unit operasi prasedimentasi

Unit OperasiPrasedimentasi

Program Studi Teknik LingkunganFakultas Teknik

Universitas Diponegoro

Umum

• Prasedimentasi (disebut juga plain sedimentation atau sedimentasi I) dimaksudkan untuk mengendapkan partikel diskret atau partikel kasar atau lumpur.

• Partikel diskrit adalah partikel yang tidak mengalami perubahan bentuk dan ukuran selama mengendap di dalam air.

Umum

• Prasedimentasi hanya diperlukan apabila dalam air baku terdapat partikel diskrit atau partikel kasar atau lumpur dalam jumlah yang besar.

• Pengendapan dilakukan dalam bak berukuran besar (biasanya membutuhkan waktu detensi selama 2 hingga 4 jam) dalam aliran yang laminer, untuk memberikan kesempatan lumpur mengendap tanpa terganggu oleh aliran.

• Pengendapan berlangsung secara gravitasi tanpa penambahan bahan kimia sebelumnya.

Kecepatan Pengendapan• Vs = kecepatan

pengendapan, m/det• Sg = Specific gravity• ρs = densitas massa

partikel, kg/m3

• ρ = densitas massa liquid, kg/m3

• g = percepatan gravitasi, m/detik2

• v = viskositas kinematik, m2/detik

• μ = viskositas absolut, N.detik/m2

Bentuk Prasedimentasi

• Rectangular (segi empat)• Circular (lingkaran)

Bak Sedimentasi Ideal

• Sebuah aliran horizontal dalam bak sedimentasi menunjukkan karakteristik, yang secara umum digunakan untuk melukiskan cara pengendapan partikel diskrit.a. Aliran melalui bak terdistribusi merata

melintasi sisi melintang bakb. Partikel terdispersi merata dalam airc. Pengendapan partikel yang dominan

terjadi adalah type I

Zona Pengendapan Prasedimentasi

• Zona inlet• Zona pengendapan• Zona lumpur• Zona outlet

Zona Inlet

• Dalam zona ini aliran terdistribusi tidak merata melintasi bagian melintang bak; aliran meninggalkan zona inlet mengalir secara horizontal dan langsung menuju bagian outlet.

Zona Pengendapan

• Dalam zona ini, air mengalir pelan secara horizontal ke arah outlet, dalam zona ini terjadi proses pengendapan.

• Lintasan partikel diskrit tergantung pada besarnya kecepatan pengendapan.

Zona Lumpur

• Dalam zona ini lumpur terakumulasi. Sekali lumpur masuk area ini, maka lumpur akan tetap disana.

Zona Outlet

• Dalam zona ini, air yang partikelnya telah terendapkan terkumpul pada bagian melintang bak dan siap mengalir keluar bak.

Pola Pengendapan Partikel Diskrit

Tipe Fenomena Gravitasi dalam Wastewater Treatment

• Pengendapan Partikel Diskrit ditujukan untuk pengendapan partikel dalam suatu suspensi konsentrasi padatan yang rendah secara gravitasi dengan percepatan yang konstan. Partikel mengendap secara individual dan tidak ada interaksi signifikan dengan partikel disekelilingnya diaplikasikan untuk removal partikel grit dan pasir dari air limbah.

17/04/2023 sumber: MetCalf & Eddy, 2003 13


• Pengendapan Partikel Flok ditujukan baik untuk pengenceran suspensi partikel yang bergabung atau yang mengalami flokulasi selama operasi pengendapan. Dengan adanya proses penggabungan tersebut, partikel meningkat dari sisi massanya dan mengendap dengan laju yang cepat diaplikasikan untuk removal TSS dalam air limbah dalam fasilitas pengendapan primer dan merupakan porsi terbesar dalam pengendapan kedua dan juga meremove flok kimia dalam tangki sedimentasi.



• Pengendapan Ballasted Flocculent ditujukan untuk penambahan agen ballast inert dan polimer menjadi suspensi terflokulasi terpisah yang mempercepat pengendapan dan reduksi padatan. Porsi dari agen ballast yang terrecover didaur ulang prosesnya diaplikasikan untuk removal TSS dalam air limbah, air limbah dari sistem yang terkombinasi dan air limbah industri dan juga mereduksi BOD dan phospor.



• Hindered Settling (juga dinamakan zona pengendapan) ditujukan untuk suspensi konsentrasi intermediate dimana gaya interpartikel cukup untuk menghalangi pengendapan partikel disekelilingnya. Partikel cenderung tersisa dalam posisi yang tepat dan massa partikel mengendap sebagai satu unit. Hubungan padatan cairan berada diatas massa padatan diaplikasikan terjadi dalam fasilitas pengendapan kedua yang dihubungkan dengan fasilitas pengolahan biologis.



• Compression Settling ditujukan untuk pengendapan dimana partikel dengan konsentrasi yang besar yang terbentuk secara struktur dan pengendapan selanjutnya dapat terjadi hanya dengan kompresi strukturnya. Kompresi berasal dari berat partikel yang secara konstan ditambahkan menjadi struktur dengan sedimentasi dari cairan supernatant diaplikasikan biasa terjadi di lapisan terendah dari padatan di dasar atau massa biosolids, seperti di dasar fasilitas pengendapan kedua dan fasilitas pengentalan padatan (solids thickening).



• Accelerated Gravity Settling ditujukan untuk removal partikel dalam suatu suspensi dengan pengendapan secara gravitasi diaplikasikan untuk removal partikel grit dan pasir dalam air limbah.



• Flotation Settling ditujukan untuk removal partikel dalam suatu suspensi yang lebih ringan daripada air dengan menggunakan udara atau flotasi gas diaplikasikan untuk removal lemak dan minyak, material ringan yang mudah mengapung, pengentalan dari suspensi padatan.


Deskripsi Gravity Separation Sedimentasi digunakan untuk:

1. removal grit, 2. removal TSS dalam bak pengendapan primer, 3. removal flok biologis dalam bak pengendapan lumpur aktif, dan; 4. removal flok kimia ketika proses koagulasi digunakan.digunakan juga untuk mengkonsentrat padatan dalam sludge thickener

Kegunaan secara primer adalah untuk memproduksi effluen terklarifikasi, tetapi juga penting untuk memproduksi lumpur dengan konsentrasi padatan yang dapat ditangani dan diolah dengan mudah.


Deskripsi Gravity Separation

• Terdapat 4 tipe pengendapan gravitasi yang dapat terjadi, yaitu:

1. Partikel Diskrit (Dilute Suspensions)2. Partikel Flok (Dilute Suspensions)3. Partikel Hindered (Concentrated Suspensions)4. Partikel Terkompresi (Concentrated

Suspensions)


Teori Pengendapan Partikel

• Pengendapan partikel diskrit (non-flocculating) dapat dianalisis dengan hukum sedimentasi Newton dan Stokes.

• Hukum Newton FG = (ρp – ρw).g.Vp dimana:FG = gaya gravitasi (kg.m/s2)ρp = densitas partikel (kg/m3)ρw = densitas air (kg/m3)g = percepatan gravitasi (9,81 m/s2)Vp = volume partikel (m3)


Teori Pengendapan Partikel Gaya friksi tergantung oleh kecepatan partikel,

densitas cairan, viskositas cairan, diameter partikel dan koefisien CD, dengan formula sebagai berikut:FD = (CD.Ap.ρw.Vp

2) / 2dimana:FD = gaya friksi (kg.m/s2)CD = koefisien drag Ap = luas penampang melintang (m2)vp = kec. pengendapan partikel (m/s)


Governing forces for type One

Fg = Fd + Fb

Fg = m.g = Vg

Teori Pengendapan Partikel

• Gabungan perhitungan gaya gravitasi dengan gaya drag friksi untuk partikel spherical, menghasilkan formula sbb:vp = ((4g/3CD).((ρp – ρw)/ρw).dp)1/2

atauvp = ((4g/3CD).(sgp-1).dp)1/2

dimana:vp = kecepatan partikel (m/s)dp = diameter partikel (m)sgp = spesific gravity


Teori Pengendapan Partikel• Koefisien CD tergantung aliran tersebut laminer atau turbulen.• Koefisien CD untuk beberapa partikel diperlihatkan pada Gambar 1.

sebagai fungsi Nre. Berdasarkan gambar terdapat 3 lebih atau kurang dari garis yang tergantung pada nilai Nre:Nre laminer Nre < 1Nre transisi Nre = 1 – 2.000Nre turbulen Nre > 2.000

• Walaupun bentuk dari partikel memberikan efek pada nilai CD untuk partikel diperkirakan spherical.

• CD = 24/Nre + 3/√Nre + 0,34 Nre = vp.dp.ρw / μ = vp.dp / ѵdimana:μ = viskositas dinamik (N.s/m2)ѵ = viskositas kinematik (m2/s)


Teori Pengendapan Partikelvp = ((4g/3CD).((ρp – ρw)/ρw).dp)1/2

atauvp = ((4g/3CD).(sgp-1).dp)1/2

Dimodifikasi untuk partikel non-spherical (Gregory et al., 1999) menjadi:vp = ((4g/3CD.ɸ).((ρp – ρw)/ρw).dp)1/2

atauvp = ((4g/3CD.ɸ).(sgp-1).dp)1/2

Dimana:ɸ merupakan faktor bentuk partikel. Nilai ɸ untuk sphere = 1; Nilai ɸ untuk sand grain = 2; dan lebih besar dari 20 untuk fractal floc. ɸ penting dalam pengolahan air limbah.ɸ diukur/dinilai untuk menghitung Nreɸ aplikasinya untuk pengendapan flokulen dan ballasted flokulen


Pengendapan pada Bagian Laminer

• Untuk Nre < 1 viskositas memberikan gaya awal (predominant) pada proses pengendapan.

• Asumsi bahwa partikelnya spherical, maka CD = 24/Nre + 3/√Nre + 0,34 disubstitusi ke dalam hukum Stoke:vp = g.(ρp – ρw).dp2 / 18μ vp ≈ g.(sgp – 1).dp2 / 18ѵ

• Untuk kondisi aliran laminer, maka gaya drag menjadi:FD = 3π.μ.vp.dp

• vp = g.(ρp – ρw).dp2 / 18μ vp ≈ g.(sgp – 1).dp2 / 18ѵ, didapat dengan perhitungan gaya drag dari hukum Stoke FG = (ρp – ρw).g.Vp


Pengendapan pada Bagian Transisi

• Persamaan: FG = (ρp – ρw).g.Vp digunakan untuk menentukan kecepatan pengendapan.

• Dikarenakan kondisi alami dari persamaan gaya, menentukan kecepatan pengendapan dilakukan secara PROSES ITERATIF.

• Gambar 2 (lihat buku Wastewater Engineering, MetCalf and Eddy, 2003) menggambarkan pengendapan pada kondisi transisi yang mengcover bagian laminer dan transisi dari ukuran partikel.


Pengendapan pada Bagian Turbulen

• Pada bagian turbulen, gaya inersia (gaya kelembaman) predominant;

• Untuk pengendapan dalam bagian turbulen, nilai 0,4 digunakan untuk CD. Jika CD = 0,4; maka:vp = (3,33.g.((ρp – ρw)/ρw).dp)1/2 ≈ (3,33.g.(sgp – 1).dp)1/2


Contoh Soal

• Tentukan kecepatan pengendapan dari partikel pasir dengan diameter rata-rata sebesar 0,5 mm, faktor bentuk sebesar 0,85, dan spesific gravity sebesar 2,65, pengendapan di air pada suhu 20 oC. Pada suhu ini, nilai viskositas kinematik = 1,003 x 10-

6 m2/s (1,091 x 10-5 ft2/s)


Jawaban• Tentukan kecepatan pengendapan partikel dengan menggunakan hukum Stoke:

vp = g.(sgp – 1).dp2 / 18ѵvp = (9,81 m/s2).(2,65 – 1).(0,5.10-3 m)2 : 18(1,003.10-6 m2/s) = 0,224 m/s

• Cek Nre (termasuk faktor bentuk: ɸ):Nre = ɸ.vp.dp / ѵ = (0,85.0,224 m/s).(0,5.10-3 m) / (1,003.10-6 m2/s) = 94,9

Penggunaan hukum Stoke tidak tepat untuk nilai Nre > 1, maka hukum Newton lah yang

harus digunakan untuk menentukan kecepatan pengendapan pada bagian transisi. CD pada persamaan Newton tergantung pada nilai Nre yang merupakan fungsi dari kecepatan

pengendapan. Dikarenakan kecepatan pengendapan tidak diketahui, maka kecepatan pengendapan awal

diasumsikan. Asumsi kecepatan pengendapan digunakan untuk menentukan Nre yang digunakan untuk

menentukan nilai CD dan nilai CD digunakan untuk mengkalkulasi kecepatan pengendapan. Penyeleseian dapat tercapai ketika asumsi kecepatan pengendapan kira-kira sama dengan

kecepatan pengendapan berdasarkan perhitungan hukum Newton. Proses tersebut yang dinamakan ITERATIF.


Jawaban Proses Iteratif• Untuk asumsi kecepatan pengendapan awal, gunakan hukum

Stoke sama dengan perhitungan sebelumnya.CD = 24/94,9 + 3/√94,9 + 0,34 = 0,901

• Gunakan koefisien drag pada persamaan Newton untuk menentukan kecepatan pengendapan partikel.vp = ((4g/3CD). (sg – 1). d))1/2 = ((4.9,81 m/s2 /3.0,901). (2,65 – 1). 0,5.10-3 m))1/2 = 0,109 m/s

dikarenakan kecepatan pengendapan awal yang diasumsikan 0,224 m/s tidak sama dengan kecepatan pengendapan awal hasil perhitungan dengan hukum Newton = 0,109 m/s, maka iterasi kedua perlu dihitung.


Jawaban Proses Iteratif• Untuk iterasi kedua, asumsi kecepatan pengendapan = 0,09

m/s dan kalkulasi nilai dari Nre. Gunakan Nre untuk menentukan CD dan gunakan CD dalam persamaan Newton untuk menentukan nilai kecepatan pengendapan.

• Nre = 0,85.(0,09 m/s).(0,5.10-3 m) / (1,003.10-6 m2/s) = 38,1CD = 24/38,1 + 3/√38,1 + 0,34 = 1,456

vp = ((4g/3CD). (sg – 1). d))1/2 = ((4.9,81 m/s2 /3.1,456). (2,65 – 1). 0,5.10-3 m))1/2 = 0,086 m/s ≈ 0,09 m/s

• Kesimpulannya: kecepatan pengendapan yang dihitung berdasarkan nilai Nre haruslah sama dengan persamaan Newton.


Summary

• Stoke’s Equationvp = g.(sgp – 1).dp2 / 18ѵ

• Newton’s Equationvp = ((4g/3CD). (sg – 1). d))1/2

• Standar EquationNre = ɸ.vp.dp / ѵ CD = 24/Nre + 3/√Nre + 0,34


TIPE-TIPE PENGENDAPAN PARTIKEL

• Pengendapan tipe I: pengendapan untuk partikel yang mengendap dengan kecepatan konstan (partikel diskrit) -- partikel diremoval bila vs > v

• Pengendapan tipe II: selama proses pengendapan, kecepatan mengendap partikel meningkat (partikel flokulen)

Ada 2 jenis pengolahan pendahuluan yang

umum digunakan :

1.Plain sedimentation atau prasedimentasi

2.Roughing filter

Pretreatment atau pengolahan pendahuluan merupakan pengolahan awal air minum atau air baku yang kekeruhannya tinggi melampaui kapasitas pengolah konvensional

PRA SEDIMENTASI

PRA SEDIMENTASI

• Pra sedimentasi Pengendapan tipe I• Pra sedimentasi pengendapan partikel diskrit• Partikel diskrit: partikel yang tidak mengalami

perubahan bentuk, ukuran dan berat selama proses pengendapan

TUJUAN PRA SEDIMENTASI

• Memisahkan partikel kekeruhan dalam air agar tidak membebani unit-unit selanjutnya seperti koagulasi/ flokulasi, sedimentasi dan filtrasi

• Investasi lahan yang dapat dimanfaatkan sebagai unit sedimentasi dengan tambahan tube settler,dll di masa datang dalam rangka peningkatan kapasitas

ZONA-ZONA PENGENDAPAN

Ada 4 zona agar efisiensi pemisahan kekeruhan optimal :

1. Zona inlet

2. Zona pengendapan

3. Zona outlet

4. Zona lumpur

Kedalaman ruang lumpur bak pengendap I tergantung pada :

1. Metode pengurasan lumpur

2. Frekuensi pengurasan

3. Kadar lumpur air baku dan massa jenis lumpur

Bentuk bak pengendap I pada umumnya :

1. Persegi panjang (Rectangulair), dengan pola aliran horizontal

2. Radial atau bundar dengan pola aliran radial atau upflow

Pengendap I bentuk persegi didisain dengan kemiringan dasar 5 – 10 % bila pengurasannya dengan cara manual setiap 6 bulan sekali

Dan bila pengurasannya menggunakan scrapper mekanis maka kemiringan dasarnya : 1 %

JENIS PRA SEDIMENTASI• Persegi- 4 aliran horizontal

Aliran Horizontal

Ruang lumpur

Inlet Outlet

Horizontal Radial

Ruang lumpur

Inlet

OutletOutlet

• Silinder aliran horizontal

Silinder aliran vertikal

Inlet

Upflow

Ruang lumpur

OutletOutlet

Type I Settling -- Stokes’ Law

18

)( s

s

gv

whereνs = settling velocity

ρs = density of particle (kg/m3)

ρ = density of fluid (kg/m3)g = gravitational constant (m/s2)

d = particle diameter (m)μ = dynamic viscosity (Pa·s)

Teori Pengendapan Partikel :

Pada saat partikel berada dalam air, akan terjadi percepatan hingga kecepatan terbatas terakhir tercapai, sehingga :

Gaya gravitasi = gaya drag friksi

Gaya gravitasi = (ρs – ρ) g V

Dimana : ρs = kerapatan massa partikel

ρ = kerapatan massa air

V = volume partikel

Dengan analisa dimensional, dapat diketahui :

gaya drag friksi = CD A C ρ (vs2/2)

Dimana : CD = koefisien Drag Newton

AC = Luas penampang melintang partikel

vs = Kecepatan pengendapan partikel

CD tidak tetap, bervariasi tergantung pada nilai bilangan Reynold (NRe) dan dengan bentuk partikel spherikal :

NRe 0,5 , maka CD = 24/NRe

0,5 < NRe 104, maka CD = (24/NRe) + (3/NRe1/2) + 0,34

Dalam sedimentasi : NRe = ρvsd/μ

Dimana : d = diameter partikel

Dengan kondisi keseimbangan :

Untuk kondisi laminer : NRe 0,5 dan CD = 24/NRe

vs = [ gd2 (Ss -1)]/18 (HUKUM STOKE)

Untuk kondisi turbulen : 5 x 102 < NRe < 104 dan CD = 0,4

vs = { 3,3 gd (Ss – 1)}1/2

KRITERIA PERENCANAAN :

1. Waktu pengendapan : 1 – 3 jam

2. Kedalaman ruang pengendapan (1 – 3) m

3. Kecepatan pengendapan partikel diperoleh dari analisa kolom test di laboratorium

4. Performance atau kinerja pengendap berdasarkan pada grafik performance

5. Bilangan NRe < 2000 dan Nilai Froude aliran > 10-5

RUMUS – RUMUS YANG DIGUNAKAN :

vs = {g/18 (Ss – 1)/D} d2

= [4/3 g/CD {(Ss – Sa)/Sa} D]1/2 (HUKUM STOKE)

Kecepatan horizontal (vH) harus lebih kecil dari kecepatan penggerusan (vsc)

vsc = { 8β/λ (ρs – ρw/ρw) g d}1/2

Dimana : β = faktor friksi porositas = 0,02 – 0,012 λ = faktor friksi hidrolis = 0,03 ρs = massa jenis partikel ρw = massa jenis air d = diameter partikel g = percepatan gravity

Kedalaman ruang pengendapan lumpur jangan terlalu dalam :H = 1/12 L0,8

Dimana :H = kedalaman airL = panjang ruang pengendapan

Perbandingan panjang dan lebar ruangan pengendapan :L : B = 1 : 6 dan 1 : 10

ROUGHING FILTER

Influen Efluen

Vertical Flow

Media kerikil

• Roughing filter (vertikal & horizontal)

Denah Roughing Filter

Ke Flash Mix

Potongan

KerikilInfluen

efluen

Influen

Horizontal Flow

Media kerikil

Dinding diperforasi

Influen

efluen

Perforated wall

KEUNTUNGANROUGHING FILTER

• Luas area lebih kecil• menurunkan kekeruhan 90%• menurunkan warna 40-60%• menurunkan COD (z.organik) 80%

(z.organik + HOCl THMs)

YANG MEMPENGARUHIPRA SEDIMENTASI

• Beban permukaan (m3/ hari/ m2 luas permukaan bak), dan tidak tergantung pada waktu tinggal

• Beban permukaan merupakan perbandingan debit dengan luas permukaan bak

• Beban permukaan kecil, bak makin luas, efisiensi pemisahan kekeruhan makin tinggi

• Distribusi aliran masuk harus merata, dapat dilaku-kan dengan sekat yang diperforasi

• Beban pelimpah (m3/ hari/ m panjang pelimpah) pada aliran keluar

• Beban pelimpah merupakan perbandingan antara debit dengan panjang pelimpah di aliran keluar bak prasedimentasi

• Turbulensi diantaranya disebabkan oleh perbedaan suhu di dasar & di permukaan air, angin, aliran pendek, bil Reynold yang terlalu tinggi

• Pembuangan lumpur harus secara periodik, tergantung pada kadar SS dan debit aliran yang masuk

• Tinggi lumpur dibatasi agar tidak tergerus kembali ke pelimpah.

SOAL1. Sebuah kolom analisa untuk pengendapan setinggi 4 ft

digunakan untuk mengendapkan partikel diskrit dengan hasil analisa sbb : Lama pengendapan (menit) : 0,5, 1,0, 2,0, 4,0, 6,0 dan 8,0, berturut turut menghasilkan sisa fraksi berat : 0,56, 0,48, 0,37, 0,19, 0,05 dan 0,02. Apabila kecepatan klarifikasi yang diinginkan 0,08 ft3/detik/ft2, berapa % pemisahan total yang terjadi ? Dan plotting grafiknya !

2. Rencanakan bangunan prasedimentasi apabila debit air yang diolah (Q) 100 L/detik. Direncanakan bangunan prasedimentasi ada 4 buah dan harga kecepatan pengendapan partikel dari analisa kolom 0,02 cm/detik.

unit operasi prasedimentasi

Documents