BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Air Gambut

Gambut merupakan akumulasi sisa material tumbuhan. Gambut terbentuk bila

material tanaman, biasanya pada daerah berawa, terhambat untuk membusuk

secara sempurna oleh kondisi asam dan anaerob. Material gambut diantaranya

adalah fibrik, hemik atau saprik. Fibrik adalah material yang paling sedikit

terdekomposisi dan berbentuk serat, hemik adalah material yang sebagiannya bisa

terdekomposisi sedangkan saprik adalah bagian gambut yang paling banyak

terdekomposisi.

Struktur gambut yang lembut dan mempunyai pori-pori menyebabkannya mudah

untuk menahan air dan air pada lahan gambut tersebut dikenal dengan air gambut.

Berdasarkan sumber airnya, lahan gambut dibedakan menjadi dua yaitu

(Wikipedia):

1. Bog

merupakan jenis lahan gambut yang sumber airnya berasal dari air hujan

dan air permukaan. Karena air hujan mempunyai pH yang agak asam

maka setelah bercampur dengan gambut akan bersifat asam dan warnanya

coklat karena terdapat kandungan organik (tannin)

2. Fen

merupakan lahan gambut yang sumber airnya berasal dari air tanah yang

biasanya dikontaminasi oleh mineral sehingga pH air gambut tersebut

memiliki pH netral dan basa.

karena berasal dari sisa tumbuhan maka ciri air gambut lainnya adalah

(Notodarmojo, 1994):

Kandungan zat organik yang tinggi

Kekeruhan dan kandungan partikel tersuspensi yang rendah

Kandungan kation yang rendah

5

Intensitas warna yang tinggi merupakan salah satu ciri khas dari air gambut yang

merupakan akibat dari tingginya kandungan zat organik terlarut, terutama dalam

bentuk asam humus dan derivatnya. Zat organik yang menyebabkan warna

tersebut adalah berasal dari dekomposisi bahan organik seperti daun, pohon atau

kayu dengan berbagai tingkat dekomposisi, namun secara umum telah mencapai

dekomposisi yang stabil (Notodarmojo, 1994). Dalam berbagai kasus, warna akan

semakin tinggi karena disebabkan oleh adanya logam besi yang terikat oleh asam-

asam organik yang terlarut dalam air tersebut.

Senyawa humus secara umum memiliki ikatan aromatik yang panjang. Jika

senyawa hasil oksidasi lignin dan homo vanilic acid yang merupakan salah satu

senyawa asam humus yang sederhana, berikatan dengan logam seperti Fe, Cu, dan

Al pada gugus fenolik atau asetat maka, akan menghasilkan warna dengan

intensitas yang sangat tinggi. Ion logam yang berikatan pada gugus asetatnya akan

terionisasi sehingga, warna air akan mudah dihilangkan dengan cara

mengendapkan ion logam tersebut dalam suasana basa sebagai hidroksida.

Apabila ion logam terikat pada gugus aromatiknya, warna air tidak mudah

dihilangkan dengan cara pengendapan karena ion logamnya tidak terionisasi.

Kandungan humus merupakan bagian terbesar dalam bahan organik yang terdapat

dalam air tanah dan air permukaan dan bersifat:

1. Mempunyai berat molekul yang bervariasi dari < 800 sampai 50.000 dan

bersifat polimer (AWWA, 1980).

2. Secara garis besar dibagi menjadi dua yaitu Particulate Organic Carbon

(POC), dengan ukuran diatas 0,45 µm dan biasanya kurang dari 10%

kandungan zat organik; dan Dissolved Organic Carbon (DOC), dimana

DOC terdiri dari 80% kandungan hirofilik dan dan selebihnya hidrofilik

(Fearing et.al, 2004).

3. Kehadiran berbagai gugus kimia seperti hidroksil, karboksil, metoksil

karbonil, dan gugus quionoid diduga telah memberikan sifat hidrofilik

kepada humus (AWWA, 1980).

6

4. Grup kimia tersebut dominan bersifat negatif pada pH antara 4 – 8

(Fearing et.al, 2004) sehingga partikel warna juga bersifat negatif dimana

besarnya muatan tergantung pada derajat ionisasi, yang berarti tergantung

pada pH air.

Dari sifat-sifat diatas, menunjukkan bahwa mekanisme penyisihan warna dalam

proses koagulasi akan berbeda dengan penyisihan kekeruhan.

Sedangkan berdasarkan kelarutannya, humus diklasifikasikan atas asam humat,

asam fulvik dan humin:

1. Asam humat

Asam humat merupakan makromolekul aromatik komplek dengan asam

amino, gula amino, peptida serta komponen alifatik yang posisinya berada

antara kelompok aromatik (Gambar II.1). Merupakan bagian dari humus

yang bersifat tidak larut dalam air pada kondisi pH<2 tetapi larut pada pH

yang lebih tinggi. Bisa diekstraksi dari tanah dengan bermacam reagen dan

tidak larut dalam larutan asam. Asam humat adalah bagian yang paling

mudah diekstrak diantara komponen humus lainnya. Mempunyai warna

yang bervariasi dari coklat pekat sampai abu-abu pekat. Humus tanah

gambut mengandung lebih banyak asam humat (Stevenson, 1982)

Gambar II.1 Struktur model asam humat.

2. Asam Fulvik

Bersifat larut dalam air pada semua kondisi pH dan akan berada dalam

larutan setelah proses penyisihan asam humat melalui proses asidifikasi.

7

Warnanya bervariasi mulai dari kuning sampai kuning kecoklatan.

Struktur model asam fulvik dapat dilihat pada Gambar II.2

Gambar II.2 Struktur model asam fulvik

3. Humin

Bagian dari humus yang bersifat tidak larut dalam air pada semua kondisi

pH dan berwarna hitam.

Banyak peneliti yang beranggapan bahwa warna gelap pada humus disebabkan

oleh keberadaan polimer yang mempunyai berat molekul yang tinggi.

Berdasarkan konsep ini, perbedaan antara asam humat dan asam fulvik bisa

dijelaskan melalui variasi berat molekul, keberadaan grup fungsional seperti

karboksil dan fenolik dan tingkat polimerisasi (Gambar II.3)

Gambar II.3 Komponen kimia humus

8

Dari Gambar II.3 diketahui bahwa kandungan karbon dan oksigen, asiditas dan

derajat polimerisasi, semuanya berubah secara sistematik dengan peningkatan

berat molekul. Asam fulvik dengan berat molekul yang rendah memiliki

kandungan oksigen yang lebih tinggi dan kandungan karbon yang rendah jika

dibandingkan asam humat dengan berat molekul yang tinggi. Warna juga akan

semakin tinggi dengan semakin tingginya berat molekul.

Senyawa humus secara garis besar terdapat dialam melalui dua pathway yaitu: (1)

berasal dekomposisi tumbuhan seperti lignin dan selulosa, (2) melalui kondensasi

reaksi polimerisasi. Senyawa humus yang berasal dari lignin dapat berubah

menjadi aldehid karena proses oksidasi fotokimia (Kim et.al, 2001). Aldehid

adalah salah satu senyawa organik yang mengandung gugus karbonil (CO-) dan

memiliki sekurangnya satu atom hidrogen yang terikat pada karbon karbonilnya

(Gambar II.4).

O

R-C-H atau RCHO Gambar II.4 Gugus Aldehid (Fessenden, 1982)

Aldehid berdasarkan jumlah atom yang dimiliki dibedakan menjadi beberapa jenis

diantaranya adalah pentanal dan hexanal (Wikipedia, free encyclopedia) :

• Pentanal

Nama lain : Pentanal dehyde, Valeral dehyde dan Valeric aldehyde

Rumus molekul : C5H10O

Titik lebur : -600C

Titik didih : 102 – 1030C

Kelarutan : sangat sedikit larut dalam air

Pentanal ini bisa larut pada pelarut organik.

• Hexanal

Nama lain : Hexanal dehyde

Rumus molekul : C6H12O

9

Titik lebur : < -200C

Titik didih : 119 – 1240C

Kelarutan : sangat sedikit larut dalam air dan bisa larut dalam

pelarut organik

Dari kelarutannya terhadap air, maka hexanal dan pentanal dimasukkan kedalam

kategori hidrofobik.

Bahan organik tanah dan tanaman berada dalam bentuk koloid. Dan berdasarkan

kemudahan berikatan dengan air maka, bahan organik dapat dibedakan atas

hidrofobik (tidak suka air) dan hidrofilik (suka air). Koloid hidrofobik dapat

diflokulasi, sedang kolid hidrofilik biasanya tidak. Koloid tanaman kebanyakan

bersifat hidrofilik sehingga sulit untuk dikoagulasi secara konvensional (Tan,

1991).

Apabila klorin bereaksi dengan bahan organik, bisa menghasilkan trihalometan

(THM), asam haloasetik (HAA) dan beberapa produk desinfeksi terhalogenasi

lainnya. Zat ini dapat bersifat toksik atau karsinogenik (Kim et.al, 2006). Oleh

karena itu proses desinfeksi air berwarna alami dengan klor sama sekali tidak

dianjurkan.

Karakteristik air gambut bersifat spesifik, tergantung pada lokasi, jenis vegetasi

dan jenis tanah tempat air gambut tersebut berada. Hal ini dapat dilihat pada Tabel

II.1 yang merupakan hasil penelitian Puslitbang Pemukiman dan dikutip dari

Irianto (1998).

10

Tabel II.1 Karakteristik Air Gambut dari Berbagai Lokasi (Sumatera dan Kalimantan)

Kualitas Air Gambut Syarat Air Minum No Parameter Satuan

Kalsel Kalbar Kalteng Sumsel Riau A Menkes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Warna

Kekeruhan

DHL

pH

Zat Organik

Kesadahan

Kalsium

Magnesium

Besi

Mangan

Chlorida

SO4

HCO3

CO2 Agresif

PtCo

mg/L SiO2

μ mho/cm

-

mg/L KmnO4 0D

mg/L

mg/L

mg/L

mg/L

mg/L

mg/L

mg/L

mg/L

753

32

-

4,1

278

2,05

-

8,83

-

-

11,11

-

-

-

527

0

30

3,9

194

0,48

-

2,1

-

-

5,48

-

51,4

-

725

0,5

50

3,6

172

-

-

-

-

-

-

5,1

-

31

1315

5

78

5

290

5,5

4,5

20,9

-

-

162

11,2

-

-

1125

9

75

4

243

1,4

-

6,2

-

-

18

-

-

80,6

15

5

6,5-8

10

500

-

-

0,3

0,1

250

400

15

5

6,5-8,5

10

500

-

-

0,3

0,1

250

400

Sumber: Puslitbang Pemukiman, (Irianto, 1998)

II.2 Proses Pengolahan Air Gambut

II.2.1 Kondisi Objektif Penelitian

Karakteristik air gambut seperti yang telah disebutkan diatas menunjukkan bahwa

air gambut kurang menguntungkan untuk dijadikan air minum bagi masyarakat

didaerah berawa tersebut. Namun karena jumlah air gambut tersebut banyak dan

dominan berada didaerah tersebut maka air tersebut harus bisa menjadi alternatif

sumber air minum masyarakat.

Kondisi kurang menguntungkan bagi kesehatan yang disebabkan karakteristik air

gambut adalah sebagai berikut (Wisnuprapto, 1994):

• Kadar keasaman (pH) yang rendah dapat menyebabkan sakit perut dan

kerusakan pada gigi

11

• Kandungan organik yang tinggi dapat merupakan sumber makanan

bagi mikroorganisme dalam air, sehingga dapat menimbulkan bau

apabila bahan organik tersebut terurai secara biologi.

Apabila larutan klor dipakai pada proses desinfeksi maka akan membentuk

senyawa organoklorin yang bersifat karsinogen.

II.2.2 Alternatif Proses Pengolahan Air Berwarna

Berdasarkan pengetahuan tentang kandungan bahan dalam air bewarna dan sifat-

sifatnya, proses dan metoda pengolahan yang dapat diterapkan untuk mengolah air

berwarna alami adalah (Wisnuprapto, 1994)

• Proses Oksidasi

• Proses Adsorpsi

• Proses koagulasi-flokulasi

a. Proses Oksidasi

Proses oksidasi untuk pengolahan air berwarna dapat dianjurkan adalah dengan

ozon atau peroksida, karena tidak menghasilkan suatu ikatan atau senyawa yang

berbahaya. Ozon atau peroksida dikenal sebagai oksidator kuat yang dapat

digunakan dalam pengolahan air, sehingga ikatan polimer dan monomernya

terputus dan akan membentuk CO2 dan H2O apabila oksidasinya sempurna.

Namun dalam aplikasinya biaya operasi relatif mahal, dan perlu digunakan unit

peralatan penghasil ozon (Wisnuprapto, 1994).

b. Proses Adsorpsi

Adsorpsi merupakan fenomena fisika dimana molekul-molekul bahan yang

diadsorpsi tertarik pada permukaan bidang padat yang bertindak sebagai

adsorban. Dengan demikian jelas bahwa adsorpsi merupakan fenomena bidang

batas, yang efisiensinya makin tinggi apabila luas bidang permukaan adsorban

makin besar (Schnitzer, 1992).

Ditinjau dari segi derajat adsorpsi pada suatu jenis adsorban secara umum

mengikuti aturan sebagai berikut (Wisnuprapto, 1994):

12

• Adsorpsi berlangsung sedikit terhadap semua senyawa anorganik, kecuali

senyawa berhalogen (F, Br dan Cl)

• Adsorpsi berlangsung baik terhadap semua senyawa berhalogen dan

semua senyawa alifatik

• Adsorpsi berlangsung sangat baik terhadap semua senyawa aromatik,

makin banyak kandungan inti benzennya semakin baik adsorpsinya.

Berdasarkan kriteria diatas maka, pengolahan air berwarna dapat dilakukan

dengan cara adsorpsi, karena asam humus mempunyai senyawa gugus

aromatik. Namun secara umum proses inipun masih mahal.

c. Proses Koagulasi-Flokulasi

Proses koagulasi yang diiringi dengan proses flokulasi merupakan salah satu

proses pengolahan air yang sudah lama digunakan. Proses ini penting untuk

penyisihan warna dan organik (Amirtarajah & O’Melia, 1999). Defenisi

koagulasi sebagai proses cukup banyak tapi dari laporan Fearing et.al (2004)

dapat disimpulkan menjadi tiga:

1. Proses untuk menggabungkan partikel kecil menjadi agregat yang lebih

besar

2. Proses penambahan bahan kimia kedalam air untuk menghasilkan spesies

kimia yang berperan dalam destabilisasi kontaminan dan meningkatkan

kemungkinan penyisihan

3. Proses untuk menggabungkan partikel koloid dan partikel kecil menjadi

agregat yang lebih besar dan dapat mengadsorb material organik terlarut

ke permukaan agregat sehingga dapat mengendap

Partikel koloid yang terkandung dalam air alam umumnya mempunyai muatan

negatif, sehingga koagulan yang diperlukan adalah yang bermuatan positif.

Koagulan yang umum digunakan dalam pengolahan air adalah garam

aluminium seperti alum.

Flok-flok yang terbentuk pada umumnya juga mempunyai kemampuan adsorpsi

yang cukup besar. Sehingga pada saat yang bersamaan dengan pembentukan

dan penggabungan mikroflok akan terjadi proses adsorpsi dan pemerangkapan

13

bahan-bahan terlarut dalam air, dan akan ikut tersisih dalam proses

pengendapan dan penyaringan. Sedangkan pada air berwarna alami atau air

gambut, konsentrasi bahan koloid atau partikel tersuspensi lainnya umumnya

sangat rendah. Sehingga ada pendapat mengatakan bahwa sesungguhnya proses

koagulasi dan flokulasi yang dilaksanakan pada air berwarna tidak lain adalah

melaksanakan proses adsorpsi dengan bantuan penambahan bahan kimia

(Notodarmojo, 1994).

Hal ini dibuktikan oleh penelitian Irianto (1998) pada air gambut dari

Kalimantan Selatan yang mengatakan bahwa, proses adsorpsi lebih berperan

dalam penurunan warna dan zat organik air gambut dibanding proses koagulasi-

flokulasi. Penelitian yang dilakukan oleh Notodarmojo (1994) pada air gambut

dari Riau mendapatkan kondisi optimum penyisihan warna dan zat organik

dengan tanah putih 100 mg/L, tawas 280 mg/L dan kapur 100 mg/L

Namun berat molekul zat organik yang terdapat dalam air gambut ada yang

lebih besar dari 30.000 (BM<30.000) akibat dari terlarutnya asam humus

dengan berat molekul tinggi. Hal ini masih memungkinkan untuk terjadinya

proses destabilisasi koloid melalui proses koagulasi dan flokulasi ( Tan, 1991).

Presipitat aluminium hidroksida juga cenderung untuk berikatan dengan zat

organik yang mempunyai berat molekul yang tinggi (Amirtarajah & O’Melia,

1999)

Dari Amirtarajah dan O’Melia (1999) juga diketahui ada pendapat lain dari

VanBenschoten dan Ezwald pada tahun 1990 yang mengatakan bahwa terjadi

reaksi antara produk hidrolisis logam koagulan dengan binding site logam pada

permukaan kontaminan dan terjadi ikatan antara produk hidrolisis dengan

komponen organik alamiah terlarut. Serta Dempsey, Bottero dan Bersillon pada

tahun 1989 juga telah meragukan bahwa produk hidrolisis terlarut berikatan

dengan bahan organik alamiah (NOM) bukan merupakan langkah yang penting

dalam penyisihan NOM oleh koagulan dari jenis logam dan bahwa adsorpsi

14

NOM pada partikel presipitat adalah yang mengontrol proses untuk semua

kondisi dalam koagulasi.

II.3 Koagulasi dan Flokulasi

II.3.1 One Staged Coagulation

Proses one staged coagulation adalah proses koagulasi secara konvensional yang

selama ini biasa dilakukan. Menurut Stumm dan O’Melia (1968), penggabungan

partikel koloid/tersuspensi dapat dilakukan dalam dua tahapan:

1. Reduksi gaya tolak menolak antar partikel (destabilisasi)

2. Pengadaan transportasi agar terjadi kontak antar partikel terdestabilisasi

(terjadi pada proses flokulasi)

Beberapa tahapan yang terjadi dalam mekanisme destabilisasi partikel yaitu:

• Pemampatan/penekanan lapisan ganda

• Adsorpsi untuk netralisasi muatan

• Penjaringan partikel prespitat

• Pembentukan jembatan antar partikel

Partikel koloid dan tersuspensi yang terdapat di air permukaan memiliki muatan

negatif. Partikel yang berukuran besar memiliki turbiditas, lempung dan lanau dan

juga memiliki sifat hidrofobik. Partikel dengan ukuran seperti ini lebih ekonomis

untuk teragregasi melalui penambahan koagulan seperti alum. Zat ini bereaksi

dengan alkalinitas dalam air membentuk hidrous oxides. Dengan melibatkan

kation trivalen, reaksinya menjadi :

BmAn + mnOH- mB(OH)n + nAm- (2.1)

Hidrous oxides relatif bersifat tidak terlarut pada pH normal sehingga mudah

terpresipitasi. Karena titik isoelektrik dari sebagian besar partikel hidrous oxides

juga turun pada range pH normal, maka endapan berubah menjadi partikel

flokulen. Karena adanya agitasi dari sistem, partikel kasar penyebab kekeruhan

bertabrakan, terikat, kemudian menjadi satu dan membentuk partikel flok. Saat

15

terjadi tumbukan, gaya van der Waal’s meng-induce penggabungan sehingga

partikel penyebab kekeruhan berubah menjadi struktur flok.

Partikel kekeruhan yang halus dan partikel koloid yang menyebabkan rasa, bau,

warna ukurannya sangat kecil sehingga bila dalam sebuah pengadukan, inersianya

tidak cukup untuk mencegah mereka terlepas dari partikel flok yang terus

membesar. Akibatnya, partikel kecil ini tidak dapat cukup dekat dengan partikel

flok. Penyisihan partikel koloid ini membutuhkan reduksi zeta potensial sampai

tingkat dimana tabrakan terjadi. Pada pH rendah, zeta potensial dari koloid di air

permukaan dapat dikurangi melalui hasil disosiasi hidrous oxides yang terbentuk

dari koagulan. Hidrous oxides terdisosiasi dengan perlahan, dengan reaksi:

B(OH)n ↔Bn+ + nOH- (2.2)

II.3.2 Two Staged Coagulation

Proses two staged coagulation adalah proses koagulasi yang memberlakukan dua

kali koagulasi dan diiringi oleh satu kali proses flokulasi (Gambar II.5). Proses ini

merupakan salah satu alternatif pengolahan air secara koagulasi untuk air dengan

warna dan zat organik yang tinggi (Fearing et.al, 2004) dan diperlukan karena

proses koagulasi secara konvensional tidak berhasil pada beberapa kondisi air. Hal

ini karena jenis material yang terdapat dalam air bermacam-macam, setiap jenis

material membutuhkan kondisi proses koagulasi yang berbeda (AWWA, 1980).

Dosis Koagulan 1

Dosis Koagulan 2

Air Baku Efluen

Pengadukan cepat 2

Pengadukan cepat 1

Flokulasi

Gambar II.5 Skema Proses Two Staged Coagulation (Carlson & Gregory 2000)

16

Pada pH rendah (<6.5), alum yang terdapat dalam air akan menghasilkan muatan

positif, produk hidrolisis larut dan ion logam Al+3 sehingga memungkinkan

terjadinya netralisasi muatan. Selain itu pada pH rendah, sejumlah kecil

konsentrasi alum akan bisa menyebabkan terjadinya netralisasi muatan. Bila

konsentrasi alum meningkat, maka akan terbentuk koloid presipitat yang stabil,

suspensi akan direstabilisasi muatan positif produk hidrolisis yang telah tersorpsi

sehingga tidak akan terbentuk flok yang mudah mengendap (Amirtarajah &

O’Melia, 1999). Hal ini membutuhkan lebih dari satu kali pembubuhan karena

konsentrasi alum yang rendah belum tentu bisa memenuhi seluruh kebutuhan

koagulan untuk proses koagulasi.

Pada pH tinggi (>6.5), sebagai akibat reaksi monomerik Al kompleks dengan zat

organik, hidrolisasi untuk membentuk polimerik atau presipitat hidroksida bisa

terjadi secara bersamaan. Dengan adanya presipitat hidroksida akan

memungkinkan terjadinya proses adsorpsi. Pada konsentrasi alum yang rendah,

netralisasi muatan bisa terjadi pada pH basa sebagai akibat terjadinya

deprotonisasi zat organik pada pH basa sehingga akan meningkatkan jumlah grup

karbonil sehingga terjadi agregasi.

Menurut Stumm (1990), jika zat organik teradsorpsi pada bidang batas dengan

dengan tingkat ionisasi rendah (pH tinggi) maka akan membentuk konfigurasi

datar. Adsorpsi pada permukaan inorganik seperti oksida logam dapat dihasilkan

oleh terjadinya pertukaran gugus fungsional pada substansi humus (karboksil,

fenolik) dengan gugus hidroksil pada oksida logam, didukung oleh interaksi

hidrofobik yang melibatkan komponen non polar molekul humus. Ini akan

menghasilkan akumulasi muatan negatif pada permukaan oksida logam sebagai

akibat teradsorpsinya substansi organik. Pada tingkat ionik yang rendah dan pH

tinggi, ketebalan lapisan difusi bisa melebihi ketebalan lapisan organik yang

teradsorpsi dan partikel dapat distabilisasi secara elektrostatik.

Pada proses two staged coagulation yang memberlakukan pH netral untuk

masing-masing proses koagulasi (Gambar II.6), ditujukan agar terjadi restabilisasi

17

koloid hidrosida aluminium. Diperkirakan bahwa ion Al+3 terhidrolisa menjadi

Al(OH)3(S) dan bila tidak disertai dengan pengadukan yang memadai, hidrolisis

aluminium yang bersifat positif tersebut tidak akan bereaksi secepatnya dengan

zat organik hidrofobik dan akan membentuk koloid aluminium hidroksida yang

bersifat stabil, berukuran kecil, tidak bisa mengendap dan tidak bisa disaring pada

proses filtrasi. Dengan adanya proses two staged coagulation ini, maka zat

organik hidrofobik akan teradsorpsi secepatnya pada permukaan presipitat

aluminium hidroksida yang baru terbentuk sehingga akan terbentuk flok yang

berukuran besar dan mudah mengendap (Carlson & Gregory, 2000).

Gambar II.6 Perkiraan mekanisme restabilisasi partikel pada saat

dikoagulasi (Carlson & Gregory, 2000)

Jika perkiraan ini benar maka proses two staged coagulation akan efektif karena

zat organik hidrofobik akan teradsorpsi pada koloid Al(OH)3(S) selama proses

koagulasi pertama two staged coagulation dan akan membiarkan padatan

hidroksida aluminium beraglomerasi membentuk ukuran yang bisa menyebabkan

terjadinya sweep flocculation.

Oksida metal bersifat selektif untuk mengisolasi zat organik dan zat lainnya. Bila

material hidrofobik telah dikoagulasi maka akan sedikit sekali tersisa ruang untuk

ikatan dengan material hidrofilik sehingga tingkat penyisihannya rendah pada

koagulasi konvensional. Dengan adanya two staged coagulation, pada koagulasi

pertama dianggap bahwa zat organik hidrofobik telah teradsorp pada permukaan

18

hidroksida logam sehingga pada koagulasi kedua partikel hidrofilik mempunyai

kesempatan untuk teradsorpsi pada permukaan hidroksida logam. Selain itu

hidroksida logam yang baru terbentuk mempunyai luas permukaan yang lebih

besar dan lebih reaktif (Fearing et.al, 2004)

Pada proses koagulasi terdapat hal-hal yang mempengaruhi sehingga bisa berjalan

dengan baik, diantaranya (Kawamura, 2001):

1. pH.

Rentang pH dalam proses koagulasi dipengaruhi oleh jenis dan konsentrasi

koagulan yang digunakan serta komposisi kimia air yang akan diolah.

Koagulasi akan berjalan baik apabila berada pada rentang pH optimum.

2. Jenis koagulan.

Pemilihan jenis koagulan pada pengolahan air seharusnya didasarkan pada

penelitian perbandingan performa koagulan dan setelah itu baru dilihat dari

segi ekonomisnya. Namun jenis koagulan yang paling banyak dipakai di

Indonesia adalah alum.

3. Alkalinitas

Kehadiran kation dan anion seperti Ca, Na, Mg, Fe, Cl, SO4, PO4, dll,

beberapa di antaranya dapat mempengaruhi pH optimum, waktu untuk

flokulasi, dosis optimum koagulan, dan sisa koagulan di efluen. Beberapa

penelitian lanjut menemukan efek secara umum ion pada proses koagulan

adalah: a) Pengaruh koagulan alum dan besi berasal dari anion sehingga ion

sodium, kalsium dan magnesium punya efek yang lebih sedikit pada

koagulasi. b) Anion meningkatkan pH optimum untuk koagulasi pada sisi

asam untuk meningkatkan kebebasan valensinya, maka anion monovalen

seperti klorida dan nitrat relatif punya efek yang kecil sedangkan sulfat dan

fosfat sebaliknya.

4. Kekeruhan air baku.

Makin tinggi kekeruhan makin tinggi dosis koagulan (biasanya hubungan

antara turbiditas dan dosis koagulan adalah linier). Kekeruhan air baku

sangat penting untuk menentukan dosis koagulan yang digunakan.

Kekeruhan air baku yang rendah dapat menyulitkan proses penyisihannya

19

sehingga seringkali ditambahkan koagulan aids atau meresirkulasi lumpur

untuk membantu proses penyisihan. Umumnya, koagulasi suspensi tanah liat

terlarut lebih dikontrol oleh koagulan dan komposisi kimia air dibanding

kondisi padatan terlarut.

5. Temperatur air.

Apabila temperatur menurun maka viskositas air akan meningkat sehingga

kecepatan mengendap flok akan menurun. Temperatur yang menurun akan

menurunkan laku reaksi kimia. pH otimum akan menurun seiring dengan

menurunnya temperatur dan perubahan ini akan menjadi lebih penting pada

dosis koagulan yang kecil.

6. Pengadukan.

Pengadukan tidak sempurna akan menyebabkan dispersi koagulan yang

tidak merata. Pengadukan cepat berfungsi untuk mendistribusikan koagulan

dan mempertemukan koagulan dengan koloid. Sedangkan pengadukan

lambat untuk proses flokulasi, derajat pengadukan harus cukup untuk

menjaga tersuspensinya partikel flok.

II.3.3 Flokulasi

Flokulasi merupakan proses pembentukan flok dari koloid yang sudah

didestabilisasikan pada proses koagulasi. Flokulasi terjadi akibat adanya kontak

antara flok yang sudah didestabilisasi sehingga terbentuk flok yang lebih besar

dan mudah mengendap. Untuk mempercepat flokulasi biasanya dilakukan

pengadukan/memberi gradien kecepatan pada aliran sehingga peluang kontak

antar partikel/flok menjadi lebih besar dan waktu kontak serta waktu

pengendapannya menjadi lebih cepat (Kawamura, 2001).

Proses dalam flokulasi adalah proses pengadukan lambat. Tujuan pengadukan

lambat adalah untuk mempercepat penggabungan partikel yang disebabkan proses

aglomerisasi dari partikel koloid nonstabil bermuatan sehingga menjadi bentuk

yang dapat diendapkan dan tersisa partikel dalam bentuk yang dapat disaring.

20

Gambaran umum proses terbentuknya flok oleh adanya penambahan koagulan dan

pengadukan yang tepat ditunjukkan oleh Gambar II.7

Gambar II.7 Proses pembentukan flok (AWWA, 1984)

Penggabungan partikel dapat terjadi karena :

• Gerak Brown (perikinetik), atau

• Gradien kecepatan dalam media tersuspensi (ortokinetik) yang tergantung

pada temperatur, kecepatan gradien, jumlah partikel koloid, konsentrasi dan

ukuran partikel koloid

II.4 Aluminium Sulfat

Alum (aluminium sulfat) merupakan koagulan paling populer yang digunakan

untuk pengolahan air.

Al2(SO4)3.xH2O + 6HCO3- 2Al(OH)3 ↓ + 3SO4

- + 6CO2 + xH2O (2.3)

Dari reaksi diatas akan diperoleh endapan aluminium hidroksida. Hal penting

yang perlu dicatat bahwa untuk setiap mol alum yang bereaksi, maka terdapat

enam ekivalen alkalinitas bikarbonat yang dibutuhkan dan 6 mol karbon dioksida

yang dihasilkan. Penurunan alkalinitas bikarbonat dan peningkatan karbon

dioksida akan mengakibatkan penurunan pH.

21

Aluminium sulfat (AL2(SO4)3) merupakan koagulan yang sering digunakan dalam

pengolahan air karena harganya murah dan mudah diperoleh dipasaran. Bahan ini

dapat berfungsi efektif pada pH antara 4 – 8.

II.4.1 Hidrolisasi Alum

Saat alum ditambahkan ke air, akan terbentuk hidroksida aluminium (Gambar II.

8). Bentuk sederhananya adalah presipitat tak larut (Al(OH)3) ditambah ion

terlarut bermuatan positif seperti: Al(H2O)63+, Al(OH)(H2O)5

2+ dan

Al13O4(OH)247+ serta ion terlarut bermuatan negatif Al(OH)4, proporsi masing-

masingnya bisa bervariasi tergantung pada dosis alum dan pH setelah

penambahan alum (Amirtarajah & O’Melia, 1999). Selain itu ion sulfat (SO4-2)

juga bisa menjadi bagian dari dari hidro aluminium komplek melalui proses

substitusi dengan beberapa ion hidroksida (OH-1) dan ini akan menyebabkan

turunnya muatan hidroksida (Moramarco & Ravina, 1993).

Al(H2O)63+

Al(OH)(H2O)52+

Al13O4(OH)247+

Al(OH)3(s)

Al(OH)4-

Ion hidrogen

Ion hidrogen

Ion hidrogen

Ion hidrogen

Ion aluminium

presipitat

Spesies polynuclear

Spesies mononuclear

Ion aquo Al

Gambar II.8 Produk hidrolisis alumunium sulfat (Amirtarajah & O’Melia, 1999)

22

Dari (Amirtarajah & O’Melia, 1999) diketahui bahwa Kodama dan Schnitzer pada

tahun 1980; Bersch dan Parker pada tahun 1996 mengatakan kalau reaksi kimia

yang terjadi pada saat penambahan alum ke air bersifat kompleks sehingga

sebagian masih ada yang belum dimengerti. Saat proses hidrolisis terjadi, jika

jumlah ion total logam dalam sistem mencukupi, produk mononuclear sederhana

akan bisa membentuk spesies polynuclear komplek yang seterusnya akan bisa

berubah bentuk menjadi mikrokristal dan presipitat hidroksida logam. Produk

hidrolisis bisa mengadsorpsi dan dilanjutkan dengan menghidrolisa permukaan

partikel

Kelarutan presipitat hidroksida logam adalah salah satu faktor yang menentukan

efisiensi koagulan dan untuk meminimasi sisa Al di air hasil olahan. Kelarutan

koagulan alum sangat ditentukan oleh pH (Gambar II.9). Pada pH rendah,

dissolusi presipitat hidroksida logam akan menghasilkan muatan positif, produk

hidrolisis terlarut dan ion metal Al+3. Pada pH tinggi, akan terbentuk muatan

negatif dan Al(OH)4- terlarut.

Gambar II.9 Diagram kelarutan presipitat aluminium hidroksida (Amirtarajah & O’Melia, 1999)

23

Spesies polynuclear seperti Al(OH)204+, Al13O4(OH)24

7+ dan Al14(OH)3210+ adalah

produk intermediat metastabil dalam larutan yang mencapai atau melebihi derajat

supersaturasi Al2O3 dan Al(OH)3. Spesies ini akan terdeteksi keberadaannya pada

konsentrasi alum > 275 mg/L dan pada pH antara 5,5 – 7

II.4.2 Cara Kerja Alum

Saat koagulan ditambahkan ke air yang mengandung material organik, jika dosis

koagulan mencukupi dan kondisi fisik kimia air kondusif maka produk hidrolisis

akan membentuk flok (Gambar II.10). Proses yang terjadi terbagi dalam beberapa

langkah:

Gambar II.10 Tahapan reaksi yang mungkin akan dilalui jika alum ditambahkan ke air yang mengandung zat organik dan partikel (Amirtarajah & O’Melia, 1999)

• Langkah A dan B

Pada langkah A dan B ini diperkirakan terjadi reaksi antara produk hidrolisis

logam koagulan dengan binding site logam pada permukaan kontaminan dan

terjadi ikatan antara produk hidrolisis dengan komponen organik alamiah

terlarut. Jika ketersediaan binding site untuk terjadinya ikatan dengan

produk hidrolisis cukup tinggi dan affinitas terhadap Al cukup tinggi maka

semua produk hidrolisis akan bereaksi dengan permukaan kontaminan,

24

reaksi ini bersifat irreversibel sehingga produk hidrolisis yang telah

berikatan tidak akan bisa membentuk presipitat hidroksida logam.

Bila partikel bermuatan negatif, site bound produk hidrolisis metal yang

bermuatan positif akan bisa menetralisir muatan partikel sehingga suspensi

akan terdestabilisasi. Jika proses koagulasi dengan netralisasi muatan terjadi

pada suspensi terlarut maka laju flokulasi akan rendah jika dibandingkan

dengan laju flokulasi oleh kehadiran presipitat hidroksida logam. Proses ini

ditentukan oleh pH dan ketersediaan site- binding anion dan kation.

• Langkah C dan D

Presipitat hidroksida logam dan produk hidrolisis logam terlarut akan mulai

terbentuk setelah kebutuhan koagulan untuk langkah A dan B sudah

terpenuhi. Jika jumlah site yang bisa mengikat presipitat hidroksida logam

relatif rendah, reaksi dengan binding site dan pembentukan presipitat

hidroksida logam dalam larutan bisa terjadi secara simultan. Diduga, yang

paling mempengaruhi pemilihan salah satu langkah adalah intensitas

pengadukan yang berfungsi untuk menyebarkan koagulan didalam larutan.

Saat hidroksida logam mulai berpresipitasi akibat adanya kandungan

organik, kandungan organik dengan berat molekul yang lebih tinggi dan

lebih hidrofobik cenderung untuk mengadsorp dan melingkupinya. Proses

ini akan membutuhkan jumlah koagulan yang tinggi. Saat densitas NOM

yang teradsorpsi cukup tinggi, partikel mikrokristal akan punya muatan

negatif, stabil, dan terdispersi oleh proses steric stabilization.

Saat dosis koagulan melebihi kebutuhan, pembentukan presipitat yang tidak

stabil akan menghasilkan pembentukan flok yang lebih cepat dan visibel.

Proses ini disebut sweep coagulation atau enmeshment. Dalam banyak

kasus, laju flokulasi sebanding dengan volume konsentrasi presipitat dalam

larutan. Pembentukan flok melalui enmeshment mencakup interaksi partikel

pada presipitat hidroksida logam dan kontak dengan partikel kontaminan.

25

Terjadi kemungkinan pada pH<6.5, presipitat mikrokristal menjadi stabil

dan terdispersi oleh muatan zat organik yang tinggi. Jika hal ini terjadi,

penyisihan presipitat koloid dengan cara penyisihan flok akan mungkin

terjadi. Anion multivalen seperti komponen organik akan cenderung

teradsorpsi pada permukaan hidroksida positif sehingga terjadi destabilisasi

presipitat suspensi jika larutan mengandung banyak anion, maka

pembentukan presipitat pada pH rendah tidak akan terjadi.

Pada proses presipitasi dan netralisasi muatan oleh koagulan, destabilisasi

akan terbentuk setelah batas kelarutan hidroksida logam terlampaui. Model

ini tidak berlaku untuk pengambilan spesies hidrolis oleh permukaan

partikel sebelum presipitat mulai terbentuk.

• Langkah E

Jumlah flokulen presipitat hidroksida logam yang terbentuk akan tergantung

pada kondisi pH akhir. Jika pH akhir mendekati pH kelarutan minimum

presipitat hidrosida logam, jumlah presipitat akan maksimal dan kehadiran

ion metal terlarut di air akan minimal.

II.5 Parameter Operasi Koagulasi dan Flokulasi

Disamping parameter karakteristik air (kekeruhan, alkalinitas, pH dan suhu) dan

koagulan (jenis dan dosis), parameter operasi lainnya yang berperan penting

dalam koagulasi flokulasi adalah gradien kecepatan dan intensitas pengadukan.

Gradien kecepatan air menunjukkan besarnya kecepatan relatif dua partikel air

yang sedang bergerak terhadap jarak antara dua partikel air tersebut. Jadi gradien

kecepatan merupakan parameter yang menentukan kondisi aliran (turbulensi air)

yang disyaratkan bagi berlangsungnya proses koagulasi-flokulasi. Nilai G untuk

pengadukan cepat biasanya sekitar 1000/detik selama 1 detik, dan antara 20-

200/detik untuk pengadukan lambat.

Dari Amirtarajah dan O’Melia (1999) diketahui bahwa pendekatan rasional untuk

mengevaluasi dan mendesain pengadukan telah dikembangkan oleh T.R.Camp

26

pada tahun 1955. Derajat pengadukan merupakan berdasarkan pada daya (power

input) yang diberikan ke dalam air, dalam hal ini diukur gradien kecepatannya.

Laju tabrakan partikel proporsional terhadap gradien kecepatan, sehingga gradien

tersebut harus mencukupi untuk menghasilkan laju tabrakan partikel yang

diinginkan. Camp pada tahun 1943 juga telah mendefinisikan gradien kecepatan,G

sebagai:

μμVP

QtG

VPG d

.1. =⋅

= (2.5)

Dimana : G = gradien kecepatan rata-rata (/detik)

G.td = parameter tak berdimensi

P = power input

V = volume tangki

μ = viskositas absolut liquid

Bagian integral dari proses koagulasi-flokulasi adalah proses pengadukan, baik

flash mixing maupun slow mixing. Pengadukan dapat dilakukan dengan beberapa

cara, namun yang dipakai dalam penelitian ini adalah pengadukan

mekanis.Pengadukan ini merupakan metode yang paling umum digunakan, karena

metode ini dapat diandalkan, sangat efektif dan fleksibel pada pengoperasiannya.

Biasanya pengadukannya menggunakan turbin impeller, paddle impeller atau

propeller untuk menghasilkan turbulensi.

Untuk agitasi turbulen dan laminer menggunakan impeller :

53... DNg

KP T ρ= 32... DNg

KP L ρ= (2.6)

dimana:

P : power input (N.m/dtk)

g : percepatan gravitasi bumi (m/dtk2)

ρ : rapat massa air (N.dtk2/m4)

27

N : jumlah putaran pengaduk (put/dtk)

D : diameter impeller (m)

KT : konstanta impeller untuk aliran turbulen

KL : konstanta impeller untuk aliran laminer

Untuk pengadukan menggunakan paddle :

3....21 vACP D ρ= (2.7)

dimana: P : power input (N.m/dtk)

CD : koefisien drag

ρ : rapat massa air (N.dtk2/m4)

A : luas area paddle (m2)

v : kecepatan paddle relatif terhadap air (m/dtk)

28