Pemodelan Proses Sedimentasi Pada Air
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah
Perusahaaan Daerah Air Minum (PDAM) merupakan perusahaan milik daerah
yang bergerak di bidang pengolahan dan perindustrian air bersih bagi masyarakat
umum. Beberapa fasilitas yang dimiliki dalam pemprosesan air bersih antara lain:
intake, menara air baku, clarifier, bangunan pengaduk cepat (Rapid Mixing),
bangunan pengaduk lambat (Slow Mixing), bangunan filtrasi, dan reservoir.
Semua peralatan-peralatan tersebut dapat dioperasikan melalui sistem komputer
yang ada. Selain berbagai macam peralatan, PDAM juga menggunakan bahan
kimia seperti kaporit dan tawas dalam proses pengolahan air bersih. Terdapat
beberapa tahapan
proses pengolahan air bersih yaitu: penyaringan dan
pengendapan, koagulasi, flokulasi, sedimentasi, filtrasi dan desinfeksi. Salah satu
dari proses pengolahan air bersih tersebut adalah sedimentasi.
Gambar 1.1. Proses pengolahan Air bersih
Di dalam proses sedimentasi partikel-partikel atau flok-flok yang terbentuk
dari flokulasi akan mengendap pada bak sedimentasi. Pada bak sedimentasi
dilengkapi ‘tube settler’ yang bertujuan untuk mempercepat proses pengendapan.
Sedimentasi adalah peristiwa pengendapan material batuan yang telah diangkut
oleh tenaga air atau angin. Pada saat pengikisan terjadi, air membawa batuan
mengalir ke sungai, danau, dan akhirnya sampai di laut. Pada saat kekuatan
pengangkutannya berkurang atau habis, batuan diendapkan di daerah aliran air.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 1.2. Proses Sedimentasi
Berdasarkan pada jenis partikel dan kemampuan partikel untuk berinteraksi,
sedimentasi dapat diklasifikasikan ke dalam empat tipe, yaitu:
1. Sedimentasi tipe I/ Plain Settling/Discrete particle
Sedimentasi tipe I merupakan pengendapan partikel diskret, yaitu partikel yang
dapat mengendap bebas secara individual tanpa membutuhkan adanya interaksi
antar partikel. Sebagai contoh sedimentasi tipe I adalah pengendapan lumpur
kasar pada bak prasedimentasi untuk pengolahan air permukaan dan pengendapan
pasir pada grit chamber.
2. Sedimentasi tipe II (Flocculant Settling)
Sedimentasi tipe II adalah pengendapan partikel flokulen dalam suspensi, di
mana selama pengendapan terjadi saling interaksi antar partikel. Selama operasi
pengendapan, ukuran partikel flokulen bertambah besar, sehingga kecepatannya
juga meningkat. Sebagai contoh sedimentasi tipe II adalah pengendapan partikel
hasil proses koagulasi-flokulasi pada pengolahan air minum maupun air limbah.
3. Sedimentasi tipe III dan IV/Hindered Settling (Zone Settling)
Sedimentasi tipe III adalah pengendapan partikel dengan konsentrasi yang
lebih pekat, di mana antar partikel secara bersama-sama saling menahan
pengendapan partikel lain disekitarnya. Karena itu pengendapan terjadi secara
bersama-sama sebagai sebuah zona dengan kecepatan yang konstan. Pada bagian
atas zona terdapat interface yang memisahkan antara massa partikel yang
mengendap dengan air jernih. Sedimentasi tipe IV merupakan kelanjutan dari
sedimentasi tipe III, dimana terjadi pemampatan (kompresi) massa partikel hingga
diperoleh konsentrasi lumpur yang tinggi. Sebagai contoh sedimentasi tipe III dan
IV ini adalah pengendapan lumpur biomassa pada final clarifier setelah proses
Universitas Sumatera Utara
lumpur aktif .Tujuan pemampatan pada final clarifier adalah untuk mendapatkan
konsentrasi lumpur biomassa yang tinggi untuk keperluan resirkulasi lumpur ke
dalam reactor lumpur aktif (Anonim, 2007).
Ada dua kelompok cara mengangkut sedimen dari batuan induknya ke tempat
pengendapannya, yakni supensi (suspended load) dan bedload tranport.
1. Suspensi
Dalam teori segala ukuran butir sedimen dapat dibawa dalam suspensi, jika
arus cukup kuat. Akan tetapi di alam, kenyataannya hanya material halus saja
yang dapat diangkut suspensi. Sifat sedimen hasil pengendapan suspensi ini
adalah mengandung prosentase masa dasar yang tinggi sehingga butiran
tampak mengambang dalam masa dasar dan umumnya disertai memilahan
butir yang buruk. Cirilain dari jenis ini adalah butir sedimen yang diangkut
tidak pernah menyentuh dasar aliran.
2. Bedload Transport
Berdasarkan tipe gerakan media pembawanya, sedimen dapat dibagi menjadi:
a. Endapan arus traksi
Arus traksi adalah arus suatu media yang membawa sedimen didasarnya.
Pada umumnya gravitasi lebih berpengaruh dari pada yang lainya seperti
angin atau pasang-surut air laut. Sedimen yang dihasilkan oleh arus traksi
ini umumnya berupa pasir yang berstruktur silang siur, dengan sifat-sifat
seperti pemilahan baik, tidak mengandung masa dasar dan ada perubahan
besar butir mengecil ke atas (fining upward) atau ke bawah (coarsening
upward) tetapi bukan perlapisan bersusun (graded bedding).
b. Endapan arus pekat (density current)
Sistem arus pekat dihasilkan dari kombinasi antara arus traksi dan
suspensi. Sistem arus ini biasanya menghasilkan suatu endapan campuran
antara pasir, lanau, dan lempung dengan jarang-jarang berstruktur silangsiur dan perlapisan bersusun. Arus pekat (density) disebabkan karena
perbedaan kepekatan (density) media. Ini bisa disebabkan karena
perlapisan panas, turbiditi dan perbedaan kadar garam. Karena gravitasi,
media yang lebih pekat akan bergerak mengalir di bawah media yang lebih
encer. Dalam geologi, aliran arus pekat di dalam cairan dikenal dengan
Universitas Sumatera Utara
nama turbiditi. Sedangkan arus yang sama di dalam udara dikenal dengan
nuees ardentes atau wedus gembel, suatu endapan gas yang keluar dari
gunung api.
c. Endapan Suspensi
Endapan dari suspensi pada umumnya berbutir halus seperti lanau dan
lempung yang dihembuskan angin atau endapan lempung pelagik pada
laut dalam. Selley (1988) membuat hubungan antara proses sedimentasi
dan jenis endapan yang dihasilkan.
Kenyataan di alam, transpor dan pengendapan sedimen tidak hanya dikuasai
oleh mekanisme tertentu saja misalnya arus traksi saja atau arus pekat saja, tetapi
lebih sering merupakan gabungan berbagai mekanisme. Bahkan dalam berbagai
hal, merupakan gabungan antara mekanik dan kimiawi. Beberapa sistem seperti
itu seperti sistem arus traksi dan suspensi, sistem arus turbit dan pekat dan sistem
suspensi dan kimiawi.
Tranportasi pada sedimentasi adalah suatu proses pengangkutan material
dari satu tempat ke tempat lain melalu aliran arus atau media yang kemudian
material tersebut terhenti dan terendapkan.
Partikel dalam fluida dapat bergerak dengan tiga mekanisme sebagai berikut:
• Menggelinding atau disebut rolling bergerak di dasar aliran udara atau air yang
bersentuhan langsung dengan permukaan dasar.
• Saltasi atau disebut saltation bergerak melompat dimana secara periode
meninggalkan permukaan dasar dan terangkut dalam tubuh fluida kemudian
kembali ke dasar lagi.
• Suspensi atau disebut dengan suspension bergerak di dalam fluida karena
turbulensi di dalam aliran.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 1.3. Mekanisme pergerakan partikel dalam Fluida
Dari persoalan proses sedimentasi pada air, maka peneliti akan melakukan
analisis proses sedimentasi pada air dengan cara memodelkan proses sedimentasi
tersebut ke dalam bentuk Matematika.
Model memegang peranan penting di bidang ilmu pengetahuan. Biasanya
dari segi ekonomi untuk menghemat waktu dan biaya ataupun komoditi berharga
lainnya. Pemodelan bisa juga dilakukan untuk menghindari resiko kerusakan
sistem nyata. Dengan demikian sebuah model diperlukan bilamana percobaan
dengan sistem nyata menjadi terhalang karena mahal, berbahaya ataupun
merupakan sesuatu yang tidak mungkin untuk dilakukan.
Model matematika adalah representasi ideal dari sistem nyata yang
dijabarkan atau dinyatakan dalam bentuk simbol dan pernyataan matematik.
Dengan kata lain, model matematika merepresentasikan sebuah sistem dalam
bentuk hubungan kuantitatif dan logika, berupa suatu persamaan matematika.
Pada model matematika replika atau tiruan dari feomena atau peristiwa alam
dideskripsikan melalui satu set persamaan matematika. Kecocokan model
terhadap fenomena alam yang dideskripsikan tergantung dari ketepatan formulasi
persamaan matematika nya. Pada persoalan ini, pemodelan akan mengubah proses
sedimentasi pada air ke dalam bentuk Matematika untuk memudahkan mencari
solusi dari persoalan tersebut.
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka peneliti memilih judul penelitian
ini dengan “Pemodelan Proses Sedimentasi pada Air.”
Universitas Sumatera Utara
1.2 RUMUSAN MASALAH
Dari persoalan proses sedimentasi pada air maka rumusan masalah yang akan
diteliti adalah bagaimana memodelkan proses sedimentasi pada air.
1.3 BATASAN MASALAH
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memodelkan persoalan sedimentasi pada air berdasarkan faktor-faktor
yang mempengaruhi,
2. Sedimentasi di asumsikan sebagai lumpur,
3. Efek-efek viskos diabaikan,
4. Untuk sifat kohesi dan adhesi tidak diperhatikan,
5. Diasumsikan air mengalir dan tidak berputar, aliran tak mampumampat, dan aliran laminar.
1.4 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan dari penelitian ini adalah membuat model proses sedimentasi pada air
dalam bentuk persamaan Matematika sehingga dapat digunakan untuk
menghitung distribusi konsentrasi partikel padat yang terdapat pada air.
1.5 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian ini adalah
1. Memberikan suatu gambaran proses sedimentasi pada air
2. Memperluas pengetahuan tentang memodelkan sesuatu ke dalam
bentuk Matematika.
1.6 METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini adalah penelitian literatur yang disusun dengan langkahlangkah sebagai berikut:
1. Studi pendahuluan,
2. Tahap analisis,
3. Membuat kesimpulan dan Menyusun laporan penelitian.
Universitas Sumatera Utara
1.7 KERANGKA PENELITIAN
Berikut adalah kerangka penelitian yang akan dilakukan dari keterangan
metodologi penelitian :
Sedimentasi
Menentukan faktor-faktor yang
mempengaruhi Sedimentasi pada Air
Menentukan faktor-faktor yang akan
digunakan
Memberikan asumsi-asumsi untuk setiap
faktor
Menentukan kondisi awal dan batas
Memodelkan ke dalam bentuk Matematika
Daftar Pustaka
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah
Perusahaaan Daerah Air Minum (PDAM) merupakan perusahaan milik daerah
yang bergerak di bidang pengolahan dan perindustrian air bersih bagi masyarakat
umum. Beberapa fasilitas yang dimiliki dalam pemprosesan air bersih antara lain:
intake, menara air baku, clarifier, bangunan pengaduk cepat (Rapid Mixing),
bangunan pengaduk lambat (Slow Mixing), bangunan filtrasi, dan reservoir.
Semua peralatan-peralatan tersebut dapat dioperasikan melalui sistem komputer
yang ada. Selain berbagai macam peralatan, PDAM juga menggunakan bahan
kimia seperti kaporit dan tawas dalam proses pengolahan air bersih. Terdapat
beberapa tahapan
proses pengolahan air bersih yaitu: penyaringan dan
pengendapan, koagulasi, flokulasi, sedimentasi, filtrasi dan desinfeksi. Salah satu
dari proses pengolahan air bersih tersebut adalah sedimentasi.
Gambar 1.1. Proses pengolahan Air bersih
Di dalam proses sedimentasi partikel-partikel atau flok-flok yang terbentuk
dari flokulasi akan mengendap pada bak sedimentasi. Pada bak sedimentasi
dilengkapi ‘tube settler’ yang bertujuan untuk mempercepat proses pengendapan.
Sedimentasi adalah peristiwa pengendapan material batuan yang telah diangkut
oleh tenaga air atau angin. Pada saat pengikisan terjadi, air membawa batuan
mengalir ke sungai, danau, dan akhirnya sampai di laut. Pada saat kekuatan
pengangkutannya berkurang atau habis, batuan diendapkan di daerah aliran air.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 1.2. Proses Sedimentasi
Berdasarkan pada jenis partikel dan kemampuan partikel untuk berinteraksi,
sedimentasi dapat diklasifikasikan ke dalam empat tipe, yaitu:
1. Sedimentasi tipe I/ Plain Settling/Discrete particle
Sedimentasi tipe I merupakan pengendapan partikel diskret, yaitu partikel yang
dapat mengendap bebas secara individual tanpa membutuhkan adanya interaksi
antar partikel. Sebagai contoh sedimentasi tipe I adalah pengendapan lumpur
kasar pada bak prasedimentasi untuk pengolahan air permukaan dan pengendapan
pasir pada grit chamber.
2. Sedimentasi tipe II (Flocculant Settling)
Sedimentasi tipe II adalah pengendapan partikel flokulen dalam suspensi, di
mana selama pengendapan terjadi saling interaksi antar partikel. Selama operasi
pengendapan, ukuran partikel flokulen bertambah besar, sehingga kecepatannya
juga meningkat. Sebagai contoh sedimentasi tipe II adalah pengendapan partikel
hasil proses koagulasi-flokulasi pada pengolahan air minum maupun air limbah.
3. Sedimentasi tipe III dan IV/Hindered Settling (Zone Settling)
Sedimentasi tipe III adalah pengendapan partikel dengan konsentrasi yang
lebih pekat, di mana antar partikel secara bersama-sama saling menahan
pengendapan partikel lain disekitarnya. Karena itu pengendapan terjadi secara
bersama-sama sebagai sebuah zona dengan kecepatan yang konstan. Pada bagian
atas zona terdapat interface yang memisahkan antara massa partikel yang
mengendap dengan air jernih. Sedimentasi tipe IV merupakan kelanjutan dari
sedimentasi tipe III, dimana terjadi pemampatan (kompresi) massa partikel hingga
diperoleh konsentrasi lumpur yang tinggi. Sebagai contoh sedimentasi tipe III dan
IV ini adalah pengendapan lumpur biomassa pada final clarifier setelah proses
Universitas Sumatera Utara
lumpur aktif .Tujuan pemampatan pada final clarifier adalah untuk mendapatkan
konsentrasi lumpur biomassa yang tinggi untuk keperluan resirkulasi lumpur ke
dalam reactor lumpur aktif (Anonim, 2007).
Ada dua kelompok cara mengangkut sedimen dari batuan induknya ke tempat
pengendapannya, yakni supensi (suspended load) dan bedload tranport.
1. Suspensi
Dalam teori segala ukuran butir sedimen dapat dibawa dalam suspensi, jika
arus cukup kuat. Akan tetapi di alam, kenyataannya hanya material halus saja
yang dapat diangkut suspensi. Sifat sedimen hasil pengendapan suspensi ini
adalah mengandung prosentase masa dasar yang tinggi sehingga butiran
tampak mengambang dalam masa dasar dan umumnya disertai memilahan
butir yang buruk. Cirilain dari jenis ini adalah butir sedimen yang diangkut
tidak pernah menyentuh dasar aliran.
2. Bedload Transport
Berdasarkan tipe gerakan media pembawanya, sedimen dapat dibagi menjadi:
a. Endapan arus traksi
Arus traksi adalah arus suatu media yang membawa sedimen didasarnya.
Pada umumnya gravitasi lebih berpengaruh dari pada yang lainya seperti
angin atau pasang-surut air laut. Sedimen yang dihasilkan oleh arus traksi
ini umumnya berupa pasir yang berstruktur silang siur, dengan sifat-sifat
seperti pemilahan baik, tidak mengandung masa dasar dan ada perubahan
besar butir mengecil ke atas (fining upward) atau ke bawah (coarsening
upward) tetapi bukan perlapisan bersusun (graded bedding).
b. Endapan arus pekat (density current)
Sistem arus pekat dihasilkan dari kombinasi antara arus traksi dan
suspensi. Sistem arus ini biasanya menghasilkan suatu endapan campuran
antara pasir, lanau, dan lempung dengan jarang-jarang berstruktur silangsiur dan perlapisan bersusun. Arus pekat (density) disebabkan karena
perbedaan kepekatan (density) media. Ini bisa disebabkan karena
perlapisan panas, turbiditi dan perbedaan kadar garam. Karena gravitasi,
media yang lebih pekat akan bergerak mengalir di bawah media yang lebih
encer. Dalam geologi, aliran arus pekat di dalam cairan dikenal dengan
Universitas Sumatera Utara
nama turbiditi. Sedangkan arus yang sama di dalam udara dikenal dengan
nuees ardentes atau wedus gembel, suatu endapan gas yang keluar dari
gunung api.
c. Endapan Suspensi
Endapan dari suspensi pada umumnya berbutir halus seperti lanau dan
lempung yang dihembuskan angin atau endapan lempung pelagik pada
laut dalam. Selley (1988) membuat hubungan antara proses sedimentasi
dan jenis endapan yang dihasilkan.
Kenyataan di alam, transpor dan pengendapan sedimen tidak hanya dikuasai
oleh mekanisme tertentu saja misalnya arus traksi saja atau arus pekat saja, tetapi
lebih sering merupakan gabungan berbagai mekanisme. Bahkan dalam berbagai
hal, merupakan gabungan antara mekanik dan kimiawi. Beberapa sistem seperti
itu seperti sistem arus traksi dan suspensi, sistem arus turbit dan pekat dan sistem
suspensi dan kimiawi.
Tranportasi pada sedimentasi adalah suatu proses pengangkutan material
dari satu tempat ke tempat lain melalu aliran arus atau media yang kemudian
material tersebut terhenti dan terendapkan.
Partikel dalam fluida dapat bergerak dengan tiga mekanisme sebagai berikut:
• Menggelinding atau disebut rolling bergerak di dasar aliran udara atau air yang
bersentuhan langsung dengan permukaan dasar.
• Saltasi atau disebut saltation bergerak melompat dimana secara periode
meninggalkan permukaan dasar dan terangkut dalam tubuh fluida kemudian
kembali ke dasar lagi.
• Suspensi atau disebut dengan suspension bergerak di dalam fluida karena
turbulensi di dalam aliran.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 1.3. Mekanisme pergerakan partikel dalam Fluida
Dari persoalan proses sedimentasi pada air, maka peneliti akan melakukan
analisis proses sedimentasi pada air dengan cara memodelkan proses sedimentasi
tersebut ke dalam bentuk Matematika.
Model memegang peranan penting di bidang ilmu pengetahuan. Biasanya
dari segi ekonomi untuk menghemat waktu dan biaya ataupun komoditi berharga
lainnya. Pemodelan bisa juga dilakukan untuk menghindari resiko kerusakan
sistem nyata. Dengan demikian sebuah model diperlukan bilamana percobaan
dengan sistem nyata menjadi terhalang karena mahal, berbahaya ataupun
merupakan sesuatu yang tidak mungkin untuk dilakukan.
Model matematika adalah representasi ideal dari sistem nyata yang
dijabarkan atau dinyatakan dalam bentuk simbol dan pernyataan matematik.
Dengan kata lain, model matematika merepresentasikan sebuah sistem dalam
bentuk hubungan kuantitatif dan logika, berupa suatu persamaan matematika.
Pada model matematika replika atau tiruan dari feomena atau peristiwa alam
dideskripsikan melalui satu set persamaan matematika. Kecocokan model
terhadap fenomena alam yang dideskripsikan tergantung dari ketepatan formulasi
persamaan matematika nya. Pada persoalan ini, pemodelan akan mengubah proses
sedimentasi pada air ke dalam bentuk Matematika untuk memudahkan mencari
solusi dari persoalan tersebut.
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka peneliti memilih judul penelitian
ini dengan “Pemodelan Proses Sedimentasi pada Air.”
Universitas Sumatera Utara
1.2 RUMUSAN MASALAH
Dari persoalan proses sedimentasi pada air maka rumusan masalah yang akan
diteliti adalah bagaimana memodelkan proses sedimentasi pada air.
1.3 BATASAN MASALAH
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memodelkan persoalan sedimentasi pada air berdasarkan faktor-faktor
yang mempengaruhi,
2. Sedimentasi di asumsikan sebagai lumpur,
3. Efek-efek viskos diabaikan,
4. Untuk sifat kohesi dan adhesi tidak diperhatikan,
5. Diasumsikan air mengalir dan tidak berputar, aliran tak mampumampat, dan aliran laminar.
1.4 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan dari penelitian ini adalah membuat model proses sedimentasi pada air
dalam bentuk persamaan Matematika sehingga dapat digunakan untuk
menghitung distribusi konsentrasi partikel padat yang terdapat pada air.
1.5 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian ini adalah
1. Memberikan suatu gambaran proses sedimentasi pada air
2. Memperluas pengetahuan tentang memodelkan sesuatu ke dalam
bentuk Matematika.
1.6 METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini adalah penelitian literatur yang disusun dengan langkahlangkah sebagai berikut:
1. Studi pendahuluan,
2. Tahap analisis,
3. Membuat kesimpulan dan Menyusun laporan penelitian.
Universitas Sumatera Utara
1.7 KERANGKA PENELITIAN
Berikut adalah kerangka penelitian yang akan dilakukan dari keterangan
metodologi penelitian :
Sedimentasi
Menentukan faktor-faktor yang
mempengaruhi Sedimentasi pada Air
Menentukan faktor-faktor yang akan
digunakan
Memberikan asumsi-asumsi untuk setiap
faktor
Menentukan kondisi awal dan batas
Memodelkan ke dalam bentuk Matematika
Daftar Pustaka
Universitas Sumatera Utara