Koagulasi-Flokulasi dalam Pengolahan Air Minum

Untuk menjelaskan apa itu Koagulasi-Flokulasi penulis akan memberikan beberapa gambaran mengenai proses ini dalam kehidupan sehari-hari. pernahkan pembaca melihat proses pembuatan agar-agar? jika iya maka apa yang mereka lakukan untuk membuat agar-agar tersebut?. pastilah langkah pertama untuk membuatnya kita memanaskan air terlebih dahulu setelah itu si pembuat akan memasukkan semacam serbuk untuk membuat agar-agar tersebut. kemudian campuran air dan serbuk agar-agar tersebut diaduk. Proses pengadukan dilakukan sampai dirasa seluruh serbuk tercampur atau terlarut dengan sempurna. Kemudian larutan tersebut didinginkan sampai beberapa saat kemudian akan terbentuk agar-agar yang kenyal dan dapat kita perhatikan juga bahwa seluruh air kini telah menjadi agar-agar.

jika kita amati proses pembuatan agar-agar tersebut kita dapat mengambil beberapa tahapan dalam pembuatan agar-agar tersebut:

1. proses pemanasan dimana proses ini bertujuan untuk menciptakan kondisi dimana serbuk agar-agar dapat terlarut dengan lebih mudah.
2. proses penambahan koagulan yang berupa serbuk.
3. proses pengadukan yang bertujuan untuk mendispersikan koagulan dalam air.
4. proses pendinginan dimana pada proses ini ada proses terbentuknya agar-agar atau flok

pembuatan agar-agar merupakan salah satu contoh proses koagulasi flokulasi. Penerapan proses koagulasi-flokulasi ini salah satunya adalah pada proses pengolahan air minum dimana proses ini adalah proses fisik-kimiawi. dinamakan proses fisik karena pada dasarnya ada proses pengadukan untuk mendispersikan atau mencampurkan inti flok dalam hal ini adalah koagulan secara merata ke dalam air yang akan diolah. dikatakan proses kimiawi karena adanya penambahan zat kimia yaitu koagulan kedalam air yang akan diolah. Proses koagulasi-flokulasi bertujuan untuk menghilangkan atau mengurasi jumlah padatan tersuspensi dalam air dalam hal ini kita bahasakan sebagai koloid sehingga kadar padatan tersebut memenuhi baku mutu air minum. Dibawah ini adalah diagram alur proses pengolahan air minum:

Dapat dilihat dari skema di atas, proses koagulasi-flokulasi merupakan secondary treatment atau pengolahan tahap kedua dimana pengolahan tahap pertama dari proses pengolahan air adalah pengendapan padatan pada bak prasedimentasi. Pengendapan padatan pada bak prasedimentasi dan bak sedimentasi sedikit berbeda untuk jenis padatan yang akan diendapkan meskipun kedua-duanya sama-sama merupakan proses fisik yaitu memanfaatkan gaya gravitasi untuk mengendapkan padatan. Pada bak prasedimentasi padatan yang dapat diendapkan dinamakan partikel diskret yaitu partikel yang bisa diendapkan secara gravitasi dimana selama proses pengendapan partikel diskret tidak mengalami perubahan baik dari segi ukuran maupun bentuk partikel selama terjadinya proses pengendapan. Berbeda dengan bak sedimentasi, partikel yang diendapkan merupakan partikel koloid yang sebelumnya melalui proses koagulasi-flokulasi sehingga terbentuk flok-flok besar yang mudah untuk diendapkan dan selama proses pengendapan flok-flok akan mengalami perubahan ukuran masa jenis maupun bentuk akibat bergabung dengan flok lainnya. Mengapa partikel koloid tidak langsung saja diendapkan dalam bak sedimentasi?kenapa harus melalui proses koagulasi-flokulasi terlebih dahulu?untuk menjawabnya maka kita perlu untuk mempelajari apa itu partikel koloid?

Apa itu kolid?

Koloid adalah suatu campuran zat heterogen antara dua zat atau lebih di mana partikel-partikel zat yang berukuran koloid tersebar merata dalam zat lain. Ukuran koloid berkisar antara 1-100 nm ( 10-7 – 10-5 cm ).

Contoh: Mayones dan cat, mayones adalah campuran homogen di air dan minyak dan cat adalah campuran homogen zat padat dan zat cair.

Kenapa partikel kolid cenderung stabil?

Partikel tersuspensi sangat sulit mengendap langsung secara alami . Hal ini karena adanya stabilitas suspensi koloid. Stabilitas koloid terjadi karena: 

 Gaya van der Waals. Gaya ini merupakan gaya tarik-menarik antara dua massa, yang besarnya tergantung pada jarak antar keduanya. 

 Gaya Elektrostatik. Gaya elektrostatik adalah gaya utama yang menjaga suspensi koloid pada keadaan yang stabil. Sebagian besar koloid mempunyai muatan listrik. Oksida metalik umumnya bermuatan positif, sedangkan oksida nonmetalik dan sulfida metalik umumnya bermuatan negatif. Kestabilan koloid terjadi karena adanya gaya tolak antar koloid yang mempunyai muatan yang sama. Gaya ini dikenal sebagai zeta potensial. 

 Gerak Brown. Gerak ini adalah gerak acak dari suatu partikel koloid yang disebabkan oleh kecilnya massa partikel. 

Gaya van der Waals dan gaya elektrostatik saling meniadakan. Kedua gaya tersebut nilainya makin mendekati nol dengan makin bertambahnya jarak antar koloid. Resultan kedua gaya tersebut umumnya menghasilkan gaya tolak yang lebih besar. Hal ini menyebabkan partikel dan koloid dalam keadaan stabil. Dibawah ini merupakan grafik yang menunjukkan gaya-gaya yang terjadi pada koloid:

Dapat kita lihat dari grafik tersebut bahwa semakin jauh jarak sebuah partikel koloi terhadap partikel lainnya menyebabkan peningkatan gaya tarik yang diakibatkan oleh gaya van der waals sedangkan gaya tolak akan semakin turun seiring dengan bertambahnya jarak dan jika gaya tarik tarik lebih besar dari gaya tolaknya dapat dimungkinkan terjadinya proses penyatuan.

untuk lebih mempermudah memahami grafik tersebut mari kita analogikan dengan dua buah magnet yang saling dihadapkan kutubnya yang sama misalnya antara sesama kutub selatan. kemudian kita dekatkan masing-masing magnet satu sama lain. Magnet tentunya akan saling tolak-menolak dan semakin kita dekatkan maka gaya tolaknya akan  semakin besar dan saat kita jauhkan secara perlahan maka gaya tolak akan perlahan-lahan berkurang juga. Hal seperti itulah yang terjadi pada koloid kestabilan koloid juga salah satunya karena muatannya antara koloid yang satu dan yang lainnya sama. Kolid dapat bermuatan hal ini dapat terjadi akibat kolid dimana pukuran partikelnya yang kecil memiliki kecenderungan untuk menyerap air maupun muatan disekelilingnya sehingga muatannya akan sama dengan sekelilingnya dan dapat kita prediksi bahwa jika antar partikel koloid didekatkan maka kedua partikel pastilah tolak-menolak. Kondisi tersebut menyebabkan koloid menjadi sulit diendapkan secara alami. Berikut disajikan tabel kecepatan beberapa partikel untuk mengendap secara alami:

Koagulasi-Flokulasi
Berdasarkan penjelasan sebelumnya dapat diketahui bahwa partikel koloid bersifat stabil sehingga sulit untuk diendapkan secara alami. Andaikan pada proses pengolahan air minum dilakukan pengendapan secara alami untuk menurunkan kandungan partikel tersuspensi dalam air tentu kita akan memerlukan bak sedimentasi yang sangat besar hal ini disebabkan karena untuk mengendapkan partikel kolid diperlukan waktu yang sangat lama yaitu selama 8 tahun. Mengapa penulis katakan ukuran bak sedimentasi akan sangat besar, telah kita ketahui bahwa Volume merupakan fungsi dari debit air yang akan diolah dikalikan dengan waktu detensi atau waktu tinggal yang ditentukan sehingga kadar partikel kolid dapat diturunkan sehingga dapat sesuai dengan baku mutu air minum.
Koagulasi-flokulasi merupakan dua proses yang terangkai menjadi kesatuan proses tak terpisahkan. Pada proses koagulasi terjadi destabilisasi koloid dan partikel dalam air sebagai akibat dari pengadukan cepat dan pembubuhan bahan kimia (disebut koagulan). Akibat pengadukan cepat, koloid dan partikel yang stabil berubah menjadi tidak stabil karena terurai menjadi partikel yang bermuatan positif dan negatif. Pembentukan ion positif dan negatif juga dihasilkan dari proses penguraian koagulan. Proses ini berlanjut dengan pembentukan ikatan antara ion positif dari koagulan (misal Al3+) dengan ion negatif dari partikel (misal OH- ) dan antara ion positif dari partikel (misal Ca2+) dengan ion negatif dari koagulan (misal SO4 2- ) yang menyebabkan pembentukan inti flok (presipitat).
Segera setelah terbentuk inti flok, diikuti oleh proses flokulasi, yaitu pembentukan flok serta penggabungan inti flok menjadi flok berukuran lebih besar yang memungkinkan partikel dapat mengendap. Penggabungan flok kecil menjadi flok besar terjadi karena adanya tumbukan antar flok. Tumbukan ini terjadi akibat adanya pengadukan lambat. Berikut ini adalah gambaran dari proses koagulasi-flokulasi:

Proses koagulasi-flokulasi terjadi pada unit pengaduk cepat dan pengaduk lambat. Pada bak pengaduk cepat, dibubuhkan koagulan. Pada bak pengaduk lambat, terjadi pembentukan flok yang berukuran besar hingga mudah diendapkan pada bak sedimentasi. Koagulan yang banyak digunakan dalam pengolahan air minum adalah aluminium sulfat atau garam-garam besi. Kadang-kadang koagulan-pembantu, seperti polielektrolit dibutuhkan untuk memproduksi flok yang lebih besar atau lebih cepat mengendap. Faktor utama yang mempengaruhi proses koagulasi-flokulasi air adalah kekeruhan, padatan tersuspensi, temperatur, pH, komposisi dan konsentrasi kation dan anion, durasi dan tingkat agitasi selama koagulasi dan flokulasi, dosis koagulan, dan jika diperlukan, koagulan-pembantu. Pemilihan koagulan dan konsentrasinya dapat ditentukan berdasarkan studi laboratorium menggunakan jar test apparatus untuk mendapatkan kondisi optimum.

Reaksi kimia untuk menghasilkan flok adalah:

Pada air yang mempunyai alkalinitas tidak cukup untuk bereaksi dengan alum, maka perlu ditambahkan alkalinitas dengan menambah kalsium hidroksida.

Pada proses penambahan koagulan, pH atau derajat keasaman memegang peranan penting dalam menentukan efektivitas proses koagulasi-flokulasi selain itu pH juga menentukan kelarutan dari inti flok dalam hal ini contohnya adalah alum yang memiliki pH optimum berkisar antara 4 sampai dengan 8, karena pada rentang pH tersebut aluminium hidroksida relatif tidak larut. Selain itu derajat kekeruhan juga mempengaruhi efektivitas proses ini, jika kekeruhan cukup tinggi dan alkalinitas memenuhi maka proses ini dapat berjalan dengan baik, namun ada kalanya kekeruhan rendah namun masih melampaui baku mutu air minum dan alkalinitas cukup, pada kondisi ini proses koagulasi-flokulasi kurang efektif sehingga pada umumnya jika proses koagulasi-flokulasi dilakukan maka perlu dilakukan penambahan kekeruhan buatan seperti senyawa silika.

Berikut ini adalah grafik kelarutan Fe(III) pada suhu 25 Celcius.

Berikut ini juga disajikan tabel macam-macam koagulan:

Lumpur yang dihasilkan dalam proses ini yang sudah diendapkan dalam bak sedimentasi umumnya dapat dimanfaatkan kembali atau diregenerasi dengan cara penambahan asam kuat sehingga terjadi proses reaksi yang menghasilkan koagulan semula. Contohnya pada proses regenerasi lumpur besi atau Fe(OH)3 dimana lumpur tersebut akan ditambahkan dengan asam kuat Contohnya adalah H2SO4 sehingga menghasilkan koagulan Fe2(SO4)3 yang bisa dimanfaatkan kembali. Proses regenerasi lumpur ini sudah banyak diterapkan di banyak negara maju seperti Amerika Serikat yang banyak menggunakan koagulan Fe sebagai koagulan pada proses koagulasi-flokulasinya. Sedangkan di Indonesia proses regenerasi tersebut masih belum dilakukan.