Filtrasi media dan karbon aktif: filter tekan, media dan ukuran butir, laju filtrasi, kehilangan tekanan, cuci balik, karbon aktif dan waktu kontak, dan filter besi-mangan

Sebuah hotel di pinggir kota memakai air sumur dalam untuk seluruh gedung, termasuk laundry-nya. Air sumur dipompa ke dua tabung filter tekan berdiameter 60 cm, satu berisi pasir dan satu berisi karbon aktif, lalu ke tangki atap. Setelah laundry menambah dua mesin cuci, linen putih mulai bernoda kekuningan, air di bak bilas tampak agak keruh pada siang hari, dan tamu mengeluhkan bau seperti tanah dari keran kamar.

Teknisi yang memeriksa menemukan beberapa hal sekaligus. Saat semua mesin laundry mengisi air, debit yang melewati filter sekitar 8 m³/jam, padahal filter itu dirancang untuk sekitar 3 m³/jam. Manometer masuk dan keluar filter pasir berselisih 0,9 bar. Katup otomatis cuci balik bekerja setiap dua minggu, tetapi pompa sumur hanya mampu memberi 3 m³/jam, terlalu kecil untuk mengembangkan pasir saat cuci balik, sehingga di dalam tabung terbentuk gumpalan lumpur. Dan karbon aktif belum pernah diganti sejak dipasang tiga tahun lalu. Bab ini menjelaskan cara kerja filter media dan karbon aktif, dan cara menghitung apakah ukurannya, cuci baliknya, dan medianya sesuai dengan pemakaian yang sebenarnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas filter media dan karbon aktif yang dipakai di gedung, laundry, dan prapengolahan air dari sisi teknisi: cara kerja, filter tekan, media, laju filtrasi, kehilangan tekanan, cuci balik, karbon aktif, waktu kontak, filter besi dan mangan, pengoperasian, dan gangguan. Nilai untuk unit tertentu diambil dari pembuatnya. Filtrasi di instalasi pengolahan air minum bersama koagulasi ada di Bab 3; klorin, filter karbon, dan filter kartrid untuk RO di Bab 8 tentang prapengolahan membran RO; air bahan baku laundry, besi, dan mangan di Bab 4 · Laundry; penyediaan air bersih gedung di Bab 5 · Bangunan & Fasilitas; pompa di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung; reaksi redoks di Bab 17 · Kimia; karakteristik padatan di Bab 16 tentang karakteristik air limbah.

Cara kerja filter media

Filtrasi (filtration) adalah proses melewatkan fluida melalui media berpori untuk menyisihkan padatan tersuspensi secara fisik. Ketika partikel tersuspensi tersangkut di antara butir media, aliran makin terhambat. Filter media bekerja di seluruh kedalaman lapisan, tidak hanya di permukaannya:

1. Penyaringan: partikel yang lebih besar dari celah antarbutir tertahan di bagian atas.
2. Pengendapan dan penempelan: partikel yang lebih kecil dari celah menabrak dan menempel di permukaan butir sepanjang jalannya ke bawah.
3. Penumpukan: makin lama, celah makin penuh, hambatan naik, dan sebagian partikel mulai lolos.

Karena itu, filter mempunyai siklus: bekerja sampai hambatannya terlalu tinggi atau air keluarannya mulai keruh, lalu dicuci balik untuk melepas partikel yang tertahan.

Filter tekan dan filter gravitasi

Filter gravitasi berupa bak terbuka tempat air mengalir turun karena beratnya sendiri, umum di instalasi air minum seperti di Bab 3. Filter tekan (pressure filter) adalah filter dalam tabung tertutup yang bekerja pada tekanan jaringan. Di gedung dan laundry, yang umum adalah filter tekan: tabung baja atau plastik bertulang serat yang menerima air dari pompa, sehingga air keluarannya dapat langsung dialirkan ke tangki atau pemakai.

Bagian filter tekan yang perlu dikenali:

1. Tabung dengan batas tekanan kerja yang tertera.
2. Distributor atas: menyebar air masuk supaya tidak menggali lubang di permukaan media.
3. Lapisan media dengan ruang kosong di atasnya untuk pengembangan saat cuci balik.
4. Pengumpul bawah: pipa berlubang atau nosel yang menahan media dan mengumpulkan air bersih.
5. Katup: katup manual beberapa jalan, katup putar banyak posisi, atau katup otomatis dengan pengatur waktu atau pengatur tekanan, dengan posisi kerja, cuci balik, bilas, dan pintas.
6. Manometer masuk dan keluar, yang selisihnya menunjukkan kehilangan tekanan di filter.

Filter dalam bermedia banyak menggantikan filter tekan bermedia tunggal.

Media dan ukuran butir

Media yang umum adalah pasir silika, antrasit, dan garnet; untuk tujuan khusus dipakai karbon aktif, media katalitik untuk besi dan mangan, atau resin penukar ion. Ukuran efektif (effective size) adalah ukuran ayakan yang meloloskan 10 persen berat media, dan koefisien keseragaman (uniformity coefficient) adalah perbandingan ukuran yang meloloskan 60 persen dengan ukuran efektif; keduanya menyatakan ukuran butir. Media yang seragam memberi celah yang lebih teratur dan cuci balik yang lebih merata.

Pada filter bermedia banyak, media ringan dan kasar seperti antrasit diletakkan di atas, dan media berat dan halus seperti pasir dan garnet di bawah. Partikel besar tertahan di atas dan partikel halus di bawah, sehingga seluruh kedalaman dipakai dan siklus filter lebih panjang. Urutan ini bertahan setelah cuci balik karena media yang lebih berat mengendap lebih dulu. Media yang tercampur, misalnya karena dipasang tanpa memperhatikan urutan, kehilangan kelebihan ini.

Laju filtrasi

Laju filtrasi (filtration rate) adalah debit per satuan luas permukaan filter:

dengan $Q$ dalam m³/jam dan $A$ dalam m², sehingga $v_f$ dalam m/jam. Laju filtrasi sebuah filter berada di antara 1,0 dan 1,5 gpm per ft², yaitu sekitar 2,4 sampai 3,7 m/jam karena 1 gpm per ft² sama dengan sekitar 2,44 m/jam, dan filter lain dinilai untuk laju normal 5 m/jam. Filter pasir tekan di gedung sering dirancang lebih tinggi, sekitar 8 sampai 12 m/jam. Angka yang dipakai untuk unit tertentu diambil dari pembuatnya.

Yang sering terlupa adalah debit sesaat. Filter dihitung pada debit terbesar yang benar-benar melewatinya, misalnya saat beberapa mesin laundry mengisi bersamaan, tidak pada debit harian dibagi 24 jam. Tangki penampung sebelum pemakai dapat meratakan debit itu, sehingga filter bekerja dengan debit yang lebih tenang.

Kehilangan tekanan, siklus filter, dan cuci balik

Kehilangan tekanan (pressure drop) adalah selisih tekanan antara manometer masuk dan keluar filter. Selisih tekanan di filter yang bersih kecil, lalu naik sedikit demi sedikit ketika partikel menumpuk. Bila penurunan tekanan melewati angka tertentu, cuci balik diperlukan. Angka itu ditetapkan pembuat; patokan yang sering dipakai adalah sekitar 0,5 bar di atas selisih saat bersih.

Siklus filter berakhir oleh salah satu dari tiga hal: selisih tekanan mencapai batas, air keluaran mulai keruh karena partikel menembus, atau waktu yang dijadwalkan habis. Filter dengan pengatur waktu saja dapat dicuci terlalu jarang pada musim air keruh dan terlalu sering pada musim air jernih; mencatat selisih tekanan dan kekeruhan membantu menyetel jadwalnya. Selisih tekanan yang tiba-tiba turun justru mencurigakan: media mungkin bocor ke pengumpul bawah atau aliran membuat saluran pintas di dalam lapisan.

Cuci balik (backwash) adalah pembersihan filter dengan mengalirkan air dari bawah ke atas dengan laju yang cukup untuk mengangkat dan mengembangkan lapisan media, sehingga butir saling bergesekan dan partikel yang tertahan terlepas lalu terbawa ke saluran buangan. Laju cuci balik dihitung dan dapat dinyatakan sebagai kecepatan naik air. Patokan yang umum:

1. Laju cuci balik: untuk pasir sekitar 30 sampai 50 m/jam, untuk antrasit dan karbon lebih rendah karena lebih ringan; sasarannya pengembangan lapisan sekitar 20 sampai 40 persen.
2. Lama: sekitar 5 sampai 15 menit, sampai air buangan cuci balik tampak jernih.
3. Bilas: aliran ke bawah sebentar ke saluran buangan, supaya lapisan tertata kembali sebelum air dialirkan ke pemakai.
4. Saluran buangan: harus dipastikan tersedia saluran buangan yang sanggup menerima laju cuci balik unit yang dipilih.

Cuci balik dengan laju yang terlalu kecil tidak mengembangkan media, sehingga kotoran menumpuk dan membentuk gumpalan. Keberadaan gumpalan lumpur di filter dapat diperiksa dengan pengujian. Laju yang terlalu besar membawa media keluar ke saluran buangan. Air buangan cuci balik membawa padatan pekat; di instalasi pengolahan, air cuci balik filter dibuang ke proses pengolahan lumpur. Di gedung, air ini dialirkan ke saluran yang sesuai menurut ketentuan setempat.

Karbon aktif

Karbon aktif (activated carbon) adalah karbon berpori sangat banyak dengan luas permukaan dalam yang sangat besar. Bahan organik terlarut, penyebab bau dan rasa, dan sebagian zat kimia menempel di permukaan pori. Adsorpsi (adsorption) adalah peristiwa menempelnya zat terlarut di permukaan padatan seperti pori karbon itu. Filter karbon aktif dipakai terutama di empat bidang, dan untuk keperluan tertentu dipakai mutu karbon khusus; adsorpsi dengan karbon aktif butiran atau filtrasi membran juga dipakai sebelum desinfeksi.

Dua pekerjaan karbon aktif perlu dibedakan:

1. Menghilangkan klorin: klorin bereaksi di permukaan karbon dan berubah menjadi klorida. Reaksinya cepat, sehingga waktu kontak beberapa menit sudah cukup, dan karbon bertahan lama untuk tugas ini. Pemakaian ini penting sebelum membran RO, seperti di Bab 8.
2. Menyerap bahan organik dan bau: lebih lambat, memerlukan waktu kontak lebih panjang, dan karbon jenuh lebih cepat. Karbon yang jenuh tidak lagi menyerap dan dapat melepas kembali sebagian yang sudah diserap.

Waktu kontak tabung kosong (empty bed contact time, EBCT) adalah volume lapisan karbon dibagi debit, dan menjadi ukuran yang dipakai untuk karbon aktif:

Patokan yang umum adalah sekitar 2 sampai 5 menit untuk menghilangkan klorin dan sekitar 10 sampai 20 menit untuk bahan organik. Karbon yang sudah menghilangkan klorin juga kehilangan perlindungan terhadap mikroba, sehingga bakteri dapat tumbuh di lapisan karbon; filter karbon yang jarang dicuci balik dan jarang dipakai dapat menjadi sumber bakteri, seperti dibahas untuk mikroba air di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi. Karbon diganti menurut umur atau hasil uji, tidak menunggu sampai bau muncul.

Filter besi dan mangan

Besi di air tanah sebagian besar berupa ferro bikarbonat. Besi dan mangan terlarut tidak tertahan filter pasir, karena belum berupa partikel. Keduanya harus dioksidasi lebih dulu menjadi bentuk yang mengendap, lalu partikelnya disaring:

1. Aerasi: oksigen udara mengoksidasi besi dengan cukup cepat pada pH mendekati netral; mangan jauh lebih lambat.
2. Oksidator kimia: klorin atau kalium permanganat yang didosis sebelum filter, dengan kebutuhan kira-kira 0,64 mg klorin atau 0,94 mg kalium permanganat per mg besi, dan 1,29 mg klorin atau 1,92 mg kalium permanganat per mg mangan. Reaksi redoks ini dijelaskan di Bab 17 · Kimia.
3. Media katalitik: media yang permukaannya membantu oksidasi dan menahan endapannya, yang perlu diregenerasi atau dijaga dengan oksidator menurut petunjuk pembuat.

Besi yang lolos ke laundry bereaksi dengan pemutih dan alkali dan meninggalkan noda kekuningan pada linen, seperti dibahas di Bab 4 · Laundry. Endapan besi juga menumpuk di filter jauh lebih cepat dari lumpur biasa, sehingga filter besi memerlukan cuci balik yang lebih sering.

Pengoperasian dan gangguan

Pemeriksaan yang umum:

1. Setiap hari atau setiap kunjungan: selisih tekanan, kekeruhan atau tampilan air keluaran, dan posisi katup.
2. Setelah cuci balik: air buangan menjadi jernih, tidak ada butir media di saluran buangan, dan selisih tekanan kembali ke angka bersih.
3. Berkala: ketinggian media diperiksa lewat lubang pemeriksaan, permukaan media dicari retakan, lubang, atau gumpalan, dan pengatur waktu katup otomatis dicocokkan dengan jam yang benar.
4. Karbon dan media khusus: umur dan hasil uji dicatat; diganti menurut jadwal pembuat.

Gangguan yang sering muncul:

1. Air keluaran keruh: laju filtrasi terlalu tinggi, media habis atau tercampur, cuci balik kurang, atau katup pintas terbuka.
2. Selisih tekanan naik cepat: air baku lebih kotor dari rancangan, besi tinggi, atau cuci balik tidak efektif.
3. Media di saluran buangan atau di keran: laju cuci balik terlalu tinggi atau pengumpul bawah rusak.
4. Bau dan rasa dari filter karbon: karbon jenuh atau ditumbuhi bakteri.
5. Gumpalan lumpur dan saluran pintas di media: cuci balik terlalu lemah atau terlalu jarang dalam waktu lama; media dibersihkan atau diganti.

Media filter di depan unit RO dapat tembus, dan media prapengolahan dianalisis untuk mencari pengotoran biologis. Gangguan di filter media sering baru terlihat di unit sesudahnya.

Contoh kerja

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

Contoh 1: laju filtrasi. Tabung berdiameter 0,6 m mempunyai luas $\pi \times 0{,}3^2 = 0{,}283$ m². Pada 3 m³/jam, $v_f = 3/0{,}283 = 10{,}6$ m/jam, dalam rentang filter pasir tekan. Pada 8 m³/jam saat semua mesin mengisi, $v_f = 8/0{,}283 = 28$ m/jam, hampir tiga kali rentang itu.

Contoh 2: ukuran filter yang diperlukan. Untuk 8 m³/jam pada 10 m/jam diperlukan luas 0,8 m², yaitu diameter $\sqrt{4 \times 0{,}8/\pi} = 1{,}01$ m. Pilihan lain adalah tangki penampung sebelum laundry, sehingga filter yang ada cukup mengisi tangki dengan 3 m³/jam selama hari kerja.

Contoh 3: debit cuci balik. Untuk pasir dengan laju cuci balik 35 m/jam, yang diambil dari rentang patokan di atas, tabung 0,283 m² memerlukan $35 \times 0{,}283 = 9{,}9$ m³/jam, sekitar 165 L/menit. Pompa sumur 3 m³/jam hanya memberi sekitar 10,6 m/jam, terlalu kecil untuk mengembangkan pasir.

Contoh 4: volume air cuci balik. Cuci balik 9,9 m³/jam selama 10 menit memakai 1,65 m³, ditambah bilas 3 m³/jam selama 5 menit, yaitu 0,25 m³. Setiap cuci balik membuang sekitar 1,9 m³, dan saluran buangan harus sanggup menerima 165 L/menit.

Contoh 5: waktu kontak karbon. Tabung karbon berdiameter 0,6 m dengan lapisan setebal 0,9 m berisi $0{,}283 \times 0{,}9 = 0{,}255$ m³ atau 255 L. Pada 3 m³/jam atau 50 L/menit, EBCT $= 255/50 = 5{,}1$ menit, cukup untuk menghilangkan klorin. Pada 8 m³/jam atau 133 L/menit, EBCT $= 255/133 = 1{,}9$ menit, di bawah patokan.

Contoh 6: dosis oksidator besi. Air sumur mengandung besi 2 mg/L dan laundry memakai 80 m³ per hari. Besi yang masuk $2 \times 80 = 160$ g/hari. Bila dioksidasi dengan klorin, kebutuhan sekitar $0{,}64 \times 2 = 1{,}3$ mg/L, yaitu sekitar $1{,}28 \times 80 = 102$ g klorin per hari, belum termasuk klorin yang dipakai bahan lain di air.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia, pemilik gedung, atau pembuat filter bila:

1. Tabung filter akan dibuka tanpa tekanan dibuang dan katup masuk serta keluar dikunci; isolasi energi berlaku untuk tekanan air.
2. Tabung menunjukkan retak, karat tembus, atau tekanan kerja jaringan melewati batas yang tertera.
3. Oksidator seperti klorin atau kalium permanganat akan didosis tanpa pompa dosis, alat pelindung, dan perhitungan.
4. Air dari filter dipakai sebagai air minum dan ada keluhan rasa, bau, atau hasil uji mikroba yang buruk.
5. Media akan diganti dengan jenis atau ukuran lain tanpa petunjuk pembuat.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi memberi filtrasi di instalasi air minum, dan Bab 8 tentang prapengolahan membran RO membahas filter karbon dan klorin sebelum RO. Besi dan mangan di air laundry dibahas di Bab 4 · Laundry tentang air sebagai bahan baku laundry, dan reaksi redoks oksidatornya di Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut. Penyediaan air bersih gedung ada di Bab 5 · Bangunan & Fasilitas tentang sistem penyediaan air bersih gedung, pompa di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung, padatan di Bab 16 tentang karakteristik air limbah, dan mikroba air di Bab 6 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba air dan pengujiannya. Bab 21 tentang pelunak dan penukar ion adalah bab berikutnya di rak ini.

Bab 29 tentang sirkulasi dan filtrasi kolam renang membahas filter pasir laju tinggi dan cuci baliknya. Manual yang dikutip bab itu mendasarkan debit rancangan filter kolam pada sekitar 48,8 m/jam, empat sampai enam kali rentang filter tekan gedung di bab ini, memakai satu manometer di badan katup, dan mengukur lama cuci balik dari kejernihan air buang di kaca intip, sehingga angka filter gedung di bab ini tidak dipakai untuk menilai filter kolam.

Latihan dan pembahasan