5. unit koagulasi flokulasi

1

BAB 5

UNIT KOAGULASI-FLOKULASI

5.1. Kestabilan Partikel Tersuspensi

Air baku dari air permukaan umumnya mengandung partikel tersuspensi. Partikel

tersuspensi dalam air dapat berupa partikel bebas dan koloid dengan ukuran yang sangat kecil,

antara 0,001 mikron (10-6 mm) sampai 1 mikron (10-3 mm). Partikel yang ditemukan dalam kisaran

ini meliputi (1) partikel anorganik, seperti serat asbes, tanah liat, dan lanau/silt, (2) presipitat

koagulan, dan (3) partikel organik, seperti zat humat, virus, bakteri, dan plankton. Dispersi koloid

mempunyai sifat memendarkan cahaya. Sifat pemendaran cahaya ini terukur sebagai satuan

kekeruhan.

Partikel tersuspensi sangat sulit mengendap langsung secara alami (lihat Tabel 5.1). Hal

ini karena adanya stabilitas suspensi koloid. Stabilitas koloid terjadi karena:

Gaya van der Waals. Gaya ini merupakan gaya tarik-menarik antara dua massa, yang

besarnya tergantung pada jarak antar keduanya.

Gaya Elektrostatik. Gaya elektrostatik adalah gaya utama yang menjaga suspensi koloid

pada keadaan yang stabil. Sebagian besar koloid mempunyai muatan listrik. Oksida metalik

umumnya bermuatan positif, sedangkan oksida nonmetalik dan sulfida metalik umumnya

bermuatan negatif. Kestabilan koloid terjadi karena adanya gaya tolak antar koloid yang

mempunyai muatan yang sama. Gaya ini dikenal sebagai zeta potensial.

Gerak Brown. Gerak ini adalah gerak acak dari suatu partikel koloid yang disebabkan oleh

kecilnya massa partikel.

Gaya van der Waals dan gaya elektrostatik saling meniadakan. Kedua gaya tersebut

nilainya makin mendekati nol dengan makin bertambahnya jarak antar koloid. Resultan kedua

gaya tersebut umumnya menghasilkan gaya tolak yang lebih besar (Gambar 5.1). Hal ini

menyebabkan partikel dan koloid dalam keadaan stabil.

Tabel 5.1 Pengendapan Partikel dalam Air

Ukuran Partikel

(mm) Tipe Partikel

Waktu Pengendapan pada

Kedalaman 1 Meter

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

Kerikil

Pasir

Pasir Halus

Lempung

Bakteri

Koloid

Koloid

Koloid

1 detik

10 detik

2 menit

2 jam

8 hari

2 tahun

20 tahun

200 tahun

Sumber: Water Treatment Handbook Vol. 1 (1991)

2

Gambar 5.1 Gaya-gaya pada koloid

5.2. Koagulasi-Flokulasi

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 (disebut koagulan). Akibat

pengadukan cepat, koloid dan partikel yang stabil berubah menjadi tidak stabil karena terurai

menjadi partikel yang bermuatan positif dan negatif. Pembentukan ion positif dan negatif juga

dihasilkan dari proses penguraian koagulan. Proses ini berlanjut dengan pembentukan ikatan

antara ion positif dari koagulan (misal Al3+) dengan ion negatif dari partikel (misal OH-) dan antara

ion positif dari partikel (misal Ca2+) dengan ion negatif dari koagulan (misal SO42-) yang

menyebabkan pembentukan inti flok (presipitat).

Segera setelah terbentuk inti flok, diikuti oleh proses flokulasi, yaitu penggabungan inti

flok menjadi flok berukuran lebih besar yang memungkinkan partikel dapat mengendap.

Penggabungan flok kecil menjadi flok besar terjadi karena adanya tumbukan antar flok.

Tumbukan ini terjadi akibat adanya pengadukan lambat. Proses koagulasi-flokulasi dapat

digambarkan secara skematik pada Gambar 5.2.

3

pengadukan lambat

outlet

inlet

pengadukan cepat

Larutan

koagulan

Mg2+

Ca2+(HCO3-)2

Mg2+

Ca2+

Na+

Ca2+

Ca2+

Ca2+(HCO3-)2

Mg2+

Ca2+

Ca2+

Mg2+

Na+

Al3+

Al3+

Al3+

Al3+ Al(OH)3

Al(OH)3

Al3+

Ca2+(HCO3-)2

Al3+

Al3+Al3+

Al(OH)3

Al(OH)3

Koagulasi Flokulasi

Pembentukan flok besarDestabilisasi partikelPartikel koloid stabil

Gambar 5.2 Gambaran proses koagulasi-flokulasi

Proses koagulasi-flokulasi terjadi pada unit pengaduk cepat dan pengaduk lambat. Pada

bak pengaduk cepat, dibubuhkan koagulan. Pada bak pengaduk lambat, terjadi pembentukan flok

yang berukuran besar hingga mudah diendapkan pada bak sedimentasi.

Koagulan yang banyak digunakan dalam pengolahan air minum adalah aluminium sulfat

atau garam-garam besi. Kadang-kadang koagulan-pembantu, seperti polielektrolit dibutuhkan

untuk memproduksi flok yang lebih besar atau lebih cepat mengendap. Faktor utama yang

mempengaruhi proses koagulasi-flokulasi air adalah kekeruhan, padatan tersuspensi, temperatur,

pH, komposisi dan konsentrasi kation dan anion, durasi dan tingkat agitasi selama koagulasi dan

flokulasi, dosis koagulan, dan jika diperlukan, koagulan-pembantu. Beberapa jenis koagulan

beserta sifatnya dapat dilihat pada Tabel 5.2. Pemilihan koagulan dan konsentrasinya dapat

ditentukan berdasarkan studi laboratorium menggunakan jar test apparatus (Gambar 5.3) untuk

mendapatkan kondisi optimum.

Reaksi kimia untuk menghasilkan flok adalah:

Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O + 6CO2

Pada air yang mempunyai alkalinitas tidak cukup untuk bereaksi dengan alum, maka perlu

ditambahkan alkalinitas dengan menambah kalsium hidroksida.

Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(OH)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O

Derajat pH yang optimum untuk alum berkisar 4,5 hingga 8, karena aluminium hidroksida relatif

tidak terlarut.

4

Gambar 5.3 Peralatan Jar test

Ferro sulfat membutuhkan alkalinitas dalam bentuk ion hidroksida agar menghasilkan

reaksi yang cepat. Untuk itu, Ca(OH)2 ditambahkan untuk mendapatkan pH pada level di mana ion

besi diendapkan sebagi Fe(OH)3, lihat Gambar 5.4. Reaksi ini adalah reaksi oksidasi-reduksi yang

membutuhkan oksigen terlarut dalam air. Dalam reaksi koagulasi, oksigen direduksi dan ion besi

dioksidasi menjadi ferri, di mana akan mengendap sebagai Fe(OH)3.

2FeSO4.7H2O + 2Ca(OH)2 + 1/2 O2 2Fe(OH)3 + 2CaSO4 + 13H2O

Untuk berlangsungnya reaksi ini, pH harus sekitar 9,5 dan kadang-kadang stabilisasi membutuhkan

kapur berlebih.

Penggunaan ferri sulfat sebagai koagulan berlangsung mengikuti reaksi:

Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

Reaksi ini biasanya menghasilkan flok yang padat dan cepat mengendap. Jika alkalinitas alami

tidak cukup untuk reaksi, diperlukan penambahan kapur. Rentang pH optimum adalah sekitar 4

hingga 12, karena ferri hidroksida relatif tidak larut dalam rentang pH ini.

Reaksi ferri klorida sebagai koagulan berlangsung sebagai berikut:

2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2

Penambahan kapur diperlukan bila alkalinitas alami tidak mencukupi.

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3 + 3CaCl2

Reaksi ferri klorida berlangsung pada pH optimum 4 sampai 12. Flok yang terbentuk umumnya

padat dan cepat mengendap.

5

Tabel 5.2 Beberapa Jenis Koagulan dalam Praktek Pengolahan-Air

Nama

Kimia Nama Lain Rumus Kimia

Berat

Molekul Wujud

Densitas

bulk,

kg/m3

Specific

Gravity

Kelarutan

dalam Air,

kg/m3

Kadar Kimia

%w/w

Kadar Air

% w/w

pH

larutan

Aluminium

sulfat

Alum Al2(SO4)3.14,3H2O 599,77 Putih terang,

padat 1000-1096 1,25-1,36 Sekitar 872 Al: 9,0-9,3

Sekitar

3,5

Alum cair Al2(SO4)3.49,6H2O 1235,71

Putih atau

terang- abu abu

kekuningan, cair

1,30-1,34 Sangat larut Al: 4,0-4,5 71,2-74,5

Ferri

klorida

Besi (III)

klorida, Besi

triklorida

FeCl3 162,21 Hijau-hitam,

bubuk 721-962 Sekitar 719 Fe: kira2 34

Ferri klorin

cair

FeCl3.6H2O 270,30 Kuning-coklat,

bongkahan 962-1026 Sekitar 814 Fe: 20,3-21,0

FeCl3.13,1H2O 398,21 Coklat

kemerahan, cair 1,20-1,48 Sangat larut Fe: 12,7-14,5 56,5-62,0 0,1-1,5

Ferri

sulfat

Besi (III)

sulfat, Besi

persulfat

Fe2(SO4)3.9H2O 562,02 Merah-coklat,

bubuk 1122-1154 Fe: 17,9-18,7

Ferri sulfat

cair Fe2(SO4)3.36,9H2O 1064,64

Coklat

kemerahan, cair 1,40-1,57 Sangat larut Fe: 10,1-12,0 56,5-64,0 0,1-1,5

Ferro

sulfat Copperas FeSO4.7H2O 278,02

Hijau, bongkahan

kristal 1010-1058

Fe: Sekitar

20

Sumber: Qasim, dkk. (2000)

6

Gambar 5.4 Pengaruh pH terhadap kelarutan Fe(III) pada temperatur 25oC

(diambil dari Fair dkk, 1981)

5.3. Pengadukan

Pengadukan merupakan operasi yang mutlak diperlukan pada proses koagulasi-flokulasi.

Pengadukan cepat berperan penting dalam pencampuran koagulan dan destabilisasi partikel.

Pengadukan lambat berperan dalam upaya penggabungan flok.

5.3.1. Jenis Pengadukan

Jenis pengadukan dapat dikelompokkan berdasarkan kecepatan pengadukan dan metoda

pengadukan. Berdasarkan kecepatannya, pengadukan dibedakan menjadi pengadukan cepat dan

pengadukan lambat. Berdasarkan metodanya, pengadukan dibedakan menjadi pengadukan

mekanis, pengadukan hidrolis, dan pengadukan pneumatis.

Kecepatan pengadukan merupakan parameter penting dalam pengadukan yang dinyatakan

dengan gradien kecepatan. Gradien kecepatan merupakan fungsi dari tenaga yang disuplai (P):

V

PG

. (5.1)

dalam hal ini:

P = suplai tenaga ke air (N.m/detik)

V = volume air yang diaduk, m3

= viskositas absolut air, N.detik/m2

Persamaan (5.1) berlaku umum untuk semua jenis pengadukan. Parameter yang

membedakannya adalah besarnya tenaga yang disuplai ke dalam air (P) yang dapat dihitung

dengan rumus-rumus yang akan dijelaskan pada subbab 5.3.2. Rumus yang digunakan untuk

menghitung nilai P bergantung pada metoda pengadukan yang digunakan.

7

5.3.1.1. Pengadukan Cepat

Tujuan pengadukan cepat dalam pengolahan air adalah untuk menghasilkan turbulensi air

sehingga dapat mendispersikan bahan kimia yang akan dilarutkan dalam air. Secara umum,

pengadukan cepat adalah pengadukan yang dilakukan pada gradien kecepatan besar (300 sampai

1000 detik-1) selama 5 hingga 60 detik atau nilai GTd (bilangan Champ) berkisar 300 hingga 1700.

Secara spesifik, nilai G dan td bergantung pada maksud atau sasaran pengadukan cepat.

Untuk proses koagulasi-flokulasi:

• Waktu detensi = 20 - 60 detik

• G = 1000 - 700 detik-1

Untuk penurunan kesadahan (pelarutan kapur/soda):

• Waktu detensi = 20 - 60 detik

• G = 1000 - 700 detik-1

Untuk presipitasi kimia (penurunan fosfat, logam berat, dan lain-lain)

• Waktu detensi = 0,5 - 6 menit

• G = 1000 - 700 detik-1

Pengadukan cepat dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu:

1. Pengadukan mekanis

2. Pengadukan hidrolis

3. Pengadukan pneumatis

5.3.1.2. Pengadukan Lambat

Tujuan pengadukan lambat dalam pengolahan air adalah untuk menghasilkan gerakan air

secara perlahan sehingga terjadi kontak antar partikel untuk membentuk gabungan partikel

hingga berukuran besar. Pengadukan lambat adalah pengadukan yang dilakukan dengan gradien

kecepatan kecil (20 sampai 100 detik-1) selama 10 hingga 60 menit atau nilai GTd (bilangan

Champ) berkisar 48000 hingga 210000. Untuk menghasilkan flok yang baik, gradien kecepatan

diturunkan secara bertahap agar flok yang telah terbentuk tidak pecah lagi dan berkesempatan

bergabung dengan yang lain membentuk gumpalan yang lebih besar.

Secara spesifik, nilai G dan waktu detensi untuk proses flokulasi adalah sebagai berikut:

• Untuk air sungai:

- Waktu detensi = minimum 20 menit

- G = 10 - 50 detik-1

• Untuk air waduk:

- Waktu = 30 menit

- G = 10 - 75 detik-1

• Untuk air keruh:

- Waktu dan G lebih rendah

• Bila menggunakan garam besi sebagai koagulan:

- G tidak lebih dari 50 detik-1

• Untuk flokulator 3 kompartemen:

- G kompartemen 1 : nilai terbesar

- G kompartemen 2 : 40 % dari G kompartemen 1

- G kompartemen 3 : nilai terkecil

Untuk penurunan kesadahan (pelarutan kapur/soda):

• Waktu detensi = minimum 30 menit

• G = 10 - 50 detik-1

8

Untuk presipitasi kimia (penurunan fosfat, logam berat, dan lain-lain)

• Waktu detensi = 15 - 30 menit • G = 20 - 75 detik-1

• GTd = 10.000 - 100.000

Pengadukan lambat dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain:

1. Pengadukan mekanis

2. Pengadukan hidrolis

5.3.1.3. Pengadukan Mekanis

Pengadukan mekanis adalah metoda pengadukan menggunakan peralatan mekanis yang

terdiri atas motor, poros pengaduk (shaft), dan alat pengaduk (impeller). Peralatan tersebut

digerakkan dengan motor bertenaga listrik. Berdasarkan bentuknya, ada tiga macam impeller,

yaitu paddle (pedal), turbine, dan propeller (baling-baling). Bentuk ketiga impeller tersebut

dapat dilihat pada Gambar 5.5 dan Gambar 5.6. Kriteria impeller dapat dilihat pada Tabel 5.3.

(a)

(b)

Gambar 5.5 Tipe paddle (a) tampak atas, (b) tampak samping

Tabel 5.3 Kriteria Impeller

Tipe

Impeller

Kecepatan

Putaran Dimensi Keterangan

Paddle 20 - 150 rpm diameter: 50-80% lebar bak

lebar: 1/6-1/10 diameter paddle

Turbine 10-150 rpm diameter:30-50% lebar bak

Propeller 400-1750 rpm diameter: max. 45 cm jumlah pitch 1-2 buah

Sumber: Reynold & Richards (1996)

9

(a) (b) (c)

(d) (e)

Gambar 5.6 Tipe turbine dan propeller. (a) turbine blade lurus, (b) turbine blade dengan

piringan, (c) turbin dengan blade menyerong, (d) propeller 2 blade, (e) propeller 3 blade (Qasim,

dkk., 2000)

Pengadukan mekanis dengan tujuan pengadukan cepat umumnya dilakukan dalam waktu

singkat dalam satu bak (Gambar 5.6). Faktor penting dalam perancangan alat pengaduk mekanis

adalah dua parameter pengadukan, yaitu G dan td. Sekadar patokan, Tabel 5.4 dapat digunakan

dalam pemilihan nilai G dan td. Pengadukan mekanis dengan tujuan pengadukan lambat umumnya

memerlukan tiga kompartemen dengan ketentuan G di kompartemen I lebih besar daripada G di

kompartemen II dan G di kompartemen III adalah yang paling kecil (Gambar 5.7). Pengadukan

mekanis yang umum digunakan untuk pengadukan lambat adalah tipe paddle yang dimodifikasi

hingga membentuk roda (paddle wheel), baik dengan posisi horisontal maupun vertikal (Gambar

5.8).

motor

impeller

bak pengaduk

inlet outlet

Gambar 5.6 Pengadukan cepat dengan alat pengaduk

Tabel 5.4 Nilai Gradien Kecepatan dan Waktu Pengadukan

Waktu Pengadukan, td (detik) Gradien Kecepatan (1/detik)

20 1000

30 900

40 790

50 700


10

inlet outlet

kompartemen II kompartemen IIIkompartemen I

Gambar 5.7 Pengadukan lambat dengan alat pengaduk

Poros horisontalArah putaran

Gambar 5.8 Flokulator paddle wheel dengan blade tegak lurus aliran air (tipe horizontal shaft)

5.3.1.4. Pengadukan hidrolis

Pengadukan hidrolis adalah pengadukan yang memanfaatkan aliran air sebagai tenaga

pengadukan. Tenaga pengadukan ini dihasilkan dari energi hidrolik yang dihasilkan dari suatu

aliran hidrolik. Energi hidrolik dapat berupa energi gesek, energi potensial (jatuhan) atau adanya

lompatan hidrolik dalam suatu aliran.

Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pada pengadukan cepat haruslah aliran air yang

menghasilkan energi hidrolik yang besar. Dalam hal ini dapat dilihat dari besarnya kehilangan

energi (headloss) atau perbedaan muka air. Dengan tujuan menghasilkan turbulensi yang besar

tersebut, maka jenis aliran yang sering digunakan sebagai pengadukan cepat adalah terjunan

(Gambar 5.9), loncatan hidrolik, dan parshall flume.

Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pada pengadukan lambat adalah aliran air yang

menghasilkan energi hidrolik yang lebih kecil. Aliran air dibuat relatif lebih tenag dan dihindari

terjadinya turbulensi agar flok yang terbentuk tidak pecah lagi. Beberapa contoh pengadukan

hidrolis untuk pengadukan lambat adalah kanal bersekat (baffled channel, Gambar 5.10),

perforated wall, gravel bed dan sebagainya.

11

Pembubuhan koagulan

Gambar 5.9 Pengadukan cepat dengan terjunan

inlet

outlet

baffle channel

Gambar 5.10 Denah pengadukan lambat dengan baffled channel

5.3.1.5. Pengadukan pneumatis

Pengadukan pneumatis adalah pengadukan yang menggunakan udara (gas) berbentuk

gelembung sebagai tenaga pengadukan. Gelembung tersebut dimasukkan ke dalam air dan akan

menimbulkan gerakan pada air (Gambar 5.11). Injeksi udara bertekanan ke dalam air akan

menimbulkan turbulensi, akibat lepasnya gelembung udara ke permukaan air. Aliran udara yang

digunakan untuk pengadukan cepat harus mempunyai tekanan yang cukup besar sehingga mampu

menekan dan menggerakkan air. Makin besar tekanan udara, kecepatan gelembung udara yang

dihasilkan makin besar dan diperoleh turbulensi yang makin besar pula.

inlet

outlet

udara

koagulan

gelembung udara

Gambar 5.11 Pengadukan cepat secara pneumatis

12

5.3.2. Tenaga Pengadukan

Tenaga pengadukan adalah tenaga yang digunakan untuk melakukan pengadukan. Tenaga

ini dihasilkan oleh peralatan mekanis, aliran hidrolis, atau gelembung udara sebagaimana telah

dijelaskan pada subbab jenis pengadukan. Besarnya tenaga untuk operasi pengadukan

mempengaruhi besarnya gradien kecepatan (lihat kembali persamaan 5.1). Bila suatu sistem

pengadukan telah ditentukan nilai gradien kecepatannya, maka tenaga pengadukan dapat

dihitung.

Perhitungan tenaga pengadukan berbeda-beda bergantung pada jenis pengadukannya.

Pada pengadukan mekanis, yang berperan dalam menghasilkan tenaga adalah bentuk dan ukuran

alat pengaduk serta kecepatan putaran alat pengaduk. Hubungan antar variabel itu dapat

dinyatakan dengan persamaan (5.2) untuk bilangan Reynold (NRe) lebih dari 10.000 dan persamaan

(5.3) untuk nilai NRe kurang dari 20. Bilangan Reynold untuk alat pengaduk dapat dihitung dengan

persamaan (5.4).

... 53

iT DnKP (5.2)

...32

iL DnKP (5.3)

nDN i

2

Re (5.4)

dengan:

P = tenaga , N-m/det.

KT = konstanta pengaduk untuk aliran turbulen

n = kecepatan putaran, rps

Di = diameter pengaduk, m

= massa jenis air, kg/m3

KL = konstanta pengaduk untuk aliran laminar

μ = kekentalan absolut cairan, (N-det/m2).

Nilai KT dan KL untuk tangki bersekat 4 buah pada dinding tangki, dengan lebar sekat 10 %

dari diameter tangki diberikan pada Tabel 5.5.

Tabel 5.5 Konstanta KT dan KL untuk tangki bersekat

Jenis Impeller KL KT

Propeller, pitch of 1, 3 blades

Propeller, pitch of 2, 3 blades

Turbine, 4 flat blades, vaned disc

Turbine, 6 flat blades, vaned disc

Turbine, 6 curved blades

Fan turbine, 6 blades at 45

Shroude turbine, 6 curved blades

Shrouded turbine, with stator, no baflles

Flat paddles, 2 blades (single paddle), Di/Wi = 4

Flat paddles, 2 blades , Di/Wi = 6




41,0

43,5

60,0

65,0

70,0

70,0

97,5

172,5

43,0

36,5

33,0

49,0

71,0

0,32

1,00

5,31

5,75

4,80

1,65

1,08

1,12

2,25

1,70

1,15

2,75

3,82


13

Besarnya tenaga yang dihasilkan oleh putaran paddle wheel tergantung pada gaya drag

dan kecepatan relatif paddle wheel. Persamaan berikut digunakan untuk menghitung tenaga yang

dihasilkan oleh putaran paddle wheel:

2

3vACP D (5.5)

di mana:

P = tenaga, N.m/det

CD = koefisien drag (dapat dilihat pada Tabel 5.6)

A = luas permukaan paddle wheel, m2

= rapat massa air, kg/ m3

v = kecepatan relatif putaran paddle, m/det

Bila paddle wheel tersusun oleh lebih dari satu pasang paddle (dengan ukuran yang sama),

maka persamaan (5.5) berubah menjadi:

3

2

1iD vACP (5.6)

i = 1, 2, 3 ……..n

Tabel 5.6 Nilai Koefisien Drag

Ratio Li/Wi CD

5

20

~

1,20

1,50

1,90

Keterangan:

Li = panjang paddle

Wi = lebar paddle

Pada pengadukan hidrolis, tenaga dapat dituliskan sebagai berikut:

hgQP ... (5.7)

dimana : P = tenaga, N.m/det

Q = debit aliran, m3/det

= berat jenis, kg/m3

g = percepatan gaya gravitasi, 9,8 m/det2

h = tinggi jatuhan, m

= kehilangan energi (head loss)

Penggabungan persamaan (5.7) ke dalam persamaan (5.1) menghasilkan:

td

hg

V

hgQG

.

.

.

...

(5.8)

dimana : = /, viskositas kinematis, m2/detik

td = V/Q = waktu tinggal hidrolik, detik

14

Nilai h dapat dihitung dengan persamaan berikut:

a. Aliran air dalam pipa :

gD

LvfhL

.2.

2

(5.9)

dimana : f = koefisien kekasaran pipa Darcy-Weisbach

L = panjang pipa, m

v = Kecepatan aliran air, m/det

D = diameter pipa, m

b. Aliran air di baffled channel :

g

vkhL

.2

2

(5.10)

dimana : k = koefisien kekasaran pipa Darcy-Weisbach

v = Kecepatan aliran air, m/det

c. Aliran air pada media berbutir :

g

v

d

LfhL

2

3

1

(5.11)

75,11

150

NRf

..vdRN

dimana : d = diameter rata-rata butiran, m

L = kedalaman media berbutir, m

= porositas butiran ( 0,4)

v = kecepatan aliran air, m/det

RN = bilangan reynold

= faktor bentuk ( 0,8)

Besarnya tenaga pada flokulator kanal bersekat (baffled channel) dapat dihitung dengan

persamaan 5.8, dengan h sama dengan headloss total sepanjang baffled channel. Besarnya

headloss dipengaruhi oleh jumlah sekat dan kanal pada bak tersebut. Jumlah kanal dapat

ditentukan dengan persamaan berikut :

1. Jumlah kanal dalam flokulator aliran horizontal:

3/12

..

44.1

.2

Q

GLH

f

tn

(5.12)

2. Jumlah kanal dalam flokulator aliran vertikal:

3/12

..

44.1

.2

Q

GLW

f

tn

(5.13)

15

dimana : h = head loss (m)

v = kecepatan fluida (m/det)

g = konstata gravitasi ( 9,81 m/det2)

k = konstanta empiris ( 2,5 – 4)

n = jumlah kanal

H = kedalaman air dalam kanal (m)

L = panjang bak flokulator (m)

G = gradien kecepatan (1/det)

Q = debit aliran (m3/det)

t = waktu flokulasi (det)

= Kekenatalan dinamis air (kg/m.det)

= Berat jenis air (kg/m3)

f = koefisien gesek sekat

W = lebar bak (m)

Pada pengadukan pneumatis, tenaga yang dihasilkan merupakan fungsi dari debit udara

yang diinjeksikan, yang dapat dituliskan sebagai berikut:

4,10

4,10 ..3904

hLogGaP (5.14)

dimana : P = power, (N.m/s)

Ga = debit udara, m3/menit

h = kedalaman diffuser, m

16

Contoh Soal 5.1.

Sebuah bak pengaduk berbentuk bujur sangkar digunakan untuk mengaduk air dengan debit 7500

m3/hari. Kedalaman air sama dengan 1,2 kali lebar. Diharapkan dalam bak tersebut terjadi

pengadukan dengan nilai gradien kecepatan 800 m/detik-m dengan waktu tinggal hidrolik td = 45

detik. Suhu air adalah 25 C dan kecepatan putaran poros alat pengaduk adalah 100 rpm.

Tentukan:

1. Ukuran bak pengaduk

2. Tenaga yang dibutuhkan

3. Diameter impeller jika digunakan vane-disc impeller 6 flat blades dan tangki memiliki 4

baffle tegak.

4. Diameter impeller jika tidak digunakan baffle tegak.

5. Tinggi jatuhan minimum jika dipergunakan sistim terjunan hidrolik

6. Udara yang dibutuhkan jika pengadukan pneumatis digunakan dan lokasi diffuser 20 cm di

atas dasar tangki.

Penyelesaian:

1. Volume tangki = Q x td

= 7500 m3/hari x 1 hari/1440 menit x 1 menit/60 detik x 45 detik

= 3,90 m3

Volume = Pb x Lb x Hb = Lb x Lb x 1,2 Lb = 3,90 m3

Maka lebar bak = 1,48 m dan kedalaman = 1,2 x 1,48 = 1,78 m

2. Tenaga yang dibutuhkan:

Pada suhu air = 25oC, = 0,000890 N.detik/m2

det

.222190,3

det. 000890,0

det

800 3

2

2

2 mNm

m

NVGP

= 2221 watt.

3. Diameter impeller :

Persamaan (5.2) ditulis sebagai berikut:

5/1

3

nK

PD

T

i

Berdasarkan Tabel 5.4 didapatkan nilai KT = 5,75

Pada suhu air = 25oC, = 997,0 kg/m3

n = 100 rpm = 1,667 rps

5/1

2

3

3 det.

.

997

667,1

1

75,5

1

det

. 2221

N

mkg

kg

m

rps

mNDi

= 0,610 m

17

Di/Lb = 0,610/1,48 = 0,412 = 41,2 %

Cek nilai Nre:

mkg

N

mN

mkgrpsmnDN i

.

det.

det/. 000890,0

/ 997 667,1610,0 2

2

322

Re

= 694.865 >>> 10.000 (OK)

4. Jika tanpa sekat (baffle) tegak, tenaga yang dibutuhkan adalah 75 % dari tenaga untuk tangki

bersekat. Jadi nilai KT = 0,75 X 5,75 = 4,31.

5/1

2

3

3 det.

.

997

667,1

1

31,4

1

det

. 2221

N

mkg

kg

m

rps

mNDi

= 0,65 m

Di/Lb = 0,65/1,48 = 0,439 = 43,9 %

5. Jika digunakan sistem hidrolik, maka tinggi jatuhan dapat dihitung dengan rumus :

m 2,62 det/ 81,9

det 45

997

1

det. 000890,0

det

800

.

..2

3

2

22

mkg

m

m

N

g

tdGH

6. Jika digunakan pengadukan pneumatis:

h = 1,78 m – 0,20 m = 1,58 m

sehingga :

menitmh

PGa

3 26,9

4,10

4,1058,1log

3904/2221

4,10

4,10log

3904/

18

Contoh Soal 5.2:

Sebuah IPAM mengolah air dengan debit Q = 1,8 m3/detik dengan unit koagulasi menggunakan

pengaduk cepat mekanis. Gradien kecepatan 1000/detik dan waktu detensi td = 15 detik. Untuk

pemilihan motor pengaduk, tersedia spesifikasi motor sebagai berikut:

1. Model Mix-25 n = 30 - 45 rpm Power = 0,18 kW











Tentukan ukuran dan jumlah bak pengaduk cepat dengan ketentuan tiap bak terdapat satu alat

pengaduk. Alat pengaduk dapat dipilih dari spesifikasi di atas.

Penyelesaian:

1. Hitung volume bak pengaduk:

V = td x Q = 15 detik x 1,8 m3/detik = 27 m3

2. Hitung power yang diperlukan:

Diasumsikan suhu air 25oC

kW 03,24det

.2403030

det. 000890,0

det

1000 3

2

2

2

mNm

m

NVGP

Bila dianggap efisiensi power motor menjadi power pengadukan air adalah 80%, maka

power motor yang diperlukan adalah 24,03 kW / 0,8 = 30,0 kW.

Berdasarkan motor yang tersedia, dapat dipilih motor model Mix-1500 sebanyak tiga buah.

Jadi jumlah bak adalah tiga. Debit air untuk satu bak adalah 0,6 m3/detik.

3. Hitung kembali volume bak berdasarkan power motor terpilih:

P = 11,19 kW x 0,8 = 8,952 kW

3

m

N.det2

det.N.m

2m 1006,10

00089,0det)/1000(

8952

. 2

xG

PV

Lebar bak = pajang bak = 2,2 m

Kedalaman = 2,0 m

Cek td td = 10 m3/0,6 m3/detik = 16,7 detik

4. Disain alat pengaduk:

Direncanakan menggunakan alat pengaduk tipe turbine, 6 flat blades, vaned disc dengan

19

nilai KT = 5,75.

Gunakan persamaan (5.2):

5/1

3

nK

PD

T

i

Hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel berikut:

No n, rpm n, rps Di, m Di/Lb

1 110 1,83 1,08 0,490

2 120 2 1,02 0,465

3 130 2,17 0,98 0,443

4 140 2,33 0,93 0,424

5 150 2,5 0,90 0,407

6 160 2,67 0,86 0,391

7 170 2,83 0,83 0,377

8 175 2,92 0,82 0,371

Berdasarkan kriteria ratio diameter alat pengaduk / lebar bak, yaitu 30 – 50%, maka semua

alternatif n dan Di pada Tabel di atas dapat dipilih. Makin kecil diameter alat pengaduk,

maka kecepatan putaran makin diperbesar.

20

Contoh Soal 5.3:

Rancanglah suatu flokulator kanal bersekat (baffled channel) aliran horizontal untuk mengolah

air dengan kapasitas 12.000 m3/hari. Bak flokulator dibagi dalam tiga ruang dengan gradien

kecepatan masing–masing 75/detik, 35/detik, dan 20/detik. Waktu flokulasi keseluruhan 24

menit dan suhu air 25 C. Dinding kanal memiliki nilai koefisien kekasaran f = 0,3. Panjang

flokulator ditetapkan 12 m dan kedalaman kanal 1,2 m.

Penyelasian:

1. Dihitung flokulator pertama dengan gradient kecepatan, G = 75/detik dan waktu tinggal

hidrolik, td = 8 menit.

a. Total volume flokulator :

V = 24 menit x 12.000 m3/hari x 1 hari/1440 menit = 200 m3

b. Total lebar flokulator :

mmmx

m

LxH

VW 8913

21 12

200 3

,,

c. Lebar tiap kompartemen : W = 14 m/3 = 4,7 m

d. Pada suhu 25 C nilai = 0,89 x 10-3 kg/m.det dan =997 kg/m3

e. Jumlah kanal dalam flokulator pertama :

312

441

2/

..

,

.

Q

GLH

f

tn

3186400/12000

)75)(12)(2,1(

3,044,1997

)60)(8)(1089,0(23/1

23

xn

f. Jarak antar sekat = 12/31 = 0,39 m

g. Head loss pada flokulator :

m

xG

g

th 25,075

81,9997

6081089,0

.

. 23

2

2. Dengan cara yang sama dapat dihitung untuk kompartment kedua dan ketiga

Kompartmen kedua :

- G = 35/detik

- Td = 8 menit

- Jumlah sekat = 19

- Jarak antar sekat = 0,63 m

- Head loss = 0,05 m

Kompartmen ketiga :

- G = 20/detik

- Td = 8 menit

- Jumlah sekat = 13

- Jarak antar sekat = 0,92 m

- Head loss = 0,02 m

3. Total head loss = 0,25 + 0,05 + 0,02 = 0,32 m selisih muka air di inlet dan outlet

21

Contoh Soal 5.4:

Sistem IPAM memiliki flokulator seperti gambar di bawah untuk mengolah air dengan debit 12.000

m3/hari. Flokulator terdiri dari tiga kompartemen dengan ukuran yang sama, panjang total 18 m

dan tinggi 4,5 m dan lebar 4,5 m. Kompartemen pertama memiliki 4 buah paddle dengan jarak

dari poros sebesar 1,9 ; 1,7 ; 1,5; 1,3 m. Kompartemen kedua memiliki 3 buah paddle dengan

jarak dari poros 1,9 ; 1,7; 1,5 m, sedangkan kompartemen ketiga memiliki 2 buah paddle dengan

jarak dari poros sebesar 1,9 dan 1,5 m. Setiap paddle memiliki ukuran lebar 0,1 m dan panjang

4,5 m. Pada suhu 25 C, hitung kecepatan putar poros agar nilai G rata–rata 25/detik.

18 m

4,5

m

Poros horisontal

Penyelasian:

1. Hitung tenaga untuk menghasilkan G = 25/detik dengan persamaan (5.1)

Pada suhu 25 C nilai = 0,89 x 10-3 kg/m.det dan =997 kg/m3

P = G2 μ V = (25/detik)2 x (0,89 x 10-3 kg/m.det) x (18 m x 4,5 m x 4,5 m) = 203 N-m/detik

Nilai P ini adalah tenaga total yang dihasilkan oleh tiga kompartemen.

2. Hitung nilai kecepatan relatif tiap paddle pada kompartemen pertama:

Untuk paddle dengan jarak ke poros = 1,9 m:

vi = 0,75 x (n rps) x 2 π r = 0,75 n x 2 x π x 1,9 = (8,95 n) m/detik







3. Hitung nilai kecepatan relatif tiap paddle pada kompartemen kedua:





22



4. Hitung nilai kecepatan relatif tiap paddle pada kompartemen ketiga:





5. Hitung kecepatan putaran (n):

Dalam sistem flokulator di atas, hanya ada satu nilai n karena putaran dihasilkan oleh satu

poros.

Ukuran paddle adalah sama, Li = 4,5 m dan Wi = 0,1 m.

Ratio Li/Wi = 45. Berdasarkan Tabel 5.6, nilai CD = 1,9

A = jumlah tangkai x 4,5 m x 0,1 m = 2 x 4,5 m x 0,1 m

Gunakan persamaan (5.6):

3

2

1iD vACP

203 N-m/detik = (1/2) x 1,9 x (2 x 4,5 m x 0,1 m) x (997 kg/m3) x {(8,95 n)3 + (8,01 n)3 + (7,07

n)3 + (6,13 n)3 + (8,95 n)3 + (8,01 n)3 + (7,07 n)3 + (8,95 n)3 + (7,07 n)3}

m/detik

n = 0,0377 rps = 2,26 rpm

Jadi, untuk menghasilkan nilai G rata–rata 25/detik, maka paddle wheel harus diputar dengan

kecepatan 2,26 putaran per menit.

23

5.4. Soal-soal

1. Pengaduk mekanis berupa propeller 3 blades berdiameter 40 cm diputar dengan kecepatan

425 rpm.

a. Tentukan dimensi bak agar diperoleh gradient kecepatan 825 m/detik-m

b. Berapa debit air yang dapat diolah ?

2. Tangki pengaduk cepat berbentuk bujur sangkar dengan debit 8 x 103 m3/hari, memiliki

kedalaman 1,25 kali lebar. Nilai G = 1000/detik dan suhu 20C, waktu detensi 30 detik.

Pengaduk berupa vans disk impeller dengan 6 blade. Tentukanlah: Dimensi tangki, kebutuhan

power input, kecepatan impeller jika diameter impeller 50 % lebar tangki.

3. Berapa debit udara yang diperlukan untuk menjaga nilai G sebesar 500/detik dalam suatu

tangki dengan kedalaman 2,75 m dan waktu tinggal air selama 5 menit, suhu air 20 C.

4. Pada percobaan jar test digunakan gelas beaker berisi 1 liter air dengan paddle berukuran

seperti gambar berikut:

Pertanyaan:

a. Bila paddle diputar dengan kecepatan 100 rpm selama 1 menit, hitunglah gradien

kecepatan yang dihasilkan oleh putaran paddle tersebut.

b. Bila akan digunakan sebagai pengaduk lambat, berapakah kecepatan paddle harus

diputar?

5. Hitung kembali contoh soal 5.2 untuk pengadukan lambat tiga kompartemen dengan nilai G

masing-masing 70, 35, 20 det-1 dan td total 30 menit.

6. Buatlah rancangan alat pengaduk mekanis tipe paddle wheel untuk mengaduk air (slow

mixing) dengan debit 100 l/detik sehingga dihasilkan GTd yang menurun masing-masing

70000, 55000, dan 45000 (waktu detensi total 45 menit).

Rancangan meliputi:

- bentuk dan dimensi bak dan alat pengaduk

- kecepatan putaran

- power motor yang diperlukan

Temperatur air = 30oC

7. Gambar berikut adalah potongan memanjang baffled channel:

2,5 cm

8,0 cm

24

Kedalaman air : 1,5 meter

Panjang bak : 15 meter

Lebar bak : 2 meter

Headloss : lihat gambar, h1=h4= 4 cm, h2=h3= 7 cm

Hitunglah bilangan Camp!

8. Sistem IPAM memiliki flokulator seperti gambar di bawah untuk mengolah air dengan debit

12.000 m3/hari. Flokulator terdiri dari tiga kompartemen dengan ukuran yang sama, panjang

total 18 m dan tinggi 4,5 m dan lebar 4,5 m. Kompartemen pertama memiliki 4 buah paddle

dengan jarak dari poros sebesar 1,9 ; 1,7 ; 1,5; 1,3 m. Kompartemen kedua memiliki 3 buah

paddle dengan jarak dari poros 1,9 ; 1,7; 1,5 m, sedangkan kompartemen ketiga memiliki 2

buah paddle dengan jarak dari poros sebesar 1,9 dan 1,5 m. Setiap paddle memiliki ukuran

lebar 0,1 m dan panjang 4,5 m. Pada suhu 25 C, hitung kecepatan putar poros agar nilai G

rata–rata 25/detik.

18 m

4,5

m

Poros horisontalArah putaran

9. Koagulasi-Flokulasi di lakukan dalam satu sistem baffled chamel horisontal flow dengan debit

air yang diolah 150 lt/dt. = 10-6 m2/dt

G = 800 dt-1

td = 1 menit

G = 80

I

td = 7,5 menit

G = 40

II

7,5 menit

G = 20

III

7,5 menit

L

Koagulasi Flokulasi

h4 h3

h1 h2

P

25

a. Koagulasi

- Hitung berapa luas area (Pbx Lb) koagulasi jika kedalaman air 1 meter

- Hitung berapa headloss yang diperlukan di unit koagulasi (g = 9,81 m/dt2)

- Hitung berapa jumlah sekat horisontal

- Berapa jarak/lebar di belokan

b. Flokulasi

- Hitung berapa luas (Pbx Lb) pada unit flokulasi jika panjang bak disesuaikan dengan

bak koagulasi

- Hitung berapa headloss yang diperlukan di masing-masing bak flokulasi

- Hitung berapa jumlah sekat horisontal

- Berapa jarak/lebar di belokan

5.5. Bahan Bacaan

1. -----, Water Treatment Handbook, 6th edition, Volume 1, Degremont Water and the

Environment, 1991

2. Casey. T.J., Unit Treatment Processes in Water and Wastewater Engineering, John

Wiley & Sons, Singapore, 1997.

3. Droste, Ronald L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley

& Sons, New York, 1997

4. 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.

5. Reynolds, Tom D. dan Richards, Paul A., Unit Operations and Processes in Environmental

Engineering, 2nd edition, PWS Publishing Company, Boston, 1996.

6. Fair, Gordon M., Geyer, John C., dan Okun, Daniel A., Water and Wastewater

Engineering, Volume 2: Water Purification and Wastewater Treatment and

Disposal, John Wiley and Sons Inc. New York, 1981

5. unit koagulasi flokulasi

Documents