untuk memperbaiki karakteristik. Setelah itu, larutan ini dicetak dengan ketebalan 150 mm. Selama proses pencetakan, pelarut akan mengalami penguapan dan filter membran akan mengering serta membentuk stuktur lubang yang tidak beraturan. Membran tebal biasa digunakan untuk proses sterilisasi larutan, kultur mikroorganisme, dan lain sebagainya.

1.3.1.  Mikrofiltrasi (MF)

Tujuan utama dari pengolahan mikrofiltrasi adalah menyisihkan partikel-partikel pencemar dengan diameter lebih besar dari 0,5 mikron. Salah satu kegunaan mikrofiltrasi dalam teknik lingkungan adalah mengisolasi coliform dari contoh air yang diteliti. Mikrofiltrasi juga dapat digunakan untuk menyisihkan partikulat di udara yang akan digunakan sebagai bahan baku generator ozon. Membran MF dapat dibuat dari berbagai macam material termasuk selulosa asetat. Besarnya pori-pori filter membran berkisar antara 0,1 mikron sampai dengan 0,45 mikron.

1.3.2.  Ultrafiltrasi (UF)

Ultrafiltrasi menggunakan membran dengan ukuran pori lebih kecil dari 0,1 mikron dan gaya tekan berkisar antara 30 sampai 90 Psi. Ultrafiltrasi dapat digunakan untuk menyisihkan bakteri, virus, koloid, dan senyawa-senyawa organik yang mempunyai molekul berukuran besar. Beberapa jenis membran ultrafiltrasi dapat dibersihkan dengan melakukan backwash. Kecepatan proses filtrasi dapat berkurang karena adanya bahan-bahan tersuspensi yang disisihkan akibat proses filtrasi dan polarisasi konsentrasi. Akibat adanya akumulasi kontaminan pada permukaan membran, menyebabkan penurunan kualitas larutan yang diolah serta memperbesar gaya tekan yang dibutuhkan. Dalam bidang
kesehatan, proses UF dapat digunakan untuk memisahkan plasma darah dan sel darah merah. Dalam industri, proses UF sering digunakan untuk menyisihkan substansi tertentu dalam air buangan, meningkatkan konsentrasi emulsi, dan meningkatkan konsentrasi suspensi makromolekular seperti polyvinyl alkohol.

1.3.3. Elektrodialisis (ED)

Dalam elektrodialisis, filter membran yang digunakan tidak permeable untuk air tetapi permeable bagi kation dan anion. Filter membran yang sering digunakan dalam proses elektrodialisis adalah filter yang dibuat dari hydrated cellophan dan media lain yang dapat digunakan untuk menentukan ukuran pori-pori membran.
Walaupun dialisis jarang digunakan dalam bidang pengolahan air dan pemurnian air, terdapat beberapa industri yang memanfaatkan teknologi ini untuk mengolah air buangan. Membran mampu berfungsi sebagai penukar kation dan anion, dimana larutan yang akan diolah dilewatkan diantara anoda dan katoda. Ruang antara katoda dan anoda dibuat sekecil mungkin untuk meminimalisasi pemakaian energi listrik. Ketika arus listrik searah dilewatkan pada anoda dan katoda, terjadi perpindahan anion ke anoda dan kation ke katoda. Karena pada satu membran hanya berfungsi untuk anion atau kation saja, maka diperlukan dua membran untuk memisahkan kation dan anion.
Efisiensi dari elektrodialisis akan berkurang jika terjadi polarisasi konsentrasi serta timbulnya endapan yang menempel pada permukaan membran. Hal ini mengakibatkan kenaikan tegangan listrik yang diberikan untuk mempertahankan kualitas air yang diinginkan. Untuk mengolah air baku, diperlukan pengolahan pendahuluan untuk menghilangkan senyawa organik, besi, dan kekeruhan. Hal ini disebabkan air baku mengandung molekul yang tidak memiliki ion, seperti senyawa organik dan koloid, dimana molekul-molekul tersebut akan tetap berada dalam air hasil pengolahan.

1.3.4.  Reverse Osmosis (RO)

Osmosis merupakan perpindahan air dari larutan berkonsentrasi rendah menuju larutan dengan konsentrasi yang lebih tinggi melalui lapisan semipermeable hingga terjadi kesetimbangan tekanan osmosis. Reverse osmosis diartikan sebagai perpindahan pelarut dari larutan, melalui membran semipermeable di bawah tekanan, ke pelarut murni atau larutan yang lebih encer pada tekanan yang lebih rendah. Tekanan yang diberikan pada larutan yang lebih pekat memungkinkan pelarut untuk berpindah ke larutan yang lebih rendah konsentrasinya. Dalam reverse osmosis, filter membran berfungsi sebagai lapisan semipermeable yang melewatkan pelarut dan menahan molekul-molekul terlarut. Tekanan yang diperlukan untuk proses reverse osmosis tergantung pada konsentrasi senyawa­senyawa dalam pelarut, biasanya lebih besar dari 500 psi. Reverse osmosis disebut juga hiperfiltrasi yang merupakan filtrasi paling bagus yang ada sampai saat ini. Reverse osmosis mampu menyisihkan partikel sampai ukuran ion dalam larutan.

1.3.5.  Arus Silang (Cross Flow)

Hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan membran adalah akumulasi substansi pada permukaan membran dan/atau lubang-lubang pada membran (pores) yang dapat menyebabkan penurunan kemampuan membran. Keadan ini disebut sebagai membrane fouling (tertutupnya pori-pori membran). Substansi­substansi tersebut dapat berupa koloid dan partikel tersuspensi, zat-zat organik, garam terlarut, dan organisme biologi. Untuk mengurangi dampak dari terjadinya membrane fouling, membran dibuat dengan sistem arus silang (crossflow). Dengan sistem ini, cairan yang akan dimurnikan dialirkan sejajar dengan permukaan membran dan tekanan diberikan tegak lurus dengan arah aliran cairan. Gambar 2.2 memperlihatkan proses terjadinya arus silang.

 Gambar 2.2 Arus Silang

1.4.  Ultra Violet (UV)

Proses desinfeksi pada pengolahan air minum dapat menggunakan sinar ultra violet (UV). Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 200 nm – 300 nm (disebut UV-C) dapat membunuh bakteri, spora, dan virus. Panjang gelombang UV yang paling efektif dalam membunuh bakteri adalah 265 nm.
Mekanisme kerja UV adalah melepaskan poton yang akan diserap oleh DNA mikroorganisme yang menyebabkan kerusakan DNA sehingga proses replikasi DNA akan terhambat. Pada keadaan ini, mikroorganisme akan mati secara perlahan karena tidak dapat mengatur metabolisme sel dan tidak dapat berkembang biak. DNA yang tersusun dari rantai dasar nitrogen berupa purine dan pyrimidine dimana purine terdiri dari adenine dan guanine, sedangkan pyrimidine terdiri dari thymine dan cytosine. Dalam proses penyerapan poton oleh DNA, energi yang dimiliki oleh poton akan mengakibatkan terputusnya rantai hidrogen yang menghubungkan antara thymine dan cytosine yang mengakibatkan kerusakan DNA.
Dosis UV yang diberikan dapat dihitung dengan perkalian antara intensitas poton yang diberikan dengan lamanya waktu pemaparan yang diberikan. Satuan yang digunakan adalah mJ/cm2. Dalam pengolahan menggunakan UV dikenal D10 yang didefinisikan sebagai dosis yang dibutuhkan untuk mengurangi mikroorganisme hingga 90% dari total mikroorganisme dalam air yang diolah. Tabel 2.8 menunjukkan hubungan antara dosis UV dan penyisihan bakteri E.coli dalam air.
Tabel 2.8 Dosis UV terhadap Jumlah E.Coli dalam Pengolahan Air
Dosis Uv (mJ/cm2)
Pengurangan jumlah E.coli
5.4
90 %
10.8
99 %
16.2
99.90 %
21.6
99.99 %
Sumber : Hanovia Ltd. Jerman
Sinar UV dihasilkan dari lampu UV yang pada dasarnya hampir sama dengan lampu fluorescent (lampu neon). Tabung lampu diisi dengan gas inert, biasanya argon dan merkuri, dengan jumlah terbatas. Berdasarkan tekanan dalam tabung, lampu UV dibedakan menjadi 2 yaitu lampu UV bertekanan rendah (Low Pressure UV) dan lampu UV bertekanan sedang (Medium Pressure UV). Perbedaan tekanan dalam tabung lampu akan berpengaruh pada gelombang elektromagnetik yang dihasilkan.

1.4.1.  Lampu UV bertekanan rendah (Low Pressure UV)

Lampu UV bertekanan rendah (Low Pressure UV) merupakan lampu UV yang sering digunakan dalam sistem UV dan merupakan sumber UV yang paling lama digunakan. Lampu ini mempunyai tegangan kerja sebesar 120 volt sampai 240 volt. Tekanan udara dalam lampu kurang dari 10 Torr (1 Torr = 1,316 x 10-3 atm). Spektrum elektromagnetik yang dihasilkan dari lampu jenis ini sebesar 253 nm. Temperatur optimal operasi dari lampu UV bertekanan rendah adalah 15 oC. Temperatur ini makin berkurang dengan pertambahan suhu lampu. Lampu ini tidak dianjurkan untuk digunakan dalam pengolahan air yang tidak mengalir secara kontinyu karena akan mengurangi efektifitas pengolahan seiring dengan kenaikan suhu lampu dan pengurangan poton yang dikeluarkan oleh lampu. Unit pengolahan UV dengan lampu bertekanan rendah dianjurkan untuk mengolah air dengan debit yang kecil. Lampu UV dengan daya 65 watt mampu mengolah air dengan debit 2.5 liter per detik. Ketika diperlukan penambahan debit, dibutuhkan penambahan lampu UV untuk menjaga kualitas air hasil pengolahan.

1.5.  Lampu UV bertekanan sedang (Medium Pressure UV)

Lampu UV bertekanan sedang (Medium Pressure UV) mempunyai tekanan udara dalam tabung sekitar 102 sampai dengan 104 Torr. Lampu ini mempunyai berbagai macam bentuk dengan bentuk umum yang sering digunakan adalah lampu tabung dengan bentuk melingkar (arc tube). Rentang spektrum gelombang elektromagnetik yang dihasilkan dari lampu UV bertekanan sedang cukup besar, yaitu antara 200 nm sampai dengan 280 nm. Daya listrik yang diperlukan untuk mengoperasikan unit UV ini sangat besar, yaitu antara 0,4 kW sampai dengan 7 kW. Lampu UV bertekanan sedang mampu beroperasi sampai temperatur antara 600 oC – 900 0C. Unit pengolahan UV menggunakan lampu bertekanan sedang dianjurkan untuk instalasi pengolahan air yang mempunyai debit pengolahan yang besar, hingga mencapai 170 lt/dtk, hanya dengan menggunakan satu lampu UV. Karena kemampuannya untuk menghasilkan spektrum gelombang elektromagnetik yang cukup besar, unit pengolahan UV menggunakan lampu UV bertekanan sedang dapat digunakan untuk proses fotokimia, misalnya untuk proses deklorinasi dan deozonisasi. Tabel 2.9 memberikan perbandingan antara lampu UV bertekanan rendah dengan lampu UV bertekanan sedang.
Tabel 2.9 Perbandingan Lampu UV
Parameter
Lampu UV
Bertekanan Rendah
Lampu UV
Bertekanan Sedang
Spektrum UV
Sempit
Lebar
Panjang Gelombang UV
Sekitar 254 nm
200 nm – 280 nm
Efisiensi daya listrik menjadi UV-C
40 %
15 %
Daya Lampu
0.5 W/cm
100 W/cm
Flux radiasi UV-C
0.2 W/cm
15 W/cm
Input Daya Listrik
5 – 80 W
0.4 – 7 Kw
Sumber : UV Light Technology Limited, Inggris

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar