Koagulasi dan flokulasi: dosis dan jar test

Dua tugas di balik satu istilah

Koagulasi dan flokulasi disebut bersamaan karena keduanya terjadi pada bagian IPAL yang sama, satu setelah yang lain, tetapi keduanya adalah dua tugas yang berbeda. Partikel koloid dalam air baku — lempung, warna, bakteri, bahan organik — membawa muatan permukaan negatif, dan muatan yang sejenis menjaga mereka tetap terpisah. Pengendapan biasa tidak menyisihkannya pada laju yang berguna, karena tolakan antar dua partikel lebih kuat daripada gaya gravitasi yang bekerja pada partikel sekecil itu.

Koagulasi adalah langkah yang menghilangkan tolakan itu. Koagulan yang dimasukkan ke dalam air menghasilkan spesies bermuatan positif yang memampatkan lapisan ganda listrik di sekitar setiap partikel dan menetralkan sebagian muatannya, sehingga dua partikel yang bertemu dapat tetap menyatu. Flokulasi adalah langkah yang menumbuhkan agregat kecil pertama itu menjadi flok yang cukup besar untuk mengendap atau diapungkan: molekul polimer berantai panjang teradsorpsi pada lebih dari satu partikel sekaligus dan menjembataninya, dan ketika garam logam dimasukkan pada dosis lebih tinggi, endapan hidroksida terbentuk dan menjerat partikel dalam apa yang biasanya disebut sweep floc.

Perbedaan ini memiliki konsekuensi praktis dalam pencampuran. Koagulasi membutuhkan energi pada detik-detik pertama agar bahan kimia tersebar ke seluruh volume sebelum bereaksi; flokulasi membutuhkan gerakan lembut selama beberapa menit, karena flok yang sudah terbentuk mudah rusak oleh geseran (shear). IPAL yang mencampur sekali dengan kuat hanya melakukan salah satu dari kedua tugas itu dan membatalkan yang lain. Langkah pemisahan yang menyusul — sedimentasi, dissolved air flotation, atau filtrasi — adalah tempat agregat harus keluar, dan beban permukaannya adalah yang mengubah flok yang terbentuk baik menjadi supernatant bening.

Tiga keluarga bahan kimia

Hampir setiap konfigurasi dosis menggunakan tiga keluarga, dan sebagian besar memakai lebih dari satu di antaranya.

• Garam logam yang terhidrolisis — aluminium sulfat (alum), polialuminium klorida, feri klorida, dan ferro sulfat. Garam ini terhidrolisis dalam air menjadi spesies bermuatan positif yang menetralkan muatan partikel, dan pada dosis lebih tinggi mengendap sebagai hidroksida yang menyapu partikel turun bersamanya.
• Polimer organik — flokulan poliakrilamida (PAM), tersedia dalam kelas anionik, kationik, atau non-ionik. Rantai panjangnya menjembatani partikel yang sudah tidak stabil, dan kelas kationik membawa muatan positif yang melakukan sebagian penetralan itu sendiri.
• Penyesuaian pH dan alkalinitas — kapur, soda kaustik, atau asam, yang digunakan untuk menggeser air ke dalam rentang tempat koagulan terpilih bekerja. Garam alum dan feri mengonsumsi alkalinitas saat bereaksi, sehingga pH setelah dosis adalah pH yang dilihat oleh proses.

Alasan munculnya lebih dari satu bahan kimia adalah kedua tugas itu paling baik dilayani oleh molekul yang berbeda. Garam logam menetralkan muatan dalam rentang pH yang harus ditetapkan untuk air yang sedang ditangani; polimer membentuk flok dengan panjang rantai yang tidak dimiliki garam logam. Garam logam tunggal pada air yang sulit, atau polimer saja pada koloid yang stabil, adalah cara sebuah IPAL akhirnya mendorong dosis jauh lebih tinggi daripada yang seharusnya. Pemasok koagulan menerbitkan rentang indikatif yang diambil dari praktik instalasi air bersih, tetapi rentang itu menggambarkan bahan kimianya, bukan air Anda. Nilai yang penting ditentukan pada air yang benar-benar akan diolah IPAL.

Mengapa dosis tidak dapat dibaca dari tabel

Dosis optimum suatu koagulan berubah mengikuti airnya. Kekeruhan dan padatan tersuspensi, alkalinitas dan pH, suhu, fraksi organik, warna, dan kekuatan ionik semuanya menggesernya, dan tidak semuanya menggesernya ke arah yang sama. Alum yang sama pada dosis yang sama dapat menghasilkan flok yang cepat mengendap pada satu air baku dan suspensi halus yang langsung melewati ambang (weir) pada air baku lain. Itulah sebabnya dua IPAL berukuran serupa di dua sungai berbeda dapat memakai dosis yang jauh berbeda.

Dua variabel berada di atas air itu sendiri. Air dingin memperlambat hidrolisis dan pembentukan flok, sehingga dosis yang berhasil pada musim panas bisa berkinerja kurang pada musim dingin dan waktu flokulasi yang lebih lama mungkin diperlukan untuk mengompensasinya. Dan dosis garam logam yang ditetapkan oleh batas fosfor dan bukan oleh kejernihan ditetapkan oleh kimia pengendapan: dosis itu mengikuti rasio logam terhadap fosfor dalam air, yang merupakan perhitungan berbeda dari perhitungan yang menentukan apa yang terlihat jernih dalam gelas kimia.

Kesimpulannya adalah dosis ditentukan, bukan dicari di tabel, dan penentuannya adalah jar test — tiruan IPAL berskala bench, dijalankan dalam enam gelas kimia dengan air yang sebenarnya, pada dosis yang dipilih di sekitar rentang yang diperkirakan.

Jar test, langkah demi langkah

Jar test adalah praktik standar dan bukan satu standar yang baku, dan laboratorium berbeda dalam perinciannya. Prosedur jar test di bawah ini adalah metode bench konvensional dan angkanya adalah angka yang biasanya dikutip untuknya, itulah sebabnya semuanya harus dibaca sebagai metode awal, bukan sebagai spesifikasi. Yang lebih penting daripada nilai persisnya adalah prosedur yang sama diulang setiap kali, sehingga dua hasil dapat dibandingkan.

• Isi enam gelas kimia identik dengan air baku yang sama, pada suhu yang sama, hingga volume yang sama — sekitar satu liter per gelas kimia adalah ukuran bench yang biasa.
• Ukur air baku terlebih dahulu: kekeruhan atau padatan tersuspensi, pH, alkalinitas, dan COD atau total fosfor jika parameter itulah yang menjadi dasar perancangan IPAL untuk disisihkan.
• Tetapkan tangga dosis untuk koagulan di sekitar rentang yang diperkirakan, dengan menyisakan satu gelas kimia tanpa dosis sebagai kontrol. Langkah lebar ketika rentangnya belum diketahui, lalu langkah sempit setelah jawabannya mulai terlihat.
• Pencampuran cepat (rapid mix): aduk gelas kimia dengan kuat selama periode singkat — dalam kisaran satu menit — untuk mendispersikan koagulan sebelum bereaksi.
• Pencampuran lambat (slow mix): turunkan kecepatan dan aduk dengan lembut selama periode flokulasi, dalam kisaran 15 sampai 20 menit, agar flok dapat tumbuh tanpa terpecah.
• Hentikan pengaduk dan biarkan gelas kimia diam selama periode pengendapan, dalam kisaran 20 sampai 30 menit.
• Baca supernatant-nya, bukan seluruh isi gelas kimia. Ambil sampel pada kedalaman yang sama di setiap gelas kimia, lalu ukur kekeruhan dan parameter sasaran pada sampel tersebut.
• Ulangi dengan tangga yang lebih sempit di sekitar dua gelas kimia terbaik, dan ulangi seluruh pengujian setiap kali air baku berubah secara berarti.

Kecepatan dan waktu di atas berlaku untuk bench, bukan untuk IPAL. Di lokasi, koagulasi dan flokulasi dirancang berdasarkan energi yang terdisipasi per satuan volume dan waktu yang dihabiskan air di setiap tahap, dan hasil bench-lah yang menetapkan kebutuhan bahan kimia yang harus dipenuhi oleh desain tersebut. Tabel volume tangki dan HRT menunjukkan bagaimana waktu tinggal menjadi volume bak setelah dosis diketahui.

Catat lebih dari sekadar dosis pemenang. Catatan yang berguna adalah dosis, pH yang diukur setelah dosis, kecepatan dan durasi pencampuran, waktu pengendapan, hasil supernatant, ukuran dan tampilan flok, serta volume lumpur yang mengendap — angka terakhir itulah beban yang akan diserahkan ke tahap dewatering.

Kesalahan umum

• Membaca gelas kimia terbaik sebagai dosis yang harus dibeli. Supernatant paling bening dalam suatu tangga sering kali berada di atas titik hasil yang menurun, dan biaya bahan kimia serta volume lumpur keduanya naik seiring dosis. Dosis yang harus dilanjutkan adalah yang terendah yang memenuhi sasaran dengan margin.
• Memberi dosis berlebih melewati titik optimum. Kelebihan garam logam atau kelebihan polimer kationik membalikkan muatan partikel dan menstabilkan kembali apa yang sudah tidak stabil, sehingga kekeruhan naik lagi seiring dosis bertambah. Tangga yang menjadi lebih buruk di ujung atasnya sedang menunjukkan hal ini, bukan mengalami kesalahan eksperimen.
• Menilai pengujian hanya dari kejernihan ketika berlaku batas fosfor. Penyisihan fosfor secara kimia mengikuti rasio logam terhadap fosfor dalam air, dan kejernihan visual supernatant adalah panduan yang buruk untuk hal itu.
• Menyiapkan polimer terlalu pekat. Flokulan bubuk yang dibasahi menjadi larutan kuat membentuk gumpalan yang tidak pernah larut sepenuhnya, dan fraksi yang tidak larut itu merupakan bahan kimia yang terbuang sekaligus sumber kesalahan dosis. Larutan kerja dibuat encer dan diberi waktu untuk matang sebelum didosiskan.
• Memangkas pencampuran cepat terlalu pendek, atau menjalankannya terlalu lembut. Koagulan harus mencapai seluruh volume sebelum bereaksi; tahap pertama yang lambat membuat sebagian dosis bereaksi secara lokal dan menyisakan sedikit bahan bagi tahap flokulasi untuk dibangun.
• Menguji air yang tidak akan dijumpai IPAL. Sampel yang dibiarkan mengendap, menghangat selama perjalanan, atau diambil pada satu jam yang tenang tidak mewakili beban yang harus diolah IPAL pada puncaknya, dan dosis yang ditetapkan berdasarkan sampel itu akan salah saat paling menentukan.
• Mengukur pH hanya sebelum dosis. Garam logam mengonsumsi alkalinitas, dan pH yang mengatur reaksi adalah pH setelah bahan kimia ditambahkan.

Pemeriksaan mandiri sebelum dosis ditetapkan

• Apakah sampelnya adalah air yang akan diolah IPAL, yang diambil pada titik dan waktu yang menentukan beban kerja?
• Apakah ada kontrol tanpa dosis dalam rangkaian itu, sehingga pengaruh bahan kimia terpisah dari apa yang dilakukan air itu sendiri?
• Apakah pH diukur setelah dosis sekaligus sebelum dosis?
• Apakah dosis dinyatakan untuk produk komersial sebagaimana dipasok, beserta kandungan aktifnya, sehingga pengujian dan pembelian sesuai?
• Apakah dosis telah diperiksa pada beban puncak sekaligus pada beban rata-rata?
• Apakah larutan kerja polimer cukup encer untuk pompa dosis, dan diberi cukup waktu pematangan?
• Apakah volume lumpur yang mengendap telah dicatat, sehingga beban dewatering di hilir diketahui?
• Apakah dosis pemenang telah dipersempit dengan tangga kedua, atau dikonfirmasi pada sampel kedua?

Dari dosis menjadi sistem dosis

Jar test menghasilkan sebuah angka; IPAL harus mengulang angka itu setiap hari, pada debit dan beban apa pun yang datang. Polimer bubuk memerlukan pembasahan, pematangan, dan pengukuran, dan peralatan yang melakukan pekerjaan itu dijelaskan pada halaman chemical and advanced treatment, tempat mesin dosis polimer otomatis menyiapkan dan mendosiskan flokulan di lokasi, bukan dengan tangan. Dua perincian harus menyertai dosis: produk komersial dan kandungan aktifnya, agar dosis laboratorium dan bahan kimia yang dibeli adalah hal yang sama, serta pengenceran yang dapat ditangani pompa dosis. Laju pengukuran yang sesuai dengan kelas polimer dan beban dewatering Anda dikonfirmasi dengan pabrik untuk polimer dan beban lumpur Anda, bukan diasumsikan dari tabel. Tabel kualitas influen desain dan tabel baku mutu efluen menetapkan beban yang harus dipenuhi sistem dosis, dan halaman peralatan dewatering lumpur mencakup apa yang terjadi pada lumpur yang dihasilkan dosis tersebut.