Sistem klorinasi: kebutuhan dan dosis klor, klor bebas dan terikat, titik patah, waktu kontak dan CT, larutan hipoklorit dan pompa dosis, deklorinasi, dan keselamatan

Sebuah hotel memakai air sumur bor yang dipompa ke tangki bawah, diklorinasi dengan pompa dosis larutan natrium hipoklorit, lalu dinaikkan ke tangki atap. Tamu di kamar lantai bawah mengeluh bau kaporit di kamar mandi. Air di lantai atas justru tidak mengandung sisa klor sama sekali, dan sampel dari kerannya gagal uji bakteri. Di laundry hotel yang sama, membran RO untuk air bilas akhir rusak dalam setahun.

Teknisi utilitas menemukan beberapa hal. Pompa dosis hanya bekerja ketika pompa sumur hidup, dan setelannya tidak pernah diubah selama setahun. Drum larutan hipoklorit disimpan di bawah atap seng yang panas selama tiga bulan. Sisa klor hanya diukur sebagai klor total di keran dekat tangki bawah. Air ke unit RO tidak dideklorinasi. Bab ini menjelaskan sistem klorinasi dari sisi dosis dan peralatan, sehingga teknisi dapat menghitung setelan, membaca hasil uji sisa klor, dan mengenali kapan klorinasi berbahaya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas klorinasi air bersih gedung, air sumur, dan efluen dari sisi dosis, peralatan, pemantauan, dan keselamatan. Cara kerja klorin terhadap mikroba, asam hipoklorit dan ion hipoklorit terhadap pH, serta klor bebas dan terikat dari sisi biologi ada di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi; pengujian mikroba dan sisa klor di titik pakai di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi; klorin tersedia dan titrasi redoks di Kimia 203; disinfeksi pipa saat komisioning di Bab 14 · Bangunan & Fasilitas; desinfeksi dalam alur pengolahan air di Bab 3; prapengolahan RO di Bab 8; reaktivitas dan campuran berbahaya di Kimia 219; dan lembar data keselamatan di Bab 6 · Keselamatan.

Sumbernya adalah narasi Teknik Air dan Lingkungan, terutama buku pegangan operasi instalasi air dan air limbah, buku pegangan penukar ion, dan buku matematika operator, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Sisa klor wajib di air minum, batas klor di efluen, dan syarat izin mengikuti peraturan yang berlaku; angkanya tidak disalin. Angka contoh adalah angka latihan, dan satuan Amerika di sumber diubah ke SI.

Untuk apa klorinasi dan di mana dilakukan

Buku pegangan operasi instalasi air dalam narasi menyebut bahwa kegunaan utama klorinasi adalah disinfeksi. Klorin juga mengoksidasi besi, mangan, dan hidrogen sulfida, serta menekan lendir di tangki dan pipa (nilai literatur umum). Keunggulan utamanya dibanding ultraviolet dan ozon adalah sisa klor yang tetap ada di pipa dan tangki sesudah titik injeksi. Buku yang sama memuat pertanyaan latihan tentang kelemahan ultraviolet, yaitu tidak meninggalkan sisa di jaringan pipa.

Buku pegangan penukar ion dalam narasi membedakan tempat klorinasi. Prakhlorinasi biasanya dilakukan di titik masuk air baku, dan pascaklorinasi adalah pemberian klor sesudah proses pengolahan lain. Di gedung, susunan yang umum adalah klorinasi sesudah filter dan sebelum tangki, sehingga tangki memberi waktu kontak. Air untuk RO, mesin kopi, dan beberapa proses laundry kemudian dideklorinasi di titik pakainya.

Kebutuhan klor, dosis, dan sisa

Klor yang dimasukkan ke air tidak semuanya tersisa. Sebagian habis bereaksi dengan zat organik, besi, mangan, sulfida, dan amonia; bagian ini disebut kebutuhan klor. Hubungannya:

semuanya dalam mg/L. Kebutuhan klor berubah bila mutu air berubah, misalnya air sumur yang keruh sesudah hujan atau besi yang naik. Karena itu setelan pompa dosis tidak pernah "selesai"; setelan diperiksa dengan mengukur sisa di titik yang menentukan.

Massa klor per hari dihitung dari debit dan dosis. Dosis 1 mg/L sama dengan 1 g/m³:

dengan $Q$ dalam m³/hari dan $D$ dalam g/m³, sehingga $m$ dalam g/hari. Buku matematika operator dalam narasi menekankan bahwa klorin yang ditambahkan ke suatu proses harus terukur jumlahnya, dan bahwa untuk mencari massa per hari, dosis klor harus ditentukan lebih dulu.

Klor bebas, klor terikat, dan titik patah

Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi menjelaskan bahwa klor bebas terdiri dari asam hipoklorit dan ion hipoklorit, sedangkan klor terikat adalah kloramin yang terbentuk dengan amonia dan senyawa nitrogen. Buku pegangan penukar ion dalam narasi mendefinisikan klor bebas sebagai klorin dalam bentuk cair atau gas, dalam arti klor yang belum bereaksi menjadi senyawa terikat.

Bila klor ditambahkan sedikit demi sedikit ke air yang mengandung amonia, sisa klor total mula-mula naik sebagai kloramin, lalu turun ketika klor tambahan menguraikan kloramin itu, dan baru naik lagi sebagai klor bebas sesudah melewati titik patah. Buku pegangan penukar ion dalam narasi menggambarkan kurva itu sampai air mencapai titik patah. Secara stoikiometri, titik patah memerlukan sekitar 7,6 mg klorin per mg nitrogen amonia (nilai literatur umum); dalam praktik lebih besar karena kebutuhan lain.

Akibat praktisnya:

1. Bau kaporit yang tajam sering menandakan kloramin, bukan klor bebas yang berlebih. Buku pegangan operasi instalasi air dalam narasi mencatat bahwa dosis klor yang tinggi dapat menimbulkan masalah rasa dan bau.
2. Klor total yang tinggi belum tentu cukup. Kloramin jauh lebih lemah sebagai disinfektan, sehingga air dapat berbau klor tetapi tetap gagal uji bakteri.
3. Yang diukur adalah klor bebas dan klor total. Selisihnya adalah klor terikat. Buku yang sama mencatat bahwa tersedia beberapa metode untuk menguji sisa klor; di lapangan yang lazim adalah komparator DPD dengan pereaksi terpisah untuk klor bebas dan klor total, seperti di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi.

Waktu kontak dan CT

Disinfeksi memerlukan konsentrasi dan waktu. Ukurannya adalah CT:

dengan $C$ sisa klor bebas di akhir kontak dalam mg/L dan $t_{10}$ waktu ketika 10 persen air sudah keluar dari tangki kontak, dalam menit. Buku matematika operator dalam narasi mencatat bahwa waktu tinggal sebenarnya adalah bagian T dari nilai CT. Waktu tinggal rata-rata $V/Q$ terlalu optimistis karena air di tangki tanpa sekat mengalir pintas. Faktor sekat $t_{10}/(V/Q)$ sekitar 0,1 untuk tangki tanpa sekat dan sekitar 0,5 sampai 0,7 untuk tangki bersekat baik (nilai literatur umum). CT yang dibutuhkan bergantung pada mikroba sasaran, suhu, dan pH; nilai yang berlaku diambil dari pedoman. Buku pegangan rancangan plumbing dalam narasi mengingatkan bahwa virus tertentu tahan terhadap klorinasi biasa, sehingga CT yang cukup untuk bakteri belum tentu cukup untuk semua patogen.

pH ikut menentukan. Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi menunjukkan bahwa pada pH 8 bagian asam hipoklorit jauh lebih kecil daripada pada pH 7. Air sumur yang basa memerlukan CT lebih besar untuk hasil yang sama.

Larutan hipoklorit, kalsium hipoklorit, dan klorin gas

Sumber klor di gedung hampir selalu natrium hipoklorit cair atau kalsium hipoklorit padat. Kadar klorin tersedia larutan natrium hipoklorit niaga sekitar 10 sampai 12 persen untuk kemasan industri dan sekitar 5 persen untuk pemutih rumah tangga; kalsium hipoklorit sekitar 65 sampai 70 persen (nilai literatur umum). Cara menghitung klorin tersedia ada di Kimia 203.

Larutan natrium hipoklorit terurai seiring waktu, lebih cepat pada suhu tinggi, cahaya, dan kadar awal tinggi (nilai literatur umum). Drum yang disimpan di bawah atap seng yang panas selama berbulan-bulan, seperti di kasus pembuka, kehilangan sebagian kekuatannya, sehingga setelan pompa yang sama memberi dosis lebih kecil. Larutan disimpan di tempat sejuk dan gelap, dibeli secukupnya, dan kadarnya diperiksa bila sisa klor turun tanpa sebab lain.

Buku pegangan operasi instalasi air dalam narasi membahas klorin gas di instalasi besar: klorin dimasukkan ke wadah sebagai cairan, klorin gas lebih berat dari udara dengan kerapatan uap sekitar 2,5, dan tabung klorin tidak boleh dipanasi dengan api langsung. Buku yang sama mencatat bahwa pembangkitan klorin di lokasi kini sudah praktis, dan buku pegangan penukar ion menyebut klorin dioksida sebagai gas sintetis kuning kehijauan berbau menyengat seperti klorin yang dibuat di lokasi pemakaian. Klorin gas dan klorin dioksida ditangani oleh instalasi dengan peralatan dan pelatihan khusus; bab ini tidak memberi prosedurnya.

Pompa dosis dan titik injeksi

Buku matematika operator dalam narasi mencatat bahwa pompa umpan kimia dikalibrasi dalam mililiter per menit. Setelan pompa dihitung dari debit air saat pompa dosis bekerja:

dengan $Q$ debit air dalam m³/jam, $D$ dosis dalam g/m³, dan $c_\text{tersedia}$ klorin tersedia larutan dalam g/L, sehingga $q$ dalam L/jam. Buku yang sama memuat soal pompa klorin yang mendosis larutan pemutih, dan buku pegangan rancangan plumbing menggambarkan pengendalian yang mengklorinasi aliran sampai sisa klor mencapai batas atas yang ditetapkan.

Hal yang menentukan apakah dosis sampai ke air:

1. Sinyal pompa dosis. Pompa dosis yang hanya hidup bersama pompa sumur memberi dosis sebanding debit sumur. Bila air juga masuk dari sumber lain, misalnya sambungan PDAM ke tangki yang sama, air itu tidak terklorinasi.
2. Titik injeksi dan pencampuran. Injeksi di pipa masuk tangki dengan aliran yang cukup bercampur lebih baik daripada injeksi ke permukaan tangki yang diam.
3. Udara dan gas di kepala pompa. Larutan hipoklorit melepaskan gas yang dapat mengunci pompa diafragma, seperti dibahas untuk pompa dosis di Bab 6 · Fluida & Termal.
4. Katup injeksi dan kerak. Ujung injeksi tersumbat kerak kalsium bila air sadah bertemu larutan basa.

Setelan di panel pompa dosis belum tentu sama dengan keluaran nyatanya. Pompa diafragma kehilangan keluaran karena katup bola yang aus atau kotor, gas di kepala pompa, dan tekanan balik di titik injeksi. Cara memeriksanya adalah kalibrasi dengan tabung ukur di sisi isap: pompa mengisap dari tabung bergaris selama waktu tertentu, lalu volume yang turun dibagi waktu memberi laju nyata dalam mL/menit. Cara kedua, yang dapat dilakukan setiap minggu, adalah membandingkan volume larutan yang terpakai dari drum dengan volume air yang tercatat di meteran. Bila keduanya menghasilkan dosis yang jauh dari rencana, pompa diperiksa sebelum setelannya diubah.

Laju penurunan sisa klor di tangki dan pipa berlangsung terus. Pendekatan orde pertama yang umum adalah $C = C_0 \, e^{-k t}$, dengan $k$ bergantung pada mutu air, suhu, dan bahan pipa (nilai literatur umum). Tangki atap besar yang airnya lama diam dapat menghabiskan sisa klor sebelum air sampai ke kamar terjauh, seperti di kasus pembuka. Susunan tangki dan pipa gedung ada di Bab 5 · Bangunan & Fasilitas.

Deklorinasi sebelum RO dan sebelum dibuang

Membran RO poliamida rusak oleh klor bebas, sehingga air umpan RO dideklorinasi, seperti dibahas di Bab 8. Buku pegangan operasi instalasi air dalam narasi menyebut adsorpsi karbon aktif granular dan filtrasi membran sebelum disinfeksi sebagai cara mengurangi zat pembentuk hasil samping disinfeksi; karbon aktif juga menyisihkan klor bebas, seperti di Bab 20. Cara kimianya adalah natrium bisulfit atau natrium tiosulfat, dengan kebutuhan teoretis sekitar 1,46 mg natrium bisulfit per mg klorin (nilai literatur umum) ditambah faktor keamanan.

Efluen IPAL yang diklorinasi juga mungkin harus dideklorinasi sebelum dibuang, karena klor sisa meracuni kehidupan air; batasnya mengikuti izin pembuangan dan dipantau seperti di Bab 23.

Pemantauan sisa klor

Rencana pemantauan klorinasi gedung yang sederhana (nilai literatur umum, disesuaikan pedoman yang berlaku):

1. Titik ukur: sesudah tangki kontak, di tangki atap, dan di keran terjauh atau yang paling jarang dipakai.
2. Yang diukur: klor bebas dan klor total, pH, dan bila perlu suhu.
3. Catatan: setelan pompa dosis, volume larutan terpakai, dan tanggal pembelian larutan, sehingga dosis nyata dapat dihitung dari pemakaian.
4. Tindakan: bila sisa klor bebas di titik terjauh di bawah target, periksa dulu pemakaian larutan dan kekuatannya, lalu titik injeksi, baru setelan pompa.

Keselamatan menangani klorin

Bahaya terbesar di gedung adalah mencampur hipoklorit dengan asam, misalnya pembersih kerak atau asam untuk menurunkan pH, yang melepaskan gas klorin, dan mencampurnya dengan amonia yang membentuk kloramin, seperti dijelaskan di Kimia 219. Larutan hipoklorit pekat juga merusak mata dan kulit. Akibat praktisnya:

1. Wadah hipoklorit dan wadah asam disimpan terpisah dan diberi label, dengan alat penuang masing-masing.
2. Penggantian drum dan pembersihan pompa dosis memakai pelindung mata dan sarung tangan yang sesuai lembar data keselamatan, seperti di Bab 6 · Keselamatan dan Bab 5 · Keselamatan.
3. Ruang pompa dosis berventilasi, karena gas klorin lebih berat dari udara dan berkumpul di bagian bawah.
4. Tumpahan diencerkan dan ditangani menurut lembar data, bukan dinetralkan dengan asam.

Contoh kerja

Contoh 1: massa klor dan larutan per hari. Debit air 60 m³/hari dan dosis 2 mg/L memberi $60 \times 2 = 120$ g klorin per hari. Dengan larutan berklorin tersedia 100 g/L (angka latihan), volume larutan $120/100 = 1{,}2$ L per hari.

Contoh 2: dosis dari kebutuhan dan sisa. Kebutuhan klor 1,3 mg/L dan sisa yang dituju 0,5 mg/L memberi dosis $1{,}3 + 0{,}5 = 1{,}8$ mg/L.

Contoh 3: setelan pompa dosis. Pompa sumur mengalirkan 6 m³/jam, dosis 1,8 mg/L, dan larutan 100 g/L. Laju larutan $6 \times 1{,}8/100 = 0{,}108$ L/jam, yaitu 108 mL/jam atau 1,8 mL/menit.

Contoh 4: titik patah. Air sumur mengandung nitrogen amonia 0,5 mg/L. Untuk melewati titik patah diperlukan sekitar $0{,}5 \times 7{,}6 = 3{,}8$ mg/L klorin, ditambah kebutuhan lain dan sisa bebas yang dituju. Dosis 1,8 mg/L di Contoh 2 tidak cukup, sehingga sisanya berupa kloramin yang berbau tetapi lemah.

Contoh 5: CT tangki kontak. Tangki 10 m³ dengan debit 20 m³/jam memiliki waktu tinggal rata-rata $10/20 \times 60 = 30$ menit. Tanpa sekat, dengan faktor 0,3 (angka latihan), $t_{10} = 0{,}3 \times 30 = 9$ menit. Dengan sisa klor bebas 0,5 mg/L, $\text{CT} = 0{,}5 \times 9 = 4{,}5$ mg·menit/L. Bila sasaran 15 mg·menit/L (angka latihan), sisa klor, waktu kontak, atau sekat harus ditambah.

Contoh 6: larutan yang melemah. Larutan dibeli 12 persen dan setelah tiga bulan di tempat panas tinggal 9 persen. Dosis yang sampai ke air hanya $9/12 = 0{,}75$ kali dosis rencana, sehingga setelan pompa harus dinaikkan $12/9 = 1{,}33$ kali, atau larutannya diganti dan disimpan di tempat sejuk.

Contoh 7: penurunan sisa di tangki atap. Sisa klor bebas keluar tangki bawah 0,8 mg/L, dan air rata-rata 2 jam di tangki atap dan pipa dengan $k = 0{,}5$ per jam (angka latihan). Sisa di keran $0{,}8 \times e^{-0{,}5 \times 2} = 0{,}8 \times e^{-1} = 0{,}29$ mg/L. Pada jam sepi dengan waktu tinggal lebih lama, sisanya mendekati nol.

Contoh 8: deklorinasi umpan RO. Air umpan RO 2 m³/jam dengan sisa klor 0,5 mg/L memerlukan natrium bisulfit teoretis $0{,}5 \times 1{,}46 = 0{,}73$ mg/L. Dengan faktor keamanan 2, dosisnya 1,46 mg/L, yaitu $2 \times 1{,}46 = 2{,}92$ g/jam atau sekitar 58 g per 20 jam operasi.

Contoh 9: kalsium hipoklorit. Kebutuhan 120 g klorin per hari dari Contoh 1 dipenuhi oleh kalsium hipoklorit berklorin tersedia 65 persen sebanyak $120/0{,}65 = 185$ g per hari.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Tercium bau klorin yang menyengat di ruang pompa dosis atau ruang tangki, atau ada orang yang batuk dan sesak.
2. Hipoklorit tertukar atau tercampur dengan asam atau amonia.
3. Pekerjaan memerlukan pembukaan tabung klorin gas atau peralatan klorin dioksida.
4. Sisa klor di titik terjauh nol dan sampel gagal uji bakteri; air dialihkan dari pemakaian minum menurut prosedur sampai sumbernya diperbaiki.
5. Tangki kontak atau tangki bawah harus dimasuki, seperti di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Bau kaporit berarti air aman." Bau tajam sering berasal dari kloramin yang lemah.
2. "Klor total sama dengan klor bebas." Selisihnya adalah klor terikat.
3. "Setelan pompa dosis tetap selamanya." Kebutuhan klor dan kekuatan larutan berubah.
4. "Larutan hipoklorit awet." Larutan terurai, terutama di tempat panas dan terang.
5. "Waktu tinggal tangki sama dengan waktu kontak." Aliran pintas membuat waktu kontak efektif jauh lebih pendek.
6. "Klor bebas tidak berbahaya untuk RO karena kadarnya kecil." Paparan terus-menerus merusak membran poliamida.
7. "Hipoklorit boleh dicampur pembersih apa pun." Campuran dengan asam atau amonia melepaskan gas beracun.

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi dan Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi membahas disinfektan dan pengujian mikroba, Kimia 203 klorin tersedia, Bab 14 · Bangunan & Fasilitas disinfeksi pipa, Bab 3 desinfeksi dalam alur pengolahan, Bab 8 prapengolahan RO, Kimia 219 dan Bab 6 · Keselamatan bahaya bahan kimia, Bab 20 karbon aktif, Bab 23 pemantauan efluen, Bab 5 · Bangunan & Fasilitas sistem air bersih gedung, Bab 5 · Keselamatan APD, dan Bab 6 · Fluida & Termal gas di pompa dosis. Bab 27 membahas air sumur yang menjadi sumber air banyak gedung.

Latihan dan pembahasan

1. Debit 40 m³/hari dengan dosis 1,5 mg/L dan larutan 120 g/L. Berapa gram klorin dan berapa liter larutan per hari?
2. Kebutuhan klor 0,9 mg/L dan sisa yang dituju 0,4 mg/L. Berapa dosisnya?
3. Debit 4 m³/jam, dosis 2 mg/L, dan larutan 50 g/L. Berapa setelan pompa dalam mL/menit?
4. Sisa klor bebas 0,6 mg/L dan $t_{10}$ 15 menit. Berapa CT?
5. Air berbau kaporit tajam tetapi gagal uji bakteri. Apa penjelasan yang mungkin, dan apa yang diukur?
6. Mengapa air umpan RO dan efluen yang diklorinasi perlu dideklorinasi?

Kunci jawaban beralasan

1. $40 \times 1{,}5 = 60$ g klorin per hari, dan larutannya $60/120 = 0{,}5$ L per hari.
2. $0{,}9 + 0{,}4 = 1{,}3$ mg/L, karena dosis harus memenuhi kebutuhan dan menyisakan sisa yang dituju.
3. $4 \times 2/50 = 0{,}16$ L/jam, yaitu 160 mL/jam atau sekitar 2,7 mL/menit.
4. $0{,}6 \times 15 = 9$ mg·menit/L, dibandingkan dengan CT yang disyaratkan pedoman untuk mikroba sasaran.
5. Klor bereaksi dengan amonia menjadi kloramin yang berbau tetapi lemah, sehingga klor bebasnya rendah walaupun klor totalnya tinggi. Yang diukur adalah klor bebas dan klor total; dosis dinaikkan sampai melewati titik patah atau sumber amonia dicari.
6. Klor bebas merusak membran RO poliamida, dan klor sisa di efluen meracuni kehidupan air serta dibatasi izin pembuangan; karbon aktif atau natrium bisulfit menghilangkannya.

Referensi