ITS Undergraduate 14104 Paperpdf

PERENCANAAN MULTIPLE TRAY AERATOR UNTUK
MENURUNKAN KANDUNGAN BESI (Fe) DAN MANGAN (Mn)
PADA AIR BAKU DI PDAM KOTA LUMAJANG
1
1

Tri Rahmawati, 2Sarwoko Mangkoedihardjo

Mahasiswa Jurusan Teknik Lingkungan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
2
Dosen Jurusan Teknik Lingkungan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
e-mail : [email protected]

ABSTRAK
Sumber air baku di PDAM kota Lumajang yang mengambil dari air tanah dalam/sumur bor secara
berflultuatif memiliki kadar besi (Fe) dan mangan (Mn) melebihi standar maksimum yang diperbolehkan
(Fe = 0,3217 mg/l; Mn = 0,3548 mg/l). Adapun standar maksimum Fe dan Mn yang diperbolehkan pada air
minum, yaitu untuk Fe harus kurang dari 0,3 mg/l dan Mn harus kurang dari 0,4 mg/l (Peraturan Menteri
Kesehatan RI No. 492/MENKES/PER/IV/2010). Salah satu alternatif untuk menurunkan kadar Fe dan Mn
dalam air tanah adalah dengan proses aerasi menggunakan Multiple Tray Aerator. Sebelum dilakukan
perencanaan bangunan Multiple Tray Aerator, dilakukan penelitian untuk mengetahui kualitas dan
kuantitas air baku PDAM Kota Lumajang. Sebagai variabel dalam penelitian ini adalah peningkatan pH
dan jumlah tray. Parameter yang digunakan yaitu kandungan Fe, Mn, kekeruhan, pH dan suhu.
Berdasarkan hasil penelitian skala laboratorium dengan menggunakan reaktor, didapatkan efisiensi
removal Fe dan Mn tertinggi dan sesuai untuk diterapkan di PDAM Kota Lumajang adalah variabel tanpa
peningkatan pH; 3 tray. Dengan efisiensi removal Fe sebesar 46,57% dan Mn sebesar 72,49%. Oksigen
total yang harus ditransfer ke air untuk meremoval Fe dan Mn tersebut sebesar 3,059 mg/l. Pada
perencanaan Multiple Tray Aerator di PDAM Kota Lumajang direncanakan berjumlah 5 tray. Dimensi
Multiple Tray Aerator: panjang (L) = 3 m; lebar (B)= 3 m; dan tinggi (H) = 6,05 m (sesuai dengan kriteria
desain). Adapun total rencana anggaran biaya (RAB) sebesar Rp.144.550.000,-.
Kata Kunci: PDAM Kota Lumajang, Fe, Mn, kekeruhan, pH, suhu, Multiple Tray Aerator, BOQ, RAB

1. Pendahuluan
PDAM Kota Lumajang mengambil air baku dari air tanah dalam/sumur bor.
Setelah dari sumur bor, air langsung dipompa ke reservoir dan didistribusikan ke
konsumen tanpa ada pengolahan lebih lanjut. Berdasarkan analisis laboratorium, air baku
tersebut mengandung Fe dan Mn yang berlebih, yakni Fe = 0,3217 mg/l dan Mn = 0,3548
mg/l. Adapun standar maksimum Fe dan Mn yang diperbolehkan pada air minum, yaitu
untuk Fe harus kurang dari 0,3 mg/l dan untuk Mn harus kurang dari 0,4 mg/l (Peraturan
Menteri Kesehatan RI No. 492/MENKES/PER/IV/2010). Guna mengatasi permasalahan
yang ada, perlu dipikirkan upaya pengendalian kualitas air dengan prinsip biaya serendah
mungkin dengan hasil yang optimum. Salah satu alternatif untuk menurunkan kandungan
Fe dan Mn dalam air tanah adalah dengan proses aerasi menggunakan Multiple Tray
Aerator.
Perencanaan ini diharapkan dapat mengetahui keefektifan metode penurunan Fe
dan Mn dengan menggunakan Multiple Tray Aerator dan Mendesain Multiple Tray
Aerator di PDAM Kota Lumajang.
Terdapat metode penurunan besi dan mangan, diantaranya metode oksidasi dengan
cara aerasi (oksigen) (Kawamura, 2000). Aerasi memiliki empat tujuan yaitu untuk
menghilangkan rasa dan bau (yang disebabkan oleh hidrogen sulfida dan komponen
organik) dengan oksidasi atau volatilisasi, mengoksidasi besi dan mangan, transfer
1

oksigen ke dalam air, dan membebaskan volatil gas dari dalam air. Tipe aerator ada empat,
yaitu gravity aerator, spray aerator, diffuser, dan mechanical aerator. Gravity aerator ada
tiga macam yaitu cascade, packing tower, dan tray aerator (Qasim, 2000).
Reaksi oksidasi besi dan mangan dengan oksigen dapat ditulis dengan persamaan:
4Fe(HCO3)2+O2+2H2O

4Fe(OH)3+8CO2...................................................(1.1)

2MnSO4+2Ca(HCO3)2+O2

2MnO2+2CaSO4+2H2O+4CO2.............................(1.2)

Sedangkan reaksi alami biasanya dengan menggunakan oksigen yang dimasukkan
ke dalam air dengan menggunakan alat yang disebut aerator. Dengan adanya oksigen,
maka besi (II) dan mangan akan teroksidasi. Proses yang terjadi dapat dilihat pada
persamaan berikut (Benefield, 1983).
4Fe2+(aq)+O2(g)+10H2O(l)

4Fe(OH)3(s)+8H+(aq)………..................................(1.3)

2MnSO4+2Ca(HCO3)2+O2

2MnO2+2CaSO4+ 2H2O+4CO2………..............(1.4)

Secara stokiometri, (2 x 16) / (4 x 55,8) = 0,14 mg/l oksigen akan mengoksidasi 1 mg/l
besi (II) dan (2 x 16) / (2 x 54,94) = 0,29 mg/l oksigen akan mengoksidasi 1 mg/l
mangan; dan (8 x 1) / (4 x 55,8) = 0.036 mg/L ion hidrogen akan dihasilkan untuk setiap 1
mg/l besi (II) yang teroksidasi. Oksidasi besi dan mangan akan berjalan dengan baik pada
pH 7,5 hingga 9,5 dalam waktu 15 menit. Reaksi oksidasi besi akan menghasilkan
endapan besi (Fe(OH)3). Berdasarkan reaksi oksidasi akan didapatkan bahwa tiap 1 mg/l
Fe2+ menghasilkan 1,9 mg/l endapan besi (AWWA & ASCA, 1990).
Multiple Tray Aerator terdiri dari suatu rangkaian baki yang disusun seperti rak
(tray) dan dilubangi pada bagian dasarnya. Air dialirkan dari puncak berupa air terjun
kecil yang kemudian didistribusikan secara merata pada masing-masing rak (tray) dan
kemudian dikumpulkan pada suatu bak di bagian dasarnya (collecting pons). Pemerataan
distribusi air di atas tray sangat penting untuk memperoleh efisiensi perpindahan gas
secara maksimum. Media kasar seperti arang, batu, atau bola keramik yang ukurannya
berkisar antara 2-6 inch (5-15 cm) adalah sangat penting untuk digunakan, karena dapat
meningkatkan efisiensi pertukaran gas, sebagai efek katalisa dari mangan oksida. Multiple
Tray Aerator harus dilengkapi dengan sistem ventilasi yang cukup. Jika unit ini
ditempatkan dalam suatu bangunan dimana terdapat pencemaran udara, maka efektifitas
dan efisiensi dari unit akan berkurang, karena terjadi kontaminasi dari udara yang masuk
dengan kandungan atau unsur-unsur tertentu yang ingin dihilangkan.
Secara garis besar, desain dan karakteristik operasional aerator dapat digolongkan
menjadi beberapa macam (Qasim, 2000) yaitu berdasarkan tabel 1.1.
Tabel 1.1 Desain dan Karakteristik Operasional Aerator
Aerator

Penyisihan

Spesifikasi

Aerator Gravitasi:
Cascade

20-45% CO2

Tinggi: 1-3 m
Luas: 85-105 m2/m2.det

2

Kecepatan aliran: 0,3 m/det
Packing Tower

Tray

> 95% VOC

Diameter kolom maksimum: 3 m

> 90% CO2

Beban hidrolik: 2000 m3/m2.hari

> 90% CO2

Kecepatan: 0,8-1,5 m3/m2.menit
Kebutuhan udara: 7,5 m3/m3 air
Jarak rak (tray): 30-75 cm
Luas: 50-160 m2/m3.det

Spray Aerator

70-90% CO2

Tinggi: 1,2-9 m

25-40 H2S

Diameter nozzle: 2,5-4 cm
Jarak nozzle: 0,6-3,6 m
Debit nozzle: 5-10 l/det
Luas bak:
105-320 m2/m3.det
Tekanan semprotan: 70 kPa

Aerator Terdifusi

80% VOCs

Waktu detensi: 10-30 menit
Udara: 0,7-1,1 m3/m3 air
Tangki
- Kedalaman: 2,7-4,5 m
- Lebar: 3-9 m
- Lebar/kedalaman < 2
Volume maksimum: 150 m3
Diameter lubang diffuser: 2-5 mm

Aerator Mekanik

50-80% CO2

Waktu detensi: 10-30 menit
Kedalaman tangki: 2-4 m

Sumber: Qasim, 2000
Rumus perhitungan untuk merencanakan Multiple Tray Aerator adalah:
1. Jumlah tray yang dibutuhkan (n)
n = Cs – ((Cs-Cn) x e-Kla x t)…………………….........................................................(1.5)
t=

…………………………………………...................................................(1.6)

Dimana:

3

t

= waktu kontak (detik)

H

= jarak antar tray (meter)

g

= percepatan gravitasi (m/det2)

Cn = konsentrasi oksigen pada tray ke-n (mg/l)
Cs = konsentrasi oksigen jenuh pada suhu T
Kla = koefisien transfer gas (det-1)
(Sumber: AWWA, 1990)
2. Luas lubang total tiap tray
A = Luas x Q……………………………………………...........................................(1.7)
Dimana:

Q

= debit (m3/det)

A

= luas lubang total (m2)

Luas

= 50-160 m2/m3.det

(Sumber: AWWA, 1990)
3. Jumlah lubang tiap tray

Jumlah lubang =

………………………………………..(1.8)


Jumlah lubang pada sisi lebar tray (nB)
…………………………………………………..(1.9)
nB =

Jumlah lubang pada sisi panjang tray (nL)
nL =
………………...................................................(1.10)
(Sumber: AWWA, 1990)
4. Dimensi luas tiap tray

Panjang (Lt) = (nL x d) + ((nL + 1)x y)………......................................................(1.11)

Lebar (Bt) = (nb x d) + ((nb + 1)x y)……………….............................................(1.12)

Luas tray (A) = P x L……………………………………………………………(1.13)
(Sumber: AWWA, 1990)
2. Gambaran Umum Wilayah Studi
Air baku PDAM Kota Lumajang mengambil air tanah dalam/sumur bor. Suplai
sumur bor menggunakan pompa kapasitas 22 liter/detik dengan lama pemompaan 6
jam/hari. Air baku yang berasal dari sumur bor ini langsung dipompa menuju reservoir,
selanjutnya didistribusikan kepada konsumen. Unit-unit bangunan PDAM Kota Lumajang
yaitu:
1. Kantor PDAM Kota Lumajang
Kantor pusat PDAM Kota Lumajang bertempat di Jl. A. Yani No.21, Lumajang. Kantor
yang bertempat di Jl. A. yani ini melayani distribusi air minum untuk wilayah Kota
Lumajang.
4

2. Sumur Bor
Sumur bor ini kedalamannya 120 meter. Suplai sumur bor dalam ke reservoir
menggunakan pompa berkapasitas 22 liter/detik dengan lama pemompaan 6 jam/hari.
3. Reservoir dan Sistem Pemompaan
Reservoir ini terletak di bawah tanah dengan volume 1.500 m3 dan kedalaman 4 m.
Pada tahun 1980-an air dari reservoir ini dikirim langsung ke jaringan distribusi dan ke
menara air di selatan kota (Seruji). Tetapi kondisi saat ini, air tidak dikirim ke menara
air selatan kota (Seruji). Jenis pompa yang digunakan adalah pompa submersible
dengan debit 22 liter/detik, head = 40 m, dan daya motor = 11 kW.
4. Bangunan Desinfeksi
Bangunan desinfeksi ini pada mulanya dibangun dengan tujuan proses desinfeksi
(pemberian kaporit) untuk membunuh mikroba pembawa penyakit yang masih ada pada
air minum. Tetapi karena masyarakat Lumajang banyak yang mengeluhkan terhadap
bau kaporit air minum PDAM Kota Lumajang, maka kebijakan PDAM Kota Lumajang
tidak membubuhkan kaporit pada air minum. Sehingga bangunan untuk desinfeksi ini
sudah lama tidak dipakai. Masyarakat Lumajang biasanya untuk air minum,
mendidihkan air tersebut pada suhu 100oC sehingga air yang dikonsumsi aman untuk
diminum.
3. Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan penelitian skala laboratorium dengan menggunakan parameter
kandungan besi (Fe), mangan (Mn), kekeruhan, pH, dan suhu didapatkan hasil sebagai
berikut.
Pengaruh Variabel Penelitian terhadap Kandungan Besi (Fe)
Pengaruh variabel penelitian terhadap kandungan besi (Fe) dapat dilihat pada gambar 3.1
berikut.

Gambar 3.1 Grafik Kandungan Besi (Fe) dengan Beberapa Variabel Penelitian
Pengaruh Variabel Penelitian terhadap Kandungan Mangan (Mn)
Pengaruh variabel penelitian terhadap kandungan mangan (Mn) dapat dilihat
gambar 3.2 berikut.

5

pada

Gambar 3.2 Grafik Kandungan Mangan (Mn) dengan Beberapa Variabel Penelitian
Pengaruh Variabel Penelitian terhadap Kekeruhan
Pengaruh variabel penelitian terhadap kekeruhan dapat dilihat pada gambar 3.3 berikut.

Gambar 3.3 Grafik Besarnya Kekeruhan dengan Beberapa Variabel Penelitian
Pengaruh Variabel Penelitian terhadap pH
Pengaruh variabel penelitian terhadap pH dapat dilihat pada gambar 3.4 berikut.

6

Gambar 3.4 Grafik Besarnya pH dengan Beberapa Variabel Penelitian
Pengaruh Variabel Penelitian terhadap Suhu
Pengaruh variabel penelitian terhadap suhu dapat dilihat pada gambar 3.5 berikut.

Gambar 3.5 Grafik Besarnya Suhu dengan Beberapa Variabel Penelitian
Reaksi oksidasi besi dan mangan adalah sebagai berikut:
4Fe2+(aq) + O2(g) + 10H2O(l)

4Fe(OH)3(s) + 8H+(aq) …………………………(3.1)

4Mn2+(aq) + O2(g) + 10H2O(l)

4Mn(OH)3(s) + 8H+(aq) …………………………(3.2)

Secara stokiometri, (2 x 16) / (4 x 55,85) = 0,143 mg/l oksigen akan mengoksidasi 1 mg/l
besi (II); (2 x 16) / (4 x 54,94) = 0,146 mg/l oksigen akan mengoksidasi 1 mg/l mangan
(II); dan (8 x 1) / (4 x 55,85) = 0.036 mg/l ion hidrogen akan dihasilkan untuk setiap 1
mg/l besi (II) yang teroksidasi. Berdasarkan reaksi oksidasi akan didapatkan bahwa tiap 1
mg/l Fe2+ menghasilkan (4 x 106,85) / (4 x 55,85) = 1,913 mg/l endapan besi. Berdasarkan
reaksi oksidasi akan didapatkan bahwa tiap 1 mg/l Mn2+ menghasilkan (4 x 105,94) / (4 x
54,94) = 1,928 mg/l endapan mangan.
Kebutuhan oksigen
Oksigen total yang harus ditransfer ke air

7

= oksigen sisa + kebutuhan oksigen untuk penurunan besi (Fe) + Kebutuhan
oksigen untuk penurunan mangan (Mn)
= 3 mg/l + 0,0214 mg/l + 0,0376 mg/l
= 3,059 mg/l
Direncanakan:
Jumlah tray = 5 buah
Luas area (As) = 80 m2/m3.det
Kla = 1,28
Jarak antar tray (X) = 70 cm = 0,7 m
Diameter lubang tray (D) = 1,5 cm = 0,015 m
Jarak antar lubang (x) = 1,5 cm = 0,015 m
Jumlah lubang sisi panjang (nL) = Jumlah sisi lebar (nB)
Freeboard tray (fbt) = 15 cm = 0,15 m
Waktu kontak antar tray = 0,38 detik
Transfer oksigen tiap tray
Tray pertama
C1 = Cs – ((Cs – Co) x e-kla x t)
= 8,38 mg/l–((8,38 mg/l–0 mg/l)x e(-1,29/det x 0,38det))
= 3,247 mg/l
Tray kedua
C2 = Cs – ((Cs – Co) x e-kla x t)
= 8,38 mg/l–((8,38 mg/l–3,247 mg/l)x e(-1,29/det x 0,38det))
= 5,236 mg/l
 Tray ketiga
C3 = Cs – ((Cs – Co) x e-kla x t)
= 8,38 mg/l–((8,38 mg/l–5,236 mg/l)x e(-1,29/det x 0,38det))
= 6,454 mg/l
Tray keempat
C4 = Cs – ((Cs – Co) x e-kla x t)
= 8,38 mg/l–((8,38 mg/l–6,454 mg/l)x e(-1,29/det x 0,38det))
= 7,2 mg/l
Tray kelima
C5 = Cs – ((Cs – Co) x e-kla x t)
= 8,38 mg/l–((8,38 mg/l–7,2 mg/l)x e(-1,29/det x 0,38det))
= 7,657 mg/l

8

Gambar 3.6 Denah Multiple Tray Aerator dan Filter

Gambar 3.7 Potongan A-A Multiple Tray Aerator dan Filter
4.

Kesimpulan dan Saran

9

Kesimpulan
1. Berdasarkan penelitian skala laboratorium, dengan menggunakan beberapa variabel,
didapatkan efisiensi removal Fe dan Mn yang paling tinggi adalah:
Variabel peningkatan pH menjadi 9; 3 tray:
Efisiensi besi (Fe): 51,45%
Efisiensi mangan (Mn): 79,37%
Variabel tanpa peningkatan pH; 3 tray:
Efisiensi besi (Fe): 46,57%
Efisiensi mangan (Mn): 72,49%
2. Direncanakan unit Multiple Tray Aerator di PDAM Kota Lumajang sejumlah 5 tray,
tanpa peningkatan pH untuk meremoval Fe dan Mn. sehingga memenuhi standar baku
mutu air minum Keputusan Menteri Kesehatan RI No. 492/MENKES/PER/IV/2010.
3. Oksigen total yang harus ditransfer ke air untuk meremoval Fe dan Mn tersebut
sebesar 3,059 mg/l.
4. Berdasarkan perhitungan, dimensi Multiple Tray Aerator: panjang (L) = 3 m; lebar
(B) = 3 m; dan tinggi (H) = 6,05 m.
5. Total Rencana Anggaran Biaya (RAB) = Rp.144.550.000,-.
Saran
1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut besarnya efisiensi kekeruhan setelah melalui
Multiple Tray Aerator jika dilakukan peningkatan pH dengan menggunakan cairan
seperti NaOH dan CaOH.
2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut besarnya Dissolve Oxygen (DO) di tiap tray
pada Multiple Tray Aerator.
Daftar Pustaka
Alaerts, G., dan Santika, S.S. 1984. Metoda Penelitian Air. Surabaya: Usaha Nasional.
Al-Laila, M. A. 1978. Water Supply Engineering Design. USA: Ann Arbor Science.
APHA, AWWA, AWEF. 1998. Standard Methods for The Examination of Water and
Wastewater, 20th Edition. Washington.
Arifiani, N.F, dan Hadiwidodo, M. 2007. “Evaluasi Desain Instalasi Pengolahan Air
PDAM Ibu Kota Kecamatan Prambanan Kabupaten Klaten”. Jurnal Presipitasi,
Vol.3.no.2 September 2007, ISSN 1907-187X.
AWWA, ASCE, CSSE. 1997. Water Treatment Plant Design, Third Edition. New
York: McGraw-Hill Book Company.
Benefield, L.D. 1983. Proses Chemistry for Water and Wastewater Treatment. New
York : Prentice Hall Inc.
Droste, R.L. 1997. Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment. USA:
John Wiley and Sons, Inc.
Eckenfelder, W. W. 1991. Principles of Water Quality Management. Florida: Krieger
Publishing Company.
Fair, Geyer, dan Okun D.A. 1971. Water and Wastewater Engineering, Vol. II. USA:
John Wiley and Sons, Inc.
10