PENGOLAHAN AIR LIMBAH SECARA KIMIA

PENGOLAHAN AIR LIMBAH SECARA KIMIA  

Ketut Sumada

Jurusan Teknik Kimia

Universitas Pembangunan Nasional (UPN) “Veteran” Jawa Timur

email : ketutaditya@yahoo.com

Pengolahan air limbah secara KIMIA merupakan pengolahan air limbah dengan penambahan bahan kimia (padat, cair, dan gas) kedalam air limbah.  Beberapa proses pengolahan air limbah secara kimia seperti Netralisasi, Koagulasi/flokulasi, dan gas transfer,  setiap proses mempunyai tujuan tertentu. 

a. Proses Netralisasi  

Proses netralisasi  bertujuan untuk melakukan perubahan derajat keasaman (pH) air limbah. Proses ini dilakukan pada awal proses (pengkondisian) air limbah sebelum dilakukan proses lanjutan atau pada akhir proses sebelum air limbah dibuang kelingkungan dalam rangka memenuhi standar baku mutu air limbah yaitu pH 6-9.

Beberapa air limbah memiliki derajat keasaman (pH) asam dan basa, dalam proses netralisasi diharapkan pH air limbah menjadi netral atau berkisar 6-9. Berbagai reaksi yang terjadi pada proses netralisasi :

                            YOH + HX → XY + H₂O

 

Y dan X mewakili monovalen kation dan anion, XY merupakan garam yang terbentuk, sebagai contoh reaksi netralisasi yaitu natrium hidroksida dengan asam clorida seperti berikut.

                     HCl + NaOH → NaCl + H₂O

Dimana Na merupakan Y dan Cl merupakan X, pada reaksi tersebut akan dihasilkan garam yaitu NaCl. Berbagai reaksi netralisasi seperti berikut :

                        HCl + NaOH → NaCl + H₂O

             2 HCl + Mg → MgCl2  + H₂

                       H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H₂O

 

Reaksi yang terjadi pada netralisasi ada yang bersifat eksotermis (the enthalpy of neutralization) seperti reaksi antara natrium hidroksida dengan asam clorida, dan bersifat endotermis yaitu natrium karbonat dengan asam asetat.

                 Pada air limbah yang bersifat asam, dibutuhkan basa untuk netralisasi dan sebaliknya. Pada netralisasi air limbah dapat pula terbentuk padatan sehingga dibutuhkan proses pemisahan padatan.

 b. Proses Koagulasi-Flokulasi    

Koagulasi dan flokulasi merupakan proses pengolahan air dan air limbah secara kimia yaitu dengan penambahan bahan kimia kedalam air limbah. Air limbah pada umumnya mengandung padatan tersuspensi, partikel koloid (berukuran < 1 mikron), bahan terlarut (berukuran < nanometer). Padatan-padatan dalam air pada umumnya bermuatan negatif dan padatan-padatan tersebut sangat sulit dipisahkan secara fisik (sedimentasi dan filtrasi dengan media padat) dan dapat dilakukan secara kimia melalui proses koagulasi-flokulasi

 Koagulasi merupakan proses destabilisasi partikel, sedangakan flokulasi merupakan proses penggabungan partikel yang telah mengalami proses destabilisasi, mekanisme destabilisasi partikel seperti terlihat dalam gambar berikut. Proses destabilisasi partikel dilakukan dengan penambahan bahan kimia yang bermuatan positif yang dapat menyelimuti permukaan partikel sehingga partikel tersebut dapat berikatan dengan partikel lainnya. Partikel yang telah berikatan akan mudah untuk dipisahkan secara fisik (sedimentasi, flotasi, dan filtrasi). Proses flokulasi dibutuhkan untuk penggabungan partikel dengan mennggunakan bahan kimia sehingga mempercepat waktu pengendapan partikel (flok).

Pada proses koagulasi (destabilisasi) dibutuhkan bahan kimia yang mampu merubah muatan partikel, perubahan muatan partikel dapat dilakukan dengan berbagai bahan kimia tetapi bahan kimia yang bervalensi 3 (trivalent) sepuluh kali lebih efektif dibanding dengan bervalensi 2 (divalent). Bahan kimia yang sering dipergunakan dalam proses koagulasi seperti tercantum dalam tabel berikut.

    

Koagulan	Formula	Berat molekul
Aluminium sulphate	Al2(SO4)3 .18 H2O	666,7
Ferrous sulphate	Fe (SO4). 7 H2O	278,0
Lime	Ca(OH)2	56 sebagai CaO
Ferric chloride	FeCl3	162,1
Ferric sulphate	Fe2(SO4)3	400

Berbagai reaksi yang terjadi pada penambahan koagulan kedalam air atau air limbah seperti reaksi-reaksi berikut

ALUMINIUM SULPHATE

 Al₂(SO₄)₃           +     3 Ca(HCO₃)₂   →     2 Al(OH)₃      +    3CaSO₄    +     6 CO₂

Aluminum          +      Calcium                       Aluminum    +    Calcium   +    Carbon

Sulfate                       Bicarbonate                 Hydroxide           Sulfate          Dioxide

                                 (ada dalam air

                                  yang diolah)

FERRIC SULFATE

Fe₂(SO₄)₃      +    3 Ca(HCO₃)₂  →     2 Fe(OH)₃      +     3CaSO₄         +    6 CO₂

Ferric           +   Calcium                           Ferric           +     Calcium      +    Carbon

Sulfate              Bicarbonate                     Hydroxide            Sulfate             Dioxide

                        

FERRIC CHLORIDE

2 Fe Cl₃          +    3 Ca(HCO₃)₂   →    2 Fe(OH)₃        +       3CaCl₂    +       6CO₂

Ferric          +     Calcium                        Ferric               +      Calcium    +     Carbon

Chloride            Bicarbonate                   Hydroxide                Chloride          Dioxide 

FERROUS SULFATE

FeS0₄             +       Ca(HCO₃)₂  →      Fe(OH)₂           +      CaS04     +        2CO₂

Ferrous      +        Calcium                      Ferrous            +     Calcium    +        Carbon

Sulfate                Bicarbonate                 Hydroxide               Sulfate                Dioxide

                         

 

SODIUM ALUMINATE

2 Na₂Al₂O₄    +      Ca(HCO₃)₂  →     8 Al(OH)₃         +      3 Na₂CO₃        +      6 H₂0

Sodium          +      Calcium                    Aluminum      +       Sodium           +     Water

Aluminate             Carbonate                  Hydroxide               Carbonate

 

Na₂Al₂O₄           +        CO₂   →             2 Al(OH)₃      +      NaCO₃

Sodium          +     Carbon                      Aluminum      +      Sodium

Aluminate             Dioxide                      Hydroxide             Carbonate

 

Na₂Al₂O₄             +       MgCO₃      →       MgAl₂O₄       +        Na₂CO₃

Sodium           +     Magnesium                Magnesium    +        Sodium

Aluminate              Carbonate                  Aluminate               Carbonat

Berbagai parameter perancangan sedimentasi untuk koagulasi berdasarkan jenis koagulan yang dipergunakan seperti tercantum dalam tabel  berikut

Tabel .Perancangan sedimentasi berdasarkan jenis koagulan   

Jenis Koagulan	Laju alir limpahan (gallon/hari-ft2)	Waktu tinggal (jam)
Aluminium	500 - 800	2 – 8
Besi	700 - 1000	2 – 8
Kapur-Soda	700 - 1500	4 – 8

            
                           Hasil Koagulasi                      Pengendapan flok dalam tabung


                      

Flokulasi merupakan suatu peristiwa penggabungan partikel-partikel yang telah mengalami proses destabilisasi (koagulasi) dengan penambahan bahan kimia (flokulan) sehingga terbentuk partikel dengan ukuran lebih besar (macrofloc) yang mudah untuk diendapkan. Mekanisme flokulasi seperti terlihat dalam gambar  4.4. berikut

           

            

Beberapa jenis bahan kimia yang berfungsi sebagai flokulan seperti tercantum dalam tabel berikut.

 

Tabel .Jenis flokulan

Sumber flokulan	Jenis flokulan
Flokulan Mineral	Silika aktif
	Tanah liat (koloid) : bentonit
	Logam hidroksida (aluminium dan ferri hidroksida)
Flokulan organik	Turunan pati (pati singkong, dan kentang)
	Polisakarida
	Kitosan
	Gelatin dan alginat
Flokulan sintetis	Polyethylene-imines (cationic)
	Polyamides-amines (cationic)
	Polyamines (cationic)
	Polyethylene-oxide (nonionic)
	Komponen karboksil dan sulfonate (anionic)
	Polyacrylamide (nonionic)

Flokulan sintetis merupakan flokulan yang diproduksi dengan berbagai kebutuhan sehingga flokulan ini diproduksi bermuatan negatif (anionic), bermuatan positif (cationic) dan netral (nonionic), flokulan bermuatan negatif dapat bereaksi dengan partikel bermuatan negatif seperti garam-garam dan logam-logam hidroksida, sedangkan flokulan yang bermuatan positif akan bereaksi dengan partikel bermuatan negatif seperti silika maupun bahan-bahan organik, tetapi hukum itu tidak berlaku secara umum karena flokulan negatif dapat mengikat tanah liat yang bermuatan negatif. 

Dalam proses koagulasi-flokulasi beberapa hal yang perlu diperhatikan :

1. Konsentrasi padatan yang terkandung dalam air limbah. Konsentrasi padatan atau zat terlarut dalam air limbah akan mempengaruhi kebutuhan konsentrasi koagulan yang dibutuhkan dalam pengolahan air limbah, pada umumnya jika konsentrasi padatan atau zat terlarutnya tinggi akan dibutuhkan konsentrasi koagulan yang lebih kecil (diperlukan penelitian pendahuluan) 
2. Jenis koagulan yang dipergunakan. Jenis koagulan yang akan diaplikasikan tergantung pada karakteristik air limbahnya, hal ini disebabkan karena jenis koagulan tertentu akan bekerja baik pada derajat keasaman (pH) air limbah tertentu.
3. Kecepatan putaran pengaduk (jika menggunakan tangki berpengaduk). Kecepatan putaran pengaduk pada pengolahan dengan tangki berpengaduk berpengaruh terhadap ukuran flok yang terbentuk, kecepatan putaran pengaduk dapat memecah flok yang sudah terbentuk. Untuk proses koagulasi kecepatan putaran pengaduk sekitar 100 rpm, sedangkan pada proses flokulasi lebih lambat sekitar 50 rpm.
4. Kecepatan aliran air limbah masuk dalam tangki (jika kecepatan aliran dimanfaatkan untuk pengadukan)
5. Waktu pengadukan (waktu tinggal). Waktu pengadukan berkaitan dengan mekanisme pembentukan flok, semakin lama waktu pengadukan pembentukan floknya akan semakin sempurna dan mudah untuk diendapkan, tetapi jika terlalu lama terkadang flok yang sudah terbentuk akan pecah kembali.
6. Jenis padatan (flok) yang dihasilkan. Jenis flok yang terbentuk tergantung pada jenis air limbah dan koagulan yang dipergunakan, pada pemakain jenis koagulan tertentu akan menghasilkan flok tertentu, kekuatan flok tertentu dan berat jenis flok tertentu. Dalam proses pengolahan air limbah secara kimia yang diharapkan adalah terbentuk flok yang kuat dan mudah untuk diendapkan dan pengendapan membutuhkan waktu yang relatif cepat.
7. Pengelolaan flok yang dihasilkan. Pada proses pengolahan air limbah secara kimia dihasilkan padatan (flok), flok yang dihasilkan perlu dilakukan pengelolaan sehingga tidak menghasilkan limbah padat meskipun jumlahnya tidak banyak. Dalam pengelolaan flok yang perlu diperhatikan adalah apakah flok dapat dioleh kembali menjadi bahan kimia baru, produk baru dan sebagainya.  

OPTIMASI PROSES KOAGULASI DAN FLOKULASI

Keberhasilan proses koagulasi dan flokulasi dalam pengolahan air limbah dipengaruhi oleh berbagai faktor diantaranya :

1. Konsentrasi koagulan
2. Kecepatan Putaran Pengadukan 
3. Waktu Pengadukan

Dalam optimasi proses diarahkan kepada perancangan peralatan tangki berpengaduk yang efisien. Untuk optimasi proses dipergunakan persamaan Camp, yang dikenal dengan bilangan Camp yaitu menghubungkan GRADIEN KECEPATAN dengan Waktu Pengadukan :

Bilangan Camp (Ca) = Gradien Kecepatan x waktu pengadukan. 

Gradien kecepatan (G) merupakan fungsi dari Daya yang dibutuhkan (P), Viskositas air limbah (Mu) dan Volume air limbah (V). 

  G = {P/(Mu x V)}^0,5                      tanda (^) ini berarti pangkat

Daya (P) merupakan fungsi dari kecepatan putaran pengaduk (rev), luas penampang pengaduk (A), densitas air limbah (rho), dan drag coefisien (CD). dan Persamaannya seperti berikut.

    P  = (CD x A x rho x Rev^3 )/2

 CD : drag coefisien yang merupakan fungsi dari bilangan Reynold (NRe)    (lihat literatur)


NRe = (Rev x dp x rho)/(Mu),                       dengan dp : diameter pengaduk.


Langkah pengerjaan :

1. Cari sifat fisik air limbah yaitu viskositas (Mu), densitas air limbah (rho)
2. Tentukan diameter pengaduk yang dipergunakan (dp) dan kecepatan putaran pengaduk (rev)
3. Dengan mengetahui harga viskositas (Mu), densitas (rho), diameter pengaduk (dp) dan kecepatan putaran pengaduk (rev), nilai bilangan Reynold (NRe) dapat dihitung.
4. Dengan mengetahui bilangan Reynold (NRe) dan mempergunakan grafik (lihat literatur), dapat dihitung besarnya drag koefisien (CD)
5. Dengan mengetahui nilai CD, rho dan rev, serta luas pengaduk, maka dapat menghitung besarnya Daya (P)
6. Dengan mengetahui nilai Daya (P), Volume air limbah (V) dan viskositas (Mu) maka dapat menghitung nilai Gradien kecepatan (G)
7. Dengan mengetahui nilai Gradien kecepatan (G), dan waktu pengadukan (t), maka besarnya bilangan Camp (Ca) dapat dihitung. 

Bilangan Camp inilah yang sering diperguanakn sebagai landasan dalam optimasi proses koagulasi dan flokulasi. Bilangan Camp terbaik untuk proses koagulasi dan flokulasi adalah 10.000 - 100.000 (bilangan tak berdimensi).

KINERJA PROSES PENGOLAHAN AIR LIMBAH SECARA KIMIA (KOAGULASI & FLOKULASI)

• Penurunan padatan tersuspensi  : 85 - 95 %
• Penurunan COD                            : 50 - 70 %
• Penurunan BOD                            : 50 - 70 %

 c. Gas Transfer (injeksi gas kedalam air limbah)

 Pada pengolahan air limbah, peristiwa gas transfer (injeksi gas kedalam air limbah) sering terjadi seperti : 

1. Injeksi gas chlor kedalam pengolahan air bertujuan untuk membunuh bakteri 
2. Injeksi gas ozon kedalam pengolahan air limbah bertujuan untuk proses oksidasi
3. Injeksi udara kedalam pengolahan air limbah bertujuan untuk proses oksidasi, menjaga agar air limbah tidak berbau, menjaga kehidupan mikroorganisme (proses pengolahan air limbah secara biologi)

Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam injeksi gas/udara kedalam air limbah :

1. Kelarutan gas/udara tersebut didalam air limbah. Kelarutan gas/udara didalam air limbah sangat penting untuk diketehui, ini berkaitan dengan perhitungan berapa laju alir gas/udara yang diinjeksikan kedalam air limbah. Penentuan kelarutan gas/udara sangat tergantung kepada Tekanan dan Temperatur.
2. Distribusi gas/udara didalam air limbah. Pendistribusian gas/udara didalam air limbah bertujuan agar distribusi gas/udara merata pada setiap bagian air limbah, sehingga perlu pengaturan pemasangan distributor gas/udara yang baik.
3. Tekanan cairan (terkait dengan tinggi cairan diatas distributor gas/udara). Pemasangan distributor gas/udara pada bagian bawah air limbah akan mendapatkan tekanan hidrostatik dari air limbah tersebut, sehingga ketinggian air limbah diatas distributor perlu diperhatikan agar gas/udara dapat terdistribusi didalam air limbah dengan baik.
4. Ukuran gelembung gas/udara dalam air limbah. Ukuran gelembung gas/udara mempengaruhi proses kelarutan gas/udara, semakin kecil ukuran gelembung gas/udara semakin baik proses kelarutannya. 

********Semoga tulisan ini bermanfaat *************