Unit Filtrasi Ali Masduqi masduqiits ac id Unit

Unit Filtrasi Ali Masduqi masduqi@its. ac. id Unit Operasi Teknik Lingkungan Unit Operations in Environmental Engineering (RE 141335) Program S 1 Teknik Lingkungan ftsp fakultas teknik sipil dan perencanaan – ITS surabaya http: //www. ftsp. its. ac. id 1

KOMPETENSI • Mahasiswa mampu menghitung dimensi unit filtrasi pada Instalasi Pengolahan Air dan menentukan periode pencucian media filter ftsp 2 01 November 2020

Tujuan • Tujuan filtrasi adalah untuk menghilangkan partikel yang tersuspensi dan koloid yang lolos dari bak sedimentasi • Fungsi media filter adalah sebagai bahan penyaring terhadap partikel yang tersuspensi dan koloid • Fungsi media penyangga adalah untuk tempat bertumpunya media filter (pasir dan/atau antrasit) agar media tersebut tidak terbawa aliran air ke outlet ftsp 3 01 November 2020

Tipe Filter Berdasarkan pada kapasitas produksi air yang terolah, filter pasir dapat dibedakan menjadi dua, yaitu: • filter pasir cepat (rapid sand filter): filter yang mempunyai kecepatan filtrasi cepat, berkisar 4 hingga 21 m/jam • filter pasir lambat (slow sand filter): filter yang mempunyai kecepatan filtrasi lambat, yaitu sekitar 0, 1 hingga 0, 4 m/jam ftsp 4 01 November 2020

Bagian-bagian dari filter • Bak filter • Media filter • Sistem underdrain, terdiri atas: – Orifice, yaitu lubang pada sepanjang pipa lateral sebagai jalan masuknya air dari media filter ke dalam pipa. – Lateral, yaitu pipa cabang yang terletak di sepanjang pipa manifold. – Manifold, yaitu pipa utama yang menampung air dari lateral dan mengalirkannya ke bangunan penampung air. ftsp 5 01 November 2020

ftsp 6 01 November 2020

Aliran dalam filter Operasi filtrasi Backwash 01 November 2020 7

Jenis-jenis filter berdasar kontrol kecepatan • Constant rate: debit hasil proses filtrasi konstan sampai pada level tertentu. Hal ini dilakukan dengan memberikan kebebasan kenaikan level muka air di atas media filter. • Declining rate atau constant head: debit hasil proses filtrasi menurun seiring dengan waktu filtrasi, atau level muka air di atas media filter dirancang pada nilai yang tetap. ftsp 8 01 November 2020

Jenis-jenis filter berdasar Arah Aliran • Filter aliran down flow (ke bawah). • Filter aliran upflow (ke atas). • Filter aliran horizontal. ftsp 9 01 November 2020

Jenis-jenis filter berdasar Sistem Pengaliran • Filter dengan aliran secara grafitasi (gravity filter). • Filter dengan aliran bertekanan (pressure filter). ftsp 10 01 November 2020

Types of Particle Capture Brownian Diffusion (labelled A) Sedimentation or Inertia (labelled B) Interception (labelled C) Hydrodynamic (labelled D) Escaped Particle (labelled as E) Sep. 17, 2002

Filter Pasir Lambat 01 November 2020 12

• Filter pasir lambat cukup efektif untuk menghilangkan kandungan bahan organik dan organisme patogen pada air baku yang mempunyai kekeruhan relatif rendah. • Tidak diperlukan proses koagulasi-flokulasisedimentasi sebelumnya ftsp 13 01 November 2020

Pressure filter ftsp 14 01 November 2020

Kriteria Filter Pasir Cepat Filter Pasir Lambat Kecepatan filtrasi Ukuran bed Kedalaman bed 4 – 21 m/jam Kecil, 40 – 400 m 2 30 – 45 cm kerikil, 60 – 70 cm pasir, tidak berkurang saat pencucian 0, 1 – 0, 4 m/jam Besar, 2000 m 2 30 cm kerikil, 90 – 110 cm pasir, berkurang 50 – 80 cm saat pencucian Ukuran pasir Effective size >0, 55 mm, uniformity coefficient <1, 5 Terstratifikasi Pipa lateral berlubang yang mengalirkan air ke pipa utama Distribusi ukuran media Sistem underdrain Kehilangan energi Filter run (jarak waktu pencucian) Metoda pembersihan Jumlah air untuk pembersihan Pengolahan pendahuluan ftsp Biaya konstruksi 15 Biaya operasi Biaya depresiasi Effective size 0, 25 -0, 3 mm, uniformity coefficient 2 -3 Tidak terstratifikasi Sama dengan filter cepat atau batu kasar dan beton berlubang sebagai saluran utama 30 cm saat awal, hingga 275 cm saat 6 cm saat awal, hingga 120 cm saat akhir 12 – 72 jam 20 – 60 hari Mengangkat kotoran dan pasir ke atas dengan backwash 1 – 6% dari air tersaring Koagulasi-flokulasi-sedimentasi Relatif tinggi Mengambil lapisan pasir di permukaan dan mencucinya 0, 2 – 0, 6% dari air tersaring Biasanya tidak ada bila kekeruhan kurang dari 50 NTU Relatif rendah 01 November 2020 Relatif rendah

MEDIA FILTER

Yang diperhatikan dalam pemilihan media filter • dapat berfungsi sebagai penyaring • tidak cepat terjadi clogging • tidak mudah berubah bentuk dan ukuran • tidak mudah terbawa aliran saat backwash 01 November 2020 KRITERIA: ES & UC 17

Definisi ES dan UC �Effective Size, ES (ukuran efektif): ukuran media filter bagian atas yang dianggap paling efektif dalam memisahkan kotoran yang besarnya 10% dari total kedalaman lapisan media filter atau 10% dari fraksi berat, ini sering dinyatakan sebagai d 10 (diameter pada persentil 10) �Uniformity Coefficient, UC (koefisien keseragaman): angka keseragaman media filter yang dinyatakan dengan perbandingan antara ukuran diameter pada 60% fraksi berat terhadap ukuran efektif atau dapat ditulis: UC = d 60/d 10. d 60 adalah diameter butiran pada persentil 60) ftsp 18 01 November 2020

01 November 2020 19

Lembar untuk penggambaran hasil analisis ayakan pasir 01 November 2020 20

Pemilihan Ukuran Media Pasir • Persentase stok pasir yang dapat digunakan: Puse = 2 (Pst 60 – Pst 10) • Persentase pasir yang terlalu kecil: Pf = Pst 10 – 0, 1 Puse = Pst 10 – 0, 2 (Pst 60 – Pst 10) • Persentase ukuran pasir yang terlalu besar: Pc = 100 – Pf - Puse o Pst 10 adalah persentase pasir stok yang memenuhi ES sesuai kriteria yang diminta o Pst 60 adalah persentase pasir stok yang memenuhi ES x UC sesuai kriteria yang diminta ftsp 21 01 November 2020

Kriteria perencanaan media filter untuk pengolahan air Karakteristik Nilai Rentang Tipikal I Single Media A. Media pasir : Kedalaman (mm) 610 – 760 685 ES (mm) 0, 35 – 0, 70 0, 6 UC <1, 7 Kedalaman (mm) 610 – 760 685 ES (mm) 0, 70 – 0, 75 UC <1, 75 1, 36 – 3, 40 2, 72 B. Media anthrasit : ftsp C. Laju Filtrasi (l/det. m 2) 22 01 November 2020

Kriteria perencanaan media filter untuk pengolahan air Karakteristik Nilai Rentang Tipikal II. Dual Media Anthrasit : Kedalaman (mm) 460 – 610 ES (mm) 0, 9 – 1, 1 1, 0 UC 1, 6 – 1, 8 1, 7 Pasir Kedalaman (mm) 150 – 205 150 ES (mm) 0, 45 – 0, 55 0, 5 UC 1, 5 – 1, 7 1, 6 2, 04 – 5, 44 3, 4 ftsp Laju Filtrasi (l/det. m 2) 23 01 November 2020

Kriteria perencanaan media filter untuk pengolahan air Karakteristik III. Mixed Media Anthrasit : Kedalaman (mm) ES (mm) UC Pasir Kedalaman (mm) ES (mm) UC Garnet Kedalaman (mm) ES (mm) UC Laju Filtrasi (l/det. m 2) Nilai Rentang Tipikal 420 – 530 0, 95 – 1, 0 1, 55 – 1, 75 460 1, 0 <1, 75 150 – 230 0, 45 – 0, 55 1, 5 – 1, 65 230 0, 50 1, 60 75 – 115 0, 20 – 0, 35 1, 6 – 2, 0 2, 72 – 6, 80 75 0, 20 <1, 6 4, 08 ftsp 24 01 November 2020

Contoh Soal • Telah dilakukan analisis ayakan terhadap media pasir dengan hasil sebagaimana digambarkan pada gambar di bawah. Distribusi ukuran pada grafik tersebut menunjukkan nilai ES = 0, 29 mm dan UC = 2, 41. Bila pasir tersebut akan digunakan sebagai media filter, lakukan analisis terhadap pasir tersebut untuk menentukan bagian pasir yang dapat digunakan. Spesifikasi media filter yang diharapkan adalah ES = 0, 05 cm dan UC = 1, 5. ftsp 25 01 November 2020

ftsp 26 01 November 2020

Penyelesaian • Berdasarkan gambar di atas, d 10 adalah 0, 29 mm dan d 60 adalah 0, 70 mm. ES = 0, 29 mm = 0, 029 cm UC = 0, 70/0, 29 = 2, 41 • Berdasarkan spesifikasi yang diharapkan, pasir tersebut tidak memenuhi syarat sebagai media filter. Oleh karena itu harus dilakukan pemilihan ukuran agar memenuhi spesifikasinya. ES yang diharapkan adalah 0, 05 cm dan UC adalah 1, 5. • Spesifikasi yang diharapkan: ES = d 10 = 0, 05 cm UC = 1, 5 d 60 = UC * ES = 1, 5 * (0, 05 cm) = 0, 075 cm • Buatlah garis baru yang menghubungkan (d 10, P 10) dan (d 60, P 60) sesuai spesifikasi yang diharapkan. Tentukan Pst 60 dan Pst 10. Diperoleh Pst 60 = 63% dan Pst 10 = 31%. ftsp 27 01 November 2020

ftsp 28 01 November 2020

• Persentase stok pasir yang dapat digunakan: Puse = 2 (Pst 60 – Pst 10) = 2 (63 – 31) = 64 % • Persentase pasir yang terlalu kecil: Pf = Pst 10 – 0, 1 Puse = Pst 10 – 0, 2 (Pst 60 – Pst 10) = 31 - 0, 2 (63 31) = 24, 6% • Prosentase ukuran pasir yang terlalu besar: Pc = 100 – Pf - Puse = 100 – 24, 6 - 64 = 11, 4% • Dengan demikian, 24, 6% dari ukuran pasir terkecil, yaitu pasir dengan ukuran lebih kecil dari 0, 045 cm harus dihilangkan. Untuk ukuran yang terlalu besar, 11, 4% ukuran pasir terbesar yang harus dibuang atau ukuran pasir di atas 0, 105 cm. Jadi pasir stok yang dapat digunakan adalah pasir yang berukuran 0, 045 sampai 0, 105 cm. 01 November 2020 29

ftsp 30 01 November 2020

Hidrolika Filtrasi 01 November 2020 31

Operasi Filtrasi • Prinsip aliran pada media berbutir mengikuti persamaan Darcy – Weisbach: • Persamaan di atas adalah untuk pipa, dengan: h. L= kehilangan tekanan akibat gesekan, m f = koefisien kekasaran L = panjang pipa, m V = kecepatan aliran, m/detik Dc = diameter pipa, m ftsp 32 01 November 2020

Persamaan Filtrasi • Berdasarkan persamaan Darcy-Weisbach, untuk media berbutir, dapat diturunkan persamaan Carman-Kozeny: ftsp Penurunan rumus dapat dibaca pada literatur dan modul ajar 33 01 November 2020

Persamaan Rose • Selain Pers. Carman-Kozeny, persamaan lain yang digunakan untuk menghitung headloss filtrasi adalah Pers. Rose : • CD dihitung berdasarkan nilai NRe (lihat bahan kuliah SEDIMENTASI) ftsp 34 01 November 2020

Modifikasi Persamaan Carman-Kozeny dan Rose • Untuk media terstratifikasi dengan porositas yang seragam: – Carman-Kozeny: – Rose: x = fraksi berat partikel dengan ukuran di ftsp 35 01 November 2020

• Besarnya kehilangan tekanan pada media filter dapat ditentukan dengan menggunakan percobaan piezometrik skala laboratorium ftsp 36 01 November 2020

• Headloss pada proses filtrasi akan selalu meningkat sejalan dengan waktu operasi filtrasi • Naiknya headloss ini dapat digunakan untuk menentukan filter run atau siklus filtrasi, yaitu periode waktu operasi filtrasi di antara dua pencucian media ftsp 37 01 November 2020

ftsp 38 01 November 2020

Contoh Soal • Lihat Contoh Soal pada Buku Reynolds dan Richards (1996) ftsp 39 01 November 2020

Contoh soal • Sebuah bak filter single media tidak seragam terstratifikasi dengan data sebagai berikut: Diameter (mm % Berat • Tebal media pasir total, L = 60 cm 0, 61 8 • Specific gravity pasir, Sg = 2, 65 0, 55 19 • Faktor bentuk pasir, = 0, 82 0, 40 45 • Porositas media pasir, = 0, 42 0, 27 21 • Rate filtrasi, Va = 10 m/jam 0, 18 7 • Temperatur air = 28 o. C • Diameter pasir terdistribusi sebagai berikut: ftsp Hitunglah headloss yang terjadi akibat melewati media pasir tersebut 40 01 November 2020

Penyelesaian: Langkah penyelesaiannya adalah: • Hitung NRe untuk masing-masing diameter • Hitung CD untuk masing-masing diameter (perhatikan nilai NRe karena rumus CD tergantung pada nilai NRe) • Hitung CD x / d untuk masing-masing diameter • Hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel berikut: diameter (mm) 0, 61 0, 55 0, 4 0, 27 0, 18 % berat 8 19 45 21 7 NRe 1, 655 1, 492 1, 085 0, 733 0, 655 CD 17, 171 18, 877 25, 331 32, 757 17, 171 CD x/d 22, 519 65, 210 284, 970 254, 779 22, 519 ftsp 41 01 November 2020

Backwashing Backwash dilakukan bila terjadi clogging yang ditandai dengan: • Penurunan kapasitas produksi • Peningkatan head loss yang diikuti oleh kenaikan muka air di atas media filter. • Penurunan kualitas air terproduksi. ftsp 42 01 November 2020

• Backwash dilakukan dengan memberikan aliran air dari arah bawah yang menyebabkan media pasir terangkat (terekspansi). • Berat butiran media tidak berubah, jadi: Berat sebelum ekspansi = Berat setelah ekspansi • Vol. butiran media tidak berubah, jadi: Vol. sebelum ekspansi = Vol. setelah ekspansi L dan LE = tinggi media mula-mula dan tinggi media terekspansi dan E = porositas saat filtrasi dan terekspansi A = luas permukaan bak filter p = berat jenis partikel ftsp 43 01 November 2020

Ekspansi media filter Operasi filtrasi L e Le Backwash 01 November 2020 44

• Tinggi media terekspansi pada saat back wash: • untuk partikel yang seragam: VB = kecepatan upflow back wash Vs = kecepatan mengendap partikel. ftsp 45 01 November 2020

• Kehilangan tekanan pada saat awal back wash: • Tinggi media terekspansi pada saat back wash (untuk ukuran media tidak seragam): • Untuk menghitung VB, Vs ditentukan dari ukuran media terbesar ftsp 46 01 November 2020

Contoh Soal • Lihat Contoh Soal Buku Reynolds dan Richards (1996) ftsp 47 01 November 2020

Contoh Soal Filter pasir cepat memiliki kedalaman media pasir 0, 60 m. Specific gravity = 2, 65; faktor bentuk ( ) = 0, 82; porositas ( ) = 0, 42; laju filtrasi = 1, 75 lt/detik-m 2; suhu operasi = 28 C. Data analisis ayakan adalah sebagai berikut: Ukuran ayakan 14 – 20 Berat tertahan (%) 0, 87 d (m) 0, 0010006 20 – 28 8, 63 0, 0007111 28 – 32 26, 30 0, 0005422 32 – 35 30, 10 0, 0004572 35 – 42 20, 64 0, 0003834 42 – 48 7, 09 0, 0003225 48 – 60 3, 19 0, 0002707 60 – 65 2, 16 0, 0002274 65 – 100 1, 02 0, 0001777 Tentukan: a. Kecepatan backwash yang diperlukan untuk ekspansi media b. Debit aliran air yang diperlukan untuk ekspansi media c. Kehilangan tekanan pada saat awal backwash d. November Tinggi ekspansi media pasir (Le) 01 2020 48

a. Kecepatan backwash minimum: Vb=Vs 4, 5 = (0, 174 m/det)(0, 42)4, 5 = 0, 00351 m/det. b. Debit backwash = (0, 00351 m/det)(1000 L/m 3) = 3, 51 L/det-m 2. c. Kehilangan tekanan pada saat awal backwash: d. Ketinggian ekspansi dihitung dengan menentukan porositas saat ekspansi sebagai berikut: ftsp 49 01 November 2020

d (m) NRe CD Vs (m/det) e 14 – 20 Berat partikel (%) 0, 87 0, 0010006 170, 08 0, 711 0, 174 0, 424 0, 015 20 – 28 8, 63 0, 0007111 89, 61 0, 925 0, 129 0, 453 0, 158 28 – 32 26, 30 0, 0005422 51, 91 1, 219 0, 098 0, 481 0, 507 32 – 35 30, 10 0, 0004572 36, 18 1, 502 0, 081 0, 501 0, 604 35 – 42 20, 64 0, 0003834 24, 34 1, 934 0, 065 0, 526 0, 435 42 – 48 7, 09 0, 0003225 16, 38 2, 546 0, 052 0, 552 0, 158 48 – 60 3, 19 0, 0002707 10, 84 3, 465 0, 041 0, 582 0, 076 60 – 65 2, 16 0, 0002274 6, 89 4, 968 0, 031 0, 618 0, 056 65 – 100 1, 02 0, 0001777 3, 82 8, 159 0, 022 0, 670 0, 031 Ukuran ayakan ftsp Maka tinggi ekspansi total adalah: 50 01 November 2020

Sistem underdrain Manifold ftsp 51 01 November 2020

Orifice ftsp 52 Lateral 01 November 2020

FILTER MEMBRAN ftsp 53 53 01/11/2020

Filter Membran • Penggunaan membran dalam pengolahan air bertujuan untuk pemisahan substansi dari larutan • Aplikasi: – Mikrofiltrasi, ukuran pori sekitar 0, 05 – 10 mikron – Ultrafiltrasi, ukuran pori sekitar 0, 005 – 10 mikron – Dialisis, ukuran pori sekitar 0, 0005 – 0, 1 mikron – Elektrodialisis, ukuran pori sekitar 0, 0005 – 0, 01 mikron – Reverse Osmosis, ukuran pori sekitar 0, 0005 – 0, 008 mikron ftsp 54 November 2020

Membrane Classifications (Pore Size) Organic macromolecules Organic compounds Colloids Pollens 100 mm Yeasts 10 mm hair visible to naked eye Red globule 1 mm 0. 01 mm ftsp 55 0. 1 nm RO Smallest microorganisms Polio virus UF Sand filter Dissolved salts Viruses Bacteria MF NF Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltration November 2020

Mikrofiltrasi ftsp 56 Nanofiltrasi Ultrafiltrasi Reverse Osmosis November 2020

Teknik Membran Mikrofiltrasi Dari filter Ultrafiltrasi Dari filter Elektrodialisis TDS 500 – 8000 mg/l TDS 100 – < 1 nm 36000 mg/l Reverse Osmosis ftsp 57 Air Umpan Ukuran Pori 0, 1 -2 mikron (umumnya 0, 45 mikron) 0, 002 -0, 1 mikron (umumnya 0, 01 mikron) < 1 nm Gaya Dorong Tekanan > 10 psi (> 0, 7 kg/cm 2) Tekanan > 20 psi (> 1, 4 kg/cm 2) Tujuan Penyisihan Bakteri menyerupai partikel tak larut, bahan koloid Senyawa berukuran molekuler, termasuk mikroorganisme Arus DC 0, 27 Ion garam 0, 36 k. W/lb garam Tekanan > 200 psi Ion garam dan bahan (> 14 kg/cm 2) koloid November 2020

Program S 1 Teknik Lingkungan – ITS surabaya http: //enviro. its. ac. id