BAB 7 UNIT FILTRASI
7.1. Tujuan Filtrasi Filtrasi adalah suatu proses pemisahan zat padat dari fluida (cair maupun gas) yang membawanya menggunakan suatu medium berpori atau bahan berpori lain untuk menghilangkan sebanyak mungkin zat padat halus yang tersuspensi dan koloid. Pada pengolahan air minum, filtrasi digunakan untuk menyaring air hasil dari proses koagulasi – flokulasi – sedimentasi sehingga dihasilkan air minum dengan kualitas tinggi. Di samping mereduksi kandungan zat padat, filtrasi dapat pula mereduksi kandungan bakteri, menghilangkan warna, rasa, bau, besi dan mangan. Perencanaan suatu sistem filter untuk pengolahan air tergantung pada tujuan pengolahan dan pre-treatment yang telah dilakukan pada air baku sebagai influen filter. Pada filtrasi dengan media berbutir, terdapat mekanisme filtrasi sebagai berikut: a. b. c. d. e.
Penyaringan secara mekanis (mechanical straining) Sedimentasi Adsorpsi atau gaya elektrokinetik Koagulasi di dalam filter bed Aktivitas biologis
7.2. Tipe Filter Berdasarkan pada kapasitas produksi air yang terolah, filter pasir dapat dibedakan menjadi dua, yaitu filter pasir cepat dan filter pasir lambat. 7.2.1. Filter Pasir Cepat Filter pasir cepat atau rapid sand filter adalah filter yang mempunyai kecepatan filtrasi cepat, berkisar 4 hingga 21 m/jam. Filter ini selalu didahului dengan proses koagulasi – flokulasi dan pengendapan untuk memisahkan padatan tersuspensi. Jika kekeruhan pada influen filter pasir cepat berkisar 5 – 10 NTU maka efisiensi penurunan kekeruhannya dapat mencapai 90 – 98%. Bagian-bagian dari filter pasir cepat meliputi (Gambar 7.1): a.
Bak filter, merupakan tempat proses filtrasi berlangsung. Jumlah dan ukuran bak tergantung debit pengolahan (minimum dua bak).
b.
Media filter, merupakan bahan berbutir/granular yang membentuk pori-pori di antara butiran media. Pada pori-pori inilah air mengalir dan terjadi proses penyaringan.
c.
Sistem underdrain. Underdrain merupakan sistem pengaliran air yang telah melewati proses filtrasi yang terletak di bawah media filter. Underdrain terdiri atas: • Orifice, yaitu lubang pada sepanjang pipa lateral sebagai jalan masuknya air dari media filter ke dalam pipa. • Lateral, yaitu pipa cabang yang terletak di sepanjang pipa manifold. • Manifold, yaitu pipa utama yang menampung air dari lateral dan mengalirkannya ke bangunan penampung air.
1
Gutter Bak filter
Media filter
Media penyangga
Lateral
Manifold
Gambar 7.1 Bagian-bagian filter Pengoperasian filter pasir cepat adalah sebagai berikut: 1.
Selama proses filtrasi berlangsung, partikel yang terbawa air akan tersaring di media filter. Sementara itu, air terus mengalir melewati media pasir dan penyangga, masuk lubang/orifice, ke pipa lateral, terkumpul di pipa manifold, dan akhirnya air keluar menuju bak penampung (lihat Gambar 7.2).
2.
Partikel yang tersaring di media lama kelamaan akan menyumbat pori-pori media sehingga terjadi clogging (penyumbatan). Clogging ini akan meningkatkan headloss aliran air di media. Peningkatan headloss dapat dilihat dari meningkatnya permukaan air di atas media atau menurunnya debit filtrasi. Untuk menghilangkan clogging, dilakukan pencucian media.
3.
Pencucian dilakukan dengan cara memberikan aliran balik pada media (backwash) dengan tujuan untuk mengurai media dan mengangkat kotoran yang menyumbat poripori media filter. Aliran air dari manifold, ke lateral, keluar orifice, naik ke media hingga media terangkat, dan air dibuang melewati gutter yang terletak di atas media (lihat Gambar 7.3).
4.
Bila media filter telah bersih, filter dapat dioperasikan kembali.
Gambar 7.2 Aliran air pada saat operasi filter
2
Gambar 7.3 Aliran air pada saat pencucian filter Filter pasir cepat dapat dibedakan dalam beberapa kategori: 1. Menurut sistem kontrol kecepatan filtrasi 2. Menurut arah aliran 3. Menurut sistem pengaliran 7.2.1.1.
Tipe Filter Berdasar Sistem Kontrol Kecepatan
Berdasarkan sistem kontrol kecepatannya, filter dikelompokkan menjadi: 1. Constant rate: debit hasil proses filtrasi konstan sampai pada level tertentu. Hal ini dilakukan dengan memberikan kebebasan kenaikan level muka air di atas media filter. 2. Declining rate atau constant head: debit hasil proses filtrasi menurun seiring dengan waktu filtrasi, atau level muka air di atas media filter dirancang pada nilai yang tetap. 7.2.1.2.
Tipe Filter Berdasar Arah Aliran
Berdasarkan arah alirannya, filter dikelompokkan menjadi: 1. Filter aliran down flow (kebawah). 2. Filter aliran upflow (keatas). 3. Filter aliran horizontal. 7.2.1.3.
Tipe Filter Berdasar Sistem Pengaliran
Berdasarkan sistem pengalirannya, filter dikelompokkan menjadi: 1. Filter dengan aliran secara grafitasi (gravity filter). 2. Filter dengan aliran bertekanan (pressure filter).
7.2.2. Filter Pasir Lambat Filter pasir lambat atau slow sand filter adalah filter yang mempunyai kecepatan filtrasi lambat, yaitu sekitar 0,1 hingga 0,4 m/jam. Kecepatan yang lebih lambat ini disebabkan ukuran media pasir lebih kecil (effective size = 0,15 – 0,35 mm). Filter pasir lambat merupakan sistem filtrasi yang pertama kali digunakan untuk pengolahan air, dimana sistem ini dikembangkan sejak tahun 1800 SM. Prasedimantasi dilakukan pada air baku mendahului proses filtrasi.
3
Filter pasir lambat cukup efektif digunakan untuk menghilangkan kandungan bahan organik dan organisme patogen pada air baku yang mempunyai kekeruhan relatif rendah. Filter pasir lambat banyak digunakan untuk pengolahan air dengan kekeruhan air baku di bawah 50 NTU. Efisiensi filter pasir lambat tergantung pada distribusi ukuran partikel pasir, ratio luas permukaan filter terhadap kedalaman dan kecepatan filtrasi. Filter pasir lambat bekerja dengan cara pembentukan lapisan biofilm di beberapa milimeter bagian atas lapisan pasir halus yang disebut lapisan hypogeal atau schmutzdecke. Lapisan ini mengandung bakteri, fungi, protozoa, rotifera, dan larva serangga air. Schmutzdecke adalah lapisan yang melakukan pemurnian efektif dalam pengolahan air minum. Selama air melewati schmutzdecke, partikel akan terperangkap dan organik terlarut akan teradsorpsi, diserap dan dicerna oleh bakteri, fungi, dan protozoa. Proses yang terjadi dalam schmutzdecke sangat kompleks dan bervariasi, tetapi yang utama adalah mechanical straining terhadap kebanyakan bahan tersuspensi dalam lapisan tipis yang berpori-pori sangat kecil, kurang dari satu mikron. Ketebalan lapisan ini meningkat terhadap waktu hingga mencapai sekitar 25 mm, yang menyebabkan aliran mengecil. Ketika kecepatan filtrasi turun sampai tingkat tertentu, filter harus dicuci dengan mengambil lapisan pasir bagian atas setebal sekitar 25 mm. Keuntungan filter lambat antara lain: •
Biaya konstruksi rendah
•
Rancangan dan pengoperasian lebih sederhana
•
Tidak diperlukan tambahan bahan kimia
•
Variasi kualitas air baku tidak terlalu mengganggu
•
Tidak diperlukan banyak air untuk pencucian, pencucian tidak menggunakan backwash, hanya dilakukan di bagian atas media
Kerugian filter pasir lambat adalah besarnya kebutuhan lahan, yaitu sebagai akibat dari lambatnya kecepatan filtrasi. Secara umum, filter pasir lambat hampir sama dengan filter pasir cepat. Filter lambat tersusun oleh bak filter, media pasir, dan sistem underdrain (Gambar 7.4). Perbedaan filter pasir cepat dan filter pasir lambat dapat dilihat pada Tabel 7.1.
Gambar 7.4 Skema filter pasir lambat
4
Tabel 7.1 Perbedaan Kriteria Filter Pasir Cepat dan Filter Pasir Lambat Kriteria Kecepatan filtrasi Ukuran bed Kedalaman bed
Filter Pasir Cepat
Filter Pasir Lambat
4 – 21 m/jam
0,1 – 0,4 m/jam
Kecil, 40 – 400 m
2
Besar, 2000 m2
30 – 45 cm kerikil, 60 – 70 cm pasir, tidak berkurang saat pencucian
30 cm kerikil, 90 – 110 cm pasir, berkurang 50 – 80 cm saat pencucian
Effective size >0,55 mm, uniformity coefficient <1,5
Effective size 0,25-0,3 mm, uniformity coefficient 2-3
Terstratifikasi
Tidak terstratifikasi
Sistem underdrain
Pipa lateral berlubang yang mengalirkan air ke pipa utama
Sama dengan filter cepat atau batu kasar dan beton berlubang sebagai saluran utama
Kehilangan energi
30 cm saat awal, hingga 275 cm saat akhir
6 cm saat awal, hingga 120 cm saat akhir
12 – 72 jam
20 – 60 hari
Mengangkat kotoran dan pasir ke atas dengan backwash
Mengambil lapisan pasir di permukaan dan mencucinya
1 – 6% dari air tersaring
0,2 – 0,6% dari air tersaring
Koagulasi-flokulasi-sedimentasi
Biasanya tidak ada bila kekeruhan kurang dari 50 NTU
Biaya konstruksi
Relatif tinggi
Relatif rendah
Biaya operasi
Relatif tinggi
Relatif rendah
Biaya depresiasi Sumber: Schulz dan Okun (1984)
Relatif tinggi
Relatif rendah
Ukuran pasir Distribusi ukuran media
Filter run (jarak waktu pencucian) Metoda pembersihan Jumlah air untuk pembersihan Pengolahan pendahuluan
7.3. Media Filter dan Distribusi Media Bagian filter yang berperan penting dalam melakukan penyaringan adalah media filter. Media Filter dapat tersusun dari pasir silika alami, anthrasit, atau pasir garnet. Media ini umumnya memiliki variasi dalam ukuran, bentuk dan komposisi kimia. Pemilihan media filter yang akan digunakan dilakukan dengan analisa ayakan (sieve analysis). Hasil ayakan suatu media filter digambarkan dalam kurva akumulasi distribusi (Gambar 7.5) untuk mencari ukuran efektif (effective size) dan keseragaman media yang diinginkan (dinyatakan sebagai uniformity coefficient). Effective Size (ES) atau ukuran efektif media filter adalah ukuran media filter bagian atas yang dianggap paling efektif dalam memisahkan kotoran yang besarnya 10 % dari total kedalaman lapisan media filter atau 10 % dari fraksi berat, ini sering dinyatakan sebagai d10 (diameter pada persentil 10). Uniformity Coefficient (UC) atau koefisien keseragaman adalah angka keseragaman media filter yang dinyatakan dengan perbandingan antara ukuran diameter pada 60 % fraksi berat terhadap ukuran efektif atau dapat ditulis: UC = d60/d10. d60 adalah diameter butiran pada persentil 60).
5
Gambar 7.5 Lembar untuk penggambaran hasil analisis ayakan pasir
Berdasarkan jenis dan jumlah media yang digunakan dalam penyaringan, media filter dikategorikan menjadi: 1. Single media: Satu jenis media seperti pasir silika, atau dolomit saja. Filter cepat tradisional biasanya menggunakan pasir kwarsa. Pada sistem ini penyaringan SS terjadi pada lapisan paling atas sehingga dianggap kurang efektif karena sering dilakukan pencucian.
6
2. Dual media: misalnya digunakan pasir silica, dan anthrasit. Filter dual media sering digunakan filter dengan media pasir kwarsa di lapisan bawah dan antharasit pada lapisan atas. Keuntungan dual media: a. Kecepatan filtrasi lebih tinggi (10 – 15 m/jam) b. Periode pencucian lebih lama c. Merupakan peningkatan filter single media (murah) 3. Multi media: misalnya digunakan pasir silica, anthrasit dan garnet atau dolomit. Fungsi multi media adalah untuk memfungsikan seluruh lapisan filter agar berperan sebagai penyaring. Susunan media berdasarkan ukurannya dibedakan menjadi: • Seragam (uniform), ukuran butiran media filter relatif sama dalam satu bak • Gradasi (stratified), ukuran butiran media tidak sama dan tersusun bertingkat • Tercampur (mixed), ukuran butiran media tidak sama dan bercampur Kriteria nilai ukuran efektif dan keseragaman media untuk beberapa jenis dan jumlah media filter dapat dilihat pada Tabel 7.2. Bila suatu stok pasir tidak memenuhi kriteria, maka harus dilakukan pemilihan ukuran hingga memenuhi kriteria tersebut. Perhitungan persentase pasir yang dapat digunakan, pasir yang terlalu kecil, pasir yang terlalu besar dapat dihitung sebagai berikut: •
Persentase stok pasir yang dapat digunakan: Puse = 2 (Pst60 – Pst10)
•
(7.1)
Persentase pasir yang terlalu kecil: Pf = Pst10 – 0,1 Puse = Pst10 – 0,2 (Pst60 – Pst10)
•
(7.2)
Persentase ukuran pasir yang terlalu besar: Pc = 100 – Pf - Puse
(7.3)
Keterangan: • Pst10 adalah persentase pasir stok yang memenuhi ES sesuai kriteria yang diminta • Pst60 adalah persentase pasir stok yang memenuhi ES x UC sesuai kriteria yang diminta Setelah dilakukan pemilihan ukuran butiran pasir stok, maka pasir stok dapat digunakan sebagai media filter yang memenuhi kriteria.
7
Tabel 7.2 Kriteria Perencanaan Media Filter untuk Pengolahan Air Minum Nilai Karakteristik rentang I. Single Media A. Media pasir: 610 – 760 Kedalaman (mm) 0,35 – 0,70 ES (mm) <1,7 UC B. Media anthrasit: 610 – 760 Kedalaman (mm) 0,70 – 0,75 ES (mm) <1,75 UC 1,36 – 3,40 C. Rate Filtrasi (l/det-m2) II. Dual Media A. Anthrasit: Kedalaman (mm) ES (mm) UC B. Pasir Kedalaman (mm) ES (mm) UC C. Rate Filtrasi (l/det – m2) III. Multi Media A. Anthrasit: Kedalaman (mm) ES (mm) UC B. Pasir Kedalaman (mm) ES (mm) UC C. Garnet Kedalaman (mm) ES (mm) UC D. Rate Filtrasi (l/det – m2) Sumber: Reynolds dan Richards (1996)
460 – 610 0,9 – 1,1 1,6 – 1,8 150 – 0,45 – 1,5 – 2,04 –
205 0,55 1,7 5,44
tipikal
685 0,6 <1,7 685 0,75 <1,75 2,72
610 1,0 1,7 150 0,5 1,6 3,4
420 – 530 0,95 – 1,0 1,55 – 1,75
460 1,0 <1,75
150 – 230 0,45 – 0,55 1,5 – 1,65
230 0,50 1,60
75 – 115 0,20 – 0,35 1,6 – 2,0 2,72 – 6,80
75 0,20 <1,6 4,08
8
Contoh Soal 7.1: Telah dilakukan analisis ayakan terhadap media pasir dengan hasil sebagaimana digambarkan pada gambar di bawah. Distribusi ukuran pada grafik tersebut menunjukkan nilai ES = 0,29 mm dan UC = 2,41. Bila pasir tersebut akan digunakan sebagai media filter, lakukan analisis terhadap pasir tersebut untuk menentukan bagian pasir yang dapat digunakan. Spesifikasi media filter yang diharapkan adalah ES = 0,05 cm dan UC = 1,5.
Penyelesaian: Berdasarkan gambar di atas, d10 adalah 0,29 mm dan d60 adalah 0,70 mm. ES = 0,29 mm = 0,029 cm UC = 0,70/0,29 = 2,41 Berdasarkan spesifikasi yang diharapkan, pasir tersebut tidak memenuhi syarat sebagai media filter. Oleh karena itu harus dilakukan pemilihan ukuran agar memenuhi spesifikasinya. ES yang diharapkan adalah 0,05 cm dan UC adalah 1,5.
9
Spesifikasi yang diharapkan: ES = d10 = 0,05 cm UC = 1,5 Æ
d60 = UC * ES = 1,5 * (0,05 cm) = 0,075 cm
Buatlah garis baru yang menghubungkan (d10, P10) dan (d60, P60) sesuai spesifikasi yang diharapkan. Tentukan Pst60 dan Pst10. Diperoleh Pst60 = 63% dan Pst10 = 31%.
•
Persentase stok pasir yang dapat digunakan: Puse = 2 (Pst60 – Pst10) = 2 (63 – 31) = 64 %
10
•
Persentase pasir yang terlalu kecil: Pf = Pst10 – 0,1 Puse = Pst10 – 0,2 (Pst60 – Pst10) = 31 - 0,2 (63 - 31) = 24,6%
•
Prosentase ukuran pasir yang terlalu besar: Pc = 100 – Pf - Puse = 100 – 24,6 - 64 = 11,4%
Dengan demikian, 24,6% dari ukuran pasir terkecil, yaitu pasir dengan ukuran lebih kecil dari 0,045 cm harus dihilangkan. Untuk ukuran yang terlalu besar, 11,4% ukuran pasir terbesar yang harus dibuang atau ukuran pasir di atas 0,105 cm. Jadi pasir stok yang dapat digunakan adalah pasir yang berukuran 0,045 sampai 0,105 cm.
7.4. Dimensi Bak Filter Luas permukaan bak filter tergantung pada jumlah bak, debit pengolahan, dan kecepatan (rate) filtrasi. Jumlah bak ditentukan berdasarkan debit pengolahan dengan rumus pendekatan: N = 1,2 Q0,5, dengan Q adalah debit pengolahan (mgd). Jumlah bak juga dapat ditentukan dengan batasan luas permukaan maksimum 100 m2 per bak. Jumlah bak minimum adalah dua. Luas permukaan bak dihitung dengan rumus:
As =
Q Vo
(7.4)
dengan Vo adalah kecepatan filtrasi. Berdasarakan luas permukaan bak, ukuran bak (panjang dan lebar, atau diameter) dapat ditentukan. Ratio lebar terhadap panjang berkisar 1 : 1 hingga 1 : 2. Tinggi bak filter ditentukan dari tinggi total bahan yang terdapat di bak, meliputi underdrain, media penyangga, media filter dan air di atas media ditambah dengan tinggi jagaan (free board). Timggi air di atas media direncanakan sekitar 90 sampai 120 cm.
7.5. Hidrolika Filtrasi Pada prinsipnya aliran pada media berbutir (filter pasir) dianggap sebagai aliran dalam pipa berjumlah banyak. Kehilangan tekanan dalam pipa akibat gesekan aliran mengikuti persamaan Darcy – Weisbach berikut:
hL = f dengan: hL f L V Dc
LV 2 Dc 2g
(7.5)
= kehilangan tekanan akibat gesekan, m = koefisien kekasaran = panjang pipa, m = kecepatan aliran, m/detik = diameter pipa, m
11
Bila persamaan Darcy – Weisbach diterapkan pada aliran di media berbutir, maka perlu ada penyesuaian. Ketebalan atau tinggi media sama dengan panjang pipa dan diameter pori di antara butiran pasir dianggap identik dengan diameter pipa. Pada pipa, luas penampang saluran adalah ¼ x π x Dc2. Jari–jari hidrolis (r) pada pipa adalah luas penampang dibagi dengan keliling basah:
r=
πD c 2 D c = 4πD c 4
(7.6)
Jari-jari hidrolis pada media berbutir dapat ditentukan dengan volume rongga dibagi dengan luas permukaan butiran (Ap):
Vv Ap
r=
(7.7)
Volume rongga bergantung pada besarnya porositas media. Porositas media ε dapat dinyatakan sebagai berikut:
ε=
Vv Volume rongga media = Volume rongga media + Volume butiran media Vv + V p
(7.8)
Persamaan (7.8) ditulis kembali sebagai berikut:
⎛ ε ⎞ Vv = ⎜ ⎟.Vp ⎝ 1− ε ⎠
(7.9)
Dengan substitusi, persamaan (7.7) menjadi:
⎛ ε ⎞ Vp r =⎜ ⎟ ⎝ 1 − ε ⎠ Ap
(7.10a)
Bila Vp/Ap = (1/3. π.d3)/ (3. π.d2) = d/6, maka:
⎛ ε r =⎜ ⎝ 1− ε
⎞d ⎟ ⎠6
(7.10b)
Substitusi persamaan (7.6) dan persamaan (7.10b) diperoleh:
Dc =
2 ⎛ ε ⎞ d⎜ ⎟ 3 ⎝ 1− ε ⎠
(7.11)
Kecepatan aliran pada pipa (V) identik dengan pendekatan laju aliran (flow rate, Va = debit/luas permukaan bak) dibagi dengan porositasnya, maka:
V=
Va
(7.12)
ε
Untuk jenis media yang tidak bulat digunakan faktor bentuk (kebulatan) ψ, sehingga perlu dikoreksi:
12
Vp Ap
=Ψ
d 6
(7.13)
Dari rumus Darcy – Weisbach untuk f’ = ¾ f, diperoleh persamaan Carman – Kozeny: 2
hL = f '
L ⎛ 1 − ε ⎞ Va ⎜ ⎟ ψd ⎝ ε 3 ⎠ g
(7.14)
Nilai f’ merupakan fungsi NRe:
⎛ 1− ε f ' = 150⎜⎜ ⎝ N Re
⎞ ⎟⎟ + 1,75 ⎠
(7.15)
Bilangan Reynold, NRe merupakan fungsi diameter dan kecepatan aliran yang diturunkan dengan rumus:
N Re =
Ψ.d .Va
υ
Ψ.ρ .d .Va
=
(7.16)
μ
ρ = berat jenis
dimana:
υ = viskositas dinamis μ = viskositas kinematis Selain persamaan Carman – Kozeny di atas, terdapat persamaan empiris untuk menghitung kehilangan tekanan saat filter bersih, yaitu Persamaan Rose sebagai berikut: 2
C .L.V hL = 1,067 D 4a ψ .d.ε g
(7.17)
CD adalah koefisien drag yang besarnya tergantung bilangan Reynolds (Persamaan 7.16). Nilai CD dihitung sebagai berikut: •
untuk NRe < 1:
CD =
24 N Re
(7.18a)
•
Untuk 1< NRe< 104:
CD =
24 3 + + 0,34 N Re N Re
(7.18b)
•
Untuk NRe > 104:
CD = 0,4
(7.18c)
Persamaan (7.14) dan persamaan (7.17) digunakan untuk menghitung kehilangan tekanan akibat aliran pada media berbutir yang seragam. Untuk media terstratifikasi dengan porositas tidak sama, maka setiap lapisan media dihitung tersendiri sebagai media seragam. Demikian juga untuk jumlah media lebih dari satu macam media. Untuk media tidak seragam tetapi porositas seragam, maka persamaan tersebut berubah menjadi: •
Persamaan Carman – Kozeny: 2
hL =
L ⎛ 1 − ε ⎞ Va ⎜ ⎟ ψ ⎝ ε3 ⎠ g
∑
f'x d
(7.19)
13
•
Persamaan Rose: 2
hL = 1,067
L.Va CD x 4 ∑ d ψ .ε g
(7.20)
dengan x adalah fraksi berat butiran media dengan ukuran di dan L adalah tebal media total. Besarnya kehilangan tekanan pada media filter dapat ditentukan dengan menggunakan percobaan piezometrik dalam skala laboratorium seperti terlihat pada Gambar 7.6. Gambar 7.6(a) memperlihatkan rangkaian alat yang digunakan untuk mengukur tinggi tekanan air (head) pada piezometer selama percobaan filtrasi berlangsung. Makin ke bawah lokasi titik sampling, maka head makin menurun (karena kehilangan tekanan atau headloss bertambah). Selama proses filtrasi berlangsung, head di setiap piezometer dicatat seperti digambarkan pada Gambar 7.6(b). Dengan bertambahnya waktu filtrasi, head makin menurun (karena terjadi clogging yang menyebabkan headloss meningkat), bahkan bisa mencapai head negatif, artinya tinggi muka air di piezometer berada di bawah dasar media filter.
(a)
(b)
Gambar 7.6 Kehilangan tekanan pada filter, (a) percobaan piezemetrik (b) profil kehilangan tekanan selama proses filtrasi. Headloss pada proses filtrasi akan selalu meningkat sejalan dengan waktu operasi filtrasi. Naiknya headloss ini dapat digunakan untuk menentukan filter run atau siklus filtrasi, yaitu periode waktu operasi filtrasi di antara dua pencucian media. Filter run ditentukan dengan melakukan pencatatan kekeruhan pada efluen filter dan headloss yang terjadi selama filter beroperasi. Gambar 7.7 memperlihatkan hubungan antara headloss dan kekeruhan dengan waktu. Dengan mengacu pada besarnya kekeruhan maksimum pada efluen, waktu backwash dapat ditentukan. Waktu backwash juga dapat ditentukan dengan memberi batasan pada nilai headloss maksimum.
14
Gambar 7.7 Hubungan an ntara headloss dan kekeruhan dengan w waktu operasii filter
Contoh Soal 7.2: Sebuah bak filter single media de engan data se ebagai berikutt: -
Tebal media pasiir, L = 60 cm
-
p Sg = 2,6 65 Speccific gravity pasir,
-
Diam meter pasir ra ata-rata, d = 0,45 mm
-
Fakttor bentuk pa asir, Ψ = 0,82 2
-
Poro ositas media pasir, ε = 0,4 42
-
Rate e filtrasi, Va = 10 m/jam
-
Tem mperatur air = 28oC
Hitungla ah headloss yang terjadi akibat a aliran melewati m med dia pasir terssebut: a. deng gan persamaa an Carman-Ko ozeny b. deng gan persamaa an Rose
Penyele esaian: 1. Perh hitungan head dloss menggu unakan persam maan Carman n-Kozeny Perrsamaan Carm man-Kozeny: 2
L ⎛ 1 − ε ⎞ Va hL = f ' ⎜ ⎟ ψd ⎝ ε 3 ⎠ g ⎛ 1− ε f ' = 150 0⎜⎜ ⎝ N Re
⎞ ⎟⎟ + 1,75 7 ⎠
NRe = (Ψρ d Va) / μ
Pada T = 28oC, diperoleh μ = 0,8363. 10-2 gram/cm-detik dan ρ = 0,9963 gram/cm3 NRe = (0,82 x 0,9963 x 0,045 x 1000 / 3600) / 0,008363 = 1,220 f' = 150 x [(1- 0,42) / 1,140] +1,75 = 72,997 60 ⎛ 1 − 0,42 ⎞ (1000/3600 )2 h = 72,997x = 73,09 cm ⎜ ⎟ L 0,82 x 0,045 ⎝ 0,42 3 ⎠ 981
2. Perhitungan headloss menggunakan persamaan Rose CD =
24 3 + + 0,34 = 22,71 1,220 1,220
hL =
1,067 22,71 (1000/3600 )2 1 * * 60 * = 99,59 cm 0,82 981 0,42 4 0,045
Contoh soal 7.3: Sebuah bak filter single media tidak seragam terstratifikasi dengan data sebagai berikut: -
Tebal media pasir total, L = 60 cm
-
Specific gravity pasir, Sg = 2,65
-
Faktor bentuk pasir, Ψ = 0,82
-
Porositas media pasir, ε = 0,42
-
Rate filtrasi, Va = 10 m/jam
-
Temperatur air = 28oC
-
Diameter pasir terdistribusi sebagai berikut: Diameter (mm
% Berat
0,61
8
0,55
19
0,40
45
0,27
21
0,18
7
Hitunglah headloss yang terjadi akibat melewati media pasir tersebut Penyelesaian: Langkah penyelesaiannya adalah: 1. Hitung NRe untuk masing-masing diameter 2. Hitung CD untuk masing-masing diameter (perhatikan nilai NRe karena rumus CD tergantung pada nilai NRe) 3. Hitung CD x / d untuk masing-masing diameter Hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel berikut: 16
diameter (mm)
% berat
NRe
CD
CD x/d
0,61
8
1,655
17,171
22,519
0,55
19
1,492
18,877
65,210
0,4
45
1,085
25,331
284,970
0,27
21
0,733
32,757
254,779
0,18
7
1,655
17,171
22,519 ∑
Jadi:
hL =
CD x = 627,48/cm d
1,067 60 (1000/3600 )2 * * * 627,48 = 123 ,83 cm 0,82 981 0,42 4
7.6. Hidrolika Pencucian (Backwashing) Filter pasir cepat, setelah digunakan dalam kurun waktu tertentu akan mengalami penyumbatan akibat tertahannya partikel halus dan koloid oleh media filter. Tersumbatnya media filter ditandai oleh: 1. Penurunan kapasitas produksi (untuk filter constant head) 2. Peningkatan kehilangan energi (head loss) yang diikuti oleh kenaikan muka air di atas media filter (untuk filter constant rate) 3. Penurunan kualitas air produksi Jika keadaan ini tercapai, seperti ditunjukkan oleh adanya head yang negatif pada Gambar 7.6b, maka filter harus dicuci. Teknik pencucian filter cepat dapat dilakukan dengan menggunakan aliran balik (backwashing), dengan kecepatan tertentu agar media filter terfluidisasi dan terjadi tumbukan antar media. Tumbukan antar media menyebabkan lepasnya kotoran yang menempel pada media, selanjutnya kotoran yang telah terkelupas akan terbawa bersama dengan aliran air. Untuk meningkatkan kinerja backwashing, sering didahului dengan pencucian di permukaan (surface washing) dan/atau memberikan tekanan udara dari bawah dengan blower (air washing). Tujuan pencucian filter adalah melepaskan kotoran yang menempel pada media filter dengan aliran ke atas (upflow) hingga media terekspansi. Umumnya tinggi ekspansi sebesar 15 sampai 35% (Droste, 1997). Lama pencucian sekitar 3 hingga 15 menit. Ada beberapa sistem pencucian filter, yaitu: •
Menggunakan menara air
•
Interfilter
•
Pompa backwash
Untuk menghitung head pompa pencucian atau tinggi menara, maka harus dihitung headloss melalui media, dasar filter (under drain), dan sistem perpipaan pada saat awal backwash. Saat awal backwash, tekanan air backwash harus mampu memecahkan media yang
17
kemungkinan memadat akibat adanya kotoran yang melekat pada permukaan media. Tekanan air backwash juga harus mampu mengangkat pasir hingga ketinggian tertentu (terfluidasi). Pada saat terfluidasi, massa butiran pasir tidak berubah. Massa butiran pasir saat operasi filtrasi sama dengan massa pasir saat terfluidasi. Hal ini dapat ditulis dengan persamaan berikut:
L.A.(1 − ε ) ρ p = Le .A.(1 − ε e ) ρ P
(7.21)
L dan Le masing-masing adalah tinggi media mula-mula saat filtrasi dan tinggi media terekspansi. ε dan εe adalah porositas saat filtrasi dan saat terekspansi. A merupakan luas permukaan bak filter dan ρP adalah massa jenis butiran media. Tinggi media terekspansi pada saat backwash dapat dituliskan:
(1− ε ) (1− ε e )
Le = L
(7.22)
Porositas media terekspansi (εe) bergantung pada kecepatan backwash dan kecepatan pengendapan partikel:
εe = (
VB 0, 22 ) Vs
(7.23)
dimana: VB = kecepatan backwash Vs = kecepatan pengendapan partikel Besarnya kecepatan backwash minimum ditentukan dengan persamaan (7.23) dengan ketentuan Vs adalah kecepatan pengendapan partikel terbesar: Vb = Vs ε4,5
(7.24)
Kombinasi persamaan (7.22) dan (7.23) diperoleh persamaan:
Le = L
(1 − ε ) [1 − (VB / Vs ) 0.22 ]
(7.25)
18
Contoh Soal 7.4: Filter pasir cepat memiliki kedalaman media pasir 0,60 m. Spesific gravity = 2,65; faktor bentuk (Ψ) = 0,82; porositas (ε) = 0,42; laju filtrasi = 1,75 lt/detik-m2; suhu operasi = 28°C. Data analisis ayakan adalah sebagai berikut:
Ukuran ayakan
Berat tertahan (%)
d (m)
14 – 20
1
0,0010006
20 – 28
8,2
0,0007111
28 – 32
27
0,0005422
32 – 35
30
0,0004572
35 – 42
20,5
0,0003834
42 – 48
7,1
0,0003225
48 – 60
3,2
0,0002707
60 – 65
2,1
0,0002274
65 – 100
0,9
0,0001777
Tentukan: a. Kecepatan backwash yang diperlukan untuk ekspansi media b. Debit aliran air yang diperlukan untuk ekspansi media c. Kehilangan tekanan pada saat awal backwash d. Tinggi ekspansi media pasir (LE)
Penyelesaian: Kecepatan aliran backwash untuk mengekspansi media ditentukan dengan mengacu pada kecepatan pengendapan partikel terbesar. Kecepatan mengendap, Vs dapat dihitung dengan rumus berikut: ⎡ 4g ⎤ (Ss − 1)d ⎥ Vs = ⎢ 3 C ⎣ D ⎦
1/ 2
Koesifien drag, pada rentang transisi digunakan rumus:
CD =
24 3 + + 0,34 N Re N Re
dengan
N Re = Ψ
dVs
ν
19
Untuk ayakan dengan ukuran pertama, d = 0,0010006 m atau 0,1 cm, dari Gambar di atas (hubungan antara ukuran partikel dan kecepatan pengendapan), pada spesifik gravity 2,65 diperoleh kecepatan pengendapan sekitar 15 cm/detik (angka ini hanya untuk pendekatan). Pada T = 28oC, diperoleh μ = 0,8363. 10-2 gram/cm-detik dan ρ = 0,9963 gram/cm3. Nilai NRe adalah:
N Re =
CD =
0,82x 0,9963x 0,1x15 = 146,62 0,8363x10 − 2
Æ Transisi
24 3 + + 0,34 = 0,751 146,62 146,62
⎡ 4 9,81m 2,65 − 1 ⎤ Vs = ⎢ X x x 0,0010006 m⎥ 2 3 0 751 , det ⎣ ⎦
1/ 2
= 0,170
m det
Kecepatan pengendapan yang diperoleh ini harus dicek lagi, masukkan nilai ini ke dalam rumus NRe, CD, dan diperoleh Vs yang baru. Cara ini disebut iterasi (untuk lebih cepat gunakan Excel). Hasil akhir yang diperoleh adalah: NRe = 170,08;
CD = 0,711;
Vs = 0,711
20
a. Kecepatan backwash minimum: Vb=Vs ε4,5 = (0,174 m/det)(0,42)4,5 = 0,00351 m/det. b. Debit backwash = (0,00351 m/det)(1000 l/m3) = 3,51 l/det-m2. c. Kehilangan tekanan pada saat awal backwash: ⎛ρ −ρ⎞ hL = ⎜⎜ s ⎟⎟(1− ε )(L ) = (Ss − 1)(1− ε )(L ) ⎝ ρ ⎠ = (2,65 − 1)(1 − 0,42 )(0,60 m ) = 0,574 m
d. Ketinggian ekspansi dihitung dengan menentukan porositas saat ekspansi sebagai berikut:
⎛ Vb ⎞
ε e = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Vs ⎠
0 , 22
⎛ 0,00351⎞ =⎜ ⎟ ⎝ 0,167 ⎠
0 , 22
= 0,424
Catatan: Untuk menghitung εe, digunakan Vb yang sama untuk semua ukuran, yaitu 0,00351 m/det dan Vs masing-masing ukuran pasir. Untuk ukuran pasir yang lain dihitung dengan cara yang sama, diperoleh hasil sebagai berikut:
Sieve Size
Berat partikel (%)
d (m)
NRe
CD
Vs (m/det)
εe
x 1− ε e
14 – 20
0,87
0,0010006
170,08
0,711
0,174
0,424
0,015
20 – 28
8,63
0,0007111
89,61
0,925
0,129
0,453
0,158
28 – 32
26,30
0,0005422
51,91
1,219
0,098
0,481
0,507
32 – 35
30,10
0,0004572
36,18
1,502
0,081
0,501
0,604
35 – 42
20,64
0,0003834
24,34
1,934
0,065
0,526
0,435
42 – 48
7,09
0,0003225
16,38
2,546
0,052
0,552
0,158
48 – 60
3,19
0,0002707
10,84
3,465
0,041
0,582
0,076
60 – 65
2,16
0,0002274
6,89
4,968
0,031
0,618
0,056
65 – 100
1,02
0,0001777
3,82
8,159
0,022
0,670
0,031
∑
x = 2,040 1− ε e
Maka tinggi ekspansi total adalah:
Le = (1 − ε )L ∑
x = (1 − 0,424 )(0,60 m)(2,040 ) = 0,710 m 1− ε e
Ratio ekspansi adalah 71 cm / 60 cm = 1,18 (terjadi ekspansi sebesar 18%). Bila dikehendaki ekspansi yang lebih besar, maka kecepatan backwash dapat ditambah sampai sebesar 10% dari kecepatan pengendapan partikel terbesar (ratio Vb/Vs = 0,1).
21
7.7. Sistem Underdrain
Sistem underdrain adalah sistem pengaliran air di bawah media filter setelah air melewati proses penyaringan. Persyaratan sistem underdrain adalah: a. dapat mendukung media di atasnya b. distribusi merata pada saat pencucian Kriteria untuk sistem underdrain adalah sebagai berikut: i.
Dasar filter dapat terdiri dari sistem perpipaan yang tersusun dari lateral dan manifold, dimana air diterima melalui lubang orifice yang diletakkan pada pipa lateral.
ii. Kecepatan pencucian ± 36 m/jam (600 l/m2.menit), dengan tinggi ekspansi sebesar 15 cm sehingga headloss = 25 cm. iii. Manifold dan lateral ditujukan agar distribusi merata, headloss 1 – 3 m dengan kriteria sistem manifold – lateral: a. Perbandingan luas orifice/filter = 0,0015 – 0,005 b. Perbandingan luas lateral/ orifice = 2 – 4 c. Perbandingan luas manifold/lateral = 1,5 – 3 d. Diameter orifice = 0,6 – 2 cm. e. Jarak antara orifice = 7,5 – 30 cm f.
Jarak antara lateral = orifice.
Gambar 7.8 sampai 7.11 di bawah ini adalah bentuk sistem underdrain dengan model orifife-lateral-manifold dan bentuk sistem underdrain lainnya.
Manifold
Gambar 7.8 Sistem underdrain dengan model manifold pipe
22
Gambar 7.9 Sistem underdrain dengan model perforated plate
Gambar 7.10 Sistem underdrain dengan model nozzle dan strainer
Gambar 7.11 Sistem underdrain dengan model block filter
23
7.8. Soal-soal
1. Sebuah filter dual media terdiri atas pasir dan antrasit dengan spesifikasi sebagai berikut: Parameter
Media Pasir:
Ketebalan
Media Antrasit
60 cm
40 cm
0,045 cm
0,1 cm
Specific gravity
2,65
1,20
Faktor bentuk
0,82
0,75
Porositas
0,45
0,55
Diameter partikel
Bila total headloss yang terjadi pada kedua media adalah 55 cm (hL pasir+ hL antrasit = 55 cm), hitunglah rate filtrasinya pada temperatur 28oC. 2. Gambar berikut adalah potongan memanjang filter dengan dua macam pasir:
40 cm
Data media filter: Media
Ketebalan
Ukuran partikel
Porositas
Faktor bentuk
Pasir I
40 cm
0,45 mm
42 %
0,75
Pasir II
35 cm
0,50 mm
45 %
0,75
Headloss total di media penyangga dan underdrain= 15 cm Tentukan ukuran bak filter (panjang, lebar)! 3. Berikut adalah data pengamatan filtrasi selama 24 jam: Waktu (jam)
1
2
4
6
8
12
16
20
24
Kekeruhan efluen (NTU)
0,5
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,5
2,0
4,0
Porositas (%)
0,48
0,48
0,45
0,42
0,40
0,38
0,34
0,30
0,28
Pertanyaan: a. Bila kekeruhan efluen maksimum adalah 1 NTU, tentukan filter run b. Pada headloss berapakah filter harus di-backwash? (Data media: L= 60 cm, d= 0,045 cm, Sg= 2,65, Ψ = 0,82, rate filtrasi= 10 m/jam, T= 27oC)
24
4. Media filter dengan ketebalan bed 60 cm di-backwash dengan rate 1,1 cm/detik. Porositas media 0,4. Hitunglah tinggi media terekspansi dan headlossnya jika ukuran butiran media adalah sebagai berikut:
5.
Diameter rata-rata (cm)
% berat pasir
0,112 0,077 0,050 0,035 0,021
2,25 10,00 30,50 30,25 7,00
Filter cepat beroperasi pada kecepatan 8 m/jam. Jenis filter adalah single media pasir dengan spesifikasi sebagai berikut: • Densitas media ρs = 2.650 kg/m3 • Faktor bentuk Ψ = 0,82 • Porositas ε = 0,4 • Tebal media L = 60 cm Distribusi media: Diameter (mm)
Fraksi berat %
0,3
10
0,6
16
0,8
24
1,0
30
1,2
20
a. Proses filtrasi: • Berapa nilai P10, P60, P90 • Berapa nilai ES , UC • Berapa headloss filtrasi • Gambarkan kurva headloss filtrasi pada setiap lapis media b. Proses backwash: • Berapa kecepatan mengendap pasir terbesar (mm/dt) • Berapa nilai porositas ekspansi (εe) di setiap ukuran media pasir • Berapa tinggi expansi media pasir (cm) • Berapa headloss akibat backwash • Bagaimana menentukan tinggi menara backwash, gambarkan bagian tekanan headlossnya
25
7.9. Bahan Bacaan:
1.
Droste, R.L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, Inc., 1997
2.
Fair, G.M., J.C. Geyer, dan D.A. Okun, Water and Wastewater Engineering, Volume 2: Water Purification and Wastewater Treatment and Disposal, John Wiley and Sons Inc. New York, 1981
3.
Huisman, L., Rapid Sand Filtration, Lecture Notes, IHE Delft Netherlands, 1994
4.
Huisman, L., Slow Sand Filtration, Lecture Notes, IHE Delft Netherlands, 1994
5.
Kawamura, S., Integrated Design of Water Treatmrnt Fcilities, John Wiley & Sons, Inc., 1991
6.
Qasim, S.R., Motley, E.M., dan Zhu, G., Water Work Engineering: Planning, Design & Operation, Prentice Hall PTR, Texas, 2000
7.
Rich, L.G., Unit Operations of Sanitary Engineering, John Wiley & Sons, Inc., 1974
8.
Reynolds T.D. dan P.A. Richards, Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, PWS Publishing Company,20 Park Plaza, MA 12116, 1996
26
