Pencegahan aliran balik: sifon balik, tekanan balik, sambungan silang, celah udara, pemutus vakum, katup periksa ganda, RPZ, dan dispenser kimia

Pipa utama penyedia air di depan sebuah rumah sakit pecah pada siang hari. Beberapa menit kemudian, petugas pantry di lantai dua melihat air dari keran berwarna kebiruan dan berbau deterjen. Penelusuran menemukan dua hal di ruang laundry lantai dasar. Pertama, selang dari dispenser kimia dibiarkan terendam di bak bilas yang berisi larutan. Kedua, dispenser itu disambung langsung ke pipa air minum tanpa alat pencegah aliran balik, karena "katup searah di dispenser sudah cukup".

Ketika tekanan pipa utama hilang, pipa di dalam gedung bertekanan di bawah atmosfer, dan larutan di bak tertarik masuk ke pipa air minum. Bab ini menjelaskan mengapa itu terjadi, bagaimana mencegahnya, dan alat mana yang cocok untuk bahaya yang mana.

Batas pembahasan

Bab ini membahas mekanisme aliran balik, sambungan silang dan penggolongan bahaya, fisika sifon balik, urutan perlindungan, celah udara, pemutus vakum, katup periksa ganda dan RPZ, pengujian, dan titik rawan di laundry dan dapur.

Celah udara dan permukaan luapan sudah diperkenalkan di Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan. Katup searah dan aliran balik di sisi dispenser ada di Bab 4 · Dispensing Kimia tentang dispenser mesin pencuci piring dan Bab 2 · Dispensing Kimia tentang dispenser venturi laundry, dan muai air di pemanas di Bab 12 tentang katup dan pengendalian air. Alat mana yang wajib untuk sambungan mana, jarak celah udara, tinggi pemasangan pemutus vakum, siapa yang boleh menguji alat, dan selang waktu pengujian diatur SNI 8153-2015, penyedia air setempat, dan petunjuk pabrik; angkanya tidak disalin.

Dua jenis aliran balik

Aliran balik (backflow) adalah aliran cairan dari sisi pemakaian kembali ke pipa air bersih, berlawanan dengan arah pasok. Ada dua jenis aliran balik:

1. Sifon balik (backsiphonage) adalah aliran balik karena tekanan di sisi pasok turun di bawah tekanan di sisi pemakaian, sampai di bawah tekanan atmosfer, sehingga cairan di sisi pemakaian tertarik masuk. Penyebabnya pipa utama pecah, pemadaman kebakaran yang menyedot debit besar dari jaringan, atau pompa di hulu yang berhenti. Pemakaian air yang relatif tinggi juga dapat menimbulkan sifon balik.
2. Tekanan balik (backpressure) adalah aliran balik karena tekanan di sisi pemakaian naik di atas tekanan pasok, sehingga cairan didorong masuk ke pipa air bersih. Contohnya kolom air tinggi di gedung bertingkat, pompa untuk sistem nonminum, dan pemuaian air saat dipanaskan; sistem nonminum dapat memiliki pompa yang menaikkan tekanannya.

Kedua jenis memerlukan sambungan fisik dan beda tekanan yang berbalik. Perlindungan yang dipilih harus sesuai dengan jenis yang mungkin terjadi di sambungan itu.

Sambungan silang dan penggolongan bahaya

Sambungan silang (cross-connection) adalah setiap sambungan, tetap atau sementara, antara pipa air minum dan sesuatu yang dapat mencemarinya. Satu buku teknik plumbing memberi contoh sambungan yang dianggap sambungan silang karena hilangnya tekanan di pipa pasok dapat menimbulkan sifon balik, dan mencatat bahwa lubang pada kumparan pemanas jarak jauh akan membentuk sambungan silang antara fluida pemanas dan air yang dipanaskan. Bahaya sambungan silang juga perlu diwaspadai ketika selang dipakai untuk membersihkan sumbatan.

Bahaya dari sambungan silang digolongkan menjadi bahaya rendah dan bahaya tinggi. Bahaya tinggi (high hazard) adalah bahaya yang dapat menimbulkan sakit atau kematian, misalnya air limbah dan bahan kimia, sedangkan bahaya rendah (low hazard) hanya mengganggu rasa atau warna. Larutan deterjen, alkali, asam, pemutih, dan bahan kimia pengolahan boiler di laundry dan dapur termasuk bahaya tinggi. Setiap fasilitas perlu dinilai untuk menentukan jenis perlindungan yang dibutuhkan.

Fisika sifon balik

Sifon balik bekerja karena tekanan atmosfer mendorong cairan ke daerah bertekanan lebih rendah. Bila tekanan di pipa air bersih turun menjadi $p$ (tekanan ukur negatif), cairan di wadah terbuka dapat naik ke pipa sampai setinggi

$h_\text{maks} = \frac{-p}{\rho g}$

di atas permukaannya, dengan $h_\text{maks}$ dalam m, $p$ dalam Pa, $\rho$ massa jenis cairan dalam kg/m³, dan $g = 9{,}81$ m/s². Batas teoretisnya adalah vakum sempurna. Vakum sempurna di permukaan laut hanya mampu menaikkan air sekitar 33,9 ft atau 10,33 m. Lengkung barometrik (barometric loop) adalah pipa yang naik minimal 35 ft lalu turun kembali, yang memanfaatkan batas itu.

Rumus di atas memberi angka yang sesuai: di permukaan laut, $101.325 / (998 \times 9{,}81) = 10{,}35$ m, sesuai 10,33 m, dan lengkung barometrik 35 ft $= 10{,}67$ m sedikit di atas batas itu. Di atas permukaan laut, tekanan atmosfer lebih rendah dan batasnya turun: di ketinggian sekitar 800 m, tekanan atmosfer sekitar 92 kPa, sehingga batasnya sekitar 9,4 m.

Akibat praktisnya, selang yang ujungnya terendam di bak berisi larutan pada lantai yang sama atau beberapa meter di atas titik terendah jaringan dapat tersedot ketika tekanan hilang, seperti pada kasus pembuka (Contoh 1). Bab 9 · Fisika tentang fluida statis memberi dasar tekanan kolom ini.

Urutan perlindungan dan celah udara

Metode perlindungan diurutkan dari yang paling kuat:

1. Celah udara, jarak terbuka antara lubang keluar dan permukaan luapan.
2. RPZ, alat prinsip tekanan berkurang: dua katup periksa yang bekerja sendiri-sendiri dan katup pelepas di ruang antara keduanya, dapat diuji, dengan tingkat perlindungan tertinggi di antara alat yang bersambungan fisik.
3. Katup periksa ganda, mirip RPZ tanpa katup pelepas.
4. Pencegah aliran balik dengan ven atmosferik antara, tersedia untuk ukuran kecil dan umum dipasang di saluran isi boiler.
5. Lengkung barometrik.
6. Pemutus vakum, jenis atmosferik atau bertekanan, yang wajib dipasang di atas permukaan luapan fixture yang dilindungi.

Alat pencegah aliran balik harus dipasang dengan benar dan dipakai pada kondisi hidraulik yang menjadi dasar rancangannya. Alat yang kuat tetapi salah pasang tidak memberi perlindungan.

Celah udara (air gap) adalah jarak tegak terbuka antara lubang keluar air bersih dan permukaan luapan fixture atau peralatan. Celah udara tidak punya bagian bergerak, sehingga tidak dapat aus, macet, atau bocor. Celah udara hanya perlu melindungi dari sifon balik, karena tanpa sambungan fisik tekanan balik tidak mungkin terjadi. Permukaan luapan (flood level rim) adalah titik tempat air meluap dari fixture atau peralatan. Jarak celah diukur tegak dari lubang keluar ke permukaan itu, dan ketentuan biasanya mengaitkannya dengan diameter lubang keluar (Latihan 3).

Kelemahannya praktis: air kehilangan tekanan setelah melewati celah, sehingga diperlukan tangki dan pompa bila air harus dialirkan lagi, dan celah dapat dihilangkan oleh orang yang menyambungkan selang ke lubang keluar. Celah udara pada buangan peralatan dibahas di Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan.

Pemutus vakum

Pemutus vakum atmosferik (atmospheric vacuum breaker) adalah pemutus vakum dengan pelampung atau katup yang menutup lubang udara ketika air mengalir, dan membukanya ketika tekanan turun sehingga udara masuk dan sifon terputus. Di bagian atasnya ada lubang yang memasukkan udara ke pipa. Jenis ini juga disebut pemutus vakum tak bertekanan, yang hanya melindungi dari sifon balik bahan pencemar.

Dua aturan pemasangan berasal dari cara kerja itu:

1. Tidak boleh berada di bawah tekanan terus-menerus. Tidak boleh ada katup di hilirnya, karena tekanan yang terus menahan pelampung membuatnya macet. Karena hanya melindungi dari sifon balik, jenis ini juga tidak dipakai di sambungan yang dapat mengalami tekanan balik.
2. Di atas permukaan luapan. Bila pemutus berada di bawah permukaan cairan, lubang udaranya terendam dan tidak dapat memasukkan udara.

Pemutus vakum bertekanan memakai pegas untuk membuka lubang udara dan boleh berada di bawah tekanan terus-menerus, tetapi tetap tidak melindungi dari tekanan balik. Pemutus vakum dipakai pada keran selang, pancuran tangan, bidet, dan katup siram kloset. Pedoman ASPE mencatat bahwa sebagian besar pabrik bidet menyediakan pemutus vakum atmosferik di dek bidet.

Katup periksa ganda dan RPZ

Katup periksa (check valve) adalah katup yang mencegah aliran berbalik di pipa. Satu katup periksa saja tidak dianggap pencegah aliran balik, karena dapat tertahan terbuka oleh kotoran atau ausnya dudukan tanpa terlihat.

Katup periksa ganda (double check valve assembly) adalah susunan dua katup periksa berurutan dengan katup uji, sehingga keduanya dapat diperiksa. Alat ini melindungi dari sifon balik dan tekanan balik untuk bahaya rendah. Pedoman ASPE mencatat bahwa bila sistem sprinkler tidak dianggap bahaya kesehatan, katup periksa ganda dapat dipakai.

RPZ (reduced pressure principle backflow preventer) adalah alat prinsip tekanan berkurang yang menambahkan katup pelepas di ruang antara kedua katup periksa. Katup periksa pertama menurunkan tekanan, sehingga ruang antara selalu bertekanan lebih rendah daripada hulu. Bila tekanan hulu turun atau tekanan hilir naik sehingga beda itu mengecil sampai batas tertentu, katup pelepas membuka dan membuang air ruang antara ke luar. Katup pelepas harus mampu membuang dengan laju tinggi bila salah satu katup periksa gagal menutup rapat, dan katup pelepas dapat membuka atau meneteskan air ketika tekanan berayun. Air yang keluar dari katup pelepas adalah tanda alat bekerja atau ada katup yang bocor, bukan gangguan yang boleh disumbat.

Akibat pemasangan yang perlu diperhatikan:

1. Rugi tekan. Kedua katup periksa menurunkan tekanan, sehingga tekanan di hilir RPZ lebih rendah dan perlu dimasukkan ke hitungan jalur terjauh di Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa (Contoh 3).
2. Buangan katup pelepas. Ruangan harus punya saluran lantai yang mampu menerima buangan penuh katup pelepas (Contoh 4).
3. Tidak terendam. Katup periksa ganda tidak punya masalah yang sama bila terendam, artinya RPZ tidak boleh dipasang di lubang atau bak yang dapat tergenang, karena lubang pelepasnya akan terendam.
4. Orientasi dan akses. Menurut pedoman ASPE, orientasi standar RPZ dan katup periksa ganda adalah mendatar, dengan ruang yang cukup untuk pengujian.

Pengujian dan pemeliharaan

Alat pencegah aliran balik yang dapat diuji harus diuji. Pedoman ASPE mencatat bahwa alat itu harus diuji dan disertifikasi sebelum dipakai, dan bahwa setelah pengujian awal, pengujian tahunan diwajibkan. Pengujian memakai alat ukur beda tekanan yang dipasang ke katup uji, dan memeriksa tiga hal: katup periksa pertama menahan beda tekanan, katup pelepas membuka pada beda tekanan yang ditetapkan, dan katup periksa kedua menahan aliran balik (Contoh 6). Prosedur, nilai batas, dan siapa yang berwenang menguji ditetapkan pabrik dan penyedia air.

Catatan uji disimpan bersama nomor seri, lokasi, dan tanggal. Alat yang meneteskan air terus dari katup pelepasnya, atau yang gagal uji, diperbaiki dengan suku cadang pabrik atau diganti; katup pelepas tidak boleh disumbat dan saluran pelepas tidak boleh diarahkan ke pipa buangan tertutup.

Titik rawan di laundry dan dapur

Ruang laundry dan dapur punya banyak sambungan antara air minum dan bahan kimia:

1. Dispenser bahan kimia. Dispenser pompa dan eduktor menyambung pipa air bersih dengan jeriken. Bab 2 · Dispensing Kimia tentang dispenser venturi laundry mencatat bahwa manual dispenser venturi menyebut alat pencegah aliran balik yang disetujui setempat mungkin diwajibkan di sisi air masuk, dan Bab 4 · Dispensing Kimia tentang dispenser mesin pencuci piring membahas titik injeksi di jalur bilas mesin pencuci piring. Katup searah di dispenser melindungi jeriken dan dispenser, bukan jaringan air minum.
2. Selang dengan nosel semprot. Selang yang ujungnya dibiarkan di ember, bak, atau saluran lantai adalah sambungan silang sementara yang paling sering.
3. Isi ulang boiler dan sistem pemanas. Air boiler berisi bahan kimia pengolahan dan bertekanan, sehingga saluran isi ulangnya memerlukan pencegah aliran balik untuk bahaya tinggi.
4. Mesin cuci dan mesin pencuci piring. Mesin memuat celah udara atau pencegah aliran balik buatan pabrik; sambungan tambahan di luar mesin tidak boleh melewatinya.
5. Unit RO dan pelunak air. Saluran buangannya memakai celah udara, seperti di Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Angka itu dipakai untuk menunjukkan cara hitung; nilai yang berlaku diambil dari ketentuan dan petunjuk pabrik.

Contoh 1: tinggi sifon saat pipa utama pecah. Tekanan di pipa gedung turun menjadi $-50$ kPa. Cairan dapat naik $50.000 / (1.000 \times 9{,}81) = 5{,}1$ m. Bak bilas laundry 3 m di atas titik terendah jaringan berada di dalam jangkauan itu, sehingga larutan di bak dapat tersedot ke pipa air minum melalui selang yang terendam.

Contoh 2: tekanan balik dari pompa nonminum. Pompa sirkulasi larutan kimia bekerja pada 4,0 bar, sedangkan pipa air minum yang tersambung ke tangkinya bertekanan 2,5 bar. Bila satu katup searah gagal, beda 1,5 bar mendorong larutan ke pipa air minum. Celah udara atau RPZ diperlukan; pemutus vakum tidak cukup karena ini tekanan balik.

Contoh 3: rugi tekan RPZ. Tekanan di pangkal cabang laundry 3,0 bar. RPZ ukuran cabang itu menurunkan 0,8 bar pada debit rencana, angka yang pada pekerjaan nyata dibaca dari kurva pabrik, sehingga di hilirnya tersisa 2,2 bar. Dengan rugi pipa 0,3 bar ke mesin terjauh, tekanan di mesin 1,9 bar. Bila mesin meminta minimal 2,0 bar, pemasangan RPZ membuat sambungan gagal, dan ukuran RPZ atau tekanan pasok perlu ditinjau perencana.

Contoh 4: buangan katup pelepas. RPZ yang gagal dapat membuang 1,5 L/s, angka yang pada pekerjaan nyata diambil dari data pabrik. Dalam 15 menit sebelum petugas datang, $1{,}5 \times 900 = 1.350$ L keluar. Ruang tanpa saluran lantai yang cukup akan tergenang; saluran lantai dan celah udara di bawah lubang pelepas harus mampu menerima debit itu.

Contoh 5: menggolongkan sambungan. Di satu laundry: keran bak cuci tangan (bahaya rendah, celah udara bawaan keran); dispenser kimia (bahaya tinggi); isi ulang boiler dengan bahan kimia (bahaya tinggi); keran selang di dinding (bahaya tinggi bila selang dipakai untuk bahan kimia, minimal pemutus vakum); mesin cuci dengan celah udara bawaan pabrik (dilindungi oleh mesin). Daftar ini menjadi dasar perencana memilih alat untuk setiap titik.

Contoh 6: membaca hasil uji RPZ. Alat ukur membaca tekanan hulu 3,0 bar dan ruang antara 2,4 bar: beda 0,6 bar. Bila prosedur pabrik meminta katup pelepas membuka pada beda yang lebih besar dari 0,2 bar, dan hasil uji menunjukkan katup itu membuka pada 0,25 bar, alat lulus untuk bagian itu. Bila beda di ruang antara turun ke 0,1 bar dan katup pelepas terus menetes, katup periksa pertama bocor dan perlu diperbaiki.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada penanggung jawab, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, bila:

1. Air keran berubah warna, bau, berbusa, atau terasa licin setelah gangguan tekanan. Hentikan pemakaian air minum di area itu, beri tahu penanggung jawab, dan ikuti prosedur pembilasan dan pengujian mutu air.
2. Dispenser kimia, pompa larutan, atau isi ulang boiler ditemukan tersambung ke pipa air minum tanpa alat pencegah aliran balik yang sesuai bahayanya.
3. Katup pelepas RPZ menetes terus, disumbat, atau saluran pelepasnya diarahkan ke pipa tertutup.
4. RPZ terpasang di lubang atau bak yang dapat tergenang, atau pemutus vakum atmosferik dipasang di bawah permukaan luapan atau dengan katup di hilirnya.
5. Alat pencegah aliran balik akan dilepas, dilewati dengan pipa pintas, atau diganti katup searah biasa agar tekanan naik.
6. Pengujian alat akan dilakukan oleh orang yang tidak berwenang menurut penyedia air, atau tanpa alat ukur beda tekanan yang dikalibrasi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan memberi celah udara dan permukaan luapan, dan Bab 4 · Dispensing Kimia tentang dispenser mesin pencuci piring dan Bab 2 · Dispensing Kimia tentang dispenser venturi laundry membahas aliran balik di sisi dispenser. Bab 9 · Fisika tentang fluida statis memberi tekanan kolom, Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa memberi rugi tekan di jalur terjauh, dan Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia memberi bahaya larutan yang dapat tersedot. Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba, kontaminasi, dan pengendalian membahas mikroba di air yang tercemar, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi dasar kondisi berhenti. Bab 12 tentang katup dan pengendalian air dan Bab 14 tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing melanjutkan tangki muai, katup pengaman, pembilasan, dan disinfeksi.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.