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 tentang disinfektan dan cara kerjanya; pengujian mikroba dan sisa klor di titik pakai di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba air dan pengujiannya; klorin tersedia dan titrasi redoks di Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut; disinfeksi pipa saat komisioning di Bab 14 · Bangunan & Fasilitas tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing; desinfeksi dalam alur pengolahan air di Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi; prapengolahan RO di Bab 8 tentang prapengolahan membran RO; reaktivitas dan campuran berbahaya di Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia; dan lembar data keselamatan di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Sisa klor wajib di air minum, batas klor di efluen, dan syarat izin mengikuti peraturan yang berlaku; bab ini tidak menyalin angkanya.

Untuk apa klorinasi dan di mana dilakukan

Klorinasi (chlorination) adalah pemberian klor ke air. Kegunaan utama klorinasi adalah disinfeksi. Klorin juga mengoksidasi besi, mangan, dan hidrogen sulfida, serta menekan lendir di tangki dan pipa. Keunggulan utamanya dibanding ultraviolet dan ozon adalah sisa klor (chlorine residual), yaitu klor yang tetap ada di pipa dan tangki sesudah titik injeksi. Kelemahan ultraviolet untuk disinfeksi adalah tidak meninggalkan sisa di jaringan pipa.

Tempat klorinasi juga dibedakan. Prakhlorinasi (pre-chlorination) biasanya dilakukan di titik masuk air baku, dan pascaklorinasi (post-chlorination) 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. Kebutuhan klor (chlorine demand) adalah bagian klor yang habis bereaksi dengan zat organik, besi, mangan, sulfida, dan amonia. 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. Klorin yang ditambahkan ke suatu proses harus terukur jumlahnya, dan untuk mencari massa per hari, dosis klor harus ditentukan lebih dulu.

Klor bebas, klor terikat, dan titik patah

Klor bebas (free chlorine) adalah klor yang berada sebagai asam hipoklorit dan ion hipoklorit, sedangkan klor terikat (combined chlorine) adalah kloramin yang terbentuk dengan amonia dan senyawa nitrogen, seperti dijelaskan di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi tentang disinfektan dan cara kerjanya. Klor bebas juga didefinisikan 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. Titik patah (breakpoint) adalah titik pada kurva klorinasi itu ketika sisa klor mulai naik lagi sebagai klor bebas; pada kurva, air akhirnya mencapai titik itu. Secara stoikiometri, titik patah memerlukan sekitar 7,6 mg klorin per mg nitrogen amonia; dalam praktik lebih besar karena kebutuhan lain.

Akibat praktisnya:

1. Bau kaporit yang tajam sering menandakan kloramin, bukan klor bebas yang berlebih. 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. 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 tentang mikroba air dan pengujiannya.

Waktu kontak dan CT

Disinfeksi memerlukan konsentrasi dan waktu. Nilai CT (CT value) adalah ukurannya, yaitu hasil kali sisa klor bebas dan waktu kontak:

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. 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 (baffling factor) adalah perbandingan $t_{10}/(V/Q)$; nilainya sekitar 0,1 untuk tangki tanpa sekat dan sekitar 0,5 sampai 0,7 untuk tangki bersekat baik. CT yang dibutuhkan bergantung pada mikroba sasaran, suhu, dan pH; nilai yang berlaku diambil dari pedoman. Virus tertentu tahan terhadap klorinasi biasa, sehingga CT yang cukup untuk bakteri belum tentu cukup untuk semua patogen.

pH ikut menentukan. Seperti ditunjukkan di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi, 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. Cara menghitung klorin tersedia ada di Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut.

Larutan natrium hipoklorit terurai seiring waktu, lebih cepat pada suhu tinggi, cahaya, dan kadar awal tinggi. 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.

Instalasi besar memakai klorin gas: 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. Pembangkitan klorin di lokasi kini sudah praktis, dan klorin dioksida adalah 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, titik injeksi, dan pemantauan sisa klor

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. Pompa klorin dapat mendosis larutan pemutih, dan pada cara pengendalian lain aliran diklorinasi 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 gelembung di pompa dosis di Bab 6 · Fluida & Termal tentang udara dan gas di jalur cairan.
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. 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 tentang sistem penyediaan air bersih gedung.

Karena itu sisa klor dipantau di beberapa titik, bukan hanya dekat titik injeksi. Rencana pemantauan klorinasi gedung yang sederhana, disesuaikan dengan 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.

Deklorinasi sebelum RO dan sebelum dibuang

Deklorinasi (dechlorination) adalah penghilangan klor sisa dari air sebelum air itu dipakai atau dibuang. Membran RO poliamida rusak oleh klor bebas, sehingga air umpan RO dideklorinasi, seperti dibahas di Bab 8 tentang prapengolahan membran RO. Adsorpsi karbon aktif granular dan filtrasi membran sebelum disinfeksi dipakai untuk mengurangi zat pembentuk hasil samping disinfeksi; karbon aktif juga menyisihkan klor bebas, seperti di Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif. Cara kimianya adalah natrium bisulfit atau natrium tiosulfat, dengan kebutuhan teoretis sekitar 1,46 mg natrium bisulfit per mg klorin 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 tentang pemantauan efluen dan operasi harian IPAL.

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 Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia. 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 tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi dan Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri.
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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: 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 2: 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 1 tidak cukup, sehingga sisanya berupa kloramin yang berbau tetapi lemah.

Contoh 3: 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, $t_{10} = 0{,}3 \times 30 = 9$ 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, sisa klor, waktu kontak, atau sekat harus ditambah.

Contoh 4: 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 5: 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. 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 6: 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.

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

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi tentang disinfektan dan cara kerjanya serta Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba air dan pengujiannya membahas disinfektan dan pengujian mikroba. Klorin tersedia dihitung di Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut, disinfeksi pipa dibahas di Bab 14 · Bangunan & Fasilitas tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing, dan desinfeksi dalam alur pengolahan di Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi. Prapengolahan RO ada di Bab 8 tentang prapengolahan membran RO, dan karbon aktif di Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif. Pemantauan efluen ada di Bab 23 tentang pemantauan efluen dan operasi harian IPAL, dan sistem air bersih gedung di Bab 5 · Bangunan & Fasilitas tentang sistem penyediaan air bersih gedung.

Sisi keselamatan bersambung ke Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia, Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi, Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri, dan Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas. Gas di pompa dosis dibahas di Bab 6 · Fluida & Termal tentang udara dan gas di jalur cairan. Bab 27 tentang air tanah dan sumur bor membahas air sumur yang menjadi sumber air banyak gedung.

Latihan dan pembahasan