MODEL ALAT PENGOLAHAN Fe dan Mn

MENGGUNAKAN SISTEM VENTURI AERATOR

DENGAN VARIABEL KECEPATAN ALIRAN DAN JUMLAH

PIPA VENTURI

INSTRUMENT MODELS PROCESSING Fe and Mn USING

VENTURI AERATOR WITH VENTURI FLOWRATE AND

TOTAL PIPELINE VARIABLES.

Annas Taufan

Jurusan Teknik Lingkungan ITS

Email : annas.taufan@yahoo.com

Abstrak

Penelitian telah dilakukan menggunakan Venturi Aerator sebagai alat aerasi untukmenurunkan kadar Fe dan Mn dalam air tanah di daerah sedati, Sidoarjo. Pemilihan alat inidikarenakan mempunyai efektivitas lebih tinggi dan mempunyai desain yang lebih sederhanadaripada aerator lainnya. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah kecepatan alirandalam pipa utama dan jumlah pipa venturi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada kecepatan aliran 1.2 m/s mempunyai efisiensipenurunan kadar Fe dan Mn terbaik dengan nilai efisiensi sebesar 96.23% untuk Fe dan 94.91%pada Mn. Selain itu jumlah pipa venturi sebanyak lima buah mempunyai efisiensi penurunan kadarFe dan Mn terbaik dengan nilai efisiensi sebesar 96.23% untuk Fe dan 92.37% untuk Mn.

Kata kunci : Reduksi Fe dan Mn, Venturi Aerator, Jumlah pipa, Kecepatan aliran.

Abstract

Research has conducted using Venturi Aerator as a aeratior to reduce levels of Fe and Mn inSedati groundwater area, Sidoarjo. The selection tool is due to have a higher effectiveness and havea design that is more simple than the other aerator. The variables used in this study is the flowrate inthe main pipe and the number of venturi pipe.

Results showed that the flowrate 1.2 m / s has the highest efficiency levels of Fe and Mnreduction up to 96.23% for Fe and 94.91% for Mn. In addition the amount of five venturi pipe hasthe highest efficiency of Fe and Mn reduction to 96.23% to 92.37% for Fe and Mn.

Keywords: Reduction of Fe and Mn, Venturi Aerator,total pipeline, flowrate.

mailto:annas.taufan@yahoo.com

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Air tanah mempunyai kandungan mikroorganisme yang relatif rendah karena kontak

dengan lingkungan yang relative kecil. Akan tetapi air tanah mempunyai kandungan Fe dan

Mn yang relatif tinggi. Hal ini dikarenakan di dalam air tanah tidak terjadi kontak dengan

udara luar dan adanya terjadinya pelapukan batuan. Kandungan Fe yang tinggi dapat

mempengaruhi kesehatan ginjal sedangkan kandungan Mn yang tinggi akan meyebabkan air

berwarna coklat kehitaman. Oleh sebab itu, perlu sebuah proses pengolahan yang sederhana

untuk menghilangkan kadar Fe dan Mn.

Salah satu pengolahan yang dapat dilakukan adalah proses aerasi, yaitu sebuah proses

untuk memasukkan oksigen dalam air sehingga Fe dan Mn akan bereaksi dengan oksigen

sehingga akan Fe2+ dan Mn2+ yang sebelumnya terlarut dalam air menjadi Fe3+ dan Mn3+

yang akan mengendap untuk kemudian dipisahkan dari air tanah. Akan tetapi aerator yang

digunakan selama ini mempunyai desain yang rumit dan sulit untuk dirancang. Sehingga

pada penelitian ini, akan direncanakan alat aerasi ( Aerator ) yang sederhana sehingga mudah

digunakan oleh semua lapisan masyarakat yaitu Venturi Aerator. Venturi aerator adalah

venturi yang memiliki lubang pada bagian tharoat-nya sehingga udara dapat masuk ke dalam

fluida yang mengalir di dalamnya. Hal ini dapat terjadi karena aliran fluida di bagian throat

venturi memiliki tekanan di bawah atmosfer sehingga udara luar yang memiliki tekanan

atmosfer dapat masuk ke dalam aliran dengan sendirinya tanpa tambahan energi.

Venturi aerator memiliki desain yang sederhana dan mudah dirancang sehingga

sangat tepat digunakan untuk masyarakat yang belum terjangkau PDAM.. Dalam penelitian

ini, didesain modifikasi dari Venturi Aerator yang tepat guna bagi masyarakat sehingga dapat

diterapkan dengan mudah oleh masyarakat umum.

1.2 Perumusan Masalah

Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana cara mendesain Venturi Aerator

yang tepat guna dengan mencari :

1. Diameter pipa utama

2. Jumlah pipa venture

1.3 Tujuan Penulisan

1. Menentukan kecepatan aliran yang terbaik untuk Venturi Aerator

2. Menentukan jumlah pipa venturi yang terbaik untuk Venturi Aerator

1.4 Landasan Teori

1.4.1 Besi (Fe) dan Mangan (Mn)

Besi adalah unsur alam yang dapat ditemukan pada tanah dan batuan. Unsur besi dan

mangan dapat dihubungkan dengan pelapukan batuan dan mineral. Dengan alkalinitas yang

rendah, kadar Fe dapat mencapai 10 mg/l dan biasanya terdapat pada air sumur dalam, danau,

reservoir(Kawamura,2000).

Pada umumnya besi (Fe) dalam air memiliki sifat:

1. tergabung dengan zat organik atau zat padat inorganik, seperti tanah liat

2. tersuspensi sebagai butir koloidal (diameter < 1 m) atau yang lebih besar seperti Fe2O3,

FeO, Fe(OH)3 dan sebagainya.

3. terlarut sebagai Fe2+ (ferro) atau Fe3+ (ferri)

(Alaerts, 1987)

Kelarutan besi (Fe) dalam air dipengaruhi oleh:

1. Kedalaman

Kelarutan besi dalam air akan semakin tinggi jika semakin dalam air meresap ke dalam

tanah. Besi terlarut dalam bentuk Fe(HCO3)2.

2. pH

Nilai pH rendah (pH

noda pada peralatan pipa serta pakaian. Ketika senyawa mangan melalui proses oksidasi,

akan dihasilkan endapan mangan. Bahkan pada konsentrasi0,02 mg/l, mangan akan

membentuk lapisan pada pipa berwarna hitam. Mangan juga dapat menyebabkan gangguan

pertumbuhan organism. Konsentrasi mangan yang tinggi menimbulkan masalah bau, rasa,

dan kekeruhan pada air distribusi ( Kaul and Gautam, 2002).

1.4.2 Kelarutan Oksigen dalam air

Oksigen terlarut menunjukkan volume oksigen yang terkandung dalam air. Oksigen

masuk ke dalam sistem perairan melalui sistem fotosintesa tumbuhan air dan difusi oksigen

dari udara ke permukaan air. Banyaknya oksigen yang dapat larut ke dalam air tergantung

kepada temperatur, tekanan dan kadar garam di dalam sistem perairan tersebut. Kelrutan

oksigen meningkat jika kadar garam semakin rendah. Dengan kata lain, air laut mengandung

kadar oksigen terlarut yang lebih rendah dibandingkan dengan air murni. Dan kelarutan

oksigen akan menurun dengan turunnya tekanan. Daerah yang tinggi memiliki tekanan udara

yang lebih rendah sehingga air di daerah pegunungan mengandug oksigen terlarut yang lebih

sedikit dibanding air di dataran rendah (Perry, R.H, 1999 ).

Untuk mendapatkan efisiensi transfer terbesar diperlukan:

1. Pada kedua bentuk larutan dan gas, elemen fluida pada bentuk bulk harus dibawa ke

lapisan antarmuka secepat mungkin.

2. Ketebalan antarmuka harus kecil

3. Area kontak harus luas

1.4.3 Venturi Meter

Venturimeter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran dalam

pipa. Alat ini terdiri dari : (1) bagian hulu, yang berukuran sama dengan pipa. Pada bagian ini

dipasang manometer diferensial. (2) bagian kerucut konvergen. (3) bagian leher yang

berbentuk silinder dengan ukuran diameter lebih kecil dari diameter hulu. Pada bagian ini

juga dipasang manometer diferensial. (4) bagian kerucut divergen yang secara berangsur-

angsur berukuran sama dengan bagian hulu atau sama dengan pipa (Sudarja, 2002).

Gambar 1. Venturimeter

Sebuah persamaan yang digunakan untuk mengukur laju aliran dalam venturi adalah

persamaan Bernoulli. Penggunaan persamaan Bernoulli pada aliran fluida dalam venturi

horizontal akan menghasilkan :

gV2

21 +

gP

1 + Z1=1

22

2gV +

gP

2 +Z2 + Hf

Untuk mengetahui perbedaan tekanan antara dua titik menggunakan manometer diferensial.

Gambar 2. Perbedaan tekanan antara dua titik menggunakan manometer diferensial

Dari gambar (a) :

pA + h1 1 = pB + h2 2 + h3 3

pA - pB = h2 2 + h3 3 - h1 1

Dari gambar (b) :

pA + h1 1 + h3 3 = pB + h2 2

pA - pB = h2 2 - h1 1 - h3 3

2. METODOLOGI

Penelitian ini dilakukan pada kinerja alat Venturi Aerator dalam mereduksi kadar Fe

dan Mn yang terkandung dalam air tanah. Penelitian ini juga menggunakan dua variabel yaitu

kecepatan aliran dan jumlah pipa Venturi Aerator. Sedangkan parameter yang dianalisa

dalam penelitian ini adalah kadar Fe dan Mn sebelum dan sesudah proses aerasi dalam alat

Venturi Aerator

i. Pompa : Debit = 40 l/mnt

Head = 32 meter

ii. Pipa Utama : Pipa PVC

Diameter = , 1, 1

Panjang = 6 meter

iii. Pipa Venturi : Spidol diameter =7.5 mm

Sudut Irisan =30o, 45o, 60o

Jumlah pipa = 1, 3, 5 buah

Gambar 3. Rancangan alat Venturi Aerator

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Analisa Awal

Tabel 1. Hasil Analisa Awal Air Sampel

Parameter Hasil AnalisaLaboratorium (mg/l)

Batas Konsentrasi Maksimum Menurut KepmenkesRI No. No. 492/MENKES/PER/IV/2010 (mg/l)

Besi (Fe) 3.533 0.3Mangan (Mn) 2.85 0.1

Sumber : Hasil analisa dan literatur.

3.2 Hasil Analisa FeAnalisa besi ini pada umumnya mempunyai efisiensi penurunan kadar Fe tinggi

karena pada umumnya besi lebih mudah untuk diaerasi daripada mangan. Analisa ini

sekaligus menganalisa desain variabel terbaik dari penelitian Saudara Prasdiatma Pratama

karena penelitian ini merupakan gabungan variabel antara penulis dengan saudara prasdiatma

Pratama. Variabel terbaik dari saudara Prasdiatma Pratama yang digunakan dalam analisa ini

adalah variabel diameter pipa venture sebesar 7.5 mm dan sudut irisan pipa venture sebesar

30o.

a. Pengaruh Variabel Kecepatan aliran terhadap kadar Fe.

Berikut ini merupakan hasil analisa Fe yang akan dianalisa dengan lebih mendalam

dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tabel 2. Konsentrasi Fe Setelah Pengolahan Berdasarkan Kecepatan aliran

30oFe

1 3 5

1.2 m/s 0.250 0.217 0.133

0.6 m/s 0.517 0.500 0.500

0.4 m/s 1.567 1.567 1.750

Sumber : Hasil Analisa

Gambar 4. Efisiensi Penurunan Fe berdasarkan Kecepatan Aliran

Dari Tabel dan Gambar di atas dapat diketahui bahwa efisiensi penurunan kadar Fe

tertinggi berdasarkan variabel kecepatan aliran adalah 96.23% dengan kecepatan aliran

sebesar 1.2 m/s. sedangkan kecepatan aliran 0.4 m/s mempunyai efisiensi penurunan terendah

dengan 39.14%. Sehingga dalam penelitian ini kecepatan aliran yang mempunyai efisiensi

penurunan kadar fe terbaik berturut-turut adalah kecepatan 1.2 m/s, 0.6 m/s, 0.4 m/s. Dengan

ketiga variasi tersebut dapat disimpulkan bahwa kecepatan aliran yang semakin tinggi akan

semakin menambah efisiensi penurunan kadar Fe dalam air.

Hal ini disebabkan karena semakin tinggi kecepatan aliran dalam pipa utama maka

akan semakin memperbesar daya hisap pipa venture terhadap udara luar. Hal ini sesuai

dengan prinsip venturi aerator dimana kecepatan aliran yang berada dalam pipa utama

sebanding dengan daya hisap yang ditimbulkan dari pergerakan aliran tersebut.

Selain itu hal ini juga disebabkan karena dengan kecepatan yang rendah maka

rangkaian pipa utama yang dipakai juga akan semakin besar, hal ini akan menyebabkan

semakin mengecilnya perbandingan antara volume udara yang masuk dengan volume air

tanah yang berada dalam pipa utama.

Beberapa data menunjukkan adanya penyimpangan pola dari pola secara umum yaitu

data pada daerah dengan kecepatan 0.4 m/s. Pola yang terjadi bertentangan dengan

kebanyakan pola yang lain dimana semakin tinggi kecepatan aliran dan semakin banyak

jumlah pipa venture yang terpasang maka semakin baik efisiensi penurunan kadar Fe dan Mn.

Jika dilihat dari pola pada daerah dengan kecepatan 0.4 m/s maka pola yang timbul terlihat

tidak beraturan. Hal ini disebabkan karena kecepatan sebesar 0.4 m/s mempunyai kecepatan

yang kurang untuk dapat menghisap udara yang cukup. Selain itu diameter pipa yang terlalu

besar menyebabkan aliran di dalam pipa yang tidak stabil karena pompa yang digunakan juga

terkadang tidak dapat mengalirkan air dengan stabil.

b. Pengaruh Variabel jumlah Pipa Venturi terhadap kadar Fe

Berikut ini merupakan hasil analisa Fe yang akan dianalisa dengan lebih mendalam

dengan variabel jumlah pipa venturi dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tabel 2. Konsentrasi Fe Setelah Pengolahan Berdasarkan Jumlah Pipa Venturi

sudut irisan pipa

venturi 30oKonsentrasi Fe

(mg/l) 1.2

m/s

0.6

m/s

0.4

m/s

1 buah 0.250 0.517 1.567

3 buah 0.217 0.500 1.567

5 buah 0.133 0.500 1.750

Sumber : Hasil Analisa

Gambar 5. Efisiensi Penurunan Fe berdasarkan Jumlah Pipa Venturi

Dari Tabel dan Gambar di atas dapat diketahui bahwa efisiensi penurunan kadar Fe

tertinggi sebesar 96.23% sedangkan efisiensi penurunan kadar Fe terendah adalah 39.14%.

Efisiensi penurunan kadar Fe tertinggi terjadi pada jumlah pipa venturi yang terbanyak.

Sedangkan efisiensi penurunan kadar Fe terendah terjadi pada jumlah pipa venture yang

paling sedikit yaitu satu buah. Sehingga dapat ditarik sebuah kesimpulan bahwa semakin

banyak jumlah pipa venture yang terpasang maka akan semakin memperbesar efisiensi

penurunan kadar Fe yang terkandung dalam air yang telah dilakukan aerasi. Ruang lingkup

jumlah pipa venture dalam penelitian ini adalah sebanyak maksimal lima buah dengan variasi

jumlah pipa venture yang lain adalah satu dan tiga buah pipa venture.

Hal ini terjadi karena dengan semakin banyak jumlah pipa venture yang terpasang

maka akan semakin memperbesar volume udara yang masuk dalam rangkaian alat venture

aerator sehingga akan memperbesar terjadinya kontak oksigen dengan Fe sehingga Fe2+ akan

berubah menjadi Fe3+. Ferri ini akan mengendap dan kadar Fe yang terlarut dalam air akan

berkurang.

Dalam keseluruhan data pada Tabel 4.5. dan Gambar 4.3. menunjukkan pola

kecenderungan efisiensi penurunan kadar Fe dimana semakin banyak jumlah pipa venture

maka akan semakin baik efisiensi penurunan kadar Fe meskipun terdapat data yang

menunjukkan adanya pola yang bertentangan dengan kecenderungan data secara umum.

Beberapa data yang menunjukkan adanya penyimpangan pola dari pola secara umum

yaitu data pada daerah dengan kecepatan 0.4 m/s. Pola yang terjadi bertentangan dengan

kebanyakan pola yang lain dimana semakin tinggi kecepatan aliran dan semakin banyak

jumlah pipa venture yang terpasang maka semakin baik efisiensi penurunan kadar Fe dan Mn.

Jika dilihat dari pola pada daerah dengan kecepatan 0.4 m/s maka pola yang timbul terlihat

tidak beraturan. Hal ini disebabkan karena kecepatan sebesar 0.4 m/s mempunyai kecepatan

yang kurang untuk dapat menghisap udara yang cukup. Selain itu diameter pipa yang terlalu

besar menyebabkan aliran di dalam pipa yang tidak stabil karena pompa yang digunakan juga

terkadang tidak dapat mengalirkan air dengan stabil.

4.3. Hasil Analisa Mn

Analisa Mn ini pada umumnya mempunyai efisiensi penurunan kadar Mn yang lebih

rendah karena pada umumnya mangan lebih sulit untuk diaerasi daripada besi. Analisa ini

sekaligus menganalisa desain variabel terbaik dari penelitian Saudara Prasdiatma Pratama

karena penelitian ini merupakan gabungan variabel antara penulis dengan saudara prasdiatma

Pratama. Variabel terbaik dari saudara Prasdiatma Pratama yang digunakan dalam analisa ini

adalah variabel diameter pipa venture sebesar 7.5 mm dan sudut irisan pipa venture sebesar

30o.

a. Pengaruh Variabel Kecepatan aliran terhadap kadar Mn.

Sedangkan variabel ini mempunyai efisiensi penurunan yang terbesar daripada

variabel lainnya. Hal ini disebabkan adanya sudut irisan pipa venture sebesar 30o yang

merupakan sudut irisan yang paling baik dalam melakukan aerasi.

Tabel 3. Konsentrasi Mn Setelah Pengolahan Berdasarkan Kecepatan aliran

Konsentrasi Mn

(mg/l)sudut irisan pipa venturi 30o

Kecepatan

Aliran1 3 5

1.2 m/s 0.652 0.483 0.242

0.6 m/s 0.966 0.821 0.217

0.4 m/s 1.546 1.377 1.208

Sumber : Hasil Analisa

Variasi yang dilakukan juga mempunyai pengaruh terhadap penurunan kandungan Mn,

pada data di atas dapat dilihat bahwa efiesiensi penurunan yang terjadi sebesar 80%. Jika

dibandingkan dengan efisiensi yang terjadi pada kadar Fe dengan perlakuan yang sama maka

akan tampak terlihat bahwa efisiensi penurunan yang terjadi lebih besar pada proses

penurunan kandungan Fe. Hal ini disebabkan karena kebutuhan oksigen yang dibutuhkan

untuk mengoksidasi Mn lebih besar daripada kebutuhan oksigen yang dibutuhkan untuk

mengoksidasi Fe. Dari literatur diperoleh bahwa untuk mengoksidasi 1 mg/l Mn dibutuhkan

0.29 mg/l O2 sedangkan untuk mengoksidasi 1 mg/l Fe dibutuhkan 0.14 mg/l O2.

Gambar 6. Efisiensi Penurunan Mn berdasarkan Kecepatan Aliran

Adapun pola penurunan yang terjadi dalam penurunan kandungan Mn ini mempunyai

karakteristik yang sama dengan pola penurunan kandungan Fe dan perlakuan yang sama.

Secara umum variasi dengan kecepatan 1.2 m/s mempunyai efisiensi penurunan yang terbesar

daripada variasi kecepatan lainnya. Namun dalam data di atas efisiensi yang terbesar justru

terdapat pada kecepatan 0.6 m/s meskipun data yang lain menunjukkan pola penurunan yang

sesuai dengan teori. Hal ini dapat disebabkan adanya perbandingan distribusi oksigen yang

tidak merata sehingga terkadang beberapa variasi yang dilakukan tidak menunjukkan

kecenderungan secara umum.

b. Pengaruh Variabel Jumlah Pipa Venturi Terhadap Kadar Mn

Untuk variabel jumlah pipa venturi, pola yang terjadi tidak jauh berbeda dengan

analisa Mn. Perbedaan yang ada terletak pada besaran efisiensi dimana efisiensi pada Mn

cenderung lebih rendah daripada efisiensi pada Fe. Hal ini terjadi karena Mn lebih sulit

diaerasi daripada Fe. Dalam penelitian variabel jumlah pipa venturi ini, jumlah pipa venturi

mempengaruhi efisiensi penurunan kadar Mn karena dengan semakin banyaknya jumlah pipa

venturi yang terpasang maka akan semakin besar volume udara yang kontak dengan air

sehingga aerasi yang terjadi semakin besar.

Tabel 4. Konsentrasi Mn Setelah Pengolahan Berdasarkan Jumlah Pipa Venturi

sudut irisan pipa

venturi 30oKonsentrasi

Mn (mg/l) 1.2

m/s

0.6

m/s

0.4

m/s

5 buah 0.652 0.966 1.546

3 buah 0.483 0.821 1.377

1 buah 0.242 0.217 1.208

Sumber : Hasil Analisa

Gambar 7. Efisiensi Penurunan Mn berdasarkan Jumlah Pipa Venturi

4. KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian ini didapatkan beberapa kesimpulan diantaranya adalah :

1. Semakin besar kecepatan aliran dalam pipa utama maka akan dihasilkan efisiensi

penurunan kadar Fe dan Mn yang semakin baik. Dalam penelitian ini kecepatan aliran

1.2 m/s merupakan variabel kecepatan aliran terbaik dengan menghasilkan efisiensi

penurunan terbaik yaitu : 96.23% untuk Fe dan 94.91% pada Mn

2. Jumlah pipa venturi yang terpasang pada pipa utama berpengaruh terhadap efisiensi

penurunan kadar Fe dan Mn. Semakin banyak pipa venturi yang terpasang maka akan

semakin baik efisiensi penurunan kadar Fe dan Mn. Efisiensi maksimal yang dapat

dicapai dengan variabel ini adalah 96.23% untuk Fe dan 92.37% untuk Mn.

3. Konfigusrasi desain terbaik alat venturi dalam penelitian ini adalah venturi aerator

dengan kecepatan aliran 1.2 m/s dan jumlah pipa venturi sebanyak 5 buah. Namun

kadar Mn tetap melebihi batas maksimum yang diperbolehkan yaitu 0.1 mg/l

4.2 Saran

Beberapa saran yang dapat diberikan dari hasil penelitian ini adalah :

1. Menambahkan alat flow meter pada rangkaian venturi aerator untuk dapat memantau

debit air yang mengalir dalam venturi aerator.

2. Menambahkan perekat yang lebih erat untuk memastikan pipa venturi terpasang

dengan baik pada pipa utama

5. DAFTAR PUSTAKA

Alaert, G. Dan Sumestri, S. 1987. Metodologi Penelitian Air. Usaha Nasional. Surabaya.

Anonim. 2002. Emergency Treatment of Drinking Water at point-of-use. WHO.

Samad, ZB.2005. Study On Iron And Manganese Removal In River Water For Textiles

Industry Usage. Universiti teknologi Malaysia.

Gray, N.F. 1999. Water Technology, An Introduction For Environmental Sciencetists and

Engineers. BH.

Kawamura, S. 2000. Integrated Design of Water Treatment Facilities. John Willey and

Sons. Inc. New York.

McCarty P.C. Sawyer C.N., and Parkin G.F. 1994. Chemistry For Environmental

Engineering. Mcgraw Hill Inc.

Peavy, .1985. Environmental Engineering. Singapore: McGraw- Hill, Inc

Perry, R.H and Green W.D. 1999. Perrys Chemical Engineers Handbooks. Mc Graw Hill

Companies, Inc.

Pratama, P. 2010. Model Alat Pengolahan Fe dan Mn Menggunakan Sistem Venturi

Aerator Dengan Variabel Diameter Pipa Venturi dan Sudut Irisan Pipa Venturi.

Institut Teknologi Sepuluh Nopember.