PENGOLAHAN AIR LIMBAH SECARA FISIK Ketut Sumada Jurusan Teknik Kimia Universitas Pembangunan Nasional (UPN) “Veteran” Jawa Timur email :
[email protected] Pengolahan air limbah secara fisik merupakan pengolahan awal (primary treatment) air limbah sebelum dilakukan pengolahan lanjutan, pengolahan secara fisik bertujuan untuk menyisihkan padatan-padatan berukuran besar seperti plastik, kertas, kayu, pasir, koral, minyak, oli, lemak, dan sebagainya. Pengolahan air limbah secara fisik dimaksudkan untuk melindungi peralatan-peralatan seperti pompa, perpipaan dan proses pengolahan selanjutnya. Beberapa unit operasi yang diaplikasikan pada proses pengolahan air limbah secara fisik diantaranya : penyaringan (screening), pemecahan/grinding (comminution), penyeragaman (equalization), pengendapan (sedimentation), penyaringan (flitration), pengapungan (floatation).
a. Screening
Screening merupakan unit operasi yang diaplikasikan pada awal pengolahan air limbah. Tujuan dari screening ini adalah untuk pemisahan material berukuran besar seperti kertas, plastik, kayu, kulit udang, sisik ikan, dan sebagainya. Berdasarkan teknik pengoperasian, screening diklasifikasi menjadi dua (2) klasifikasi yaitu : Screening yang dioperasikan secara maual, screen yang dibersihkan secara manual (mempergunakan tangan). Screening yang dioperasikan secara automatis : screen dengan pemisahan padatan berlangsung secara kontinyu, pemisahan padatan dapat dilakukan secara mekanik atau dengan aliran air limbah itu sendiri. Berbagai jenis screen yang bisa diaplikasikan pada pengolahan air limbah seperti gambar berikut
Gambar : Screen
b. Pemecah/Grinding (comminution) Pemecah atau grinding (comminution) merupakan unit operasi yang diaplikasikan untuk memecah padatan yang berukuran besar menjadi partikel yang mempunyai ukuran yang kecil dan seragam. Pada umumnya unit operasi ini dipergunakan untuk memecah padatan yang tertahan pada screen dan padatan ini dapat dikembalikan kedalam aliran air limbah atau dibuang.
c. Pemisahan pasir (Grit chamber) Keberadaan bahan padat seperti pasir dalam air limbah merupakan suatu permasalahan dalam pengolahan air limbah karena pasir dapat menghambat kerja peralatan pompa, menghambat aliran dalam perpipaan dan mempengaruhi volume bak,Pemisahan padatan seperti pasir dalam air limbah dapat dilakukan dengan unit operasi grit chamber.
d. Penyeragaman (Equalization) Kualitas dan kuantitas air limbah yang dihasilkan suatu industri bervariasi setiap waktu, hal ini dapat mempengaruhi perancangan instalasi, kebutuhan bangunan, mesin, lahan, biaya operasional, dan kualitas hasil pengolahan. Dalam rangka mengatasi permasalahan kualitas dan kuantitas air limbah, dibutuhkan suatu unit operasi seperti “equalisasi (equalization)”. Equalisasi berfungsi untuk penyeragaman kondisi air limbah, dan pengendali aliran, dalam equalisasi dapat dilakukan proses pengadukan untuk menjaga homoginitas, injeksi udara yang bertujuan agar limbah tidak bersifat septik atau anaerobik. Salah satu bentuk unit operasi equalisasi dalam pengolahan air limbah seperti gambar 4.4 berikut , Kemiringan atau slope bak equalisasi pada umumnya mempergunakan perbandingan 3 : 1 atau 2 : 1. Pembangunan bak equalisasi di beberapa industri biasanya dibangun berbentuk persegi empat panjang atau rectangular dengan kedalaman 1,5 – 2 m.
e. Sedimentasi (Sedimentation) Sedimentasi merupakan unit operasi yang sering dipergunakan dalam proses pengolahan air atau air limbah seperti pemisahan partikel tersuspensi pada awal proses pengolahan air limbah, proses pemisahan partikel flok pada proses pengolahan air limbah secara kimia, dan proses pemisahan mikroorganisme (sludge) pada proses pengolahan air limbah secara biologi. Proses sedimentasi partikel dapat diklasifikasikan menjadi empat (4) peristiwa yaitu : 1. Partikel Diskrit, sedimentasi partikel terjadi pada konsentrasi padatan rendah dimana partikel mengendap secara individu serta tidak terjadi interaksi dengan partikel yang lainnya. Peristiwa ini terjadi pada pemisahan partikel pasir pada air limbah. 2. Partikel Flokulan, sedimentasi partikel dimana partikel mengalami interaksi dengan partikel lainnya, pada peristiwa interaksi terjadi penggabungan antar partikel yang mempercepat kecepatan sedimentasi. Peristiwa ini terjadi pada pemisahan partikel yang telah mengalami proses koagulasi/flokulasi. 3. Partikel Hindered, sedimentasi partikel terjadi karena partikel berinteraksi dengan partikel lainnya pada posisi yang sama, dan partikel mengendap terhambat oleh pertikel yang berada disekelilingnya dan tampaknya terjadi pengendapan secara massal. Persitiwa ini dapat terjadi pada konsentrasi padatan yang cukup tinggi.
Peristiwa ini seperti terjadi pada pemisahan mikroba (activated sludge) pada pengolahan air limbah secara biologi. 4. Partikel kompresi, sedimentasi partikel terjadi karena partikel mengalami penekanan oleh partikel yang berada diatasnya, peristiwa ini terjadi pada konsentrasi padatan yang sangat tinggi. Peristiwa ini terjadi pada pemisahan mikroba (activated sludge) pada pengolahan air limbah secara biologi. Peristiwa sedimentasi partikel activated sludge (lumpur mikroba) pada suatu tabung gelas ukur dapat dijelaskan melalui gambar 4.5. berikut
Jenis Tangki Pengendap :
Pengendapan
padatan
dalam
pipa
Waktu se Tabel 4.1. Data perancangan sedimentasi silinder dan rectangular Rectangular sedimentation tanks Circular sedimentation tanks 3 - 5 m (umumnya 3,6 m)
Kedalaman Lebar Panjang Flight speed Bottom Slope
3 – 24 m (umumnya 6-10 m) 15 - 90 m (umumnya 25-40 m) 0,6 – 1,2 m/menit (umumnya 1.0 m/menit 1 in/ft atau 0.9m/m
3 - 5 m (umumnya 4,5 m) Diameter 3,6 – 60 m (umumnya 12-45 m) ------------Scraper’s speed 0.02-0.05/min (umunya 0.03 Rev/min) 60-160 mm/m (umumnya 80 mm/m)
Tabel 4.2. Data perancangan sedimentasi silinder Primary settling (secondary treatment) Waktu tinggal Laju alir limpahan (over flow rate)
Activated sludge
1,5-2,5 jam (umumnya 2 jam )
1,5 – 2,5 jam (umumnya 2 jam )
32 – 48 m3/m2.hari
24 – 32 m3/m2.hari
Tabel 4.3. Data perancangan sedimentasi silinder Laju alir limpahan (m3/m2.hari)
Kedalaman (3,0 m)
Waktu tinggal (jam) Kedalaman Kedalaman (3,5 m) (4,0 m)
Kedalaman (5,0 m)
24
3,0
3,5
4,0
5,0
32
2,3
2,6
3,0
3,8
48
1,5
1,8
2,0
2,5
60
1,2
1,4
1,6
2,0
80
0,9
1,1
1,2
1,5
100
0,7
0,8
1,0
1,2
130
0,6
0,7
0,8
1,0
Tabel 4.4. Data perancangan sedimentasi silinder untuk pengendapan proses kimia dengan berbagai jenis koagulan Jenis Koagulan Laju alir limpahan Waktu tinggal (jam) Gallon/hari.ft2 Alum (Al) 500 – 800 2–8 Besi (Fe) 700-1000 2–8 Kapur-alum 700 - 1500 4-8 SUMBER : George Tchobanoglous, Franklin L. Burton. 1991
f. Filtrasi (Filtration) Filtrasi merupakan unit operasi yang dioperasikan dalam pengolahan air dan air limbah. Dalam pengolahan air limbah filtrasi dioperasikan untuk pemisahan partikel (padatan) pada effluen (pengeluaran) pengolahan air limbah secara kimia maupun biologi serta dapat diaplikasikan pada awal pengolahan air limbah. Pemisahan padatan dilakukan dengan mempergunakan media yang disebut “Media Filter” merupakan bahan padat seperti pasir, batu bara, kerikil dan sebagainya yang tersusun sedemikian rupa, padatan yang dipisahkan tertahan pada permukaan dan sela-sela (porositas) media filter, seperti terlihat dalam gambar 4.9. berikut MEKANISME FILTRASI Dalam filtrasi terdapat 4 mekanisme dasar filtrasi yaitu : 1. Sedimentasi (sedimentation), filtrasi terjadi karena partikel yang akan dipisahkan mengalami gaya gravitasi dan kecepatan pengendapan partikel sehingga partikel mengendap dan berkumpul pada permukaan media filter. 2. Intersep (interception), filtrasi terjadi karena partikel dalam aliran air berukuran besar sehingga akan terperangkap, menempel dan dapat menutupi permukaan media filter 3. Difusi brownian (brownian diffusion), filtrasi terjadi pada partikel yang berukuran kecil seperti virus, partikel dalam aliran air bergerak secara random (gerak brown), karena terdapat perbedaan kecepatan maka partikel tersebut bergesekan dan menempel dalam media filter. Mekanisme ini hanya terjadi untuk partikel berdiameter < 1 mikron. 4. Inersia (inertia), filtrasi terjadi karena partikel mempunyai ukuran dan berat jenis yang berbeda sehingga kecepatan partikel dalam aliran air berbeda-beda, akibatnya partikel akan menempel pada permukaan media karena gaya inersia, mekanisme ini terjadi jika partikel yang berukuran lebih besar bergerak cukup cepat dan berbenturan serta menempel dalam media filter.
Berdasarkan mekanisme tersebut, efektivitas filtrasi akan meningkat dengan meningkatnya ukuran partikel hal ini terjadi karena dalam filtrasi terjadi mekanisme intersep dan sedimentasi, tetapi dapat pula terjadi sebaliknya dimana efektivitas filtrasi akan meningkat dengan menurunnya ukuran partikel hal ini dapat terjadi karena dalam filtrasi terjadi proses difusi
JENIS FILTER Berdasarkan jenis filter, flitrasi diklasifikasikan menjadi tiga (3) yaitu : 1. Filtrasi lambat (slow sand filter), pada filtrasi ini dipergunakan media pasir halus (fine sand) dibagian atas dan dibawahnya kerikil, pada filtrasi ini padatan yang tersisihkan berada dipermukaan atas pasir yang mengakibatkan aliran air melewati media filter menjadi lambat. Partikel menumpuk pada bagian atas pasir dan dibersihkan dengan mensecrap lapisan atas pasir yang mengandung partikel. 2. Filtrasi cepat (rapid sand filter), pada filtrasi ini dipergunakan media pasir berukuran besar dibagian atas dan dibawahnya kerikil, pada filtrasi ini padatan yang tersisihkan berada disela-sela (pori-pori) media filter yang dilaluinya. Pembersihan partikel dilakukan dengan metode “backwashing” dengan air untuk mengeluarkan partikel dalam media filter. 3. Multimedia fliter (multimedia filters) , pada filtrasi ini dipergunakan dua atau lebih jenis media yang tersusun sedemikian rupa, media filter mempunyai berat jenis yang berbeda, biasanya yang dipergunakan antrasit (batu bara), pasir, dan kerikil. Penggunaan media filter yang berbeda memberikan hasil yang lebih baik dibanding satu jenis media filter, dan berat jenis yang berbeda akan menempatkan kembali media filter pada posisi yang semula pada saat dilakukan pencucian dengan metode backwashing. Perbandingan operasional filtrasi lambat (slow sand filter) dengan filtrasi cepat (rapid sand filter seperti tercantum dalam tabel 4.5. berikut Tabel 4.5. Perbandingan operasional slow sand filter terhadap rapid sand filter Karakteristik
Slow sand filter
2-5 m3/m2.hari Besar (2000 m2) Kerikil 300 mm dan pasir 1,0 m Ukuran pasir efektif 0,35 mm Koefisien seragam 2-2,5 Hilang tekan <1m Waktu operasi 20-90 hari Metode pembersihan Scrap lapisan atas, pencucian dan pemasangan kembali Kebutuhan air 0,2 – 0,6% dari air pencuci yang difilter Konstruksi pake tidak Laju filtrasi Ukuran unit filtrasi Tinggi media
Rapid sand filter Gravity pressure
120-360 m3/m2.hari Kecil (100 m2) Kerikil 500 mm, pasir 0,7-1,0 m 0,6 – 1,2 mm 1,5-1,7 <3m 1-2 hari Backwashing dengan air dan udara 3-6 % dari air yang difilter Tergantung/bebas
ya
tutup Kemudahan operasional Biaya investasi Biaya operasional Kemampuan supervisi Penyisihan bakteri
ya
ya
tidak
Tinggi Rendah Tidak
Tinggi Tinggi Membutuhkan
Sedang Tinggi Membutuhkan
99,99&
90 – 99%
Pengoperasian filtrasi melibatkan dua (2) proses yaitu “Filtrasi dan Backwashing(pencucian/pengeluaran padatan dari media filter).
KLASIFIKASI SISTEM FILTRASI Perancangan (design) unit operasi filtrasi dengan media filter padat diklasifikasikan berdasarkan beberapa hal meliputi Arah aliran Jenis dan susunan media filter gaya gerak Metode pengendalian laju aliran Berasarkan arah aliran, filtrasi diklasifikasikan menjadi aliran ke bawah (down flow), aliran keatas (up flow) dan aliran dua arah (biflow) Berdasarkan jenis dan susunan media filter, jenis media filter yang dipergunakan seperti pasir, batubara, dan kerikil dengan susunan media filter satu lapisan media, dua lapisan media, dan tiga lapisan media. Proses backwashing dilakukan dengan mekanisme “Fluidizing” (fluidisasi) dengan arah aliran keatas. Berdasarkan gaya gerak, filtrasi terjadi karena gaya gravitasi atau gaya tekan untuk mengatasi tahanan gesek media filter yang terjadi pada permukaan media filter. Berdasarkan pengendalian laju aliran, filtrasi dioperasionalkan pada laju aliran air limbah yang konstan (constant-rate filtration) atau berubah-ubah (variable-rate filtration). Berbagai hal yang perlu diperhatikan dalam operasional filtrasi yaitu : Karakteristik air limbah, karakteristik air limbah yang perlu diperhatikan diantaranya konsentrasi padatan, distribusi dan ukuran padatan, serta kekuatan padatan atau flok (untuk proses kimia) Karakteristik media filter, pemakaian media filter dengan ukuran terlalu kecil mengakibatkan terjadinya peningkatan hambatan aliran, dan ukuran media filter terlalu besar mengakibatkan beberapa padatan yang kecil tidak tertahan (loslos) dari filtrasi Laju alir filtrasi, laju alir filtrasi berkaitan dengan luas penampang unit filtrasi yang dibutuhkan, laju alir filtrasi dipengaruhi oleh ukuran dan distribusi padatan, dan kekuatan flok. Berdasarkan pengamatan laju filtrasi yang sesuai : 2 – 8 gallon/ (ft2 menit) atau 80 – 320 Liter/(m2. Menit).
g. Flotasi (Flotation) Flotasi (pengapungan) merupakan suatu unit operasi yang dipergunakan untuk pemisahan padatan tersuspensi, cairan (minyak dan lemak) dalam fase cair (air atau air limbah). Peristiwa flotasi didasarkan atas adanya gelembung gas, biasanya menggunakan udara yang diinjeksikan kedalam air limbah. Dalam pengolahan air limbah, flotasi dipergunakan untuk penyisihan padatan tersuspensi, minyak, lemak, flok pada proses pengolahan air limbah secara kimia, dan lumpur (mikroba) pada proses biologi. Keuntungan mendasar flotasi dibanding dengan sedimentasi dalam hal pemisahan padatan tersuspensi yaitu flotasi dapat memisahkan padatan tersupensi yang sangat kecil, ringan, dan sulit mengendap dalam waktu relatif cepat. Pada proses flotasi, udara diinjeksikan ke dalam tangki sehingga terbentuk gelembung yang berfungsi untuk mengapungkan padatan sehingga mudah dipisahkan. Dengan adanya gaya dorong dari gelembung tersebut, padatan yang berat jenisnya lebih tinggi dari air akan terdorong ke permukaan. Demikian pula halnya dengan padatan yang berat jenisnya lebih rendah dari air. Hal ini merupakan keunggulan teknik flotasi dibanding pengendapan karena dengan flotasi partikel yang ringan dapat disisihkan dalam waktu yang bersamaan. Flotasi pada pengolahan air limbah mempergunakan udara sebagai “Flotation Agent”, berdasarkan pemanfaatan udara ini, flotasi diklasifikasikan menjadi tiga (3) kategori yaitu Dissolved-air flotation (DAF), proses flotasi dimana udara dilarutkan kedalam air limbah, tekanan operasi untuk flotasi ini biasanya pada tekanan lebih besar dari tekanan atmosfir. Air flotation, proses flotasi dimana udara diinjeksikan secara langsung kedalam air limbah, tekanan operasi untuk flotasi ini biasanya pada tekanan atmosfir. Vacumn flotation, proses flotasi dimana udara dilarutkan kedalam air limbah hingga mencapai tingkat kejenuhan yang dapat diperoleh dalam tekanan vacumn atau lebih kecil dari tekanan atmosfir. Dissolved-air flotation (DAF), dibagi menjadi tiga (3) model operasi yaitu : 1. Dissolved-air flotation dengan penekanan seluruh atau sebagian air limbah masuk 2. Dissolved-air flotation dengan recycle penekanan 3. Dissolved-air flotation dengan Induced air flotation Dissolved-air flotation menghasilkan gelembung gas yang lebih kecil ( 50 μm – 100 μm) dibanding dengan induced air flotation ( 500 μm -1000 μm). Gelembung gas yang Iebih kecil cenderung mempunyai kemampuan lebih baik untuk menanggulangi padatan tersuspensi, oli atau minyak. Dissolved-air flotationdengan sistem penekanan penuh atau penekanan recycle ditunjukkan gambar 4.14 dan dissolved-air flotation dengan penekanan aliran sebagian atau seluruhnya ditunjukkan pada gambar 4.13. Sistem penekanan sebagian berguna untuk menurunkan luas area dari flotation. Penekanan recycle dibutuhkan bila floc atau emulsification masih terikut dalam air limbah, laju alir recycle menentukan kebutuhan
luas daerah flotation. Variabel-variabel perancangan (design) untuk kedua sistem ini meliputi tekanan, recycle flow, hydraulic loading, solid loading dan retention period. Solid loading diperlukan bila dissolved airfloatation digunakan untuk sludge thickening. sistem presurisasi biasanya dijaga pada 40-60 psig (3-5 atm). Besarnya recycle sekitar 30 - 40 % recycle, hydraulic loading bervariasi dari 1 4 gpm/ft2 danretention period umumnya antara 20 - 40 menit
Analisis Flotasi
Beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan flotasi diantaranya Laju alir air limbah dan beban padatan (wastewater flow rate and solid loading) Perbandingan udara terhadap padatan (Air/solid ratio), yang dinyatakan sebagai volume udara/berat padatan atau berat udara/berat padatan, nilai A/S dapat dipergunakan 0,005 – 0,060 ml/mg atau 0,0065 – 0,08 mg/mg. Temperatur operasional, ini berkaitan dengan kelarutan udara dalam air pada temperatur tertentu. Pengolahan awal secara kimia (chemical pretreatment) Beban padatan akhir (Lb/jam.ft2) Beban aliran hidrolik (gpm/ft2) Perbandingan udara terhadap padatan (A/S) Kinerja sistem flotasi udara terlarut (dissolved-air flotation) pada awalnya tergantung pada perbandingan jumlah udara (kg) terhadap jumlah partikel (padatan) yang dibutuhkan untuk mencapai tingkat pemurnian. Besarnya perbandingan Udara/padatan ini bervariasi untuk jenis padatan yang tersuspensi
h. Adsorpsi (Adsorption)
Adsorpsi (penyerapan) merupakan proses pemisahan atom, ion, biomolekul atau molekul dalam gas atau cairan dan padatan terlarut dengan mempergunakan media padat Berdasarkan gaya tarik yang terjadi antara adsorbat dengan adsorben, peristiwa adsorpsi dapat diklasifikasikan menjadi dua (2) jenis, yaitu : Adsorpsi Fisik (Physisorption)
Adsorpsi fisik terjadi karena adanya gaya van der walls dan biasanya adsorpsi ini berlangsung secara bolak-balik. Ketika gaya tarik-menarik molekul antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari gaya tarik-menarik zat terlarut dengan pelarut, maka zat terlarut akan cenderung teradsorpsi pada permukaan adsorben. Adsorpsi Kimia (Chemisorption) Adsorpsi kimia terjadi karena adanya ikatan kimia yang kuat antara adsorben dengan adsorbat, ikatan ini berlangsung searah (irrreversible). Interaksi suatu senyawa organik pada permukaan adsorben dapat terjadi melalui tarikan elektrostatik atau pembentukan ikatan kimia yang spesifik misalnya ikatan kovalen. Sifat-sifat molekul organik seperti struktur, gugus fungsional dan sifat hidrofobik berpengaruh pada sifat-sifat adsorpsi. Karakteristik adsorpsi kimia sebagai berikut :
Terbentuknya ikatan kimia yang kuat antara adsobat dan adsorben sehingga terbentuk panas Terjadi reaksi yang sangat selektif antara adsobat dan adsorben sehingga proses adsorpsi sangat spesifik Temperatur operasi meningkat akibat terjadinya ikatan dan reaksi kimia sehingga proses adsorpsi meningkatkan dengan naiknya temperatur. Ikatan kimia terjadi secara langsung antara adsobat dan adsorben sehingga hanya terbentuk satu lapisan (single layer) Proses adsorpsi berlangsung secara irreversible (searah).
Perbedaan antara adsorpsi fisik dan kimia seperti terlihat dalam tabel 3.5. berikut. Tabel 3.5. Perbandingan adsorpsi fisik dan kimia
Adsorpsi fisik (Physisorption)
Adsorpsi kimia (Physisorption)
Gaya tarik merupakan gaya Vander Waals Enthalpi adsorpsi rendah (20-40 kJ/mole) Temperatur proses rendah Terbentuk multilayer pada proses Proses berjalan bolak-balik (reversible)
Jenis
Media
Gaya tarik merupakan gaya ikatan kimia Enthalpi adsorpsi tinggi (200-400 kJ/mole) Temperatur proses tinggi Terbentuk monolayer pada proses Proses berjalan searah (irreversible)
Adsorpsi
(adsoben)
Berbagai jenis media adsorpsi (adsorben) yang diperkenal dalam proses adsorpsi diantaranya karbon aktif, batubara aktif, silika gel, zeolit, graphit, polimer, tepung tulang, dan limbah pertanian (biomass). Beberapa faktor yang mempengaruhi proses adsorpsi diantaranya Keadaan (kondisi) dari adsorbat dan jenis adsorben Keaktifan dari adsorben
Luas permukaan adsorben
Distribusi ukuran pori adsorben Kondisi operasi yaitu tekanan, temperatur dan sebagainya Berdasarkan kondisi operasi proses adsorpsi, beberapa model persamaan yang dapat diaplikasikan pada proses adsorpsi diantaranya : Langmuir dan Freundlich Isothermal
