Slow Sand Filter

Slow Sand Filter, Filter Pasir Lambat 

Dimuat di Majalah Air Minum edisi 149, Februari 2008.

Renta sudah usianya, setua sejarah peradaban Babylonia, Mesopotamia, Sumeria, atau lebih lama lagi. Dari sudut transenden, sebetulnya pada zaman Nabi Ibrahim pun sudah ada filter pasir yang terjadi secara mukjizat-alamiah (dan sekarang bisa dikaji secara ilmiah, sainstifik), yaitu ketika Siti Hajar memperoleh air untuk bayinya: Ismail dari “filter di gurun pasir” antara bukit Shafa dan Marwah yang lantas dinamai mata air Zamzam. Sebuah georiset menyatakan bahwa filtrat Zamzam berasal dari air laut di seputar jazirah Arabia sehingga kandungan garamnya relatif tinggi. Betul atau salah, wallahu ‘alam. 

Terlepas dari substansi alinea di atas, menurut catatan yang penulis himpun dari sejumlah buku ajar (textbook), awal penggunaan slow sand filter atau filter pasir lambat (Fipal) di Amerika Serikat ialah tahun 1872. Adapun Inggris dianggap negara pertama yang membuat filter pasir pada 1829 untuk mengolah air sungai dengan cara infiltration gallery. Bisa dikatakan, inilah filter tertua yang dikembangkan manusia dan melibatkan embrio rumus hidrolika. Meskipun tua, prinsip tua-tua keladi makin tua makin menjadi ternyata dianut juga oleh Fipal. Malah Surface Water Treatment Rule rilisan US Environmental Protection Agency merekomendasikan Fipal ini untuk menghindari protozoa Giardia lamblia yang subur berbiak di air sungai dan danau.

Berkaitan dengan protozoa, ada kisah begini. Kota San Paulo (bukan Sao Paulo) heboh, 300.000 orang penduduknya cemas. Air ledeng dari Danau Chavez tercemar sehingga ribuan orang jatuh sakit dan ratusan meninggal. Semua penderitanya merasa sangat haus setelah minum air “PDAM” itu. Tak hanya dokter dan aparat keamanan yang sibuk, praktisi dan pakar sanitasi pun bekerja keras. Berbagai upaya dicoba dan akhirnya diduga penyebabnya adalah PAC (polyaluminum chloride) dan alum sulfat (tawas). Namun keliru dugaan itu. Bukan zat kimia tersebut penyebabnya tetapi sesuatu yang lain. Apakah sesuatu itu? 

Setelah lama diteliti dan dianalisis di laboratorium, diperoleh data bahwa sesuatu itu adalah zat bio alias biomassa jenis Cryptosporidium. Mikroba dari grup protozoa ini mampu membentuk spora di usus halus manusia sehingga menghalangi absorpsi air oleh usus. Mikroba ini pun tak mempan diklorinasi dan tahan di air mendidih lebih dari sepuluh menit. Tak hanya Cryptosporidium yang berbahaya, protozoa jenis Giardia lamblia pun tak kalah bahayanya. Beruntunglah penduduk kota itu karena biomassa tadi akhirnya bisa dibasmi dengan ozon. Mahal, memang, tetapi demi kesehatan maka cara ozonasi tetap ditempuh. Adakah cara yang murah dan dapat dilaksanakan bersamaan dengan pengolahan air? Ada! Selain ozon, unit Fipal ternyata menjadi salah satu solusi untuk mengolah air permukaan dan mampu menyisihkan bakteri, kekeruhan, Giardia, dan Cryptosporidium.

Patut pula diakui, kinerja Fipal untuk menyisihkan kekeruhan memang tak terlalu bagus. Unit ini hanya mampu menangani air yang rendah kekeruhannya atau temporer dengan konsentrasi kurang dari 50 NTU (nephelometric turbidity unit), bisa juga air baku yang mengandung algae. Air seperti ini dapat berasal dari mata air berakifer bebas dan dari air yang daerah tangsap (tangkap-resap) atau catchment area-nya masih bagus sehingga ketika hujan tak banyak suspended solid dan koloid yang hanyut atau rendah tingkat erosinya. Biasanya mata air dan sungai seperti ini berada di pegunungan yang relatif kurang dijamah manusia dan tidak banyak permukiman di sekitarnya. Andaikata ada indikasi pertumbuhan permukiman kian cepat dan meluas di daerah tangsap, maka pemerintah daerah dan DPRD (atas masukan dari PDAM) wajib memberlakukan kawasan konservasi di daerah itu dan segera mereboisasinya. Ini demi kelanggengan pasokan air untuk masyarakat di daerah tersebut. 

Mekanisme Filtrasi

Seperti umumnya filter pasir, air umpannya masuk dan menyusup di antara butir-butir pasir berukuran tertentu, biasanya kurang dari 0,35 mm. Air ini melewati lapisan porus yang disebut parasitas (perviousness). Teoretisnya, luas permukaan butiran media filter ini sangat besar. Tipikal parasitas satu meter kubik volume filter pasir dianggap 0,40 dengan nominal diameter 0,50 mm. Apabila diasumsikan semua pasirnya berbentuk bola maka jumlah pasir per m3 ialah 9,17 x 10⁹ dan luas permukaan pasirnya 7,2 x 10³ m2/m3. Hanya saja, luas permukaan efektifnya kurang dari nilai di atas karena pasirnya saling bersentuhan sehingga saling menutupi. Asumsi luas efektif yang biasa diambil adalah 1% dari luas tersebut.

Secara hidrolis, air umpan biasanya masuk dari atas filter (downflow) menerobos ruang antarbutir lalu dikumpulkan di bawah filter yang disebut sistem underdrain (kolektor). Laju filtrasinya sangat rendah seperti tampak pada tabel 1. Laju yang nilainya variatif ini bergantung pada gradasi media filter dan kualitas air bakunya. Ada juga Fipal yang didesain beraliran ke atas (upflow) tetapi dalam modus ini relatif sulit untuk menumbuhkan dan mempertahankan material biologis schmutzdecke di permukaan pasir. Padahal ciri khas Fipal adalah mekanisme biofisika dalam menyisihkan kekeruhan, bakteri, dan protozoa, termasuk reduksi besi dan mangan yang dapat terjadi dengan mekanisme biokimia dan biofisika. Dengan kata lain, mekanisme biofisikokimia dapat terjadi di unit Fipal konvensional. 

Umumnya Fipal (juga Fipat) terdiri atas tangki, lapisan pasir, kerikil (gravel) sebagai penopang pasir, sistem underdrain untuk mengoleksi filtrat, dan pengatur aliran atau laju filtrasi. Salah satu keunggulan Fipal dibandingkan dengan Fipat ialah tak perlu zat kimia (koagulan) dalam pengolahannya. Klorinasi pun hakikatnya tak diperlukan lagi. Walau demikian, agar ada upaya preventif maka Fipal biasanya dilengkapi dengan unit klorinasi. Itu sebabnya, unit ini termasuk murah biaya operasi-rawatnya, tidak ada kebutuhan energi untuk pompa dan kompresor sebagai mekanisme pencucian filter (scouring dan backwashing). Timbulan lumpurnya juga sedikit sehingga operatornya bisa sersan, serius yang “santai”. Bisa dikatakan, Fipal hanya butuh karyawan lokal dengan keterampilan minimal atau berpendidikan SMA, SMK (STM).

Selain pasir, karbon aktif butir pun (granular activated carbon) dapat dijadikan media sebagai penambah kemampuan Fipal untuk menyerap zat organik sehingga mayoritas pestisida, organik karbon, prekursor THM (trihalometan) dapat disisihkan. Media ganda ini mempertinggi kualitas air olahan. Kualitas airnya akan lebih baik lagi apabila lapisan biologi di permukaan pasir dapat berkembang optimal. Hanya saja, menurut catatan di sejumlah negara empat musim (terutama Kanada), aktivitas biolapis ini menjadi kurang aktif kalau temperatur airnya rendah. Ini terjadi lantaran mikrobanya kurang aktif dan aktivitasnya menurun pada temperatur dingin. Tapi untunglah kita tinggal di daerah tropis sehingga semua PDAM tidak memiliki kendala dalam hal kesesuaian temperatur air dengan kondisi optimum pertumbuhan bakteri dan mikroba lainnya.

Sebelum dioperasikan atau pada tahap awal operasinya, Fipal butuh beberapa minggu sampai pertumbuhan mikroba di biolapisnya dalam kondisi stabil. Di biolapis inilah banyak disisihkan koloid, SS, protozoa, dan bakteri, termasuk besi dan mangan. Setelah beberapa bulan beroperasi, headloss-nya mulai meningkat karena lapisan atasnya mulai kotor sehingga harus dibersihkan dengan cara disekop (scraped off). Yang disekop atau dibuang hanya lapisan atasnya sehingga biolapisnya masih ada yang tersisa dan ini akan cepat dapat memulihkan kinerjanya. Siklus ini terus berulang sampai pada kedalaman minimum media yang diizinkan. Semua media sekopan tadi lantas dicuci di bak cuci pasir (sand washing place) dan setelah bersih dikembalikan lagi ke unit Fipal.

Mekanisme cuci pasir itu pun menjadi salah satu pembedanya dengan Fipat. Telah disebut di atas, penyisihan SS, koloid, protozoa, dan bakteri hanya terjadi di lapisan atas Fipal sedangkan di Fipat dapat terjadi di sebagian besar lapisan medianya. Karena laju filtrasinya lebih besar pada Fipat maka lebih besar pula headloss-nya dan makin dalam pula penetrasi koloid dan SS-nya. Pada taraf tertentu dari penetrasinya, media Fipat perlu dibersihkan dengan aliran ke atas. Pada cuci-balik ini media filter diekspansi atau diangkat dengan mekanisme scouring oleh gaya hidrolis dan abrasive scouring oleh gaya gesek antarpartikel. 

Konstruksi Fipal

Biasanya Fipal terdiri atas tangki, lapisan air, media filter, sistem drainase, dan kontrol aliran seperti tampak pada gambar terlampir. Tangki berukuran kecil bisa dibuat dari bahan plastik, fibreglass dan yang besar biasanya berbahan beton. Jumlah tangkinya minimal dua buah agar yang satu dapat dibersihkan sementara satunya lagi tetap beroperasi. Jumlah total unit yang dibangun sangat bergantung pada besar-kecilnya debit air yang diolah. Yang juga penting adalah tinggi taraf muka air di atas media filter. Beda tinggi ini memberikan head untuk proses filtrasi melewati pasir. Kedalamannya bervariasi, antara 0,5 - 1,5 m atau 1 – 1,5 m.

Adapun medianya berupa pasir dengan ukuran efektif (effective size, ES) dan koefisien keseragaman (uniformity coefficient, UC) seperti ditulis di tabel 1. Tebal medianya antara 1 - 1.5 m atau 0,6 – 1,2 m. 

Data lain menyatakan, sebaiknya tebal minimumnya 0,8 m. Media pasir ini tidak boleh sembarangan tetapi memiliki karakteristik tertentu, yaitu diameternya antara 0,15 – 0,35 mm, ES = 0,25 mm dengan UC kurang dari 2 atau 3. Pasir ini pun harus dicuci sampai bersih, tidak mengandung tanah, lempung, dan zat organik. Partikel yang sangat kecil (halus) akan mempercepat penyumbatan sehingga frekuensi pembersihannya menjadi sering. Pasir yang tidak seragam dapat mereduksi parasitas antarpasir sehingga memperlambat aliran air. Pemasok (supplier) atau vendor pasir harus menuruti karakteristik pasir yang didesain oleh perancang (konsultan) agar kinerja Fipal sesuai dengan harapan. 

Setelah melewati lapisan pasir tersebut, air akan mengalir di lapisan kerikil (gravel) yang fungsinya sebagai penopang dan pencegah pasir agar tidak hanyut ke bagian outlet filter. Menurut kebiasaan desain di Eropa, spesifikasi kerikilnya terdiri atas tiga lapis, yaitu 2 - 8 mm, 8 - 16 mm, dan 16 - 32 mm. Tentu saja diameter lainnya bisa saja diterapkan, bergantung pada keputusan desainer dengan pertimbangan tertentu. Di bawah kerikil ini lantas dipasang sistem drainase (underdrain) atau kolektor air dengan pola jaringan pipa. Yang terakhir ialah kontrol aliran air. Pada filter besar, flowmeter (misalnya venturi meter) dipasang untuk memonitor aliran air. Aliran ini biasanya dinyatakan dalam liter per jam per m2. Debit akan berkurang seiring dengan penumpukan material di biolapis atau permukaan pasir. Untuk memonitor headloss-nya bisa dipasang piezometer. 

Pada gambar terlampir, unit Fipal diikuti oleh reservoir. Inilah konfigurasi umumnya, yaitu Fipal tanpa praolah (pretreatment). Namun pada kasus tertentu, misalnya pada air yang kekeruhannya lebih dari 50 NTU, maka sebaiknya diawali dengan Roughing Filter (MAM edisi 132, September 2006) untuk mereduksi beban yang diterima Fipal.*

Tabel 1. Karakteristik umum Fipal dan Fipat.

Karakter	Fipal	Fipat
Laju filtrasi	1 - 4 - 8 m3/m2/hari	100 - 475 m3/m2/hari
Tebal media	0,3 m koral; 1 - 1,5 m pasir	0,5 m koral; 0,75 m pasir
Ukuran pasir	ES 0,15 - 0,3 - 0,35 mm UC 2 - 2,5 - 3 (unstratified)	ES ³ 0,45 mm UC £ 1,5 (stratified)
Waktu operasi	20 - 30 - 120 hari	12 - 24 - 72 jam
Penetrasi kekeruhan	Hanya di permukaan pasir.	Lebih dalam (semua media harus dicuci dengan backwashing)
Pengolahan awal	Roughing filter, Prased, Aerasi	Perlu Koagulasi, Flokulasi dan Sedimentasi
Cara pembersihan	1).Scraping off lapisan pasir teratas lalu pasirnya dicuci sebelum dikembalikan lagi ke filter. 2).Mencuci permukaan pasir dengan washer travelling on site.	Scouring dengan alat mekanis, udara atau air. Kotoran dibuang dengan cara upward backwash flow.
Biaya konstruksi Biaya operasi Biaya depresiasi	Relatif mahal Relatif murah Relatif rendah	lebih murah lebih mahal lebih tinggi
Persentase air pencuci	0,2 - 0,6 % air produksi	1 - 6 % air produksi

Sumber: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, Droste, 1997. Yang bergaris bawah adalah nilai reratanya.