Sunday, 30 July 2017

Koagulasi/Koagulan - Flokulasi/Flokulan - Sedimentasi/Clarifier

Standar urutan PROSES PENGOLAHAN AIR dari Air laut menjadi Clean Water/Drink Water :
Sea Water ---> Aerasi ---> Softening ---> pH Adjustment ---> Chlorination ---> Koagulasi + Flokulasi ---> Sedimentasi (Clarifier) ---> Multi Media Filter (MMF) ---> Dechlorination ---> Clean Water/Drink Water
  • Sea Water
Air laut digunakan sebagai sumber air proses karena jumlahnya yang melimpah, namun jika digunakan untuk proses langsung tanpa pre treatment maka bisa menyebabkan korosi dan kerak di perpipaan. Oleh karena itu, penggunaan air laut secara langsung sangat dihindari dan harus diproses terlebih dahulu untuk menghilangkan kadar garamnya (desalination).
  • Aerasi 
Aerasi adalah sistem pemberian udara/oksigen kedalam air laut dengan peralatan Aerator. Alat tersebut menggunakan sistem dengan menyemprotkan/mengalirkan udara secara langsung ke air laut atau dengan cara memberikan gelembung halus dari bawah air laut.
  • Softening
Softening adalah proses pelunakan air laut dari kesadahan (hardness). Satuan ukur kesadahan adalah terdapat kandungan Total Hardness (Ca & Mg), Total Carbonat, Total Bicarbonate dan Total Sulphate. Untuk mengetahui lebih jelas macam - macam kesadahan bisa dilihat DISINI. Perlakuan umum adalah dengan Soda Treatment yaitu menggunakan Soda Ash (Na2CO3) sesuai reaksi berikut :
Na2CO3 + CaSO4 (hardness) ---> CaCO3 (lumpur) + Na2SO4
  • pH Adjustment
Pengkondisian pH air laut sesuai keadaan yang cocok buat reaksi kimia koagulasi dan flokulasi. Ada 2 agent pH Adjustment yaitu : 
1. Asam Adjustment : HCl dan H2SO4
2. Basa Adjustment : Na2CO3, NaOH dan Ca(OH)2 

* Perlakuan untuk koagulan Alum based :
Al2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 ---> 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4
Al2(SO4)3 + 3 Na2CO3 + 3 H2O---> 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2
Alum based bisa terjadi pada kondisi alkali, sehingga bila kondisi alkali belum tercapai harus ditambahkan basa adjustment sesuai reaksi diatas.
* Perlakuan untuk koagulan Ferrous Sulphate :
2 FeSO4.7H2O + 2 Ca(OH)2 +1/2 O2 ---> 2 Fe(OH)3 + 2 CaSO4 + 13 H2O
Pada koagulan ferrous sulphate, kondisi alkali diperlukan agar Fe2+ dapat diendapkan sebagai Fe(OH)3
* Perlakuan untuk koagulan Ferric Chloride :
2 FeCl3 + 3 Ca(OH)2 ---> 2 Fe(OH)3 + 3 CaCl2
  • Chlorination
Di tahap ini ada injeksi chlorin untuk menghambat pertumbuhan mikroorganisme di perpipaan. Injeksi chlorin harus tepat karena residu yang berlebih bisa merusak membran reverse osmosis.
  • Koagulasi + Flokulasi
* Koagulasi : proses pengikatan TSS (lumpur yang tersuspensi dalam air) dengan bantuan agent Koagulan
Ciri utamanya adalah :
1. Pengadukan cepat (rapid mixing/flash mixing = 75 - 300 rpm) supaya kondisi homogen antara air laut dengan koagulan cepat tercapai
2. Peralatan yang bisa digunakan seperti Static Mixer, Agitator Pond (paddle/turbine), Baffle Pond/Baffle Chamber
3. Waktu efektif pembentukan flok adalah 0.5 - 1 menit (Ebelling, J. 2003)

Prinsip kerja Koagulan adalah berikatan dengan air sehingga menyebarkan ion ke dalam TSS (air laut) sehingga air laut yang permukaannya terhalangi oleh ion akan diikat oleh bantuan ion dari koagulan sehingga terjadi ikatan kimia membentuk flok (gumpalan). 

Macam - Macam Koagulan dan Karakteristiknya menurut Eckenfelder Jr, W. Wesley. 2000. Industrial Water Pollution Control 3th :
* Al2(SO4)3 ---> powder dan Al2(SO4)3. 14 H2O ---> larutan 
  1. Nama dagang terkenal Tawas (alum based)
  2. pH efektif untuk reaksi adalah 6 - 8
  3. Dosis optimum 75 - 250 ppm
  4. Harga adalah yang termurah dari semua koagulan
Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 ---> 2 Al(OH)3 (lumpur) + 3 CaSO4 + 6 CO2
* FeCl3 ---> Ferri Chloride 
  1. pH efektif adalah 5.5 - 6.5
  2. Dosis optimum 35 - 150 ppm
  3. Flok ferric hydroxide lebih berat dibandingkan alum hydroxide (Ebelling, J. 2003)
2 FeCl3 + 3 Ca(HCO3)2 ---> 2 Fe(OH)3 (lumpur) + 3 CaCl2 + 6 CO2
* Al13(OH)22.(SO4)2.Cl15 (Poly Alumunium Chloride)
  1. Nama dagang PAC atau PACl 
  2. pH efektif 4.5 - 7
  3. Dosis optimum 75 - 250 ppm
* Fe2(SO4)3---> ferric sulphate 
  1. pH efektif 4.5 - 9.5
  2. Dosis optimum 70 - 200 ppm
Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 ---> 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2
* Na2Al2O4 ---> sodium aluminat

2 Na2Al2O4 + Ca(HCO3)2 ---> 8 Al(OH)3 + 3 Na2CO3 + 6 H2O

pH yang tertera diatas hanya teoritis pada umumnya, sehingga tidak bisa secara langsung ditebak pada range pH tersebut lah keefektifan koagulan. Cara yang dianjurkan untuk mengetahui keefektifan adalah dengan Jar Test (sistem percobaan dengan menggunakan berbagai macam variabel dengan menggunakan sampling yang persis di lapangan namun skala laboratorium). Variabel Jar Test yang digunakan adalah macam koagulan, pH, kecepatan mixing dan waktu pengendapan.

Berikut adalah bahan, peralatan dan prosedur dalam Jar Test :
(1) Sesuai Handbook Hendricks, D. 2011

(2) Sesuai Makalah Risdianto, D. 2007
Mengapa pH perlu dikondisikan ?
Karena jika pH tinggi maka kebutuhan koagulan untuk mengikat lumpur menjadi besar sehingga menambah cost.
Partikel dengan ukuran D = 1 - 10 ┬Ám tidak akan bisa mengendap oleh gaya gravitasi 
* Flokulasi : proses lanjutan koagulasi yaitu inti lumpur (flok) semakin membesar dengan bantuan agent Flokulan/Koagulan Aid sehingga dengan gaya gravitasi bisa terendapkan dengan sendirinya. 
Perlakuan utamanya adalah : 
1. Pengadukan lambat (slow mixing = < 40 rpm ) disertai sistem overflow untuk mengeluarkan air yang bebas lumpur
2. Waktu efektif pembentukan flok adalah 20 - 60 menit
Macam - Macam Flokulan adalah :
* Bentonite / Clay ---> tanah liat
* CaCO3 (Calcium Carbonate)

* NaSiO3 (Sodium Silicate)
* Polymer (Anonik atau Kationik) ---> polyacrylamide, poly (acrylic acid), poly (diallyl dimethil ammonium chloride), poly (styrenic sulfonic acid)
Syarat Pemilihan Flokulan menurut Ebelling, J. 2003 dalam www.sciencedirect.com :
  1. Keefektifan dalam menghilangkan phospate
  2. Harga dan persedian
  3. Kecepatan membentuk flok
  4. Ramah lingkungan
  5. Mudah penanganan

  • Sedimentasi (Clarifier)
Sedimentasi adalah proses pengendapan lumpur sehingga terdapat 2 keluaran yaitu air dan lumpur. Pemisahan lumpur dari air menggunakan peralatan seperti Clarifier.
Ada 3 macam Clarifier :
1. Inclined Plate (Lamela) ---> menggunakan serat filter seperti plate & frame
 Air melewati beberapa filter sehingga tersaring dan keluaran berupa air murni.
2. Rectangular Circular
3. Circular Clarfifier 
Sesuai Voutchkov, N dalam Introduction to Wastewater Clarifier Design didapatkan data keuntungan dan kerugian rectangular vs circular clarifier :

Ada 2 Parameter utama Clarifier :
1. Overflow Rate ---> standard 0.3 - 1 gpm/ft2 = 0.068 – 0.23 m3/h
2. Detention Time ---> standard 1 - 2 jam bahkan bisa sampai 4 jam
  • Multi Media Filter (MMF)
Berupa susunan dari beberapa pasir (silica), batu (gravel/antransite) dan activated carbon. Jumlah susunan bisa 2 lapis atau 3 lapis tergantung desain. Fungsi MMF adalah mengikat kandungan Fe, Mn, TSS dn bau tidak sedap yang masih lolos dari Clarifier.
Ada 4 syarat material pengisi MMF ?
1. Mudah ditembus (permeabel)
2. Tidak bereaksi dengan air dan mudah dibersihkan
3. Keras dan bisa ditentukan umur pakainya
4. Bebas kontaminan
  • Dechlorination / Neutralizing

Proses netralisir air dari residu chlorin yang berlebih yaitu dengan menambahkan injeksi Sodium Sulphite/Sodium Metabisulphite/Sodium Bisulphite. Kendala penggunaan agent ini adalah sifatnya yang asam dan oksidatif maka material khusus harus digunakan untuk mencegah pengkorosian seperti SS 304 dan SS 316.

Referensi :
[1] Eckenfelder Jr, W. Wesley. 2000. Industrial Water Pollution Control 3th ed. Singapore: Mc Graw Hill Book : USA
[2] Risdianto,D. 2007. Makalah Tesis Magister Teknik Kimia. Semarang
[3] Reynolds, Tom D. 1982. Unit Operations and Processes in Environmental Engineering. Belmont, California : Wadsworth, Inc. 
[4] Tchobanoglous, George and Franklin L. Burton. 1991. Wastewater Engineering Treatment Disposal Reuse 3th ed. Singapore: Mc Graw Hill Book : USA
[5] Hendricks, D. 2011. Fundamental of Water Treatment Water Process. Taylor & Francis Group : USA
[6] Anonim. 2016. Slide Coagulation and Flocculation 
[7] Slide R. Jaya Abd by Design Clarifier. 2017 
[8] Ebelling, J. 2003 dalam http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144860903000293


[9] ASTM, 1995. Standard Practice for Coagulation–Flocculation Jar Test of Water E1-1994 R(1995), D 2035-80. Annual Book of ASTM Standards, Vol. 11.02
[10] Irfan,M. 2017. The removal of COD, TSS and colour of black liquor by coagulation–flocculation process at optimized pH, settling and dosing rate dalam www.sciencedirect.com