Pengolahan Tersier Air Limbah (Dengan Diagram)



Baca artikel ini untuk mempelajari tentang pengolahan tersier air limbah. Metode pengolahan tersier adalah: 1. Filtrasi 2. Pengupasan Udara/Uap 3. Proses Biologis 4. Adsorpsi 5. Proses Pemisahan Membran 6. Proses Pertukaran Ion 7. Pengendapan 8. Oksidasi dan Reduksi dan 9. Desinfeksi.

Setelah pengolahan primer dan sekunder yang tepat, air limbah mungkin masih mengandung beberapa atau masing-masing polutan berikut:

Partikel tersuspensi,

Organik terlarut, seperti biodegradable yang tidak bereaksi, biodegradable bandel,

Organik yang tidak dapat terurai secara hayati,

Bahan berbau dan pewarna,

anorganik terlarut, dan

Mikroorganisme termasuk patogen.

Metode pengolahan yang digunakan untuk pengurangan polutan tersebut di atas disebut sebagai Metode Pengolahan Tersier. Metode ini dan keefektifannya tercantum dalam Tabel 9.13

Pemilihan skema pengolahan, yaitu metode pengolahan yang akan digunakan dan urutannya akan tergantung pada polutan yang ada dalam aliran air limbah, konsentrasinya dan apakah limbah yang diolah akan digunakan kembali atau dibuang.

Berbagai metode perlakuan yang tercantum dalam Tabel 9.13 dijelaskan secara singkat di bawah ini.

Penyaringan:

Seringkali perlu menggunakan operasi filtrasi sebagai bagian dari skema pengolahan tersier untuk menghilangkan partikel tersuspensi yang sangat halus dari aliran air limbah. Sebagai bagian dari pengolahan primer dan setelah pengolahan sekunder, sebagian besar partikel tersuspensi dihilangkan dengan sedimentasi. Demikian pula setelah proses presipitasi, endapan dihilangkan dengan sedimentasi.

Operasi sedimentasi mampu menghilangkan partikel padat halus, namun partikel yang sangat halus mungkin masih tersuspensi. Partikel tersebut perlu dihilangkan dari aliran air limbah jika partikel yang sama akan diolah lebih lanjut dengan proses, seperti adsorpsi, pertukaran ion, pemisahan membran, desinfeksi, dll. Partikel tersuspensi halus mengganggu kinerja proses yang disebutkan di atas. Untuk menghilangkan partikel tersuspensi setelah sedimentasi, umumnya aliran dikenai filtrasi.

Peralatan yang dapat digunakan untuk menghilangkan partikel padat tersuspensi halus dan sangat halus melalui filtrasi adalah filter media butiran, saringan mikro, filter drum putar, filter disk dan filter membran. Dari jumlah tersebut filter media granular adalah yang termurah. Kriteria pemilihan jenis filter dalam situasi tertentu adalah konsentrasi dan ukuran partikel tersuspensi, laju aliran aliran dan tingkat penghilangan yang diinginkan.

Pengupasan Udara/Uap:

Operasi pengupasan juga disebut sebagai desorpsi. Dalam operasi ini zat terlarut terlarut, seperti gas dan cairan yang mudah menguap dipindahkan dari fase cair ke fase gas/uap. Zat terlarut yang ditransfer memerlukan perlakuan lebih lanjut untuk pemulihan dan/atau pembuangannya.

Pengupasan uap air limbah dapat digunakan jika konsentrasi zat terlarut (polutan) relatif tinggi. Kriteria lain untuk pemilihan operasi pengupasan uap adalah bahwa polutan yang ada harus sangat mudah menguap, yaitu, harus memiliki titik didih yang rendah.

Dalam proses ini uap hidup bersentuhan dengan air limbah sehingga suhu air akan meningkat dan polutan akan menguap. Campuran uap zat terlarut dan uap dihasilkan yang terkondensasi.

Kondensat harus diolah lebih lanjut baik untuk pemulihan zat terlarut (jika berharga) atau untuk penghancurannya. Kolom yang dikemas dapat digunakan untuk operasi ini, di bagian atasnya dimasukkan air limbah yang mengandung polutan. Uap dimasukkan di dasar kolom semacam itu. Proses ini akan layak jika zat terlarut yang dipulihkan berharga.

Jika konsentrasi polutan rendah dan tidak memiliki nilai pasar, maka udara dapat digunakan untuk pengupasan, bukan uap. Pengupasan udara dapat diterapkan untuk menghilangkan polutan, seperti amonia terlarut dan/atau senyawa organik yang mudah menguap. Peralatan yang digunakan untuk pengupasan udara adalah kolom yang dikemas yang beroperasi berlawanan arah.

Aliran udara yang meninggalkan kolom di atasnya akan mengandung polutan dan karenanya tidak dapat dibuang ke atmosfer begitu saja. Aliran harus diolah dengan salah satu atau kombinasi dari proses berikut: pendinginan (kondensasi), scrubbing, oksidasi termal/katalitik, adsorpsi karbon. Harus ditunjukkan di sini bahwa jika aliran air limbah yang mengandung garam amonium akan disingkirkan dari udara; itu harus diolah dengan kapur terlebih dahulu untuk menghasilkan amonia bebas.

Pendekatan Desain:

Dalam sebagian besar kasus operasi pengupasan udara, konsentrasi polutan dalam air limbah akan rendah, sehingga air limbah dapat dianggap sebagai larutan encer.

Untuk larutan seperti itu, hubungan kesetimbangan (antara fase gas dan fase cair yang seimbang) diatur oleh hukum Henry, yang dapat dinyatakan sebagai:

y e = mx e ……………… (9.91)

di mana m = konstanta kesetimbangan,

x e = konsentrasi zat terlarut fase cair pada kesetimbangan, dinyatakan dalam satuan fraksi mol, dan

y e = konsentrasi zat terlarut fase gas pada kesetimbangan, dinyatakan dalam satuan fraksi mol.

Nilai numerik konstanta kesetimbangan m tergantung pada sistem gas-larut-cair, suhu dan tekanannya. Ini tidak tergantung pada konsentrasi zat terlarut fase cair pada konsentrasi rendah.

Sangat sering berat molekul/berat molekul rata-rata dari polutan yang ada dalam air limbah tidak diketahui, oleh karena itu hubungan kesetimbangan harus dimodifikasi sebagai

y’ = m’x’ ……………… (9.92)

di mana x’ dan y’ masing-masing adalah konsentrasi polutan dalam fase cair dan fase gas dan dinyatakan dalam ppm, yaitu, satuan mg/L.

Ketinggian yang dikemas Z O dari kolom semacam itu dapat diperkirakan menggunakan Persamaan. (9.93).

Dimana a = luas permukaan kemasan per satuan volume yang dikemas (nilai numeriknya tergantung pada jenis dan ukuran kemasan yang akan digunakan)

A = L/m ‘G,

G = laju udara dalam m 3 /jam.m 2

K L = koefisien perpindahan massa fasa cair dalam satuan yang sesuai,

L – laju cairan dalam m-Vhr.m 2

m’ = konstanta kesetimbangan, Persamaan. (9.92),

x’ = konsentrasi pencemar fasa cair dalam satuan ppm.

Ketinggian yang dikemas Z 0 , dan luas penampang menara dapat dihitung melalui langkah-langkah berikut:

  1. Jenis kemasan yang cocok dan ukurannya dipilih.
  2. Laju aliran udara minimum diperkirakan dengan menggunakan hubungan:

G min = Q/m’ dalam m3 / jam

= laju udara total minimum dalam m 3 /jam yang akan menghasilkan Y½ dalam kesetimbangan dengan X ½

Q = total laju aliran air limbah dalam m 3 /jam.

  1. Laju aliran udara aktual G aktual /diasumsikan sedemikian rupa sehingga Gactual > Gmin

Perlu dicatat di sini bahwa nilai G aktual yang lebih tinggi akan berarti luas penampang kolom yang lebih besar dan tinggi pengepakan yang lebih pendek.

  1. Berdasarkan asumsi rasio G aktual < L/G dihitung dengan menggunakan relasi

Q/G sebenarnya = L/G

  1. Dengan menggunakan nilai rasio L/G yang dihitung dan informasi yang tersedia tentang karakteristik penggenangan kemasan yang dipilih (dalam Buku Transfer Massa standar), nilai numerik G yang sesuai diperkirakan.
  2. Berdasarkan nilai rasio L/G yang dihitung dan nilai perkiraan G, nilai numerik L dihitung.
  3. Luas penampang menara A c dievaluasi sebagai, A c = Q/L
  4. Akhirnya tinggi kolom yang dikemas Z Q diperkirakan dengan bantuan Persamaan. (9.93).

Perlu ditunjukkan di sini bahwa prosedur desain yang diuraikan di atas didasarkan pada dua faktor yang dipilih secara acak seperti yang tercantum di bawah ini:

  1. Jenis pengepakan dan ukurannya,
  2. Nilai asumsi G aktual-

Oleh karena itu diinginkan untuk mengoptimalkan ukuran kolom (luas penampang dan tinggi kemasan) dengan meminimalkan total biaya, yaitu jumlah dari biaya awal dan biaya operasi (biaya pemompaan).

Proses Biologis:

Setelah pengolahan sekunder, bahan organik yang masih tertinggal di aliran air limbah mungkin sebagian besar bersifat biodegradable dan non-biodegradable. Selain itu beberapa senyawa nitrogen dan fosfor organik juga dapat hadir. Ini dapat dihilangkan dengan perawatan biologis. Senyawa ini sering disebut sebagai nutrisi tanaman karena mendorong pertumbuhan tanaman air ketika aliran air limbah yang mengandung senyawa ini dibuang ke badan air.

Senyawa nitrogen dan fosfor yang ada dalam air limbah juga dapat dikurangi dengan metode selain metode biologis.

Perlakuan Biologis Senyawa Nitrogen:

Senyawa nitrogen anorganik dan organik yang ada dalam air limbah dapat dikurangi dengan metode biologis. Proses pengolahan dilakukan dalam dua tahap berturut-turut, yaitu tahap aerobik dan tahap anaerobik. Langkah-langkah ini dapat dilakukan selama perawatan sekunder itu sendiri. Perlu disebutkan di sini bahwa untuk pengolahan senyawa nitrogen secara aerobik dan anaerobik diperlukan organisme tertentu dan langkah-langkahnya harus dilakukan dalam reaktor terpisah.

Proses Nitrifikasi:

Selama pengolahan air limbah secara aerobik, pertama-tama senyawa karbon dan nitrogen yang kompleks dihidrolisis menjadi molekul yang lebih sederhana, yang selanjutnya dioksidasi. Senyawa nitrogen yang awalnya terdapat dalam air limbah dan yang ditambahkan, jika ada, selama pengolahan sekunder sebagai suplemen sebagian digunakan untuk sintesis sel baru dan bagian sisanya diubah menjadi senyawa amonium.

Senyawa ini kemudian teroksidasi menjadi nitrit (NO 2 ) dan nitrat (NO 3 ) dengan adanya beberapa organisme tertentu (bakteri Nitrosomonas dan Nitrobacter). Bakteri ini bersifat autotrof. Reaksi disebut sebagai reaksi nitrifikasi dan mereka lebih lambat dari reaksi oksidasi karbon. Selama nitrifikasi tidak hanya reaksi oksidasi (penghasil energi) yang terjadi, tetapi sel mikroba baru juga disintesis. Reaksi dapat diringkas sebagai di bawah.

Reaksi Oksidasi:

Harus ditunjukkan di sini bahwa proses nitrifikasi tidak mengubah senyawa nitrogen menjadi beberapa zat yang tidak berbahaya tetapi mengoksidasi sebagian darinya menjadi nitrit dan nitrat. Bagian lainnya berasimilasi menjadi biomassa.

Proses nitrifikasi sensitif terhadap perubahan pH dan konsentrasi DO. Itu dihambat oleh berbagai senyawa organik dan anorganik. Dengan tidak adanya inhibitor dan pada konsentrasi DO yang lebih tinggi dari 1 mg/L, oksidasi biokimia senyawa karbon dan nitrogen terjadi secara bersamaan. Ini disebut sebagai proses satu tahap. Ketika inhibitor organik hadir, senyawa karbon dioksidasi pada awalnya dan kemudian nitrifikasi dilakukan dalam reaktor kedua.

Proses nitrifikasi dapat dilakukan baik dalam reaktor organisme tersuspensi, seperti unit lumpur aktif atau dalam reaktor film tetap, seperti filter tetesan atau kontaktor biologis berputar. Unit nitrifikasi dapat dirancang dengan cara yang sama seperti unit aerobik menggunakan parameter kinetik nitrifikasi. Nilai numerik dari parameter ini dapat diestimasi secara eksperimental dalam situasi tertentu atau diperoleh dari literatur yang diterbitkan.

Data laju nitrifikasi telah dikorelasikan menggunakan pendekatan Monod seperti yang diberikan di bawah ini:

di mana r s = laju penghilangan substrat amonia-nitrogen,

[X] = konsentrasi sel mikroba,

[S] = konsentrasi substrat,

dan y = hasil biomassa.

Tingkat penghapusan substrat telah ditemukan tergantung pada suhu, pH dan konsentrasi DO.

Kisaran khas parameter desain dan kinerja untuk unit nitrifikasi tipe lumpur aktif adalah:

 

Proses Denitrifikasi:

Reduksi biologis nitrit dan nitrat dalam air limbah disebut sebagai denitrifikasi. Selama proses ini nitrit dan nitrat sebagian besar akhirnya direduksi menjadi molekul nitrogen dan sebagian dimasukkan ke dalam biomassa yang disintesis. Umumnya, metanol (CH 3 OH) ditambahkan sebagai suplemen (karbon) ketika senyawa karbon organik yang cukup tidak terdapat dalam influen.

Proses ini harus dilakukan tanpa adanya oksigen molekuler (hadir sebagai DO). Dalam pengertian ini prosesnya bersifat anaerobik. Namun, jalurnya adalah beberapa modifikasi dari jalur aerobik, oleh karena itu prosesnya kadang-kadang disebut sebagai proses anoksik atau proses respirasi anaerobik.

Bakteri yang berperan dalam proses ini bersifat fakultatif. Berbagai spesies, seperti Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Micrococus, Proleus, Pseudomonas, dll sering ditemukan hidup berdampingan dalam unit denitrifikasi.

Telah disebutkan bahwa selama de-nitrifikasi sebagian dari nitrogen nitrit-nitrat dimasukkan ke dalam biomassa yang disintesis dan bagian sisanya mengambil bagian dalam proses respirasi anaerobik. Akibatnya, senyawa karbon yang ada dalam air limbah teroksidasi dan nitrit-nitrat direduksi menjadi molekul nitrogen dan/atau beberapa oksida nitrogen melalui berbagai tahap. Prosesnya dapat direpresentasikan sebagai

Perlu dicatat di sini bahwa sebagian besar nitrat dan nitrit mengalami reaksi reduksi. Reaksi denitrifikasi menjadi reaksi reduksi-oksidasi, untuk pengurangan lengkap nitrit dan nitrat setidaknya jumlah stoikiometri dari beberapa zat yang dapat teroksidasi (bahan organik) harus ada. Jika bahan organik yang dapat teroksidasi dalam jumlah yang cukup tidak ada dalam influen, maka metanol ditambahkan sebagai suplemen. Ketika bahan organik yang awalnya ada atau ditambahkan lebih dari jumlah stoikiometri, jumlah berlebih akan terurai secara aerobik setelah langkah denitrifikasi.

Dari pembahasan sebelumnya terlihat bahwa laju proses denitrifikasi akan bergantung pada konsentrasi nitrit-nitrat nitrogen [N] dan substrat organik [S].

Persamaan tipe Monod untuk proses ini dinyatakan sebagai:

Telah dilakukan upaya untuk mengevaluasi parameter kinetika reaksi dinitrifikasi, yaitu µm , AW dan K s secara eksperimental. Persamaan desain telah dikembangkan untuk reaktor tipe pertumbuhan tersuspensi (CSTR) berdasarkan parameter kinetik yang disebutkan di atas. Persamaan desain untuk reaktor tipe pertumbuhan terlampir (packed bed) juga telah dikembangkan. Beberapa persamaan ini tercantum dalam Tabel 9.14. Tak perlu dikatakan bahwa parameter kinetik dari proses denitrifikasi harus dievaluasi secara eksperimental karena spesifik substrat.

  1. Reaktor Jenis Pertumbuhan yang Ditangguhkan (CSTR dengan daur ulang)

Ï´ C dihitung menggunakan Persamaan. (9.59) berdasarkan beban rata-rata harus dikalikan dengan faktor keamanan untuk mendapatkan 8 C aktual . Tujuan dari faktor keamanan adalah untuk menjaga beban puncak/beban transien dan umumnya diambil sebagai 2 sampai 2,5.

  1. Atase Reaktor Tipe Pertumbuhan (Packed Bed).

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses denitrifikasi adalah pH, suhu dan konsentrasi oksigen terlarut (DO). PH harus berkisar antara 6,0 dan 8,0. Laju denitrifikasi menurun di bawah pH dan di atas 8,0. PH sekitar 7 lebih disukai. Namun, pH awal (influen) lebih rendah dari 7 tidak menimbulkan masalah karena alkalinitas dihasilkan selama proses. Jika air limbah cenderung lebih basa selama pengolahan, pH-nya harus diatur agar tidak melebihi 8,0.

Tingkat denitrifikasi meningkat dengan peningkatan suhu. Beberapa peneliti telah mengamati bahwa tingkatnya turun sekitar 20 °C. Proses ini bersifat anaerobik sehingga kecepatannya menjadi nol di atas konsentrasi DO 1 mg/L

Pemilihan Peralatan :

Denitrifikasi dapat dilakukan baik dalam reaktor tipe pertumbuhan tersuspensi (CSTR) atau dalam reaktor tipe pertumbuhan terpasang. Karena oksigen terlarut menghambat proses, seharusnya tidak ada masuknya udara. Gas yang dihasilkan selama proses, terutama N 2 , dan CO 2 harus dibuang. Parameter desain dan kinerja reaktor tipe yang disebutkan di atas tercantum dalam Tabel 9.14 Tabel.

Pengurutan Proses:

Proses penyisihan nitrogen biologis diklasifikasikan menjadi dua kelompok, yaitu ‘single stage’ atau ‘single sludge’ dan ‘two-stage’ atau ‘two-sludge’. Proses ‘satu tahap’ menyiratkan langkah-langkah nitrifikasi dan de-nitrifikasi dilakukan secara berurutan tanpa ada pengklasifikasi/pemukim lumpur di antaranya. Beberapa variasi berbeda dari jenis urutan perawatan ini sedang populer. Contoh ‘proses satu tahap’ adalah Proses Bardenpho, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 9.39.

 

Keuntungan dari ‘proses satu tahap’ adalah tidak ada sumber karbon tambahan (donor elektron) yang akan ditambahkan. Senyawa karbon yang awalnya ada dalam air limbah bertindak sebagai sumber karbon dalam unit (1) dan biomassa (sel) yang dihasilkan selama langkah aerobik (2) bertindak sebagai sumber karbon dalam unit (3) Dalam ‘dua tahap proses’ unit pertama adalah unit aerobik (nitrifikasi). Ini diikuti oleh clarifier / pemukim. Unit selanjutnya adalah unit anaerobik (denitrifikasi). Ini diikuti oleh clarifier/settler lainnya.

Dalam pengaturan seperti itu mungkin perlu menambahkan metanol sebagai sumber karbon (donor elektron) ke unit anaerobik. Jika metanol yang ditambahkan lebih dari jumlah stoikiometri yang diperlukan untuk denitrifikasi, maka unit aerobik tambahan harus disediakan di antara unit anaerobik dan penjernih akhir untuk mengurangi kadar BOD dalam limbah akhir.

  1. Unit Nitrifikasi Aerobik,
  2. Clarifier untuk Pemisahan Lumpur Aerobik,
  3. Unit Denitrifikasi Anaerobik,
  4. Unit Aerobik untuk Menghilangkan Sisa Metanol Berlebih, jika diperlukan,
  5. Clarifier untuk Pembuangan Lumpur Akhir.

Perlu disebutkan di sini bahwa penambahan metanol secara berlebihan (melebihi jumlah stoikiometri) sangat membantu untuk denitrifikasi lengkap dan untuk mencapai laju denitrifikasi yang lebih tinggi. Harus ditunjukkan bahwa ketika metanol ditambahkan dalam jumlah besar (katakanlah, sekitar 3500 mg/L) ia bertindak sebagai penghambat denitrifikasi. Namun, jarang perlu menambahkan metanol dalam jumlah besar.

Penghapusan Fosfor Biologis:

Senyawa fosfor yang ada dalam air limbah dapat dihilangkan baik secara kimiawi maupun biologis. Perlakuan kimia berarti pengendapan fosfor sebagai aluminium fosfat/besi fosfat/kalsium fosfat.

Perawatan biologis menghasilkan penggabungan fosfor ke dalam sel-sel yang mengumpulkan fosfor. Keuntungan dari proses biologis dibandingkan proses kimia adalah pengurangan biaya kimia dan produksi dan pembuangan lumpur yang lebih sedikit. Terkadang kombinasi dari kedua proses digunakan.

Proses biologis dilakukan dalam dua tahap. Pada tahap pertama, influen diperlakukan secara anaerob (τ ≈ 0,5 hingga 1,0 jam) dengan organisme pengumpul fosfor. Selama tahap ini, organisme ini memproduksi dan menyimpan polihidroksi butirat (PHB) di dalam sel yang mengasimilasi asetat dan memanfaatkan energi dari transformasi ATP (adenosine triphosphate) menjadi ADP (adenosine di-phosphate).

Akibatnya, ortofosfat dilepaskan. Selama tahap aerobik berikutnya (SRT ≈ 2 hingga 4 hari) energi yang dihasilkan dari oksidasi PHB memungkinkan sel untuk mengambil ortofosfat dari air limbah dan mengubahnya serta menyimpannya sebagai polifosfat. Sel-sel baru yang diproduksi selama tahap aerobik juga mengambil fosfor dan menyimpannya sebagai polifosfat.

Gambar 9.41 menunjukkan proses dasar secara skematis.

Beberapa Proses telah dikembangkan dengan memodifikasi proses dasar untuk menghilangkan senyawa nitrogen dan fosfor secara simultan secara biologis dari air limbah. Diagram alir dari proses tersebut ditunjukkan secara skematis pada Gambar 9.42.

Ketika aliran air limbah yang mengandung senyawa nitrogen dan fosfor mengalami perlakuan aerobik, senyawa nitrogen teroksidasi menjadi nitrit dan nitrat. Larutan nitrifikasi perlu diperlakukan secara anoksik untuk denitrifikasi karena jika tidak, lumpur aerobik yang didaur ulang yang mengandung nitrit-nitrat akan memasuki unit anaerobik dan akan menekan aktivitas organisme pengumpul fosfor. Ini akan menghasilkan pengurangan efisiensi penghilangan fosfor dari seluruh proses.

Adsorpsi:

Adsorben yang paling umum digunakan untuk pengolahan air limbah adalah karbon aktif, yang dapat berbentuk bubuk atau butiran. Ketika air limbah diperlakukan dengan partikel karbon aktif, senyawa organik yang ada dalam air limbah dapat terserap pada permukaan luar dan pori partikel.

Dari sudut adsorpsi senyawa organik dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok besar, yaitu, berat molekul rendah, berat molekul menengah dan senyawa berat molekul tinggi. Senyawa dengan berat molekul rendah, seperti benzena, toluena, xilena, fraksi minyak bumi dengan titik didih rendah, senyawa teroksigenasi dan terklorinasi dengan berat molekul rendah, dan senyawa berbau disebut sebagai VOC karena lebih mudah menguap.

Ini relatif buruk diserap oleh partikel karbon dan karenanya untuk menghilangkannya, massa partikel karbon yang dibutuhkan akan lebih banyak. Organik dengan berat molekul sedang relatif kurang mudah menguap dan organik dengan molekul tinggi mungkin tidak mudah menguap.

Minyak, lemak, hidrokarbon poliklorinasi, fenol terklorinasi, pestisida, herbisida, pewarna, bahan pewarna termasuk dalam hidrokarbon dengan berat molekul tinggi. Ini sangat diserap oleh partikel karbon aktif dan karenanya dapat dengan mudah dihilangkan dari air limbah dengan adsorpsi.

Karbon aktif yang digunakan untuk pengolahan air limbah dihasilkan dari karbonisasi batubara, lignit, tempurung kelapa dan beberapa residu pertanian. Produk karbonisasi selanjutnya diolah untuk meningkatkan porositasnya dan membuatnya lebih aktif. Karbon aktif berbahan dasar batubara dan lignit dapat berpori mikro (diameter pori <20 A°) atau berpori makro (diameter pori > 500 A°).

Karbon berpori mikro akan memiliki jumlah mesopori yang signifikan (diameter pori 20 – 500 A°). Karbon berpori mikro baik untuk adsorpsi organik dengan berat molekul rendah, sedangkan karbon berpori makro cocok untuk menghilangkan organik dengan berat molekul sedang hingga tinggi. Karbon tempurung kelapa aktif terutama berpori mikro (diameter pori = 10A°) dan sangat baik untuk menghilangkan organik dengan berat molekul rendah.

Ketika air limbah terkontaminasi dengan organik dengan berat molekul rendah dan tinggi, yang terakhir lebih disukai diserap. Akibatnya, bahan organik dengan berat molekul rendah dihilangkan dengan buruk kecuali karbon dalam jumlah yang relatif besar digunakan.

Dari sudut pandang ukuran partikel karbon aktif diklasifikasikan menjadi dua kelompok, diklasifikasikan, yaitu karbon bubuk (halus) dan karbon butiran. Karbon bubuk mungkin memiliki ukuran partikel berkisar antara 5-50 µm dan memiliki luas permukaan yang besar per satuan massa. Sebagian besar partikel ini hilang selama regenerasi. Oleh karena itu, sangat sering partikel ini dibuang setelah digunakan. Ukuran partikel karbon pasir berkisar antara 0,1 hingga 2,5 mm. Ini dibuat ulang dan digunakan kembali.

Kehadiran garam anorganik dalam air limbah dapat menyebabkan adsorpsi organik yang buruk karena pengendapan anorganik yang sedikit larut pada permukaan partikel yang menyebabkan penyumbatan pori. Curah hujan yang parah dapat menyebabkan penggumpalan partikel karbon, yang tidak hanya akan menurunkan kapasitas adsorpsi tetapi juga dapat membuat partikel karbon tidak cocok untuk regenerasi.

Potensi ancaman ini dapat dipastikan dengan memperkirakan Indeks Langelier. Nilai positif dari Indeks Langelier akan menunjukkan adanya masalah tersebut. Dalam situasi seperti itu akan lebih baik untuk menghilangkan garam anorganik sebelum melakukan operasi adsorpsi.

Ketika biomassa dan/atau materi partikulat lainnya hadir dalam aliran air limbah, hal itu akan terakumulasi dalam kolom penyerap. Penumpukan partikel padat seperti itu akan menimbulkan penurunan tekanan yang lebih tinggi di kolom. Ini akan membutuhkan pencucian ulang yang sering yang akan mengurangi masa pakai lapisan karbon. Untuk mengatasi masalah seperti itu, filter harus mendahului penyerap karbon.

Sebelum memilih pemasangan adsorber, perlu untuk memeriksa kelayakannya. Tujuan untuk menilai kelayakan harus (1) memilih jenis karbon aktif yang sesuai, dan (2) mengumpulkan data untuk tujuan desain.

Studi kelayakan dapat dilakukan dengan menggunakan salah satu dari pendekatan berikut:

(a) Untuk mengumpulkan data kesetimbangan adsorpsi dari berbagai sumber,

(b) Untuk mengevaluasi secara eksperimental isoterm adsorpsi untuk setiap kombinasi air limbah karbon tertentu,

(c) Untuk melaksanakan uji coba kolom skala kecil,

(d) Untuk melakukan uji coba skala pilot.

Pendekatan (c) dan/atau (d) akan menghasilkan informasi yang lebih andal, sedangkan pendekatan (a) atau (b) akan menghasilkan beberapa informasi awal.

Tentunya sebelum melakukan studi kelayakan harus tersedia analisis kontaminan (polutan) yang ada di aliran air limbah.

Deskripsi proses:

Perawatan dengan Karbon Serbuk:

Pengolahan air limbah dengan karbon bubuk dilakukan dalam mode batch saja, karena penurunan tekanan pada kolom yang dikemas dengan partikel tersebut akan tinggi. Umumnya, tangki berpengaduk digunakan untuk proses tersebut. Kuantitas karbon yang dibutuhkan dan durasi operasi batch diperkirakan secara eksperimental.

Setelah perawatan, partikel dihilangkan dari limbah yang diolah dengan penyaringan. Karena regenerasi dan penggunaan kembali partikel bekas mungkin tidak ekonomis, partikel tersebut dibuang dengan tepat. Proses ini dapat digunakan jika karbon bubuk tersedia dengan harga murah, atau jika jumlah air limbah yang akan diolah agak kecil.

Perawatan dengan Karbon Granular:

Untuk pengolahan aliran air limbah dengan karbon aktif granular, salah satu dari jenis peralatan berikut dapat digunakan:

(i) Tempat tidur yang dikemas,

(ii) Tempat tidur yang diperpanjang (diperluas) dan

(iii) Tempat tidur bergerak.

Melalui tempat tidur yang dikemas, air limbah dapat mengalir ke bawah atau ke atas. Melalui hamparan yang diperpanjang, alirannya ke arah atas. Di lapisan yang bergerak alirannya berlawanan arah, yaitu air limbah mengalir ke atas dan lapisan karbon bergerak ke bawah.

Tempat tidur ditempatkan dalam kolom silinder vertikal, yang dilengkapi dengan penyangga tempat tidur di dekat bagian bawah. Packed/extended bed dioperasikan dalam mode semi-batch, yaitu, setelah bed menjadi jenuh dengan adsorbat, ia diambil untuk regenerasi karbon. Dalam kasus unggun bergerak, beberapa partikel bekas dibuang secara berkala dari dasar dan beberapa partikel segar/regenerasi ditambahkan di bagian atas. Tempat tidur seperti itu dioperasikan dalam mode kontinu.

Di unggun yang dikemas selama adsorpsi tidak akan ada gesekan partikel, karena mereka tidak akan bergerak. Namun, selama backwashing (jika influen mengandung padatan tersuspensi) mungkin ada gesekan dan hilangnya partikel halus. Di hamparan yang diperluas atau hamparan yang bergerak, gesekan partikel akan terjadi dan karenanya akan ada hilangnya partikel halus. Ranjang yang diperpanjang dioperasikan pada kecepatan ke atas yang lebih tinggi untuk menjaga agar partikel tetap tersuspensi. Ini meningkatkan laju perpindahan massa, akibatnya proses menjadi lebih efisien.

Air limbah biasanya diolah dalam kolom adsorpsi yang dikemas yang disusun secara seri atau paralel. Ketika kolom disusun secara seri, tiga kolom digunakan. Dua kolom tetap online setiap saat dan kolom ketiga setelah perawatan regenerasi tetap siaga. Penyerap timbal dioperasikan sampai terjadi terobosan. Selama periode ini kolom kedua bertindak sebagai kolom pemoles (cadangan).

Setelah kolom pertama mencapai batas terobosan, kolom tersebut diisolasi untuk regenerasi karbon dan kolom kedua digunakan sebagai kolom utama. Kolom siaga kemudian dihubungkan secara seri dan berfungsi sebagai kolom pemoles.

Susunan seperti itu tidak memerlukan pemantauan yang sangat sering terhadap efluen dari kolom timbal. Ketika kolom dioperasikan secara paralel, kolom cadangan tidak diperlukan, namun, pemantauan efluen dari kolom yang sangat sering perlu dilakukan untuk menghindari operasinya melebihi batas terobosan.

Regenerasi Karbon:

Partikel karbon butiran dapat diregenerasi baik dengan pengupasan uap in situ atau dengan oksidasi udara setelah mengeluarkan partikel dari kolom yang habis. Adsorbat dengan berat molekul rendah dan sedang dapat dihilangkan dengan pengupasan uap. Selama pengupasan uap sebagian tertentu dari adsorbat mungkin tetap teradsorpsi. Bagian yang tersisa ini disebut sebagai ‘tumit’. Adsorbat sisa ini mengurangi “kapasitas kerja” kolom.

Pengurangan ‘tumit’ dapat dicapai dengan mengukus dalam waktu lama dengan menggunakan uap pada suhu yang lebih tinggi. Adsorben dengan berat molekul tinggi tidak dapat menerima pengupasan uap. Itu dihilangkan dengan oksidasi udara dimana adsorben teroksidasi. Selama proses ini permukaan partikel karbon dapat mengalami oksidasi sampai batas tertentu yang mengakibatkan hilangnya massa partikel.

Proses Pemisahan Membran:

Proses pemisahan membran membagi uap influen menjadi dua aliran, yaitu aliran retentate/concentrate/reject dan aliran permeate/lean. Aliran permeat akan mengandung sangat sedikit zat terlarut yang ada dalam influen, sedangkan retentat akan menjadi larutan terkonsentrasi dari zat terlarut.

Ketika aliran air limbah dikenai proses pemisahan membran yang sesuai, polutan yang ada di dalamnya tidak dihancurkan atau diubah menjadi zat yang tidak berbahaya tetapi terkonsentrasi di aliran retentat.

Inti dari unit pemisahan membran adalah komponen, yang disebut sebagai membran. Membran dapat didefinisikan sebagai suatu zat yang ketika kontak dengan cairan menahan atau menangkap sebagian konstituen yang ada dalam cairan dan membiarkan beberapa konstituen lainnya melewati membran atau tetap tidak terganggu.

Keadaan agregasi suatu membran dapat berupa padat atau cair atau gel. Membran padat dapat berupa film anorganik atau film polimer. Membran cair harus tidak dapat bercampur dengan bentuk cair yang beberapa zat terlarutnya harus dihilangkan. Film anorganik, membran cair dan gel memiliki area aplikasi yang terbatas, sedangkan membran polimer memiliki area aplikasi yang lebih luas.

Sebuah membran polimer dapat berupa berpori atau tidak berpori. Kekuatan pendorong dari proses yang menggunakan membran polimer dalam banyak kasus adalah gradien tekanan. Dalam proses pemisahan yang digerakkan oleh tekanan, membran menjadi kotor karena pengendapan konstituen yang tertahan di permukaannya. Mereka juga menjadi padat karena tekanan petahana yang super. Karena efek ini tingkat perembesan menurun dengan waktu.

Harus ditunjukkan di sini bahwa ketika proses pemisahan membran digunakan untuk mengolah aliran air limbah, retentat akan mengandung sebagian besar polutan dan hal yang sama harus diolah lebih lanjut untuk mengurangi polutan.

Membran pada umumnya mahal dan berumur pendek. Selain itu, biaya operasi (listrik) relatif tinggi. Oleh karena itu, biasanya proses pemisahan membran tidak digunakan untuk pengolahan aliran air limbah kecuali tujuannya adalah untuk memulihkan beberapa bahan berharga dari aliran air limbah atau untuk memulihkan permeat untuk digunakan kembali.

Proses pemisahan membran telah diklasifikasikan sebagai mikro-filtrasi (MF), ultra-filtrasi (UF), Nano-filtrasi (NF), reverse osmosis (OR), dialisis, elektro-dialisis dan pemisahan gas. Pada Tabel 9.15 karakteristik, batasan dan fitur menonjol lainnya dari proses ini dicantumkan.

Bahan membran:

Berbagai jenis membran polimer organik tersedia secara komersial. Tersedia membran yang terbuat dari selulosa asetat, poliamida aromatik, poliamida akril-alkil, polivinil aikohol, polikarbonat, polisulfon, poliakrilonitril, polietilen, polipropilena, politetrafluoroetilena, dll.

Pemilihan bahan membran dalam situasi tertentu tergantung pada faktor-faktor berikut:

  1. Tujuan,
  2. Konstituen yang akan dipertahankan,
  3. Konstituen lain yang hadir,
  4. pH influen, dan
  5. Biaya.

Deskripsi proses:

Mikro-filtrasi (MF):

Membran mikro-filtrasi berpori. Ukuran pori berkisar antara 0,02-2 µm. Partikel penahan (partikel halus dan koloid) serta bakteri dan mikro-organisme lainnya termasuk beberapa virus.

Permeat dari proses tersebut akan mengandung ion dan molekul anorganik dan organik terlarut dan virus (lebih kecil dari 0,02 µm dalam dimensi linier) dan tentu saja cairan pembawa (air). Proses dapat digunakan untuk pengolahan awal air limbah sebelum filtrasi nano atau osmosis balik. Kadang-kadang digunakan sebagai bagian dari unit bioreaktor membran (MBR).

Mekanisme pemisahan proses ini adalah filtrasi/pengayakan permukaan. Partikel yang lebih besar dari pori-pori dipertahankan. Selaput ini mengalami fouling baik internal maupun eksternal. Fouling internal terjadi karena perlekatan partikel di dalam pori-pori dan adsorpsi/presipitasi ke permukaan membran. Fouling eksternal terjadi sebagai akibat dari pembentukan lapisan partikel stagnan yang dibawa ke permukaan membran oleh aliran perembesan dan ditahan oleh membran. Fluks permeat filtrasi mikro lebih tinggi daripada filtrasi ultra, filtrasi nano, dan osmosis balik. Ini adalah proses tekanan rendah.

Ultra-filtrasi (UF):

Ini juga merupakan proses tekanan rendah; namun, dalam hal ini gradien tekanan lebih dari itu untuk filtrasi mikro. Membran UF berpori seperti membran MF. Ukuran pori lebih kecil. Selaput ini memungkinkan air, anorganik terlarut dan molekul organik terlarut yang lebih kecil untuk melewatinya. Faktanya, dalam situasi spesifik pemilihan membran (ukuran pori) bergantung pada spesies dengan berat molekul terkecil yang akan dipertahankan.

Ini ditandai dengan indeks ‘pemotongan berat molekul (MWCO). Penolakan oleh membran tidak bergantung pada MWCO saja tetapi juga pada struktur (percabangan) molekul zat terlarut. Fouling dan polarisasi konsentrasi membran UF lebih parah daripada membran MF. Fluks permeat dan gradien tekanan bergantung pada ukuran pori membran. Filtrasi ultra umumnya digunakan untuk produksi air daur ulang dengan kemurnian tinggi.

Filtrasi nano (NF):

Filtrasi nano dikenal sebagai ‘RO longgar’. Ia mampu menghilangkan partikel sekecil 0,001 pm, seperti organik dengan berat molekul tinggi, anion dengan muatan lebih tinggi (ion logam multivalen) dan tentu saja mikroba termasuk virus. Permeat (air) memiliki kualitas yang baik. Itu tidak memerlukan banyak perawatan desinfeksi. Gradien tekanan untuk NF kurang dari itu untuk RO tetapi lebih dari itu untuk NF dan UF.

Reverse Osmosis (RO):

Dari berbagai proses pemisahan membran yang digunakan untuk mengolah air yang terkontaminasi, osmosis balik menghasilkan air dengan kualitas terbaik. Membran yang digunakan untuk RO disebut sebagai membran tidak berpori anisotropik (Asimetris). Selaput semacam itu memiliki tiga lapisan: kulit permukaan yang padat, lapisan tengah, dan lapisan dasar berpori. Kulit sebenarnya menyebabkan pemisahan sedangkan dua lapisan lainnya memberi dukungan mekanis pada kulit.

Kulit tampak tidak berpori saat diperiksa di bawah mikroskop elektron pemindaian. Kulit dari selaput tersebut memiliki cacat kecil yang tersebar (berkembang selama produksi). Melalui cacat ini, terjadi kebocoran influen (umpan) bersama dengan zat terlarut. Karena membran adalah jenis yang tidak berpori, perbedaan tekanan yang sangat besar perlu dipertahankan di seluruh membran.

Berbagai model telah diusulkan untuk menjelaskan fenomena reverse osmosis. Ini adalah dua jenis:

(a) Model solusi tidak berpori, dan

(b) Model transportasi berpori. Beberapa model lain juga telah diusulkan. Tapi tak satu pun dari ini mampu menjelaskan semua pengamatan eksperimental.

Tingkat penolakan zat anorganik (ionik) telah ditemukan bergantung pada valensi ion. Ini meningkat dengan peningkatan valensi. Tingkat penolakan molekul organik tergantung pada ukuran, jenis membran (polimer) dan strukturnya.

Membran RO juga rentan terhadap fouling seperti membran MF dan UF. Tingkat fluks permeat (air) dalam proses RO jauh lebih sedikit dibandingkan dengan proses MF dan UF. Selain itu, karena membran RO mengalami tekanan operasi yang lebih tinggi, ia akan dipadatkan seiring waktu yang menghasilkan penurunan fluks permeat secara progresif. Proses RO harus didahului oleh proses seperti filtrasi kedalaman/mikro-filtrasi/ultra-filtrasi untuk mengurangi fouling membran akibat akumulasi partikel dan molekul besar pada permukaan membran.

Dialisis:

Proses dialisis digunakan untuk menghilangkan beberapa zat terlarut tertentu dari aliran influen dan tidak membaginya menjadi retentate dan aliran permeat seperti yang dilakukan dalam proses pemisahan membran. Membran yang digunakan adalah membran berpori homogen. Ukuran pori dalam situasi tertentu akan bergantung pada ukuran molekul zat terlarut, yang ingin dihilangkan dari influen.

Selama dialisis, transportasi zat terlarut terjadi melintasi membran karena gradien konsentrasinya dan bukan karena gradien tekanan. Permeasi pelarut melintasi membran dicegah. Untuk melakukan proses dialisis, influen dibuat mengalir di atas permukaan membran sementara aliran lain (dialisat) mengalir di atas permukaan lainnya.

Dialisat melayani dua tujuan:

(i) Mencegah aliran besar pelarut melintasi membran dan

(ii) Ia menerima zat terlarut yang bermigrasi (berdifusi) melalui membran.

Komposisi dialisat harus sedemikian rupa sehingga memiliki tekanan osmotik yang sama dengan influen. Ini akan mencegah aliran besar pelarut melintasi membran. Tingkat difusi molekul zat terlarut melalui membran akan tergantung pada ukuran dan konsentrasinya melintasi membran. Proses ini tidak digunakan untuk pengolahan air limbah. Aplikasi yang terkenal dari proses dialisis adalah pemurnian darah.

Elektro dialisis:

Dialisis elektro agak mirip dengan proses dialisis dalam artian tidak digerakkan oleh tekanan. Proses ini dilakukan dengan mempertahankan gradien potensial listrik DC melintasi rakitan sel membran yang ditempatkan secara paralel. Itu hanya mampu menghilangkan konstituen ionik dari aliran influen.

Elektro-dialyser terbuat dari beberapa membran semipermeabel anion (bermuatan +) dan kation (bermuatan) yang ditempatkan secara bergantian sehingga membentuk saluran di antara dua membran yang berdekatan. Dua membran yang menutupi volume influen membentuk sel. Rakitan sel tersebut ditempatkan di antara dua elektroda (katoda dan anoda), yang terhubung ke sumber DC.

Tegangan DC yang diberikan pada sel tidak cukup besar untuk menyebabkan disosiasi elektrolit tetapi cukup untuk melakukan migrasi ion melalui membran. Membran penukar kation memungkinkan hanya kation bermuatan positif untuk melewati dan bermigrasi menuju katoda, sedangkan membran penukar anion memungkinkan anion bermuatan negatif untuk melakukan perjalanan menuju anoda.

Sebagai hasil dari migrasi tersebut, konsentrasi ion (baik kation maupun anion) meningkat dalam sel dan dengan demikian larutan yang mengalir melalui sel menjadi lebih kaya akan ion sementara larutan yang mengalir melalui sel tetangga menjadi berkurang dari ion-ion yang awalnya ada. Gambar 9.43 menunjukkan diagram skematik rakitan elektrodialyser.

Bidang penerapan proses dialisis elektro untuk pengolahan air limbah agak terbatas. Ini dapat digunakan dengan hemat biaya untuk pemulihan ion logam dari aliran air limbah.

Untuk kelancaran pengoperasian electro-dialyser, faktor/aspek berikut memerlukan pemantauan yang tepat:

(i) Pengolahan awal aliran influen untuk menghilangkan garam dengan kelarutan rendah dan padatan tersuspensi (termasuk koloid),

(ii) PH,

(iii) Suhu, dan

(iv) Laju aliran influen di sel yang bersebelahan.

Konfigurasi dan Geometri Membran:

Membran polimer yang digunakan adalah dari jenis berikut:

(i) Lembaran datar, dan

(ii) Berbentuk tabung.

Tergantung pada konfigurasi modul membran, mereka secara luas diklasifikasikan sebagai:

  1. Perangkat pelat dan bingkai,
  2. Perangkat spiral-luka,
  3. Perangkat tubular, dan
  4. Perangkat serat berongga.
  5. Perangkat Plat-dan-Bingkai:

Modul pelat-dan-bingkai mirip dengan pers filter pelat-dan-bingkai. Ini terdiri dari beberapa lembaran membran datar yang didukung oleh pelat dan diselingi dengan bingkai. Dua piring dan bingkai merupakan sel. Beberapa sel seperti itu ditempatkan berdampingan secara paralel untuk membentuk modul.

Sel-sel modul disatukan secara mekanis untuk mencegah kebocoran cairan. Aliran air limbah (umpan) yang akan diolah dilewatkan melalui bingkai yang kedua sisinya terdapat membran. Aliran permeat setelah melewati membran mengalir di sepanjang permukaan pelat yang berdekatan ke header umum. Aliran retentate mengalir keluar dari frame ke header lain.

Pengaturan seperti itu memiliki keuntungan sebagai berikut:

(i) Lembaran membran yang kotor dan cacat dapat diganti dengan mudah, dan

(ii) Lebih banyak sel dapat ditambahkan ke unit yang ada dan dengan demikian meningkatkan kapasitasnya.

Kerugian utama dari unit semacam itu adalah:

(i) Luas permukaan membran per satuan volume dari susunan relatif lebih kecil, dan

(ii) Operasi kadang-kadang harus dihentikan untuk membersihkan permukaan membran yang kotor.

  1. Perangkat Spiral-Wound:

Perangkat luka spiral dibuat dengan menempatkan dua lembar membran persegi panjang saling membelakangi dengan spacer permeat yang fleksibel di antara keduanya. Tiga tepi amplop semacam itu disegel. Ujung amplop yang terbuka dipasang ke pipa berlubang secara longitudinal dan digulung rapat di sekitar pipa menjadi konfigurasi silinder. Gulungan tersebut kemudian ditempatkan di dalam cangkang silinder.

Air limbah yang akan diolah dimasukkan ke dalam cangkang silinder di salah satu ujungnya dan mengalir secara longitudinal. Permeat memasuki selubung membran secara radikal dan akhirnya memasuki pipa bagian dalam yang mengalir secara longitudinal.

  1. Perangkat Tubular:

Perangkat tubular agak mirip dengan penukar panas shell-and-tube. Ini terdiri dari beberapa tabung bertempat di shell silinder. Setiap tabung terdiri dari cetakan membran tubular di dalam pipa berlubang (mungkin id 12 mm). Umpan (air limbah) memasuki tabung pada satu dan mengalir sepanjang panjangnya. Produk (air yang diolah) meresap melalui dinding tabung membran memasuki cangkang.

Konsentrat (retentate) keluar di ujung lain setiap tabung. Endapan di dalam tabung dapat dibersihkan dengan mudah dengan mengedarkan bahan kimia atau dengan memompa “bola busa” melalui setiap tabung. Luas permukaan membran modul tubular per satuan volume rakitannya relatif tinggi dibandingkan dengan modul tipe pelat dan rangka.

  1. Perangkat Serat Berongga:

Tabung membran serat berongga memiliki diameter yang sangat kecil. Tidak seperti membran tipe tubular, tubulus ini tidak memerlukan dukungan mekanis apa pun. Seikat tabung semacam itu yang membentuk rakitan dimasukkan ke dalam rumah silinder (cangkang). Umpan (air limbah) dapat masuk ke tubulus dan mengalir sepanjang panjangnya.

Permeat dalam susunan seperti itu akan mengalir ke luar melalui permukaan silinder tabung ke dalam cangkang sementara retentat akan mengalir keluar melalui ujung tabung lainnya. Sebagai alternatif, umpan dapat dimasukkan pada ujung cangkang dan mengalir secara aksial.

Permeat dalam susunan seperti itu akan memasuki tabung melalui permukaan silinder luarnya dan mengalir keluar secara aksial. Retentate akan muncul di ujung cangkang yang lain. Endapan apa pun pada permukaan bagian dalam/luar tabung tidak dapat dibersihkan, oleh karena itu umpan untuk perangkat serat berongga harus dibebaskan dari partikel tersuspensi dan bahan pengotor lainnya.

Proses Pertukaran Ion:

Proses pertukaran ion dilakukan dengan membawa aliran air limbah yang mengandung beberapa spesies terionisasi (kation dan anion) dalam kontak dengan beberapa partikel padat yang memiliki ion yang dapat diganti. Partikel padat disebut sebagai penukar ion. Selama proses ion (dari jenis tertentu) dalam larutan menggantikan ion dari jenis yang sama dari penukar.

Prosesnya reversibel, yaitu ion yang ditangkap dapat diganti dengan jenis ion lain yang serupa. Pertukaran pada dasarnya adalah reaksi kimia. Penukar ion dapat berupa zeolit alam atau sintetik yang memiliki kation yang dapat diganti atau resin sintetik yang memiliki kation atau anion yang dapat diganti. Penukar kation dapat memiliki ion natrium (Na + ) yang dapat diganti atau ion hidrogen (H + ), sedangkan penukar anion dapat memiliki ion klorida (CI + ) yang dapat diganti atau ion hidroksil (OH )

Reaksi pertukaran dapat direpresentasikan secara khas sebagai berikut:

Penukar Kation :

Penukar Zeolit:

Penukar Resin Sintetis:

Penukar Anion :

Penukar Resin Sintetis:

Penukar ion sintetik diklasifikasikan sebagai berikut tergantung pada derajat ionisasinya pada kondisi proses, terutama pH.

  1. Resin Penukar Kation:

(i) Jenis asam kuat:

Ini memiliki kelompok tersulfonasi, R-S0 3 Na + + atau R-SO 3 H + pada seluruh rentang pH ini sangat terionisasi.

(ii) Jenis asam lemah:

Ini memiliki gugus fungsi tipe karboksilat, R—COO H + dan mereka terionisasi lemah.

  1. Resin Penukar Anion:

(i) Jenis dasar yang kuat:

Ini memiliki kelompok fungsional dasar yang kuat. Ini terionisasi kuat pada seluruh rentang pH.

(ii) Tipe basa lemah:

Ini memiliki kelompok fungsional dasar minggu. Tingkat ionisasi mereka tergantung pada pH umum. Setiap partikel penukar ion akan memiliki sejumlah ion yang dapat ditukar. Ini adalah properti penting dari penukar ion. Ini disebut sebagai kapasitas pertukaran. Kapasitas tukar dinyatakan dalam satuan g. eq/L atau g. eq/kg. Sifat penting lainnya dari partikel penukar ion adalah perubahan strukturalnya, seperti pembengkakan atau penyusutan dan degradasi kimia selama penggunaan.

Karena partikel penukar ion memiliki kapasitas terbatas, mereka menjadi lelah setelah beberapa saat selama proses (pertukaran). Pada saat itu partikel-partikel tersebut perlu diregenerasi, yaitu dikembalikan untuk digunakan kembali. Proses regenerasi dilakukan dengan mereaksikannya (partikel bekas) dengan bahan kimia anorganik yang sesuai (dalam larutan berair).

Reaksi regenerasi dapat direpresentasikan sebagai:

Regenerasi Penukar Kation :

Penukar Zeolit:

Penukar Resin Sintetis:

Regenerasi Penukar Anion

Penukar Resin Sintetis:

Proses pertukaran ion diklasifikasikan menjadi tiga kelompok tergantung pada tujuan pengobatan.

Ini adalah:

(i) Pelunakan:

Proses ini digunakan dimana tujuannya adalah untuk menghilangkan kation seperti Ca, Mg, Fe, dll oleh Na. Penukar dapat berupa jenis Zealite atau jenis resin kationik sintetik. Air yang diolah cocok untuk penggunaan rumah tangga, yaitu digunakan di binatu dan untuk memberi makan boiler bertekanan rendah.

(ii) De-alkalisasi:

Dengan proses ini hidroksida, karbonat, dan bikarbonat Ca, Mg, Na, dll dapat dihilangkan. Proses ini mengurangi alkalinitas air. Penukar yang digunakan adalah jenis kationik sintetik dengan ion hidrogen yang dapat diganti (H + ). Reagen regenerasi adalah HCI berair.

Reaksi dapat direpresentasikan sebagai:

Reaksi De-alkalisasi:

Reaksi Regenerasi:

De-alkalisasi mengurangi alkalinitas air dan mengurangi pengotoran di penukar panas.

(iii) Demineralisasi/Deionisasi:

Tujuan dari proses ini adalah untuk menghasilkan air bebas kation dan anion. Ini umumnya dilakukan dalam dua langkah. Pada langkah pertama kation dihilangkan dan pada langkah kedua anion dihilangkan. Namun, terkadang kation dan anion dihilangkan dalam satu peralatan. Resin sintetis digunakan untuk proses ini.

Proses ini digunakan untuk memproduksi air umpan boiler bertekanan tinggi, air proses untuk industri farmasi, industri proses biokimia dan industri kimia lainnya yang membutuhkan air dengan kemurnian tinggi. Untuk regenerasi resin kationik digunakan larutan berair HCI dan untuk regenerasi resin anionik digunakan larutan NaOH berair.

Reaksi yang terjadi selama operasi pertukaran dan selama operasi regenerasi dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Operasi Pertukaran :

Langkah kationik:

Operasi Regenerasi

Resin Kationik:

Resin Anionik:

Peralatan proses:

Secara teoritis proses pertukaran ion dapat dilakukan secara batch atau terus menerus. Dalam praktiknya, operasi berkelanjutan lebih disukai karena operasi batch tidak praktis, dan tidak cocok untuk operasi skala besar. Operasi kontinyu sebenarnya adalah operasi siklik, yaitu operasi pertukaran diikuti oleh operasi regenerasi.

Untuk proses seperti itu, partikel resin ditempatkan pada pelat pendukung berlubang yang terletak di dekat bagian bawah bejana silinder vertikal. Influen yang dibebaskan dari partikel tersuspensi dibiarkan mengalir melalui kolom yang dikemas resin ke arah bawah.

Kualitas efluen yang diolah dipantau dan setelah mencapai batas yang ditentukan, operasi pertukaran dihentikan. Pada titik ini ion yang dapat dipertukarkan dari partikel resin akan hampir seluruhnya digantikan oleh ion yang dipertukarkan, oleh karena itu partikel perlu diregenerasi, yaitu dikembalikan ke struktur kimia aslinya.

Sebelum operasi regenerasi, kolom harus dicuci kembali dengan sebagian dari efluen yang diolah untuk menghilangkan akumulasi partikel tersuspensi (jika ada) di dalam kolom dan juga untuk menghilangkan penahan kolom. Kemudian larutan encer dari regeneran dibiarkan mengalir melalui kolom sampai regenerasi partikel selesai.

Selanjutnya partikel resin dibilas dengan sebagian limbah yang diolah untuk membebaskan kolom dari larutan regenerasi. Pada tahap ini kolom akan siap untuk siklus operasi berikutnya. Beberapa pengaturan alternatif kolom penukar dipraktekkan di unit industri. Pengaturan yang akan dipilih dalam situasi tertentu bergantung pada kualitas influen, kualitas efluen yang diinginkan, dan skala operasi.

Beberapa di antaranya dibahas di bawah ini:

(i) Pengaturan Monobed:

Ketika tujuan pengolahan adalah untuk mendapatkan air yang dilunakkan atau dide-alkalisasi dan skala operasinya relatif kecil, satu kolom kationik digunakan untuk operasi pertukaran, sedangkan partikel resin dari kolom (kationik) lainnya diregenerasi dan disiapkan untuk penggunaan kembali.

Jika laju aliran influen tinggi, setidaknya dua unggun resin harus dioperasikan secara seri. Dalam situasi seperti itu, kolom pertama disebut sebagai kolom utama, di mana sebagian besar reaksi pertukaran akan terjadi. Kolom kedua akan bertindak sebagai kolom pemoles di mana ion sisa (yang tidak diinginkan) akan dihilangkan.

Saat dan ketika kolom timah habis, ia diambil dari arus dan dibuat ulang. Pada titik ini kolom pemoles digunakan sebagai kolom timah dan kolom yang baru diregenerasi akan digunakan sebagai kolom pemoles.

Pengaturan mono-bed juga dapat digunakan untuk produksi air demineralisasi. Untuk operasi semacam itu kolom diisi dengan partikel resin kationik dan anionik. Selama operasi pertukaran dalam kolom seperti itu, penghilangan ion kationik dan anionik akan terjadi secara bersamaan.

Ketika tempat tidur menjadi habis, perlu dibuat ulang. Sebelum regenerasi, kolom harus dicuci balik dengan air yang diolah dan partikel resin dipisahkan di dalam kolom secara hidrolik. Langkah ini diperlukan karena reagen yang berbeda akan digunakan untuk regenerasi partikel resin kationik dan anionik.

Regenerasi satu jenis resin dilakukan dalam satu waktu. Setelah kedua jenis diregenerasi, kolom harus dibilas dengan air demineralisasi. Kolom sekarang akan siap untuk digunakan kembali. Pembangunan kolom semacam itu dan pengoperasiannya akan menjadi kompleks. Pengoperasiannya khususnya operasi regenerasi akan membutuhkan operator yang terampil. Untuk operasi yang lancar dan tidak terputus dari unit seperti itu, dua atau lebih kolom harus dioperasikan secara seri.

(ii) Pengaturan Dua Tempat Tidur :

Untuk produksi air demineralisasi, pengaturan dua tempat tidur lebih baik daripada pengaturan satu tempat tidur. Dalam unit dua unggun, unggun pertama digunakan untuk menghilangkan kation dan unggun kedua digunakan untuk menghilangkan anion. Regenerasi unit semacam itu dapat dilakukan dengan mudah. Diagram skematik berikut (Gbr. 9.44) menunjukkan susunan alternatif yang berbeda dari unit dua tempat tidur.

Mengacu pada Gambar 9.44 perlu dicatat bahwa peran de-karbonator adalah untuk menghilangkan CO 2 terlarut yang ada dalam air de-kationisasi sebagai H 2 CO 3 dengan penyemburan udara. Kolom seperti itu mengurangi beban pada penukar anion. Untuk operasi tanpa gangguan dari sistem dua unggun harus ada dua atau lebih penukar kation dan dua atau lebih penukar anion yang dihubungkan secara seri. Karena dekarbonator bukan berbasis resin, lebih dari satu kolom seperti itu tidak diperlukan.

(iii) Sistem Kontinu Dua Ranjang :

Sistem telah dikembangkan yang dapat dioperasikan dengan penukar kationik tunggal, dekarbonator dan penukar anionik tunggal. Dalam unit tersebut sebagian partikel resin dikeluarkan dari kolom secara terus-menerus atau sebentar-sebentar, dibuat ulang (di luar kolom) dan dikembalikan ke kolom.

Unit tersebut tidak memerlukan gangguan proses atau isolasi kolom untuk regenerasi resin. Fitur mekanis dari kolom semacam itu akan sedikit rumit, tetapi jumlah total resin yang digunakan akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan sistem multi-bed.

Efluen yang diolah yang diproduksi di unit tersebut akan mengandung beberapa spesies ionik sisa akibat penyaluran melalui lapisan resin dan/atau kehabisan sebagian kapasitas resin. Konsentrasi sisa ion dalam efluen yang diolah mungkin sekitar 0,5% dari yang ada di influen. Oleh karena itu jika efluen yang diolah sangat murni diinginkan, maka sistem multi-bed harus digunakan.

Ukuran Kolom:

Jumlah total resin yang diperlukan untuk pengolahan aliran influen bergantung pada (a) laju aliran influen, (b) konsentrasi ion yang tidak diinginkan yang ada dalam influen, (c) kapasitas resin yang akan digunakan, dan ( d) periode terobosan. Berdasarkan data/informasi tersebut di atas, jumlah teoritis resin yang dibutuhkan diperkirakan. Jumlah aktual resin yang akan digunakan mungkin 20-30% lebih banyak dari jumlah yang diperkirakan secara teoritis.

Diameter kolom penukar ion dihitung berdasarkan kecepatan superfisial cairan yang biasanya dipertahankan dalam kisaran 20-40 cm/menit. Kedalaman lapisan resin biasanya berkisar antara 0,75 hingga 2,0 m.

Keterbatasan Proses:

Berikut yang perlu diperhatikan tentang keterbatasan proses pertukaran ion:

  1. Proses ini hanya dapat menghilangkan konstituen terionisasi terlarut yang ada dalam air.
  2. Ini adalah proses siklus. Pada tahap pertama ion yang tidak diinginkan dalam larutan dipertahankan (ditahan) oleh partikel resin, dimana air akan ‘dimurnikan’. Pada tahap kedua, ion yang tertahan dipisahkan dari partikel resin dengan bantuan larutan kimia encer yang sesuai. Ini menghasilkan regenerasi partikel resin untuk digunakan kembali.

Dengan proses ini polutan (spesies ionik yang tidak diinginkan) tidak dihancurkan atau diubah menjadi beberapa zat yang tidak larut, tetapi mereka ditolak sebagai larutan pekat bersama dengan larutan regenerasi bekas. Aliran ini akan membutuhkan perawatan lebih lanjut untuk pengurangan polusi ‘akhir’.

  1. Biaya energi untuk pemompaan mungkin tidak tinggi, tetapi biaya reagen (untuk regenerasi) mungkin tinggi jika konsentrasi anorganik terlarut dalam influen tinggi. Namun, biaya kimia dapat dikurangi jika proses pertukaran ion didahului oleh pengendapan.
  2. Proses ini akan lebih ekonomis bila digunakan untuk menghilangkan dan memulihkan ion logam berharga.
  3. Kinerja proses pertukaran ion menjadi buruk dengan adanya oksidan, partikel tersuspensi, pelarut organik dan polimer.

Area Aplikasi:

Proses ini dapat digunakan untuk mengolah air limbah dari unit-unit seperti pemrosesan logam, industri elektronik (semikonduktor, papan sirkuit tercetak), pelapisan dan penyelesaian logam, dll. Air limbah dari unit tersebut akan mengandung ion logam berharga dengan konsentrasi lebih tinggi dan hampir bebas. dari polutan lainnya.

Pengendapan:

Proses utama dimana logam berat dan beberapa ion dasar (anion) dapat dihilangkan dari air limbah adalah reverse osmosis, pertukaran ion, dan presipitasi.

Dari proses tersebut proses pengendapan memiliki keuntungan sebagai berikut:

(i) Biaya peralatan proses adalah yang terendah, dan

(ii) Konstituen dihilangkan sebagai senyawa yang tidak larut air/sedikit larut.

Untuk menyebabkan pengendapan, beberapa bahan kimia harus ditambahkan ke aliran air limbah. Bahan kimia yang ditambahkan harus murah agar prosesnya bisa ekonomis. Endapan harus dihilangkan dari air yang diolah dengan pengendapan dan atau penyaringan.

Sebagian besar logam dapat diendapkan sebagai hidroksida dengan penyesuaian pH. Kapur [CaO/Ca(OH) 2 ] dapat digunakan untuk tujuan ini. Pengaturan pH yang tepat sangat penting karena seringkali tingkat penghilangan bergantung pada pH. Sulfida dari beberapa logam memiliki kelarutan yang lebih rendah daripada hidroksidanya.

H 2 S atau Na 2 S dapat digunakan untuk menghasilkan endapan sulfida. Kalsium dapat dihilangkan sebagai CaCO 3 dengan menambahkan Na 2 CO 3 . Barium dapat dihilangkan sebagai BaSO 4 . Logam ringan, seperti natrium dan kalium sulit dihilangkan dengan pengendapan.

Dari berbagai ion dasar fosfor (ortofosfat) dapat diendapkan dengan menambahkan garam besi atau aluminium atau kalsium. Polifosfat dan senyawa fosfor organik tidak dapat dihilangkan begitu saja. Tapi mereka dapat dihilangkan dengan pengendapan setelah konversi mereka menjadi ortofosfat selama pengolahan sekunder.

Selama koagulasi dan flokulasi beberapa senyawa fosfor organik dan polifosfat dihilangkan sebagai kompleks yang tidak larut dan karena adsorpsi ke partikel floe. Sebagian besar ion sulfat dapat dihilangkan, seperti CaSO4 . Ion klorida, nitrat, dan nitrat tidak dapat diendapkan.

Oksidasi dan Reduksi:

Oksidasi:

Reaksi oksidasi kimia terkadang dilakukan untuk pengolahan air limbah untuk:

  1. Kurangi konsentrasi bahan organik yang membandel/tahan api, seperti pewarna, insektisida, pestisida, dll.,
  2. Kurangi bau dan warna.
  3. Mengoksidasi senyawa anorganik dan organik tertentu yang bersifat racun bagi mikroba dan/atau menghambat pertumbuhan mikroba, dan
  4. Mengurangi populasi mikroba dan virus pada air limbah (disinfeksi).

Oksidan yang biasanya digunakan adalah Oksigen (O 2 ), Klor (Cl 2 ), Klorin dioksida (ClO 2 ), Ozon (O 3 ) dan hidrogen peroksida (H 2 O 2 ). Dari jumlah tersebut oksigen adalah yang termurah, tetapi paling tidak reaktif. Klorin murah dan reaktif, tetapi sisa klorin (tidak bereaksi) di luar konsentrasi tertentu bersifat racun bagi makhluk hidup, oleh karena itu tidak disukai sebagai oksidan umum. ClO 9 adalah oksidan kuat dan sangat efektif dalam mengolah senyawa fenolik. Selama penggunaannya, suatu bagian dapat diubah menjadi klorat, yang berbahaya bagi manusia. ClO 2 harus dihasilkan di lokasi.

Ozon dan hidrogen peroksida adalah oksidan yang baik meskipun relatif mahal. Mereka tidak meninggalkan residu berbahaya. Untuk meningkatkan laju oksidasi ozon/hidrogen peroksida, terkadang katalis, seperti, peningkatan pH, titanium oksida (TiO 2 ), sinar ultraviolet (ÊŽ < 310 nm), gelombang ultrasonik digunakan. Dengan adanya katalis ini oksidan (O 3 /H 2 O 2 ) diubah menjadi radikal hidroksil (OH) yang merupakan oksidan yang sangat kuat. H 2 O 2 diproduksi secara komersial tetapi ozon harus dihasilkan di lokasi.

Beberapa contoh khas penggunaan klorin sebagai oksidan adalah:

(i) Oksidasi amonia bebas dalam air limbah

2NH 3 + 3Cl 2 + 6H 2 O → N 2 +6HCl + 6H 2 O

(ii) Oksidasi senyawa sianida, seperti NaCN

NaCN + 2NaOH + Cl 2 → NaCNO + 2NaCl + H 2 O 2

NaCNO + 4NaOH + 3Cl 2 → 6NaCl + 2CO 2 + N 2 + 2H 2 O

PH optimum untuk reaksi ini adalah 8 sampai 9,5.

(iii) Oksidasi garam besi.

6FeSO 4 + 3Cl 2 → 2FeCl 3 + 2Fe 2 (SO 4 ) 3

Pengurangan:

Contoh penggunaan proses reduksi untuk pengolahan air limbah adalah reduksi ion heksavalen kromium (Cr+6 ) . Cr +6 tidak dapat dihilangkan dengan pengendapan tetapi Cr +3 trivalen dapat.

Reduksi Cr +6 dilakukan pada pH asam, katakanlah, 2 sampai 3. Ferrous sulfate (FeSO 4 )/sodium meta-bi-sulphite (Na 2 S 2 O 5 )/sulfur dioksida (SO 2 ) dapat digunakan untuk reduksi Cr +6 menjadi Cr +3 .

Reaksi tercantum di bawah ini:

Reaksi dengan FeSO4

Reaksi dengan Na 2 S 2 O 5

Reaksi dengan SO2

Disinfeksi:

Setelah penghilangan polutan anorganik dan organik dari aliran air limbah akhirnya dibuang ke badan air atau di sebidang tanah jika tidak digunakan kembali. Jika diputuskan untuk membuang aliran air limbah yang diolah, harus didesinfeksi, yaitu mikroba, seperti parthogen, virus, protozoa yang ada jika ada, harus dihancurkan/dinonaktifkan. Jika tidak didesinfeksi dengan benar, air yang dibuang dapat membahayakan makhluk hidup yang bersentuhan dengan air tersebut.

Disinfeksi dapat dilakukan dengan salah satu dari metode berikut atau kombinasinya:

(a) Penambahan Bahan Kimia,

(b) Sarana Fisik,

(c) Sarana Mekanis,

(d) Radiasi.

Metode yang digunakan untuk disinfeksi dalam situasi tertentu akan bergantung pada tipe/jenis organisme yang ada dan populasinya. Bakteri yang hidup dan tumbuh relatif mudah dihancurkan, sedangkan bakteri yang tertutup lendir, spora bakteri, virus dan protozoa menolak disinfeksi. Tingkat desinfeksi yang dicapai dalam situasi tertentu bergantung pada metode yang digunakan, durasi perawatan, dan konsentrasi/intensitas disinfektan yang digunakan.

Disinfektan kimia mempengaruhi dinding sel dan konstituen sel dengan berbagai cara. Disinfektan kimia yang umum digunakan adalah Cl 2 , CIO 2 , O 3 , H 2 O 2 dan senyawa fenolik. Empat yang pertama adalah oksidan. Mereka mengoksidasi dinding sel, memodifikasi permeabilitas dinding sel dan bereaksi dengan berbagai konstituen sel termasuk enzim.

Air limbah secara fisik dapat didesinfeksi dengan memaparkannya ke panas atau radiasi UV atau gelombang ultrasonik. Pada pemanasan protein sel menggumpal dan dengan demikian terjadi kematian sel. Radiasi UV diserap oleh DNA dan RNA. Akibatnya, mereka mengalami perubahan struktural dan kehilangan kapasitas untuk bereproduksi.

Cara desinfeksi mekanis adalah filtrasi dan sedimentasi. Selama operasi ini partikel padat saat dikeluarkan dari air limbah, menjebak beberapa mikro organisme dan menghilangkannya. Tingkat penghilangan organisme tergantung pada ukurannya. Secara umum persentase penghapusannya tidak tinggi.

Iradiasi air limbah khususnya dengan sinar γ cukup efektif dalam desinfeksi. Namun, proses ini relatif mahal. Dari berbagai jenis mikroorganisme, virus adalah yang paling sulit dihilangkan/dimusnahkan. Proses yang lebih efektif dalam menghilangkan/memusnahkan virus adalah klorinasi, reverse osmosis dan radiasi UV.

Cl 2 , O 3 dan UV lebih umum digunakan untuk desinfeksi air limbah. Dari jumlah tersebut Cl 2 adalah yang termurah. Ozon meskipun lebih mahal daripada klorin semakin banyak digunakan sebagai disinfeksi karena tidak meninggalkan residu.

Kehadiran partikel tersuspensi dan anorganik terlarut dan organik menghambat proses desinfeksi secara umum, oleh karena itu harus dihilangkan sebelum mendisinfeksi aliran air.

Klorin pada pembubaran dalam air menghasilkan HCl dan HOCl. HOCl terionisasi menjadi H + dan OCl . Radikal OCl adalah disinfektan aktif. Klorin memiliki afinitas yang kuat terhadap bahan-bahan seperti Fe ++ , Mn ++ , NO 2 , H 2 S , NH 3 dan organik. Reaksi dengan anorganik sangat cepat sedangkan dengan organik lambat.

Kesulitan yang dialami dalam desinfeksi patogen yang terbawa air dengan klorin bergantung pada sifat patogen tersebut. Kista paling sulit didesinfeksi. Disinfeksi virus lebih mudah daripada kista. Bakteri mudah didesinfeksi.

Tingkat desinfeksi tergantung pada suhu air, pH, tingkat pencampuran, kekeruhan, adanya zat pengganggu dan dosis klorin. Pada pH yang lebih rendah laju desinfeksi tinggi dan dosis klorin yang diperlukan untuk mencapai tingkat desinfeksi yang diinginkan rendah. Keuntungan dari proses klorinasi adalah residu klorin bebas memberikan perlindungan pasca perawatan.

Ozon:

Keuntungan menggunakan ozon sebagai disinfektan adalah:

(i) Kemampuan membunuh kumannya yang tinggi,

(ii) Kemampuannya untuk mengoksidasi sebagian besar zat berbau dan pewarna, dan

(iii) Hanya menyisakan oksigen terlarut setelah perawatan.

Ini lebih efektif daripada klorin dalam mendisinfeksi virus dan kista. Kinerjanya sebagai germisida tidak dipengaruhi oleh pH atau amonia. Namun, dosis ozon harus ditingkatkan dengan adanya bahan organik terlarut dan tersuspensi.

Kerugian utamanya adalah:

(i) Itu harus diproduksi di lokasi:

(ii) Tidak dapat disimpan dan diangkut;

(iii) Biayanya relatif lebih tinggi (dibandingkan dengan klorin), dan

(iv) Ketidakmampuannya untuk mempertahankan tindakan kuman di luar unit perawatan.

Ozon dan klorin dapat digunakan sebagai pelengkap. Perlakuan awal dengan ozon akan mengoksidasi senyawa fenolik (jika ada), memusnahkan kuman dengan cepat dan meningkatkan kualitas fisik dengan mengoksidasi zat bau dan pewarna. Setelah perawatan ozon, air dapat diolah dengan klorin untuk memberikan tindakan kuman selama transportasi dan distribusi.

Related Posts