5. unit koagulasi flokulasi

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 Waktu Pengendapan pada
Tipe Partikel
(mm) Kedalaman 1 Meter
10 Kerikil 1 detik
1 Pasir 10 detik
10-1 Pasir Halus 2 menit
10-2 Lempung 2 jam
10-3 Bakteri 8 hari
10-4 Koloid 2 tahun
-5
10 Koloid 20 tahun
10-6 Koloid 200 tahun
Sumber: Water Treatment Handbook Vol. 1 (1991)

1

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.

2

Larutan
koagulan

inlet
outlet

pengadukan cepat pengadukan lambat

Koagulasi Flokulasi

Ca2+
Ca2+(HCO3-)2 Ca2+(HCO3-)2 Al(OH)3
Ca2+
Ca2+ Al3+
Ca2+ Al3+ Al(OH)3 Al3+
Mg2+ Al3+
Al3+ Mg2+
Na+ Al3+
Al3+ Na+
Ca2+ Al(OH)3
Al(OH)3 Al3+
Mg2+
Ca2+(HCO3-)2 Mg2+

Partikel koloid stabil Destabilisasi partikel Pembentukan flok besar

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.

3

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.

4

Tabel 5.2 Beberapa Jenis Koagulan dalam Praktek Pengolahan-Air
Densitas Kelarutan
Nama Berat Specific Kadar Kimia Kadar Air pH
Nama Lain Rumus Kimia Wujud bulk, dalam Air,
Kimia Molekul Gravity %w/w % w/w larutan
kg/m3 kg/m3
Putih terang, Sekitar
Alum Al2(SO4)3.14,3H2O 599,77 1000-1096 1,25-1,36 Sekitar 872 Al: 9,0-9,3
padat 3,5
Aluminium
Putih atau
sulfat
Alum cair Al2(SO4)3.49,6H2O 1235,71 terang- abu abu 1,30-1,34 Sangat larut Al: 4,0-4,5 71,2-74,5
kekuningan, cair
Besi (III)
Hijau-hitam,
klorida, Besi FeCl3 162,21 721-962 Sekitar 719 Fe: kira2 34
bubuk
triklorida
Ferri
Kuning-coklat,
klorida FeCl3.6H2O 270,30 962-1026 Sekitar 814 Fe: 20,3-21,0
Ferri klorin bongkahan
cair Coklat
FeCl3.13,1H2O 398,21 1,20-1,48 Sangat larut Fe: 12,7-14,5 56,5-62,0 0,1-1,5
kemerahan, cair
Besi (III)
Merah-coklat,
sulfat, Besi Fe2(SO4)3.9H2O 562,02 1122-1154 Fe: 17,9-18,7
Ferri bubuk
persulfat
sulfat
Ferri sulfat Coklat
Fe2(SO4)3.36,9H2O 1064,64 1,40-1,57 Sangat larut Fe: 10,1-12,0 56,5-64,0 0,1-1,5
cair kemerahan, cair
Ferro Hijau, bongkahan Fe: Sekitar
Copperas FeSO4.7H2O 278,02 1010-1058
sulfat kristal 20
Sumber: Qasim, dkk. (2000)

5

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

P (5.1)
G 
 .V
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.

6

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

7

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 Kecepatan
Dimensi Keterangan
Impeller Putaran
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)

8

(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

bak pengaduk

inlet outlet

impeller

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

9

inlet outlet

kompartemen I kompartemen II kompartemen III

Gambar 5.7 Pengadukan lambat dengan alat pengaduk

Arah putaran Poros horisontal

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.

10

Pembubuhan koagulan

Gambar 5.9 Pengadukan cepat dengan terjunan

baffle channel

inlet

outlet

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.

koagulan

outlet
inlet

udara

gelembung udara

Gambar 5.11 Pengadukan cepat secara pneumatis

11

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).

P  K T .n3 .Di 5 . (5.2)

P  K L .n 2 .Di .
3
(5.3)

Di n
2
N 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 41,0 0,32
Propeller, pitch of 2, 3 blades 43,5 1,00
Turbine, 4 flat blades, vaned disc 60,0 5,31
Turbine, 6 flat blades, vaned disc 65,0 5,75
Turbine, 6 curved blades 70,0 4,80
Fan turbine, 6 blades at 45 70,0 1,65
Shroude turbine, 6 curved blades 97,5 1,08
Shrouded turbine, with stator, no baflles 172,5 1,12
Flat paddles, 2 blades (single paddle), Di/Wi = 4 43,0 2,25
Flat paddles, 2 blades , Di/Wi = 6 36,5 1,70

12

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:

v3
P  CD A (5.5)
2
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:

1
P  CD Av i3 (5.6)
2
i = 1, 2, 3 ……..n

Tabel 5.6 Nilai Koefisien Drag
Ratio Li/Wi CD
5 1,20
20 1,50
~ 1,90
Keterangan:
Li = panjang paddle
Wi = lebar paddle

Pada pengadukan hidrolis, tenaga dapat dituliskan sebagai berikut:

P  Q ..g.h (5.7)

dimana : P = tenaga, N.m/det
Q = debit aliran, m3/det
 = berat jenis, kg/m3
g = percepatan gaya gravitasi, 9,8 m/det 2
h = tinggi jatuhan, m
= kehilangan energi (head loss)

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

Q . .g.h g.h (5.8)
G  
 .V  .td
dimana :  = /, viskositas kinematis, m2/detik
td = V/Q = waktu tinggal hidrolik, detik

13

Nilai h dapat dihitung dengan persamaan berikut:
a. Aliran air dalam pipa :

Lv 2
hL  f (5.9)
D.2.g
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 :

v2
hL  k (5.10)
2.g
dimana : k = koefisien kekasaran pipa Darcy-Weisbach
v = Kecepatan aliran air, m/det
c. Aliran air pada media berbutir :

f 1    L v 2 (5.11)
hL   
  3  d g

1 
f  150
 R   1,75

 N 
d.v .
RN 

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:
1/ 3
 2.t   H.L.G  2 
 
n    (5.12)

  1.44  f   Q  
  

2. Jumlah kanal dalam flokulator aliran vertikal:
1/ 3
 2.t  W .L.G  2 
 
n   (5.13)
 Q  
  1.44  f  
  


14

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:

 h  10,4 
P  3904.Ga.Log   (5.14)
 10,4 
dimana : P = power, (N.m/s)
Ga = debit udara, m3/menit
h = kedalaman diffuser, m

15

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
2

 
P  G 2  V      
 800   0,000890 N. det 

 3,90m  2221
3 N.m
 det   m 2
 det
= 2221 watt.
3. Diameter impeller :
Persamaan (5.2) ditulis sebagai berikut:
1/ 5
 P 
Di  
 K n3  

 T 
Berdasarkan Tabel 5.4 didapatkan nilai KT = 5,75

Pada suhu air = 25oC,  = 997,0 kg/m3
n = 100 rpm = 1,667 rps
1/ 5
 2221 N.m   1   1   m 3   kg. m 
Di    

3 

 
 det   5,75   1,667 rps    997 kg   N. det 
2
 
= 0,610 m

16

Di/Lb = 0,610/1,48 = 0,412 = 41,2 %
Cek nilai Nre:

N Re 
Di n
2


0,610m2 1,667 rps  997 kg / m 3   N. det 2 
 
 0,000890 N. det/ m 2  kg. m 
 
= 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.
1/ 5
 2221 N.m   1   1   m 3   kg.m 
Di    

3 

 
 det   4,31   1,667 rps    997 kg   N. det 
2
 
= 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 :

G 2 ..td  800   0,000890 N. det   1m 3   45 det 
2

H     
   2,62 m

 .g  det   m2   997 kg   9,81 m / det
2

6. Jika digunakan pengadukan pneumatis:
h = 1,78 m – 0,20 m = 1,58 m
sehingga :

P / 3904 2221 / 3904
Ga    9,26 m 3 menit
 h  10,4   1,58  10,4 
log  log 
 10,4   10,4 

17

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
2

 
P  G 2  V      
 1000   0,000890 N. det 

 30m  24030
3 N.m
 24,03 kW
 det   m 2
 det
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 m 3/detik.

3. Hitung kembali volume bak berdasarkan power motor terpilih:
P = 11,19 kW x 0,8 = 8,952 kW

P 8952 N.m
V   det.
 10,06  10 m3
G2 . (1000 / det)2 x 0,00089 N.det
m 2

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

18

nilai KT = 5,75.
Gunakan persamaan (5.2):
1/ 5
 P 
Di  
 K n3  

 T 
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.

19

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 :
V 200 m 3
W   13,89 m
LxH 12 mx1,2 m
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 :
1/ 3

 2 .t   H.L.G  
2

n    Q  
  1,44  f  
  
1/ 3

 2(0,89x10 )(8)(60)   (1,2)(12)(75)  
3 2

n       31
 9971,44  0,3  12000 / 86400  
 
f. Jarak antar sekat = 12/31 = 0,39 m
g. Head loss pada flokulator :

.t 2 0,89x10 3 860
h G  752  0,25m
.g 9979,81
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

20

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.

Poros horisontal

4,5 m
18 m

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:



21

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):

1
P  CD Av i3
2
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.

22

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 10 3 m3/hari, memiliki
kedalaman 1,25 kali lebar. Nilai G = 1000/detik dan suhu 20C, 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:

2,5 cm

8,0 cm

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:

23

h1 h2
h3 h4

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.

Arah putaran Poros horisontal

4,5 m

18 m

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 G = 80 G = 40 G = 20
td = 1 menit I II III P
td = 7,5 menit 7,5 menit 7,5 menit

L

Koagulasi Flokulasi

24

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

25

5. unit koagulasi flokulasi

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to 5. unit koagulasi flokulasi

Similar to 5. unit koagulasi flokulasi (20)

5. unit koagulasi flokulasi