Proses Desain IPAM
Oleh Gede H. Cahyana
Dimuat di Majalah Air Minum edisi 150, Maret 2008.
Lama sudah air minum dikenal manusia, katakanlah sejak Adam dan Hawa mulai mencari makanan dan minuman yang terhampar di hadapannya. Keturunan (zuriat) mereka lantas terus berkembang dan menyebar menjadi berbangsa-bangsa bernegara yang masing-masing mengembangkan cara khas dalam memperoleh air minum. Tak hanya untuk minum tetapi juga untuk mandi, cuci dan transportasi air.
Khusus untuk minum, dikembangkanlah alat yang bervariasi teknologi dan kinerjanya. Desainnya berkembang dari yang sederhana, yaitu hanya memanfaatkan pasir di tepi sungai hingga teknologi membran (elektrodialisis, mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, reverse osmosis). Yang disebut terakhir belum banyak diterapkan oleh PDAM, kecuali di zone khusus seperti Zone Air Minum Prima (ZAMP). Tetapi faktanya, tidak semua ZAMP menerapkan teknologi membran. Ia hanya digunakan oleh perusahaan air minum kemasan (amik) dan sekarang diterapkan juga oleh sebagian depot air minum kemasan ulang (amiku) yang populer disebut air minum isi ulang.
Dalam tulisan kali ini yang dikedepankan adalah pengolahan air minum untuk komunitas besar berteknologi konvensional, yaitu instalasi yang lumrah diterapkan di PDAM, kawasan industri, dan pabrik. Fokus materinya ialah proses kelahiran sebuah IPAM yang diharapkan bermanfaat bagi karyawan PDAM di bagian perencanaan, khususnya ketika berdiskusi dengan konsultan yang memaparkan pekerjaan desainnya.
Komponen Desain
Agar tercapai tujuan pengolahan, tahap awalnya ialah mendesain unit operasi dan unit proses. Desain itu pun harus fleksibel, mampu menangani keadaan air baku pada musim kemarau dan musim hujan. Desain juga wajib mampu menangani perubahan kualitas air jangka panjang, misalnya 20 tahun ke depan dan mampu mencapai baku mutu (termasuk kemungkinan revisi baku mutu yang menjadi lebih ketat pada masa depan).
Secara umum, ada lima tahap dalam merencanakan (planning), mendesain (designing), dan melaksanakan (implementing) pekerjaan IPAM, yaitu (1) Karakterisasi air baku dan air olahan, (2) Pradesain, membuat alternatif proses lalu memilih proses yang final, (3) Detail desain atas pilihan tahap 3, (4) Konstruksi, pembangunan, dan (5) Operasi-rawat instalasi. Dalam mewujudkan IPAM, jika betul-betul didesain dari nol dan tidak didasarkan pada instalasi paket, banyaklah sainstek yang terlibat, di antaranya: teknik lingkungan, kimia, biologi, fisika, mikrobiologi, geologi, geodesi, arsitek, sipil, ekonomi, dll. Sains berperan dalam formulasi materi sedangkan teknologi bertugas menerapkan formulasi demi mencapai solusi (masalah air bersih, misalnya).
Kelima tahap itu saling dukung dalam menghasilkan air yang sesuai dengan standar kualitas air minum dan telah melewati langkah evaluasi unit operasi dan proses. Sebagai satuan pengolah yang didominasi fenomena fisika (physical forces), unit operasi bersama dengan unit proses yang didominasi fenomena kimia dan biologi (chemical, biological reaction), bahu-membahu memperbaiki kualitas air. Kerja sama keduanya sudah tampak pada tahap awal desain, yaitu pada saat pembuatan alur pengolahan yang disebut process train, flow sheet, flow diagram, flow schematic, atau flow scheme. Selain penetapan alur air, IPAM pun mesti disertai dengan alur lumpur (sludge) agar tidak dibuang sembarangan tetapi disiapkan unit pengolahnya atau dibuang di tanah cekung dengan tujuan mengurugnya. Sudahkah PDAM menyediakan fasilitas untuk pengolahan lumpurnya sehingga layak disebut PDAM yang memiliki sense of enviro atau ecosensitive-nya tinggi?
Khusus untuk alur airnya (alur lumpur tidak dibahas di sini), ada sejumlah komponen penting dalam deretan awal sebelum memasuki unit pengolah. Yang pertama ialah intake, sebuah unit sadap air sungai, danau, atau waduk. Bentuknya ada yang sederhana seperti submerged intake pipe, ada juga yang floating intake. Juga ada yang berbentuk tower-like structure yang berisi intake gates, screens, control valves, pompa, dan chemical feeders. Submerged dan floating intake digunakan untuk debit kecil sedangkan tower-like intakes diterapkan untuk debit besar. Dimensi masing-masing bisa berbeda, bergantung pada kapasitas sadap air bakunya.
Komponen kedua ialah pompa yang dipasang di bangunan intake untuk menaikkan air sungai atau danau ke ketinggian tertentu lalu dialirkan secara gravitasi. Ada juga air yang dari intake ini langsung dipompa ke unit aerator lalu dialirkan secara gravitasi ke unit pengolah selanjutnya. Yang ketiga, raw water conveyance atau transmisi untuk mengalirkan air dari sumber ke IPAM. Biasanya IPAM berada di dalam atau di dekat kota sehingga perlu pipa yang panjang. Sebagai contoh, PDAM Kota Bandung memperoleh air bakunya dari Sungai Citarum sejauh lebih kurang 38 km dari kantor pusatnya di Jln. Badak Singa, Bandung. Yang keempat ialah flow measurement. Pengukuran debit air baku dan air olahan sangat penting untuk operasi instalasi, kendali proses, dan tarifnya.
Lepas dari semua komponen itu, barulah airnya masuk ke setiap unit operasi dan prosesnya yang masing-masing memiliki kriteria desain khas. Hanya saja, mengambil begitu saja kriteria desain tanpa melihat kualitas airnya dapat menjadi bumerang atau minimal tidak efisien atau boros dalam pengolahannya nanti. Tidak ada satu desain yang cocok bagi semua kualitas air baku di semua daerah (atau negara). Harus ada modifikasi unit operasi dan proses (penambahan atau pengurangan unit) juga perubahan jenis zat kimianya sesuai dengan riwayat kualitas air bakunya selama belasan tahun. Apalagi kriteria desain yang sumbernya dari textbook di negara empat musim yang notabene berbeda karakteristik hidrogeologinya dengan negara tropis. Lebih disarankan untuk menggunakan pendekatan pradesain dengan cara melaksanakan percobaan pengolahan air. Ini ditempuh dengan studi keterolahan yang dibahas di bagian akhir tulisan ini.
Sistem dan Spektrum
Pada masa sekarang, terutama di kota-kota besar, air baku sudah tercemar. Pencemar organik dan anorganik ini menjadi masalah utama dalam pengolahan air minum. Setelah pengolahan pun, sebagai efek sampingnya, selalu muncul sludge yang mesti dibuang dengan aman. Bisa juga di-recovery lagi untuk memperoleh alum, besi, kalsium, magnesium, dll. (Seperti ditulis di atas, adakah PDAM yang sudah menerapkan recovery ini?)
IPAM, terutama pengolahan lengkap (complete treatment) selalu disusun atas beberapa unit operasi dan proses. Karena banyak jenis unit pengolahnya, maka seleksi yang tepat menjadi kunci sukses pengolahan. Selain itu, seleksi yang tepat juga menghemat investasi dan biaya operasi-rawatnya. Kalaupun mahal, tetapi sepadan dengan kualitas air olahannya yang juga bergantung pada kualitas air bakunya. Begitu sebaliknya, salah dalam proses seleksi dapat mengubah proses pengolahan secara besar-besaran dan memboroskan uang.
Apa saja yang berpengaruh dalam proses seleksi unit di dalam IPAM? Memilih unit pengolah yang tepat bukanlah pekerjaan mudah. Banyak faktor yang harus dipertimbangkan sehingga tidak sesimpel yang diperkirakan. Yang berpengaruh dalam seleksi tersebut ialah (1) Kualitas air minum yang bergantung pada kondisi air baku, (2) Topografi dan kondisi lokasi, tata guna lahan, hidrolika, (3) Evaluasi sistem keseluruhan, (4) Fleksibilitas operasi-rawat, (5) Kemudahan uprate, (6) Personal untuk operasi-rawat instalasi, mesin-mesin, dan zat kimia, (7) Fleksibel saat beban puncak, (8) Mudah dan murah ketika dibangun, (9) Mudah dan murah operasi-rawatnya.
Pada poin satu di atas disebut kondisi air bakunya yang berbeda antara satu daerah dengan daerah lainnya. Oleh sebab itu, perlu ada uji laboratorium dan studi instalasi eksisting untuk mendapatkan parameter desain yang cocok untuk jenis air tertentu. Studi itu meliputi bench-scale di lab., pilot plant testing, dan plant-scale simulation testing. Camp test (MAM edisi 145, Oktober 2007) adalah salah satu cara pendekatan dalam desain IPAM. Begitu juga unit koagulasi – flokulasi dengan Jar test dan unit filtrasi skala lab. Semua unit operasi-proses ini bertujuan untuk mereduksi spektrum parameter kualitas yang melebihi baku mutu air minum. Fenomenanya bisa berupa gejala fisika, reaksi kimia, biologi atau kombinasi ketiganya.
Spektrum yang dieliminasi atau sekadar direduksi itu dapat berupa ion, molekul, atau padatan zat organik dan anorganik. Spektrum zat organik dan anorganik yang tersebar di dalam air terdiri atas empat macam, (1) coarse solid = gross solid = padatan kasar, (2) suspended solid, SS = zat padat tersuspensi, (3) colloidal = koloid = umumnya bermuatan negatif, dan (4) dissolved solid = zat padat terlarut. Semuanya menjadi sasaran dalam pengolahan air. Berkaitan dengan spektrum partikel tersebut di bawah ini ditabelkan diameter padatan mulai dari ukuran 1 m sampai dengan 1 Angstrom (Ao). Tentu saja batu kali, gravel, kerikil tidak tepat disebut partikel jika dibandingkan secara relatif terhadap jenis padatan lainnya.
Yang paling sering menjadi sasaran pengolahan ialah SS, koloid, dan padatan terlarut. Rentang padatan tersuspensi pun beririsan dengan koloid, suprakoloid. Bahkan flok pun, khususnya yang halus, yaitu yang tidak mengendap di unit sedimentasi, dapat dimasukkan ke dalam kelompok suspensi. Kenyataannya, flok halus ini melayang-layang di dalam air dan nyaris tak terendapkan. Rentang material terlarut pun bergradasi, mulai dari ukuran molekul, atom dan ion. Ukurannya dinyatakan dalam nanometer (nm) dengan konversi sbb: 1 m = 1.000 mm. 1 mm = 1.000 μm (mikrometer). 1 μm = 1.000 nm. 1 nm = 1.000 Angstrom.
Tabel 1. Spektrum diameter zat padat organik dan anorganik.
Dia. m
|
100 m
|
10-1 m
|
10-2 m
|
10-3 m
|
10-4 m
|
10-5 m
|
10-6 m
|
10-7 m
|
10-8 m
|
10-9 m
|
10-10 m
|
Dia.
|
1 m
|
10 cm
|
1 cm
|
1 mm
|
100 μm
|
10 μm
|
1 μm
|
0,1 μm
|
10 nm
|
1 nm
|
1 Ao
|
Nama
|
Batu kali
|
gravel
|
kerikil
|
flok
|
suspensi
|
suprakoloid
|
koloid
|
subkoloid
|
terlarut
|
terlarut
|
terlarut
|
Biasanya, tidak semua zat padat dalam rentang tersebut harus dihilangkan. Ada yang masih diperlukan, khususnya yang berupa mineral atau ion-ion. Ion besi, kalsium, magnesium misalnya, tetap dibutuhkan tubuh sehingga memiliki batas maksimum dan batas minimum dalam standar kualitas air minum di semua negara di dunia. Yang tidak boleh ada ialah ion-ion beracun (umumnya logam berat) dan biomassa seperti bakteri, protozoa, virus, dll.
Studi Keterolahan
Kualitas air baku berbeda dari satu daerah ke daerah lainnya sehingga perlu studi awal tentang keterolahannya. Studi ini untuk mendukung desainnya dan menetapkan parameter operasi setiap unit dan deretan proses keseluruhan. Studi awal ini sangat dibutuhkan apabila akan dibuat instalasi baru, berbeda dengan yang sudah ada (sumber airnya berbeda). Untuk maksud ini, desainer harus memahami metodologi: (1) percobaan laboratorium untuk menilai keterolahan air baku sampai tingkat yang diinginkan, (2) prosedur laboratorium dan studi pilot-plant, (3) menerjemahkan data laboratorium ke dalam parameter desain dan operasi.
Studi laboratorium bisa ditempuh secara batch (curah) dan/atau aliran kontinyu. Untuk maksud ini, Jar test masih dapat diandalkan. Cara klasik ini dapat menentukan dosis zat kimia yang tepat dan dapat menentukan kondisi terbaik koagulasi, flokulasi. Menerapkan pilot plant lebih bagus lagi karena mampu menentukan keterolahannya, parameter desainnya lebih tepat, dapat menguji efektivitas zat kimia dan optimasi dosis, mengevaluasi proses untuk meningkatkan kinerja instalasi dan hemat biaya. Secara umum, studi pilot plant digunakan untuk kondisi (1) menguji proses baru, (2) stimulasi proses, (3) prediksi kinerja proses, (4) mendata kinerja proses, (5) optimasi desain, (6) optimasi operasi dosis kimia, periode reaksi, dll.
Last but not least adalah dukungan data di daerah perancangan. Data ini meliputi data primer yang diperoleh dengan survey lapangan, meninjau calon lokasi IPAM. Berikutnya ialah data sekunder seperti sejarah perkembangan jumlah penduduk dan riwayat kapasitas dan kualitas air baku. Ini semua masih harus dilengkapi dengan studi kepustakaan (textbook, terutama jurnal ilmiah mutakhir) untuk eksplorasi dan pembanding kriteria perancangan. Selebihnya adalah kreativitas desainernya. *
