1 DDA3523 Kejuruteraan Alam Sekitar (Environmental Engineering)
DDA3523 Kejuruteraan Alam Sekitar (Environmental Engineering)
Bab 4- Bekalan Air (Water Supply)
4.1 Skim Bekalan Air
Sebarang rancangan untuk menyediakan bekalan air bagi sesebuah kawasan akan didahului dengan kajian
kemungkinan (feasibility study). Objektif kajian ini ialah menyediakan pelan induk bagi pembangunan
skim bekalan air secara berperingkat bagi memenuhi keperluan air di masa hadapan. Antara aktivitiaktiviti utama dalam kajian tersebut ialah:
1) Kajian anggaran keperluan air dan pertumbuhan penduduk
Keperluan air adalah berdasarkan kepada:
a) bilangan pengguna,
b) permintaan (keperluan) air per kapita,
c) faktor perkhidmatan, dan
d) keperluan oleh industri.
Maklumat mengenai pertumbuhan penduduk dan pembangunan industri diperolehi daripada sumbersumber seperti Jabatan Perangkaan, Unit Perancang Ekonomi, dan lain-lain.
2) Kajian sumber air
Penentuan punca-punca bekalan air seperti sungai, air bumi, dan pengumpulan data-data hidrologi seperti
hujan, sejatan, dan kadar alir sungai. Pembinaan empangan dan reservoir memerlukan data tambahan
seperti topografi kawasan, data geologi, sedimen, penilaian kesan kepada alam sekitar dan lain-lain.
3) Kajian kualiti air dan keperluan rawatan
Data kualiti air dianalisis. Tahap dan jenis rawatan ditentukan. Punca-punca pencemaran dan langkahlangkah pengawalan dikenalpasti.
4) Kajian terhadap skim-skim alternatif
Skim bekalan air sedia ada di kawasan kajian dikaji dan dianalisis. Penilaian dibuat sama ada
keupayaannya boleh ditingkatkan atau skim bekalan yang baru perlu dibentuk.
5) Analisis kewangan dan ekonomi
Objektif utama ialah mengenal pasti skim yang paling sesuai antara skim-skim alternatif. Kos permulaan,
kos operasi, dan penyenggaraan bagi setiap skim ditentukan.
6) Cadangan pelan pembangunan
Hasil kajian kemungkinan ialah mencadangkan pelan pembangunan skim bekalan air yang dapat
memenuhi permintaan sesuatu kawasan bagi tempoh sekurang-kurangnya 20 tahun.
7) Penyediaan laporan
Laporan mengandungi data-data dan maklumat yang dikumpulkan, kajian yang dijalankan dan pelan
pembangunan yang dicadangkan.
1
4.1.1 Anggaran Keperluan Air
Keperluan air adalah berdasarkan bilangan penduduk yang menerima bekalan, penggunaan air per kapita,
faktor perkhidmatan, keperluan oleh industri, dan lain-lain permintaan khusus. Keperluan air boleh
dianggarkan seperti di bawah:
WDn
= Pn × C × F + D a
dengan,
WDn = keperluan air pada tahun n
Pn
= anggaran penduduk pada tahun n
C
= anggaran keperluan air per kapita pada tahun n
F
= faktor perkhidmatan pada tahun n
Da
= keperluan tambahan (pembangunan baru seperti estet-estet perindustrian)
industri ringan : 22,000 L/Ha/hari
industri berat : 45,000 L/Ha/hari
4.1.2 Anggaran Pertumbuhan Penduduk (P n)
Antara kaedah yang boleh diguna ialah kaedah graf, kaedah zon atau kaedah formula.
Pn
= P0 (1 + r)n
dengan,
Pn
P0
r
n
= anggaran penduduk pada tahun, n
= bilangan penduduk pada permulaan tahun „sifar‟
= kadar pertumbuhan penduduk
= perbezaan antara tahun n dengan tahun „sifar‟
4.1.3 Keperluan Air Per Kapita (Per Capita Water Needs)
Keperluan air per kapita ialah penggunaan air oleh seorang penduduk sehari. Nilai di bawah digunakan
untuk menganggar permintaan air.
Kawasan bandar :
Kawasan sub-bandar atau pinggir bandar :
Kawasan kampung :
230 ˗ 320 Liter seorang sehari
180 ˗ 230 Liter seorang sehari
135 ˗ 180 Liter seorang sehari
Faktor-faktor yang mempengaruhi keperluan air per kapita
1) Keadaan iklim (climatic condition)
2) Taraf sosio ekonomi (socio-economic standard)
3) Jenis industri dan perdagangan yang dijalankan (type of industry and trade which is run)
4) Kualiti air (water quality)
5) Tekanan air dalam sistem paip agihan (water pressure within the pipe distribution system)
6) Kos air dan polisi pemasangan meter (water cost and policy of metering)
7) Penggunaan tandas pam dan sistem pembetungan (toilet useage)
8) Kesedaran sivik penduduk terhadap pembaziran
4.1.4 Faktor Perkhidmatan (Service Factor)
Menggambarkan pecahan sesuatu kawasan yang menerima sistem pengagihan. Sebagai contoh, f = 0.9
bermaksud sistem pengagihan meliputi 90% daripada kawasan dan penduduk di kawasan tersebut boleh
mendapat kemudahan bekalan air awam.
2
4.2 Permintaan Air (Water Requirements)
Air diperlukan untuk memenuhi permintaan daripada sektor-sektor berikut:
1. Domestik
2. Industri dan perdagangan
3. Kegunaan awam
4. Kebakaran
5. Pembaziran, kebocoran
4.3 Punca-punca Air (Water Sources)
Air permukaan: kolam, tasik dan sungai.
Air bumi: jernih, kurang tercemar oleh bakteria, mengandungi banyak garam galian, logam dan gas.
Punca air ditentukan oleh:
a) Kuantiti
b) Kualiti
c) Jarak antara punca air dengan pengguna
d) Topografi
4.4 Proses Rawatan Air (Water Treatment Process)
Menghapuskan kekotoran dari segi fizikal, kimia dan biologi bagi menghasilkan air yang mematuhi
piawai air minum. Ciri-ciri umum kualiti air minum:
Bebas dari bakteria yang membawa penyakit
Jernih atau tidak berwarna
Tidak mempunyai rasa atau bau (contoh: H 2S macam telur yg kereputan)
Tidak bersifat mengkakis (corrosion)
Segar (cukup oksigen terlarut)
Bebas dari bahan beracun atau toksid
Bebas dari bahan galian dan organik yang berlebihan
Sila melihat Rajah 4.1.
4.4.1 Kerja-kerja pengumpulan air (Water collection works)
Struktur pemasukan air (intake) direkabentuk untuk mengumpul air dari punca dan menyalurkannya ke
loji rawatan.
4.4.2 Jejaring atau skrin (Netting or screens)
Jejaring kasar dan halus diletakkan pada struktur pemasukan air untuk menahan bahan terapung yang
besar daripada memasuki loji.
4.4.3 Kebuk kersik (Gravel or sand filter)
Air dialirkan melalui kebuk supaya kersik seperti pasir (bahan bukan organik) boleh mengenap ke bawah.
Lazimnya, kebuk direkabentuk untuk menyingkirkan partikel yang mempunyai diameter > 0.2mm dan
ketumpatan bangdingan > 2.65.
3
Punca
Air permukaan
Air bumi
Kerja-kerja pengumpulan air
Sistem pengagihan
Proses rawatan
Kolam
simpanan
Skrin
Sistem pam dan graviti
Pengenapan
Kebuk kersik
Sistem paip agihan
Penapisan
Pengudaraan
Pembasmian kuman
Koagulasi
Lain-lain rawatan
Flokulasi
Pengguna
Air sisa dan kumbahan
Rajah 4.1 Proses rawatan air konvensional
4.4.4 Pengudaraan (Oxygenation)
Proses mengudarakan air bertujuan
Meningkatkan kandungan oksigen terlarut.
Menukarkan besi (Fe) dan mangan (Mn) daripada keadaan larut kepada tidak larut.
4 Fe+2 + O2 + 10 H2O → 4 Fe(OH)3 ↓ + 8 H+
2 Mn+2 + O2 + 2 H 2O → 2 MnO2 ↓ + 4 H+
Menyingkirkan gas H2S dan CH4 yang menyebabkan bau dan rasa.
H2S (diss gas) + O2 → SO 4-2 (s) ↓
Menyingkirkan gas CO2 yang boleh menyebabkan kakisan pada paip.
CO2 (diss gas) + O2 → CO2 (g) ↑
Oleh kerana kandungan setiap gas di atmosfera dan air adalah seimbang, gas akan dibebaskan (freed or
de-gases) apabila kepekatannya dalam air adalah tinggi dan diserap (absorbed or re-dissolved) apabila
keadaan sebaliknya berlaku. Proses berlaku amat perlahan melainkan permukaan air yang luas terdedah
pada atmosfera atau air dikocak. Proses mengudarakan air dilakukan dengan memasukkan udara ke
dalam air atau memercikkan air ke udara. Kecekapan diukur melalui peningkatan kepekatan O2 atau
pengurangan kepekatan CO2 .
4
Ada dua jenis cara:
udara
air CO2
H2S
Air masuk udara
O2
O2
Udara masuk air
air
udara
O2
H2S
Sila lihat Rajah 4.2: Jenis-jenis pengudara
5
CO2
4.4.5 Koagulasi dan flokulasi (Coagulation and flocculation)
Kehadiran koloid (partikel seni bersaiz 0.001µm – 1 µ m) menyababkan air kelihatan keruh (turbid).
Koloid yang bercaj negative akan kekal terampai di dalam air dan tidak boleh ditapis menggunakan
penapis konvenstional. Melalui proses koagulasi, bahan kimia koagulan seperti aluminium sulfat
[Al2(SO4) 3] (“alum”) dimasukkan ke dalam air dan dibaurkan dengan cepat. Al 2(SO 4)3 larut dalam air dan
bertindak dengan kealkalian air membentuk partikel mikroskopik aluminium hidroksida [Al(OH) 3].
Flokulant Al(OH)3 (“flok”) yang bercaj positif dan bersifat lekit boleh meneutralkan caj negatif pada
koloid. Koloid menjadi tidak stabil dan boleh bersatu. Pengocakan air secara perlahan melalui proses
flokulasi menyebabkan koloid dan pepejal terampai berlanggar antara satu sama lain, bersatu membentuk
partikel flok yang lebih besar. Partikel flok boleh mengenap dan ditapis.
Tindakbalas kimia
Al2 (SO)4 + H2O → 2 Al(OH)3 ↓ (flok)
(Lihat Table 4.1 dan Figure 4.15 yg dilampirkan)
Teori Koagulasi
Tak pasti tentang mekanisme koagulasi tetapi empat (4) cara mungkin boleh berlaku:
1) Ionic layer compression [Fig 2-7(b)]
2) Adsorption & charge neutralization
Ciri-ciri ions lebih penting dari kuantiti.
Dos berlebihan mungkin dan akan menterbalikkan caj bahawa stabiliti berlaku sekali lagi.
3) Sweep coagulation
Produk akhir di dalam hidrolisis alum ialah Al(OH)3 – aluminum hydroxide, yang berbentuk
sebagai amorphous (“tanpa bentuk tetap”), gelatinous (“lekit”) flok, lebih berat dari air dan
mengenap dan menyapu (“sweeps”) semua bahan seketika mengenap.
4) Interparticle bridging (Fig 4-15)
Latihan Koagulasi
pH 5.0 – 7.5 Aluminum sulfate digunakan (paling banyak air di dalam julat ini)
pH 4.5+
Ferric chloride digunakan kadang kali
pH 9.5+
Ferrous sulfate digunakan
Dos alum biasanya antara 5 mg/L dan 50 mg/L bergantung kekeruhan (turbidity).
Kumpulan 1: Kekeruhan tinggi – alkalin rendah
Dos kecil = koagulasi lebih senang terus cara Adsorption & charge neutralization (A&cn); pH lebih
rendah lebih baik.
Kumpulan 2: Kekeruhan tinggi – alkalin tinggi
pH tidak dipengaruhi oleh koagulant supaya A&cn kurang efektif dan dos yg lebih besar diperlukan untuk
cara „sweep‟ koagulasi.
Kumpulan 3: Kekeruhan rendah – alkalin tinggi
6
Bilangan koloid lebih susah untuk koagulasi (contoh, lelaki dan perempuan); „sweep‟ koagulasi
digunakan selepas lebih banyak kekeruhan dihasilkan oleh tambahan tanah liat (bentonite clay) bahawa
keperluan dos koagulan diguna lebih rendah.
Kumpulan 4: Kekeruhan rendah – alkalin rendah
Koagulasi sangat susah bahawa kekeruhan ditambahan (menjadi macam Kum. 1) dan kadang kali alkalin
(macam Kum. 3).
7
8
4.4.5.1 Ujian balang (Jar test)
Ujian baling digunakan untuk menentukan
jenis dan dos (dose) koagulan yang sesuai.
Kaedah
1) 4-6 bikar diisi dengan 1-L sampel air
mentah dan kekeruhan awal setiap bikar
ditentukan
2)
Dos koagulan yang berbeza-beza
dimasukkan ke dalam setiap bikar dan air
dibaur (dikocak) dengan cepat dan rapi (2-3
minit).
3) Motor diperlahankan dan air dibaur lebih
kurang 15-30 minit.
4) Flokulant akan terbit dan dibiarkan mendap.
5)
Kekeruhan sampel ditentukan semula.
Peratus pengurangan kekeruhan pada setiap
bikar dicatit. Dos yang sesuai ialah yang
peratus pengurangan kekeruhan paling tinggi.
6)
Untuk menentukan pH terbaik bagi
koagulan bertindak, pH air pada setiap bikar
diubah dan air dibubuh dengan dos koagulan
dari ujikaji pertama. Ujikaji diulang semula.
Perkara-perkara yang mempengaruhi koagulasi
dan flokulasi
a) pH air
b) kekeruhan
c) kealkalian
d) kadar pembauran
e) suhu air
f) jenis dan dos
koagulan
g) kimia pembantu koagulan (contoh,
polielektrolit, polimer, batu kapur, dan ll)
4.4.5.2 Tangki-tangki pembauran deras
(Rapid-mixing tanks)
Tangki-tangki pembauran deras digunakan
untuk membaurkan air dan bahan kimia seperti
koagulan dengan cepat dan sekata.
Dua
kaedah yang digunakan ialah pembauran
hidraulik
dan
pembauran
mekanikal.
Pembauran hidraulik diperolehi dengan
mengadakan halangan pada laluan air seperti
plet sesekat, sempak limpahan, dan flum
pembaur manakala pembauran mekanikal
seperti pembaur kilat menggunakan plet yang
digerakkan oleh kuasa motor.
9
Keberkesanan pembauran bergantung kepada kecerunan halaju, G, dan masa tahanan, t.
Kecerunan halaju, G
Tahap pembauran diukur dengan kecerunan halaju, G. Tahap pembauran yang tinggi memberi nilai G
yang tinggi dan sebaliknya. Nilai G bergantung kepada kuasa masukan (P), kelikatan dinamik air (µ) dan
isipadu tangki (V). Bagi tangki pembauran deras, G = 700-3000 s-1. (G ialah „velocity gradient‟ antara
; kalau ∆v = 1.0 m/s dan d = 0.1 m, G = 10 s-1.)
dua partikel, A dan B, dan ialah
10
atau
dengan,
P
= kuasa masukan, W (N· m/s atau kg· m2/s3)
µ
= kelikatan dinamik air, (kg/m· s)
= isipadu tangki campuran (m3)
V
P=ρgQh
dengan,
ρ
= ketumpatan air (kg/m3)
g
= gravity (9.81 m/s2)
Q
= kadar alir air (m3/s)
h
= kehilangan turus (m)
kedalaman saluran, yair
=
=
Jarak antara hujung sesekat dengan dinding tangki, z = 1.5x
Panjang saluran, b: 2.0m – 3.0m
Lebar sesekat: 5.0cm – 8.0cm
11
> 1.0m
Rajah 4.5 Tangki pembauran deras
Oleh kerana
Masa tahanan, t
Purata masa partikel air berada dalam tangki. Bagi tangki pembauran deras, masa tahanan diantara 1-2
minit.
dengan, Q = kadar alir air (m3/s).
4.4.5.3 Tangki flokulasi
Pengocakan atau pembauran air secara perlahan dilakukan di dalam tangki flokulasi. Nilai G lebih rendah
daripada tangki pembauran deras iaitu antara 20 – 80 s-1 dan masa tahanan lebih lama, antara 10 hingga
60 min (nilai t). Angka G·t (parameter rekabentuk) ialah G × t dan ialah antara 12,000 – 270,000 (104 –
105). Pembauran perlahan diperolehi melalui kaedah hidraulik seperti tangki sesekat dan kaedah
mekanikal yang menggunakan pengayuh.
12
Tangka jenis ini sesuai untuk loji rawatan yang kecil dan tidak memerlukan kemahiran dalam
pengendalian. Namun, operasi tidak dapat dikawal dengan kemas.
Kriteria reka bentuk tangki sesekat
(Jenis aliran mengelilingi hujung sesekat)
Masa tahanan, t = 20 – 30 minit
Isipadu air, V = kadar alir, Q × masa tahanan, t
Halaju aliran air di saluran antara sesekat (halaju air), v = 0.09 – 0.24 m/sec
Jarak aliran air = Halaju air, v × masa tahanan, t
Luas keratan rentas saluran, A = Isipadu air/Jarak aliran air, V/vt
Jarak antara sesekat, y > 0.20 m
Flokulasi mekanikal
Pembauran air dilakukan menggunakan pengayuh. Pembentukan flokulant dan kawalan operasi lebih
baik, kehilangan turus rendah, mudah dipasang di loji-loji sedia ada dan kurang penggunaan bahan kimia.
Kemahiran diperlukan bagi operasi dan penyenggaraan dan kos tinggi.
Kriteria rekabentuk
t = 20 – 30 min
ω = 2 – 15 putaran/min
Penentuan nilai G
P = FD vp
(4.1)
dengan
FD = daya seretan ke atas pengayuh, (N)
vp = halaju pengayuh berbanding halaju air (halaju hujung pengayuh), m/s
= 75% daripada halaju pengayuh sebenar, va
va = 2 π r ω
ω = putaran pengayuh/minit
Daya seretan ke atas pengayuh diberi sebagai
FD = CD Ap ρ vp3
dengan
(4.2)
13
CD = pekali seretan, 1.8 untuk pengayuh rata
Ap = luas pengayuh, m2
Masukkan (4.1) ke dalam (4.2)
P=
CD Ap ρ vp3
G=
4.4.6 Pengenapan (Settling Operations)
Pemisahan pepejal terampai dan mendakan daripada air oleh daya graviti. Aliran air yang perlahan di
dalam tangki pengenapan membolehkan pepejal terampai mengenap ke bawah dan terkumpul di dasar
tangki. Bahan yang terkumpul dikenali sebagai enap cemar (sludge). Air yang keluar dari tangki adalah
lebih jernih.
Jenis tangki pengenapan (Settling Tank Types)
1) Segiempat tepat (rectangular) dan segiempat sama (square)
2) Bulat (round)
Corak aliran air dalam tangki (Flow design inside the tank)
Mendatar (horizontal)
Aliran ke atas (upflow)
Alrian jejari (radial)
Sebuah tangki pengenapan dibahagikan kepada 4 zon:
a) Zon air masuk (inlet zone) : menyeragamkan aliran air dan pepejal terampai yang memasuki tangki
pengenapan
b) Zon pengenapan (settling zone) : proses pengenapan berlaku
c) Zon enap cemar (sludge zone) : enap cemar terkumpul
d) Zon air keluar (outlet zone)
Zon pengenapan
Zon air masuk
(influen)
Zon enap cemar
Zon air keluar
(efluen)
Reka bentuk zon pengenapan bergantung kepada
i) Halaju pengenapan partikel yang hendak disingkirkan, vs
ii) Halaju reka bentuk (design velocity); juga dikenali sebagai kadar limpahan permukaan (v0)
iii) Masa tahanan (t)
14
iv) Jenis partikel atau jenis pengenapan
Kadar limpahan permukaan (beban permukaan, v 0)
luas permukaan, As
3
v1 = v0
2
v0 = Q/As (m /m hari)
vs
partikel terenap
kadar alir air, Q (air dan partikel)
L
w
v0 = Q/As
h
As
Q
Oleh kerana Q = V/t,
v0 =
dengan,
As
h
t
=
=
= luas permukaan tangki
= ukur dalam tangki
= masa tahanan
Anggapan
° Suasana tenang wujud di zon pengenapan
° Kadar alir dan kandungan pepejal adalah sekata di zon pengenapan
° Pepejal yang memasuki zon enap cemar tidak terampai semula
Kriteria reka bentuk tangki pengenapan
1) v0 = 0.85 hingga 1.5 m3/m2· jam
15
2) t = 2-4 jam
3) Nisbah L:w = 3:1 hingga 5:1
4) h = 3.0 hingga 5.0 m
Pengenapan Jenis I (Pengenapan partikel terasing atau diskrit)
Pengenapan Jenis I merujuk kepada partikel yang mengenap secara terasing dengan halaju yang seragam.
Saiz, bentuk, dan jisim partikel tetap (tidak berubah) semasa proses pengenapan, contoh: pasir. Halaju
pengenapan partikel terasing boleh dinyatakan oleh Hukum Stokes dengan membuat anggapan tertentu.
Kegunaan pengenapan Jenis I ialah dalam reka bentuk kebuk kersik.
Mengikut Hukum Stokes, halaju pengenapan bagi partikel terasing yang berbentuk sfera dan mengenap
pada aliran lamina diberi seperti berikut:
dengan,
d
ρp
ρw
µ
g
= diameter partikel (m)
= ketumpatan partikel (kg/m3)
= ketumpatan air (kg/m3)
= kelikatan dinamik/mutlak air (kg/m· s)
= cepatan oleh graviti (m/s2)
Persamaan di atas menyatakan halaju pengenapan secara teori. Halaju pengenapan yang sebenar adalah
kurang daripada yang diperolehi disebabkan
i) partikel tidak benar-benar sfera
ii) angin menghasilkan arus di permukaan air dan arus songsang di bawah permukaan air
iii) aliran gelora (turbulent flow)
16
Mencari peratus partikel/zarah yang boleh mengenap dalam sebuah tangki pengenapan empat segi
tepat dengan aliran mendatar
A
h,
tinggi
tangki
hs, tinggi
pengenapan
vs = v0
vs
B
1. Partikel yang berada di kedudukan A iaitu pada ketinggian h dari dasar tangki dan mempunyai halaju
pengenapan, vs = v0 akan terenap pada kedudukan B dalam tangki. Partikel ini mempunyai masa
pengenapan, ts = t, masa tahanan tangki.
vs = v0 = h/t
2. Partikel yang mempunyai halaju pengenapan, vs > v0 akan terenap tidak kira di ketinggian mana
sekalipun ia memasuki tangki tersebut. Partikel ini mempunyai masa pengenapan, ts < t, masa tahanan
tangki.
3. Partikel yang mempunyai halaju pengenapan, vs < v0 akan terenap dalam zon enap cemar sekiranya
memasuki tangki pada ketinggian, hs = vs t dari dasar tangki.
Peratus partikel (dengan halaju pengenapan, vs) yang boleh disingkirkan oleh sebuah tangki pengenapan
dengan kadir limpahan permukaan, v0 .
Pengenapan Jenis II (Pengenapan partikel kelompok/flok)
Pengenapan Jenis II merujuk kepada partikel yang berkelompok iaitu partikel yang bersatu antara satu
sama lain semasa proses pengenapan. Oleh yang demikian, saiz dan halajunya sentiasa berubah
(lazimnya halaju akan meningkat). Tiada perkaitan matematik yang sesuai yang boleh menerangkan
Pengenapan Jenis II. Formula Stokes tidak boleh digunakan oleh kerana saiz dan bentuk partikel sentiasa
berubah. Ujian di makmal menggunakan turus pengenapan (settling column) untuk mendapatkan datadata yang boleh digunakan untuk tujuan reka bentuk tangki.
Eckenfelder menyarankan nilai v0 dan t yang diperolehi daripada ujian turus pengenapan masing-masing
didarabkan dengan faktor skala 0.65 dan 1.75 untuk mendapatkan nilai v0 dan t yang sesuai untuk tujuan
reka bentuk.
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Bab 4- Bekalan Air (Water Supply)
4.1 Skim Bekalan Air
Sebarang rancangan untuk menyediakan bekalan air bagi sesebuah kawasan akan didahului dengan kajian
kemungkinan (feasibility study). Objektif kajian ini ialah menyediakan pelan induk bagi pembangunan
skim bekalan air secara berperingkat bagi memenuhi keperluan air di masa hadapan. Antara aktivitiaktiviti utama dalam kajian tersebut ialah:
1) Kajian anggaran keperluan air dan pertumbuhan penduduk
Keperluan air adalah berdasarkan kepada:
a) bilangan pengguna,
b) permintaan (keperluan) air per kapita,
c) faktor perkhidmatan, dan
d) keperluan oleh industri.
Maklumat mengenai pertumbuhan penduduk dan pembangunan industri diperolehi daripada sumbersumber seperti Jabatan Perangkaan, Unit Perancang Ekonomi, dan lain-lain.
2) Kajian sumber air
Penentuan punca-punca bekalan air seperti sungai, air bumi, dan pengumpulan data-data hidrologi seperti
hujan, sejatan, dan kadar alir sungai. Pembinaan empangan dan reservoir memerlukan data tambahan
seperti topografi kawasan, data geologi, sedimen, penilaian kesan kepada alam sekitar dan lain-lain.
3) Kajian kualiti air dan keperluan rawatan
Data kualiti air dianalisis. Tahap dan jenis rawatan ditentukan. Punca-punca pencemaran dan langkahlangkah pengawalan dikenalpasti.
4) Kajian terhadap skim-skim alternatif
Skim bekalan air sedia ada di kawasan kajian dikaji dan dianalisis. Penilaian dibuat sama ada
keupayaannya boleh ditingkatkan atau skim bekalan yang baru perlu dibentuk.
5) Analisis kewangan dan ekonomi
Objektif utama ialah mengenal pasti skim yang paling sesuai antara skim-skim alternatif. Kos permulaan,
kos operasi, dan penyenggaraan bagi setiap skim ditentukan.
6) Cadangan pelan pembangunan
Hasil kajian kemungkinan ialah mencadangkan pelan pembangunan skim bekalan air yang dapat
memenuhi permintaan sesuatu kawasan bagi tempoh sekurang-kurangnya 20 tahun.
7) Penyediaan laporan
Laporan mengandungi data-data dan maklumat yang dikumpulkan, kajian yang dijalankan dan pelan
pembangunan yang dicadangkan.
1
4.1.1 Anggaran Keperluan Air
Keperluan air adalah berdasarkan bilangan penduduk yang menerima bekalan, penggunaan air per kapita,
faktor perkhidmatan, keperluan oleh industri, dan lain-lain permintaan khusus. Keperluan air boleh
dianggarkan seperti di bawah:
WDn
= Pn × C × F + D a
dengan,
WDn = keperluan air pada tahun n
Pn
= anggaran penduduk pada tahun n
C
= anggaran keperluan air per kapita pada tahun n
F
= faktor perkhidmatan pada tahun n
Da
= keperluan tambahan (pembangunan baru seperti estet-estet perindustrian)
industri ringan : 22,000 L/Ha/hari
industri berat : 45,000 L/Ha/hari
4.1.2 Anggaran Pertumbuhan Penduduk (P n)
Antara kaedah yang boleh diguna ialah kaedah graf, kaedah zon atau kaedah formula.
Pn
= P0 (1 + r)n
dengan,
Pn
P0
r
n
= anggaran penduduk pada tahun, n
= bilangan penduduk pada permulaan tahun „sifar‟
= kadar pertumbuhan penduduk
= perbezaan antara tahun n dengan tahun „sifar‟
4.1.3 Keperluan Air Per Kapita (Per Capita Water Needs)
Keperluan air per kapita ialah penggunaan air oleh seorang penduduk sehari. Nilai di bawah digunakan
untuk menganggar permintaan air.
Kawasan bandar :
Kawasan sub-bandar atau pinggir bandar :
Kawasan kampung :
230 ˗ 320 Liter seorang sehari
180 ˗ 230 Liter seorang sehari
135 ˗ 180 Liter seorang sehari
Faktor-faktor yang mempengaruhi keperluan air per kapita
1) Keadaan iklim (climatic condition)
2) Taraf sosio ekonomi (socio-economic standard)
3) Jenis industri dan perdagangan yang dijalankan (type of industry and trade which is run)
4) Kualiti air (water quality)
5) Tekanan air dalam sistem paip agihan (water pressure within the pipe distribution system)
6) Kos air dan polisi pemasangan meter (water cost and policy of metering)
7) Penggunaan tandas pam dan sistem pembetungan (toilet useage)
8) Kesedaran sivik penduduk terhadap pembaziran
4.1.4 Faktor Perkhidmatan (Service Factor)
Menggambarkan pecahan sesuatu kawasan yang menerima sistem pengagihan. Sebagai contoh, f = 0.9
bermaksud sistem pengagihan meliputi 90% daripada kawasan dan penduduk di kawasan tersebut boleh
mendapat kemudahan bekalan air awam.
2
4.2 Permintaan Air (Water Requirements)
Air diperlukan untuk memenuhi permintaan daripada sektor-sektor berikut:
1. Domestik
2. Industri dan perdagangan
3. Kegunaan awam
4. Kebakaran
5. Pembaziran, kebocoran
4.3 Punca-punca Air (Water Sources)
Air permukaan: kolam, tasik dan sungai.
Air bumi: jernih, kurang tercemar oleh bakteria, mengandungi banyak garam galian, logam dan gas.
Punca air ditentukan oleh:
a) Kuantiti
b) Kualiti
c) Jarak antara punca air dengan pengguna
d) Topografi
4.4 Proses Rawatan Air (Water Treatment Process)
Menghapuskan kekotoran dari segi fizikal, kimia dan biologi bagi menghasilkan air yang mematuhi
piawai air minum. Ciri-ciri umum kualiti air minum:
Bebas dari bakteria yang membawa penyakit
Jernih atau tidak berwarna
Tidak mempunyai rasa atau bau (contoh: H 2S macam telur yg kereputan)
Tidak bersifat mengkakis (corrosion)
Segar (cukup oksigen terlarut)
Bebas dari bahan beracun atau toksid
Bebas dari bahan galian dan organik yang berlebihan
Sila melihat Rajah 4.1.
4.4.1 Kerja-kerja pengumpulan air (Water collection works)
Struktur pemasukan air (intake) direkabentuk untuk mengumpul air dari punca dan menyalurkannya ke
loji rawatan.
4.4.2 Jejaring atau skrin (Netting or screens)
Jejaring kasar dan halus diletakkan pada struktur pemasukan air untuk menahan bahan terapung yang
besar daripada memasuki loji.
4.4.3 Kebuk kersik (Gravel or sand filter)
Air dialirkan melalui kebuk supaya kersik seperti pasir (bahan bukan organik) boleh mengenap ke bawah.
Lazimnya, kebuk direkabentuk untuk menyingkirkan partikel yang mempunyai diameter > 0.2mm dan
ketumpatan bangdingan > 2.65.
3
Punca
Air permukaan
Air bumi
Kerja-kerja pengumpulan air
Sistem pengagihan
Proses rawatan
Kolam
simpanan
Skrin
Sistem pam dan graviti
Pengenapan
Kebuk kersik
Sistem paip agihan
Penapisan
Pengudaraan
Pembasmian kuman
Koagulasi
Lain-lain rawatan
Flokulasi
Pengguna
Air sisa dan kumbahan
Rajah 4.1 Proses rawatan air konvensional
4.4.4 Pengudaraan (Oxygenation)
Proses mengudarakan air bertujuan
Meningkatkan kandungan oksigen terlarut.
Menukarkan besi (Fe) dan mangan (Mn) daripada keadaan larut kepada tidak larut.
4 Fe+2 + O2 + 10 H2O → 4 Fe(OH)3 ↓ + 8 H+
2 Mn+2 + O2 + 2 H 2O → 2 MnO2 ↓ + 4 H+
Menyingkirkan gas H2S dan CH4 yang menyebabkan bau dan rasa.
H2S (diss gas) + O2 → SO 4-2 (s) ↓
Menyingkirkan gas CO2 yang boleh menyebabkan kakisan pada paip.
CO2 (diss gas) + O2 → CO2 (g) ↑
Oleh kerana kandungan setiap gas di atmosfera dan air adalah seimbang, gas akan dibebaskan (freed or
de-gases) apabila kepekatannya dalam air adalah tinggi dan diserap (absorbed or re-dissolved) apabila
keadaan sebaliknya berlaku. Proses berlaku amat perlahan melainkan permukaan air yang luas terdedah
pada atmosfera atau air dikocak. Proses mengudarakan air dilakukan dengan memasukkan udara ke
dalam air atau memercikkan air ke udara. Kecekapan diukur melalui peningkatan kepekatan O2 atau
pengurangan kepekatan CO2 .
4
Ada dua jenis cara:
udara
air CO2
H2S
Air masuk udara
O2
O2
Udara masuk air
air
udara
O2
H2S
Sila lihat Rajah 4.2: Jenis-jenis pengudara
5
CO2
4.4.5 Koagulasi dan flokulasi (Coagulation and flocculation)
Kehadiran koloid (partikel seni bersaiz 0.001µm – 1 µ m) menyababkan air kelihatan keruh (turbid).
Koloid yang bercaj negative akan kekal terampai di dalam air dan tidak boleh ditapis menggunakan
penapis konvenstional. Melalui proses koagulasi, bahan kimia koagulan seperti aluminium sulfat
[Al2(SO4) 3] (“alum”) dimasukkan ke dalam air dan dibaurkan dengan cepat. Al 2(SO 4)3 larut dalam air dan
bertindak dengan kealkalian air membentuk partikel mikroskopik aluminium hidroksida [Al(OH) 3].
Flokulant Al(OH)3 (“flok”) yang bercaj positif dan bersifat lekit boleh meneutralkan caj negatif pada
koloid. Koloid menjadi tidak stabil dan boleh bersatu. Pengocakan air secara perlahan melalui proses
flokulasi menyebabkan koloid dan pepejal terampai berlanggar antara satu sama lain, bersatu membentuk
partikel flok yang lebih besar. Partikel flok boleh mengenap dan ditapis.
Tindakbalas kimia
Al2 (SO)4 + H2O → 2 Al(OH)3 ↓ (flok)
(Lihat Table 4.1 dan Figure 4.15 yg dilampirkan)
Teori Koagulasi
Tak pasti tentang mekanisme koagulasi tetapi empat (4) cara mungkin boleh berlaku:
1) Ionic layer compression [Fig 2-7(b)]
2) Adsorption & charge neutralization
Ciri-ciri ions lebih penting dari kuantiti.
Dos berlebihan mungkin dan akan menterbalikkan caj bahawa stabiliti berlaku sekali lagi.
3) Sweep coagulation
Produk akhir di dalam hidrolisis alum ialah Al(OH)3 – aluminum hydroxide, yang berbentuk
sebagai amorphous (“tanpa bentuk tetap”), gelatinous (“lekit”) flok, lebih berat dari air dan
mengenap dan menyapu (“sweeps”) semua bahan seketika mengenap.
4) Interparticle bridging (Fig 4-15)
Latihan Koagulasi
pH 5.0 – 7.5 Aluminum sulfate digunakan (paling banyak air di dalam julat ini)
pH 4.5+
Ferric chloride digunakan kadang kali
pH 9.5+
Ferrous sulfate digunakan
Dos alum biasanya antara 5 mg/L dan 50 mg/L bergantung kekeruhan (turbidity).
Kumpulan 1: Kekeruhan tinggi – alkalin rendah
Dos kecil = koagulasi lebih senang terus cara Adsorption & charge neutralization (A&cn); pH lebih
rendah lebih baik.
Kumpulan 2: Kekeruhan tinggi – alkalin tinggi
pH tidak dipengaruhi oleh koagulant supaya A&cn kurang efektif dan dos yg lebih besar diperlukan untuk
cara „sweep‟ koagulasi.
Kumpulan 3: Kekeruhan rendah – alkalin tinggi
6
Bilangan koloid lebih susah untuk koagulasi (contoh, lelaki dan perempuan); „sweep‟ koagulasi
digunakan selepas lebih banyak kekeruhan dihasilkan oleh tambahan tanah liat (bentonite clay) bahawa
keperluan dos koagulan diguna lebih rendah.
Kumpulan 4: Kekeruhan rendah – alkalin rendah
Koagulasi sangat susah bahawa kekeruhan ditambahan (menjadi macam Kum. 1) dan kadang kali alkalin
(macam Kum. 3).
7
8
4.4.5.1 Ujian balang (Jar test)
Ujian baling digunakan untuk menentukan
jenis dan dos (dose) koagulan yang sesuai.
Kaedah
1) 4-6 bikar diisi dengan 1-L sampel air
mentah dan kekeruhan awal setiap bikar
ditentukan
2)
Dos koagulan yang berbeza-beza
dimasukkan ke dalam setiap bikar dan air
dibaur (dikocak) dengan cepat dan rapi (2-3
minit).
3) Motor diperlahankan dan air dibaur lebih
kurang 15-30 minit.
4) Flokulant akan terbit dan dibiarkan mendap.
5)
Kekeruhan sampel ditentukan semula.
Peratus pengurangan kekeruhan pada setiap
bikar dicatit. Dos yang sesuai ialah yang
peratus pengurangan kekeruhan paling tinggi.
6)
Untuk menentukan pH terbaik bagi
koagulan bertindak, pH air pada setiap bikar
diubah dan air dibubuh dengan dos koagulan
dari ujikaji pertama. Ujikaji diulang semula.
Perkara-perkara yang mempengaruhi koagulasi
dan flokulasi
a) pH air
b) kekeruhan
c) kealkalian
d) kadar pembauran
e) suhu air
f) jenis dan dos
koagulan
g) kimia pembantu koagulan (contoh,
polielektrolit, polimer, batu kapur, dan ll)
4.4.5.2 Tangki-tangki pembauran deras
(Rapid-mixing tanks)
Tangki-tangki pembauran deras digunakan
untuk membaurkan air dan bahan kimia seperti
koagulan dengan cepat dan sekata.
Dua
kaedah yang digunakan ialah pembauran
hidraulik
dan
pembauran
mekanikal.
Pembauran hidraulik diperolehi dengan
mengadakan halangan pada laluan air seperti
plet sesekat, sempak limpahan, dan flum
pembaur manakala pembauran mekanikal
seperti pembaur kilat menggunakan plet yang
digerakkan oleh kuasa motor.
9
Keberkesanan pembauran bergantung kepada kecerunan halaju, G, dan masa tahanan, t.
Kecerunan halaju, G
Tahap pembauran diukur dengan kecerunan halaju, G. Tahap pembauran yang tinggi memberi nilai G
yang tinggi dan sebaliknya. Nilai G bergantung kepada kuasa masukan (P), kelikatan dinamik air (µ) dan
isipadu tangki (V). Bagi tangki pembauran deras, G = 700-3000 s-1. (G ialah „velocity gradient‟ antara
; kalau ∆v = 1.0 m/s dan d = 0.1 m, G = 10 s-1.)
dua partikel, A dan B, dan ialah
10
atau
dengan,
P
= kuasa masukan, W (N· m/s atau kg· m2/s3)
µ
= kelikatan dinamik air, (kg/m· s)
= isipadu tangki campuran (m3)
V
P=ρgQh
dengan,
ρ
= ketumpatan air (kg/m3)
g
= gravity (9.81 m/s2)
Q
= kadar alir air (m3/s)
h
= kehilangan turus (m)
kedalaman saluran, yair
=
=
Jarak antara hujung sesekat dengan dinding tangki, z = 1.5x
Panjang saluran, b: 2.0m – 3.0m
Lebar sesekat: 5.0cm – 8.0cm
11
> 1.0m
Rajah 4.5 Tangki pembauran deras
Oleh kerana
Masa tahanan, t
Purata masa partikel air berada dalam tangki. Bagi tangki pembauran deras, masa tahanan diantara 1-2
minit.
dengan, Q = kadar alir air (m3/s).
4.4.5.3 Tangki flokulasi
Pengocakan atau pembauran air secara perlahan dilakukan di dalam tangki flokulasi. Nilai G lebih rendah
daripada tangki pembauran deras iaitu antara 20 – 80 s-1 dan masa tahanan lebih lama, antara 10 hingga
60 min (nilai t). Angka G·t (parameter rekabentuk) ialah G × t dan ialah antara 12,000 – 270,000 (104 –
105). Pembauran perlahan diperolehi melalui kaedah hidraulik seperti tangki sesekat dan kaedah
mekanikal yang menggunakan pengayuh.
12
Tangka jenis ini sesuai untuk loji rawatan yang kecil dan tidak memerlukan kemahiran dalam
pengendalian. Namun, operasi tidak dapat dikawal dengan kemas.
Kriteria reka bentuk tangki sesekat
(Jenis aliran mengelilingi hujung sesekat)
Masa tahanan, t = 20 – 30 minit
Isipadu air, V = kadar alir, Q × masa tahanan, t
Halaju aliran air di saluran antara sesekat (halaju air), v = 0.09 – 0.24 m/sec
Jarak aliran air = Halaju air, v × masa tahanan, t
Luas keratan rentas saluran, A = Isipadu air/Jarak aliran air, V/vt
Jarak antara sesekat, y > 0.20 m
Flokulasi mekanikal
Pembauran air dilakukan menggunakan pengayuh. Pembentukan flokulant dan kawalan operasi lebih
baik, kehilangan turus rendah, mudah dipasang di loji-loji sedia ada dan kurang penggunaan bahan kimia.
Kemahiran diperlukan bagi operasi dan penyenggaraan dan kos tinggi.
Kriteria rekabentuk
t = 20 – 30 min
ω = 2 – 15 putaran/min
Penentuan nilai G
P = FD vp
(4.1)
dengan
FD = daya seretan ke atas pengayuh, (N)
vp = halaju pengayuh berbanding halaju air (halaju hujung pengayuh), m/s
= 75% daripada halaju pengayuh sebenar, va
va = 2 π r ω
ω = putaran pengayuh/minit
Daya seretan ke atas pengayuh diberi sebagai
FD = CD Ap ρ vp3
dengan
(4.2)
13
CD = pekali seretan, 1.8 untuk pengayuh rata
Ap = luas pengayuh, m2
Masukkan (4.1) ke dalam (4.2)
P=
CD Ap ρ vp3
G=
4.4.6 Pengenapan (Settling Operations)
Pemisahan pepejal terampai dan mendakan daripada air oleh daya graviti. Aliran air yang perlahan di
dalam tangki pengenapan membolehkan pepejal terampai mengenap ke bawah dan terkumpul di dasar
tangki. Bahan yang terkumpul dikenali sebagai enap cemar (sludge). Air yang keluar dari tangki adalah
lebih jernih.
Jenis tangki pengenapan (Settling Tank Types)
1) Segiempat tepat (rectangular) dan segiempat sama (square)
2) Bulat (round)
Corak aliran air dalam tangki (Flow design inside the tank)
Mendatar (horizontal)
Aliran ke atas (upflow)
Alrian jejari (radial)
Sebuah tangki pengenapan dibahagikan kepada 4 zon:
a) Zon air masuk (inlet zone) : menyeragamkan aliran air dan pepejal terampai yang memasuki tangki
pengenapan
b) Zon pengenapan (settling zone) : proses pengenapan berlaku
c) Zon enap cemar (sludge zone) : enap cemar terkumpul
d) Zon air keluar (outlet zone)
Zon pengenapan
Zon air masuk
(influen)
Zon enap cemar
Zon air keluar
(efluen)
Reka bentuk zon pengenapan bergantung kepada
i) Halaju pengenapan partikel yang hendak disingkirkan, vs
ii) Halaju reka bentuk (design velocity); juga dikenali sebagai kadar limpahan permukaan (v0)
iii) Masa tahanan (t)
14
iv) Jenis partikel atau jenis pengenapan
Kadar limpahan permukaan (beban permukaan, v 0)
luas permukaan, As
3
v1 = v0
2
v0 = Q/As (m /m hari)
vs
partikel terenap
kadar alir air, Q (air dan partikel)
L
w
v0 = Q/As
h
As
Q
Oleh kerana Q = V/t,
v0 =
dengan,
As
h
t
=
=
= luas permukaan tangki
= ukur dalam tangki
= masa tahanan
Anggapan
° Suasana tenang wujud di zon pengenapan
° Kadar alir dan kandungan pepejal adalah sekata di zon pengenapan
° Pepejal yang memasuki zon enap cemar tidak terampai semula
Kriteria reka bentuk tangki pengenapan
1) v0 = 0.85 hingga 1.5 m3/m2· jam
15
2) t = 2-4 jam
3) Nisbah L:w = 3:1 hingga 5:1
4) h = 3.0 hingga 5.0 m
Pengenapan Jenis I (Pengenapan partikel terasing atau diskrit)
Pengenapan Jenis I merujuk kepada partikel yang mengenap secara terasing dengan halaju yang seragam.
Saiz, bentuk, dan jisim partikel tetap (tidak berubah) semasa proses pengenapan, contoh: pasir. Halaju
pengenapan partikel terasing boleh dinyatakan oleh Hukum Stokes dengan membuat anggapan tertentu.
Kegunaan pengenapan Jenis I ialah dalam reka bentuk kebuk kersik.
Mengikut Hukum Stokes, halaju pengenapan bagi partikel terasing yang berbentuk sfera dan mengenap
pada aliran lamina diberi seperti berikut:
dengan,
d
ρp
ρw
µ
g
= diameter partikel (m)
= ketumpatan partikel (kg/m3)
= ketumpatan air (kg/m3)
= kelikatan dinamik/mutlak air (kg/m· s)
= cepatan oleh graviti (m/s2)
Persamaan di atas menyatakan halaju pengenapan secara teori. Halaju pengenapan yang sebenar adalah
kurang daripada yang diperolehi disebabkan
i) partikel tidak benar-benar sfera
ii) angin menghasilkan arus di permukaan air dan arus songsang di bawah permukaan air
iii) aliran gelora (turbulent flow)
16
Mencari peratus partikel/zarah yang boleh mengenap dalam sebuah tangki pengenapan empat segi
tepat dengan aliran mendatar
A
h,
tinggi
tangki
hs, tinggi
pengenapan
vs = v0
vs
B
1. Partikel yang berada di kedudukan A iaitu pada ketinggian h dari dasar tangki dan mempunyai halaju
pengenapan, vs = v0 akan terenap pada kedudukan B dalam tangki. Partikel ini mempunyai masa
pengenapan, ts = t, masa tahanan tangki.
vs = v0 = h/t
2. Partikel yang mempunyai halaju pengenapan, vs > v0 akan terenap tidak kira di ketinggian mana
sekalipun ia memasuki tangki tersebut. Partikel ini mempunyai masa pengenapan, ts < t, masa tahanan
tangki.
3. Partikel yang mempunyai halaju pengenapan, vs < v0 akan terenap dalam zon enap cemar sekiranya
memasuki tangki pada ketinggian, hs = vs t dari dasar tangki.
Peratus partikel (dengan halaju pengenapan, vs) yang boleh disingkirkan oleh sebuah tangki pengenapan
dengan kadir limpahan permukaan, v0 .
Pengenapan Jenis II (Pengenapan partikel kelompok/flok)
Pengenapan Jenis II merujuk kepada partikel yang berkelompok iaitu partikel yang bersatu antara satu
sama lain semasa proses pengenapan. Oleh yang demikian, saiz dan halajunya sentiasa berubah
(lazimnya halaju akan meningkat). Tiada perkaitan matematik yang sesuai yang boleh menerangkan
Pengenapan Jenis II. Formula Stokes tidak boleh digunakan oleh kerana saiz dan bentuk partikel sentiasa
berubah. Ujian di makmal menggunakan turus pengenapan (settling column) untuk mendapatkan datadata yang boleh digunakan untuk tujuan reka bentuk tangki.
Eckenfelder menyarankan nilai v0 dan t yang diperolehi daripada ujian turus pengenapan masing-masing
didarabkan dengan faktor skala 0.65 dan 1.75 untuk mendapatkan nilai v0 dan t yang sesuai untuk tujuan
reka bentuk.
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27