FILTRASI

FILTRASI

Filtrasi merupakan proses tambahan untuk memisahkan partikel-partikel padatan dari air permukaan atau air limbah yang telah melewati proses koagulasi dan sedimentasi. Proses ini akan mengolah air hingga siap untuk digunakan sebagai air boiler, make-up cooling water, bahkan air minum. Dalam pengolahan air limbah, fitrasi juga sering digunakan sebagai proses akhir untuk membersihkan air hingga mencapai kualitas air buangan sesuai standar yang telah ditentukan.

Pada umumnya filtrasi hanya dianggap sebagai proses mekanik yang sederhana. Akan tetapi jika dilihat lebih detail, proses filtrasi itu sendiri terdiri dari beberapa proses yang saling melengkapi, seperti adsorpsi, straining, sedimentasi, intersepsi, difusi dan inersial compaction.

Pada dasarnya filtrasi tidak dapat menghilangkan dissolved solids, namun filtrasi dapat digunakan bersamaan dengan proses softening.

Pada proses softening atau klarifikasi secara umum, dimana terjadi proses koagulasi dan presipitasi, biasanya sebagian air efluen yang dihasilkan akan dilewatkan pada proses filtrasi. Air efluen dari proses klarifikasi biasanya memiliki nilai turbidity sebesar 2-10 NTU dan setelah melewati filtrasi, turbiditynya dapat menurun menjadi 0,1-1,0 NTU.

Konstruksi Umum

Metode filtrasi konvensional, seperti gravity filtration dan pressure rapid filter, dijalankan secara downflow. Media filter yang digunakan biasanya dipasang dengan ketebalan 15-30 inci dengan media pasir atau antrasit. Untuk menahan media filter yang berukuran halus supaya tidak terbawa atau hilang ke sistem pembuangan, pada tangki filtrasi harus dipasang penyangga (bed support) berupa partikel media filter yang ukurannya agak besar. Selain sebagai penghalang, penyangga itu juga berfungsi untuk mendistribusikan air pada saat proses backwash.  Tipikal bed supports tersusun atas batu kerikil atau antrasit yang berukuran 1/8 – 1,5 inci dan disusun dengan lapisan yang bertingkat hingga kedalaman 12 – 16 inci.

Tipe Media

Terdapat berbagai jenis material yang bisa digunakan sebagai media filter, contohnya quartz sand, pasir silika, antrasit, garnet, magnetit, dan lain-lain. Pada umumnya, pasir silika dan antrasit adalah yang paling sering digunakan. Apabila pada suatu proses filtrasi pasir silika tidak dapat digunakan, misalnya karena tangki filtrasi ditempatkan setelah proses softening dengan temperatur tinggi, antrasit akan dipilih sebagai penggantinya.

Dalam proses filtrasi, ukuran dan bentuk dari media filter akan sangat berpengaruh pada efisiensi penyaringan partikel padatan. Media filter yang memiliki sisi yang tajam, biasanya akan membentuk celah-celah antar partikel yang cukup besar, sehingga dapat menurunkan efisiensi penyaringan apalagi jika kotoran berukuran halus, dibandingkan dengan media filter yang berbentuk bulat pada ukuran yang sama.

Pada permukaan filter bed sebaiknya digunakan media filter yang cukup kasar sehingga memungkinkan suspended solid menembus filter bed sedalam 2-4 inci sebelum pada akhirnya tertahan di dalam filter bed. Meskipun pada umumnya banyak suspended solid yang sudah tertahan pada permukaan filter bed sejak kedalaman 1-2 inci, paling tidak konfigurasi tersebut dapat menghindari terjadinya pressure drop yang sangat cepat pada proses filtrasi.

Pasir dan antrasit yang digunakan sebagai media filter dinilai berdasarkan ukuran partikel efektif dan uniformity-nya. Ukuran partikel efektif ditentukan dengan mengukur ketebalan media saat media tersusun dari 10%-berat partikel ukuran kecil dan 90%-berat partikel ukuran lebih besar. Uniformity dihitung dengan cara membandingkan ukuran efektif dengan ukuran pada saat media tersusun dari 60%-berat partikel ukuran kecil dan 40%-berat partikel ukuran lebih besar.

Pasir halus yang digunakan sebagai media filter akan membentuk filter bed yang lebih dangkal sehingga menyebabkan pendeknya zona retensi dari partikel yang akan disaring.  Umumnya, pada metode rapid sand filter digunakan pasir dengan ukuran partikel efektif sebesar 0,35 – 0,60 mm dan koefisien uniformity maksimum pada nilai 1,7. Media filter yang kasar dengan ukuran 0,6-1,0 mm, biasanya digunakan pada proses koagulasi dan sedimentasi yang terkontrol.

Filter Bed dengan Media Campuran (Mixed-Media)

Istilah “multilayer”, “in-depth”, dan “mixed media” berlaku pada filter bed dengan media yang disusun bertingkat berdasarkan ukuran dan densitynya. Partikel-partikel besar akan membentuk susunan yang renggang, sehingga ditempatkan pada bagian atas filter bed, sedangkan partikel yang lebih kecil/halus akan membentuk susunan yang lebih padat, sehingga ditempatkan pada bagian dasar filter bed. Partikel-partikel halus bersifat lebih padat dan memiliki densitas lebih tinggi, sehingga mereka akan tetap berada di bagian dasar filter bed.

Dalam filtrasi downflow, partikel pengotor akan mengalir secara seragam dan dapat menembus hingga ke bagian dalam filter bed. Pada filtrasi downflow juga dapat dicapai laju filtrasi yang tinggi dan waktu operasi yang panjang.

Contoh Tabel 6-1. Media pada filtrasi multilayer

Media : Antrasit, Pasir, Garnet, Magnetite

Ukuran Efektif, mm (in.) : 0,7 – 1,7 (0,03 – 0,07),   0,3 – 0,7 (0,01 – 0,03) ,

0,4 – 0,6 (0,016 – 0,024) , 0,3 – 0,5 (0,01 – 0,02)

Specific gravity : 1,4 , 2,6 , 3,8 , 4,9.

Pada Tabel 6-1 ditampilkan 4 jenis media yang biasanya digunakan pada filtrasi multilayer. Namun terdapat pula beberapa jenis kombinasi media campuran lain yang juga sudah teruji dan digunakan dengan efektif. Namun perlu diperhatikan bahwa penggunaan media dengan jenis yang terlalu beragam akan menyebabkan sulitnya proses backwash untuk dilakukan. Filter bed dengan media kombinasi antrasit dan sand filter umumnya memiliki keuntungan yang sama dengan single media filtration, namun kombinasi ini tidak membutuhkan air backwash yang banyak seperti jika filter bed hanya tersusun dari pasir atau antrasit saja. Begitu juga untuk filter bed dengan kombinasi antrasit/pasir/garnet. Keuntungan yang sangat signifikan dari filter dual media diantaranya adalah lajunya yang tinggi dan juga waktu operasi yang lebih panjang.

Capping of Sand Filters

Rapid sand filter dapat dimodifikasi menjadi mix-media filter untuk meningkatkan kapasitas hingga 100%. Dibandingkan dengan menginstall rapid sand filter tambahan, modifikasi menjadi mix media ini akan membutuhkan biaya yang lebih sedikit.

Modifikasi tersebut biasanya dilakukan dengan cara mengganti sebagian lapisan atas media pasir pada filter bed dengan media antrasit. Cara itu disebut juga dengan capping. Lapisan pasir dengan ukuran partikel 0,4 – 0,6 mm setebal 2 – 6 inci pada permukaan filter bed diganti dengan antrasit berukuran 0,9 mm sedalam 4 – 8 inci. Apabila kapasitas penyaringan ingin ditingkatkan, maka jumlah pasir yang perlu diganti dengan antrasit harus lebih banyak.

Gravity Filter

Gravity filter dapat dilihat pada Gambar 6.1 berbentuk vessel terbuka yang cara kerjanya bergantung pada head gravity di posisi tersebut. Selain media filter komponen-komponen penting yang harus ada pada gravity filter  adalah sebagai berikut

·         Filter shell, dapat terbuat dari beton atau baja dan dapat berbentuk kotak persegi panjang atau lingkaran. Pada umumnya beton berbentuk persegi panjang adalah bentuk yang sering digunakan.

·         Support bed, berfungsi untuk menghalangi terbawanya pasir halus atau antrasit ke sistem pembuangan. Support bed biasanya memiliki kedalaman 1-2 ft, serta berfungsi untuk mendistribusikan air pada proses backwash.

·         Underdrain system disusun sedemikian rupa untuk mengatur pendistribusian air hasil filtrasi dan juga air pada saat backwash. Underdrain sistem tersusun atas pipa header dan lateral dengan perforasi atau strainer yang disusun berjarak.

·         Saluran air pencuci (wash water through), dibuat sebesar mungkin sehingga cukup untuk menampung air buangan hasil backwash supaya tidak meluap. Saluran tersebut dibuat berjarak sedemikian sehingga jalur horizontal dari air backwash tidak melebihi jarak 3-3,5 ft (0,91 – 1,07 m). Pada unit sand filter konvensional, saluran air tersebut ditempatkan kira-kira 2 ft di atas permukaan filter. Ruang kosong juga perlu disediakan untuk menghindari terbawa nya filter media pada saat dijalankan backwash pada laju maksimumnya.

·         Control device, berfungsi untuk memaksimalkan efisiensi operasi filtrasi. Alat ukur laju alir dan tekanan merupakan contoh control device untuk menunjang efisiensi operasi. Sebagai contoh, laju alir dikontrol dengan venturimeter pada aliran efluen, yang akan secara otomatis mengatur laju alir efluen supaya seragam. Pada aliran backwash juga perlu dipasang pengontrol laju alir.

Pressure Filter

Pressure filter biasanya digunakan bersamaan dengan proses softener yang beroperasi pada temperatur tinggi untuk mencegah terjadinya head loss. Pressure filter ini sebenarnya mirip dengan gravity filter  yang juga tersusun atas media filter, media penyangga, underdrain system, dan control device; namun pada pressure filter tidak diperlukan adanya saluran air cuci atau wash water through.

Pressure filter dapat didesain dalam bentuk vertikal ataupun horizontal dengan badan berupa silinder dan bagian kepala yang membulat. Pada pressure filter horizontal dengan diameter 8 ft, biasanya memiliki panjang vessel antara 10 – 25 ft (3,05 – 7,62 m). Kapasitasnya berkisar antara 200 – 600 gpm  (12,6 – 37,9 L/s). Filter-filter tersebut dipisahkan menjadi beberapa kompartemen untuk mengakomodasi proses backwashing cara terpisah. Air backwash yang digunakan pada pressure filter dapat dialirkan kembali menuju ke clarifier atau softener untuk diolah kembali.

Pressure filter biasanya dioperasikan pada laju alir 3 gpm/ft2  (2,04 L/s2/m2). Pada flowrate 2 kali lipatnya maka dibutuhkan 2 unit Pressure filter atau dapat digunakan multimedia filter.

Pada temperatur ambien, laju alir air backwash yang disarankan adalah 6 – 8 gpm/ft2 pada media antrasit dan 13-15 gpm/ft2 untuk media pasir.  Filter dengan media antrasit yang dijalankan pada temperatur tinggi membutuhkan laju alir backwash yang lebih tinggi yaitu sebesar 12 – 15 gpm/ft2, sebab pada temperatur tinggi densitas air akan menjadi lebih kecil dibandingkan pada temperatur normal.

Upflow Filters

Pada unit filtrasi upflow, umumnya digunakan satu jenis media filter, yaitu media pasir yang disusun berdasarkan ukuran dan densitasnya. Pasir yang paling halus ditempatkan pada bagian atas dari filter bed sedangkan pasir yang berukuran lebih besar dan kasar ditempatkan di bagian bawah. Pada bagian bawah,  dipasang susunan batu-batu kerikil (gravel) yang dialasi dengan grid. Selain untuk menahan pasir pada filter, batu kerikil tersebut berfungsi untuk mendistribusikan air secara merata ke seluruh permukaan filter bed selama proses filtrasi dijalankan. Terdapat grid lainnya yang dipasang pada bagian atas filter bed fungsinya adalah untuk menghindari terjadinya fluidisasi media filter.

Injeksi udara yang dilakukan pada saat pembersihan (bukan disebut backwash karena arah alirannya sama dengan aliran operasi normal) dapat membantu membersihkan partikel-partikel padatan yang telah tersaring serta untuk mengembalikan posisi  filter media seperti yang ditentukan.

Selama proses berlangsung, partikel pengotor yang berukuran besar akan tertahan pada bagian lapisan batu kerikil, sedangkan padatan pengotor yang berukuran halus akan menembus lebih jauh ke dalam media filter dan tertahan pada lapisan selanjutnya. Laju alir operasi yang yang biasanya digunakan adalah 5-10 gpm/ft2.

Automatic Gravity Filters

Beberapa manufacturer telah membuat dan mengembangkan gravity filter yang mempunyai sistem backwash otomatis ketika mencapai nilai headloss tertentu. Headloss, ditandai dengan level air di atas media filter, akan mengaktifkan pipa backwash , sehingga air backwash dari tangki penampung tersedot menuju media filter dan akan keluar dari pipa outlet menuju ke tempat pembuangan.

Gravity filter yang otomatis biasanya tersedia hingga ukuran diameter 15 ft (4,6 m). Ketika dioperasikan dengan laju alir tinggi dan multilayer media, sebuah unit gravity filter berdiameter besar dapat bekerja hingga mencapai kapasitas 1000 gpm (63,1 L/s).

Continuous Cleaning Filters

Sistem filtrasi dengan mode continuous cleaning dapat mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk melakukan proses backwash, sebab pembersihan dilakukan secara kontinu dan online. Beragam desain telah di buat.

Filter Washing-Gravity Filters

Untuk membuang partikel padatan yang terakumulasi pada media filter, perlu dilakukan proses pencucian secara berkala. Jika tidak dilakukan pencucian berkala, maka dapat terbentuk gumpalan-gumpalan atau lapisan-lapisan padat yang banyak tertinggal pada media filter. Hal itu dapat menyebabkan menurunnya efisiensi dan kapasitas dari filter tersebut.

Pada rapid downflow filter, pencucian media dilakukan dengan cara mengalirkan air bersih bertekanan dengan arah berkebalikan dengan arah aliran filtrasi. Pada gravity filter  konvensional, hal serupa juga dilakukan, yaitu mengalirkan air backwash sehingga kotoran-kotoran pada filter bed terangkat dan mengalir ke saluran air cuci dan terbuang ke aliran limbah. Kedua teknik backwash tersebut dapat dilakukan, bergantung pada desain media supports dan ketersediaan aksesoris-aksesoris peralatannya :

·         Backwash kecepatan tinggi, dapat menyebabkan ekspansi media filter hingga 10% lebih besar. Pada sand filter, laju alir sekitar 12-15 gpm/ft2 (8.2-10.2 L/s/m2) lebih umum digunakan, sedangkan untuk media antrasit laju alir yang digunakan berkisar pada 8-12 gpm/ft2 (5.4-8.2 L/s/m2).

·         Backwash kecepatan rendah, tidak menyebabkan ekspansi media filter, umumnya dikombinasikan dengan proses air scouring.

Apabila backwash hanya menggunakan air, biasanya pencucian permukaan media perlu dilakukan sebelum backwash. Permukaan media disemprot dengan air bertekanan yang keluar dari nozzle yang berputar, sehingga kerak di lapisan permukaan dapat terpecah. Setelah pencucian permukaan itu, maka backwash dapat dilakukan kurang lebih selama 5-10 menit. Setelah itu, dilakukan rinsing (pembilasan) dengan sedikit air yang kemudian dibuang ke aliran limbah. Setelah selesai, unit filter dapat dioperasikan kembali secara normal.

Dengan backwash kecepatan tinggi, gumpalan-gumpalan lumpur (mud balls) dapat terbentuk di dalam filter bed. Hal ini terjadi karena saat dialirkan air backwash kecepatan tinggi, media filter terekspansi dan terbentuk arus air secara acak sehingga bagian media yang terekspansi bergerak naik dan turun. Kemudian lapisan permukaan yang berkerak dapat terbawa putaran arus tersebut sehingga terbentuk gumpalan. Oleh sebab itu, pencucian permukaan sebelum backwash cukup penting untuk dilakukan untuk menghindari fenomena ini.

Pada metode kedua, backwash kecepatan rendah dengan air scouring, dapat memecah kerak pada permukaan media tanpa menyebabkan arus acak, dengan catatan, sistem underdrain pada filter didesain sedemikian sehingga udara dapat terdistribusi merata. Kotoran yang keluar dari media filter akan terkumpul pada permukaan air pada posisi ketinggian antara media filter dan saluran pembuangan backwash. Setelah itu, aliran udara dihentikan dan kecepatan air backwash ditingkatkan untuk membuang air kotor hasil backwash awal. Konsumsi air pada kedua jenis proses backwash tersebut kurang lebih sama, dengan atau tanpa udara (air scouring).

In–Line Clarification

In–line clarification merupakan sebuah metode pemisahan suspended solid menggunakan cara rapid filtrasi yang digabungkan dengan injeksi koagulan pada aliran inletnya. Proses ini juga dikenal dengan inline filtration atau contact filtration. Untuk pemisahan suspended solid, pada metode ini tidak diperlukan bak sedimentasi. Koagulasi dapat terjadi pada inline clarification dengan dua metode sebagai berikut:

1. menggunakan aluminum anorganik atau garam besi, dengan atau tanpa tambahan koagulan polimer dengan berat molekul (BM) tinggi

2. menggunakan polielektrolit organik kation kuat

Logam hidroksida dapat membentuk presipitasi. Oleh sebab itu, jika digunakan sebagai koagulan anorganik, sebaiknya hanya menggunakan filter dengan filter media ganda. Lapisan filter media disusun dari partikel yang berukuran kasar ke berukuran halus, sehingga partikel flok yang terbentuk akibat proses koagulasi dapat tertahan. Dengan begitu, rapid blinding dapat dicegah dan kesulitan dalam proses backwash dapat dihindari.

Ketika koagulan polimer BM tinggi digunakan, laju alir dengan konsentrasi polimer lebih kecil dari 0.1 ppm sudah mampu memaksimalkan pemisahan padatan, yaitu dengan membentuk flok berukuran besar dan menunjang absorpsi di dalam filter. Dengan teknik ini, dapat dihasilkan air efluen dengan turbidity kurang dari 0.5 NTU.

Metode kedua pretreatment dengan koagulan yaitu dengan bahan kimia berupa polielektrolit kation kuat. Penambahan bahan kimia ini tidak membentuk presipitasi partikel flok dan biasanya juga tidak terbentuk flok yang terlihat jelas pada air influent.  Jika digambarkan, proses ini dapat dilihat seperti tersebarnya muatan-muatan positif kation pada permukaan filter bed, sehingga partikel kotoran yang bermuatan negatif akan tertarik ke permukaan filter bed.

Inline clarification merupakan cara yang cukup ampuh untuk meningkatkan efisiensi pemisahan padatan dari air yang keruh. Efluen hasil penyaringan dengan metode ini biasanya memiliki nilai turbidity kurang dari 1 NTU.

Precoat Filtration

Metode precoat filtration umumnya digunakan untuk memisahkan zat partikulat yang sangat kecil, partikel minyak, bahkan bakteri dari air. Namun, metode ini hanya praktis digunakan untuk air dalam jumlah sedikit dan mengandung kontaminan dalam konsentrasi rendah.

Precoat filtration dapat digunakan setelah proses klarifikasi konvensional untuk memproduksi air dengan suspended solid yang sangat rendah untuk kebutuhan tertentu. Sebagai contoh, precoat filtration sering digunakan untuk memisahkan minyak dalam air kondensat yang terkontaminasi.

Pada precoat filtration, media precoat yang biasanya digunakan adalah pasir diatom. Pasir diatom berperan sebagai media filter dan sekaligus membentuk cake pada lapisan dasar permeable/septum.  Filter cloth, porous stone tube, porous paper, wire screen, dan wire-wound tube dapat digunakan untuk lapisan dasar.

Lapisan dasar mula-mula diberi lapisan dengan slurry media precoat. Kemudian tambahan slurry (body feed) akan ditambahkan seiring dengan bekerjanya filter. Kotoran yang tersaring pada filter akan terakumulasi dan menyebabkan pressure drop meningkat pada filter. Jika tercapai kondisi tersebut, maka backwash harus dijalankan. Pada teknik ini, media precoat yang berada pada lapisan permukaan biasanya akan terbawa aliran backwash, sehingga sebelum filter dijalankan kembali, media filter harus dilapisi media precoat lagi.