Prapengolahan, pembersihan, sanitasi, dan pengawetan membran RO

Empat bulan setelah membran baru dipasang pada unit osmosis balik (RO) di gedung kantor sebuah hotel, pengelola gedung mengeluh air minumnya terasa berbeda. Teknisi mengukur TDS air hasil: beberapa kali lebih tinggi daripada saat pemasangan. Anehnya, alat ukur debit menunjukkan air bersih justru keluar lebih deras dari biasanya. Membran yang tersumbat seharusnya menurunkan debit, bukan menaikkannya. Catatan servis menjawab teka-teki itu: filter karbon tidak pernah diganti sejak unit dipasang. Klorin dari air PDAM lolos, mencapai lapisan aktif membran, dan merusaknya secara permanen.

Batas pembahasan

Bab ini membahas jenis kerusakan membran, prapengolahan menurut kontaminan, batas klorin, pembilasan filter karbon dan membran baru, pemicu dan jenis pembersihan, sanitasi, dan pengawetan. Bab 7 tentang normalisasi data kinerja dan diagnosis sistem RO memberi cara mengetahui kapan membran berubah; di sini dibahas mengapa membran berubah, bagaimana mencegahnya dengan prapengolahan, dan apa yang dapat dilakukan setelahnya: membersihkan, menyanitasi sistem, atau mengawetkan membran saat unit tidak dipakai. Kimia larutan, pH, dan lembar data keselamatan (SDS) secara umum ada di Bab 8 · Kimia tentang larutan, konsentrasi, dan pH dan Bab 10 · Kimia tentang SDS dan kelas fungsi produk. Desinfeksi air minum ada di Bab 3 tentang koagulasi, filtrasi, dan desinfeksi. Hierarki pengendalian, izin kerja, dan isolasi energi ada di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya dan energi tersimpan dan Bab 2 · Keselamatan tentang hierarki pengendalian dan izin kerja. Angka konsentrasi dalam bab ini adalah contoh dari panduan pabrikan membran, bukan resep kerja; yang berlaku adalah lembar data membran yang benar-benar terpasang.

Lima jalan kerusakan membran

Lapisan aktif poliamida yang menentukan rejeksi tebalnya kurang dari satu mikrometer dan berada di dalam celah aliran yang hanya sekitar satu milimeter, seperti dijelaskan di Bab 5 tentang osmosis balik. Gangguan pada salah satunya mengubah debit, salt passage, dan beda tekanan sepanjang membran dengan pola yang berbeda.

Pengotoran koloid (colloidal fouling) adalah penumpukan partikel halus seperti lumpur dan sedimen di permukaan membran dan di jaring pemisah umpan. Penyebab yang sering adalah filter sedimen yang dibiarkan mampet: pompa bekerja keras dan partikel halus terdorong lolos ke membran.

Kerak (scaling) adalah endapan kalsium, magnesium, dan ion lain yang terpekatkan di sisi konsentrat ketika melewati batas kelarutannya. Kerak karbonat paling sering muncul di elemen ujung buangan, tempat konsentrasi paling tinggi, terutama pada recovery tinggi.

Biofilm adalah lapisan lendir yang dibentuk bakteri saat menempel di membran; lapisan itu menaikkan beda tekanan dan menurunkan debit, sering disertai bau. Air yang diam lama di dalam membran memudahkan pertumbuhannya.

Oksidasi klorin (chlorine oxidation) adalah kerusakan lapisan aktif oleh klorin bebas. Poliamida tidak tahan oksidator kuat. Klorin bebas dalam air PDAM memutus ikatan polimer di lapisan aktif secara permanen; kerusakan ini tidak dapat dipulihkan dengan pembersihan. Ciri khasnya adalah TDS permeat naik bersamaan dengan debit permeat yang juga naik, seperti di kasus pembuka.

Serbuk karbon. Filter karbon aktif baru melepaskan serbuk hitam halus. Bila air dari filter baru langsung disambung ke membran tanpa dibilas, serbuk itu menyumbat celah jaring pemisah dan debit turun dalam beberapa hari.

Pola gejalanya dapat diringkas sebagai berikut, setelah data dinormalisasi terhadap suhu dan tekanan seperti di Bab 7.

Baris terakhir adalah satu-satunya pola dengan debit dan salt passage naik bersama. Pola itu menunjuk pada kerusakan lapisan aktif, sehingga tindakan yang benar adalah mencari sumber klorin dan mengganti membran, bukan membersihkannya.

Kecenderungan kerak dapat diperkirakan dari recovery. Untuk ion yang hampir seluruhnya tertolak, Bab 6 tentang recovery dan neraca konsentrat memberi kepekatan di sisi konsentrat

$$C_\text{c} \approx \frac{C_\text{f}}{1 - R}$$

dengan $C_\text{f}$ kesadahan air umpan dan $C_\text{c}$ kesadahan di sisi konsentrat dalam satuan yang sama, misalnya mg/L sebagai CaCO₃, dan $R$ recovery sebagai pecahan. Air umpan berkesadahan 150 mg/L sebagai CaCO₃ menjadi sekitar $150/(1 - 0{,}40) = 250$ mg/L pada recovery 40% dan sekitar $150/(1 - 0{,}67) \approx 455$ mg/L pada recovery 67%, sekitar tiga kali air umpan. Apakah angka itu membentuk kerak bergantung pada pH, alkalinitas, dan suhu, yang dinilai dengan Indeks Kejenuhan Langelier (LSI) di Bab 6; yang jelas dari hitungan ini adalah kecenderungannya naik seiring recovery. Pilihan pencegahannya menurunkan recovery, melunakkan air umpan, atau memakai antiscalant.

Prapengolahan menurut kontaminan

Prapengolahan (pretreatment) adalah pengolahan air baku sebelum masuk unit RO untuk menahan partikel, bahan kimia, dan penyebab kerak. Prapengolahan dipilih dari data air baku, bukan dari stok kartrid yang tersedia. Sebelum memasang atau merancang sistem, sampel air baku idealnya diuji di laboratorium resmi, misalnya laboratorium kesehatan daerah: TDS, pH, kekeruhan, besi dan mangan, klorin, dan mikroorganisme. Membran untuk air keran (TWRO) pada unit rumah tangga dan komersial kecil dirancang untuk air perpipaan atau air tanah ber-TDS di bawah sekitar 500 mg/L. Air di luar batas itu, atau yang membawa beban kimia berat, memerlukan tabung prapengolahan di depan unit RO.

Media prapengolahan menahan partikel, bahan kimia, dan penyebab kerak, tetapi tidak menurunkan salinitas. Air payau dan air laut memerlukan membran dan pompa kelas lain, seperti dijelaskan di Bab 5. Menjanjikan air tawar dari air payau dengan menambah tabung pasir, zeolit, dan karbon adalah janji yang tidak dapat dipenuhi.

Klorin dan filter karbon

Karbon aktif pada prafilter adalah pelindung membran, bukan perlengkapan tambahan. Lembar data pabrikan membran menyebut toleransi klorin bebas membran poliamida di bawah 0,1 ppm, dengan sasaran praktis tidak terdeteksi. Manual unit komersial contoh membatasi klorin air masuk 0,2 ppm, padahal standar air minum mewajibkan sisa klor 0,2 sampai 0,5 mg/L pada sistem yang memakai klorinasi. Artinya air PDAM dapat datang dengan klorin di atas batas masuk unit, dan tahap karbon harus cukup kapasitasnya serta diganti tepat waktu.

Jadwal penggantiannya: filter sedimen setiap 3 sampai 6 bulan, karbon butiran dan karbon blok setiap 6 sampai 12 bulan, karbon akhir setiap 6 sampai 12 bulan, dan membran 18 sampai 24 bulan menurut manual unit contoh (acuan umum industri 12 sampai 24 bulan). Interval dipercepat bila air keruh atau berklorin tinggi. Jadwal kalender ini adalah batas atas; data ternormalisasi dan uji klorin di keluaran karbon menunjukkan kapan penggantian diperlukan lebih awal.

Filter karbon baru dan membran baru

Setiap kali filter sedimen dan karbon diganti, air dari filter baru dialirkan langsung ke pembuangan selama 5 sampai 10 menit sebelum disambung ke masuk membran. Langkah ini membuang serbuk karbon sebelum sempat masuk ke celah membran.

Membran baru dikirim kering atau basah. Membran kering tidak berisi pengawet cair tetapi memerlukan fase pembasahan; selama fase itu debit bisa lebih rendah dan TDS awal sedikit lebih tinggi, sedangkan aliran buangan tidak terpengaruh. Membran basah disimpan dalam larutan pengawet, biasanya natrium metabisulfit, agar bakteri tidak tumbuh di dalam kemasan. Keduanya dibilas sebelum airnya dipakai: air 15 sampai 30 menit pertama dibuang, dan pada sistem bertangki satu tangki penuh pertama dibuang. Satu lembar data membran rumah tangga juga menyarankan tangki penuh pertama dibuang. Air yang tidak dibilas sering terasa getir atau berbau kimia.

Setelah pertama kali dibasahi, membran harus selalu lembap. Membran yang dilepas untuk sanitasi atau penyimpanan dimasukkan ke kantong bersih yang lembap, dan permukaannya tidak disentuh dengan tangan telanjang.

Kapan membersihkan, kapan mengganti

Keputusan membersihkan memakai data ternormalisasi, bukan data mentah. Pemicunya berasal dari panduan pembersihan pabrikan membran dan sama dengan pemicu di Bab 7: debit permeat ternormalisasi turun 10% atau lebih, salt passage ternormalisasi naik 5% atau lebih, atau beda tekanan ternormalisasi naik 15% atau lebih terhadap acuan. Menunda terlalu lama setelah pemicu tercapai membuat kotoran mengeras dan sulit dilepas.

Sebelum menyalahkan membran, prafilter dan suhu diperiksa lebih dahulu. Pembersihan kimia di tempat (clean-in-place, CIP) adalah pembersihan membran di dalam rumahnya dengan larutan yang diresirkulasi dari tangki larutan. Pada membran rumah tangga dan komersial kecil (ukuran 1812 sampai 3012), CIP jarang praktis karena memerlukan pompa resirkulasi, tangki larutan, serta pengendalian pH dan suhu. Untuk unit seperti ini, keputusan membersihkan atau mengganti ditimbang dari waktu henti dan biaya. Bila diganti, keempat membran unit contoh idealnya diganti bersamaan; bila tidak, umur dan posisi setiap membran dicatat agar kinerjanya dapat dilacak.

Larutan pembersih menurut jenis kotoran

Larutan pembersih dipilih menurut kotoran yang dominan. Larutan basa melepas kotoran organik dan biofilm; larutan asam melarutkan kerak karbonat; larutan reduktor atau asam melepas oksida besi dan mangan. Urutan yang umum adalah basa lebih dahulu lalu asam, kecuali kotoran dominan sudah pasti kerak atau logam. Tabel berikut disarikan dari panduan pabrikan membran, dan rincian konsentrasinya tidak sepenuhnya pasti.

Satu lembar data membran rumah tangga hanya mencantumkan pH operasi kontinu 2 sampai 11, suhu maksimum 35 °C untuk operasi kontinu di atas pH 10, dan toleransi klorin di bawah 0,1 ppm. Rentang pH pembersihan singkat, termasuk boleh tidaknya larutan pH 12, harus dicek pada lembar data membran yang terpasang sebelum larutan apa pun disiapkan.

Urutan pembersihan pada panduan pabrikan terdiri atas enam tahap: larutan disiapkan dengan air bebas klorin (permeat RO); larutan didorong ke membran dengan debit dan tekanan rendah sehingga hampir tidak ada permeat; konsentrat diresirkulasi ke tangki larutan; membran direndam sekitar satu jam, lebih lama untuk kotoran berat; larutan diresirkulasi dengan debit tinggi; lalu membran dibilas dengan air bebas klorin dan permeat awal dibuang. Urutan ini menjelaskan mengapa CIP memerlukan peralatan tersendiri. Bahan kimia dituang ke air, bukan sebaliknya, dan larutan bekas dinetralkan sebelum dibuang.

Sanitasi sistem

Sanitasi (sanitization) adalah pembunuhan mikroba di rumah filter, selang, tangki, dan keran unit RO. Disinfektan berbasis klorin, termasuk pemutih natrium hipoklorit, merusak poliamida, sehingga membran wajib dilepas sebelum sanitasi dengan klorin. Urutannya sebagai berikut:

1. Listrik dimatikan, keran umpan ditutup, dan tangki dikosongkan.
2. Semua kartrid prafilter dan membran dilepas; membran disimpan lembap di kantong bersih.
3. Larutan pemutih dimasukkan ke rumah filter tahap pertama menurut dosis manual unit.
4. Rumah filter dipasang tanpa kartrid, pasokan dibuka, dan larutan dialirkan sampai mengisi jalur dan tangki, lalu dibiarkan selama waktu kontak.
5. Larutan dikuras dan jalur dibilas sampai sisa klorin tidak terdeteksi dengan alat uji klorin.
6. Kartrid baru dipasang, karbon akhir diganti karena ikut menyerap klorin, lalu membran dipasang.
7. Dua sampai tiga tangki pertama dibuang; TDS dan sisa klorin diukur sebelum air dipakai.

Dosis dan waktu kontak mengikuti manual unit. Panduan sanitasi yang ada memakai angka yang sangat berbeda, dari sekitar 30 menit untuk sanitasi rutin rumah tangga sampai 2 sampai 3 jam untuk sanitasi pascabencana, sehingga tidak ada satu angka umum yang dapat dipindahkan ke unit lain. Pada unit berpompa dan bertangki internal, pompa dijalankan hanya sesingkat yang diperlukan untuk mengisi jalur, lalu unit dimatikan selama waktu kontak. Ketahanan sensor TDS dan alat ukur debit terhadap larutan klorin encer dicek di manual lebih dahulu.

Sanitasi dilakukan setahun sekali atau setiap kali seluruh filter diganti, ditambah setelah unit lama tidak dipakai, setelah ada pemberitahuan air tercemar, atau bila air mulai berbau.

Pengawetan saat unit tidak dipakai

Pengawetan membran (membrane preservation) adalah perendaman membran dalam larutan pengawet agar bakteri tidak tumbuh selama membran tidak dipakai. Selama unit tetap tersambung ke listrik dan air, bilas otomatis berkala membantu mencegah air diam terlalu lama di membran; pada unit contoh bilas itu berlangsung setiap 7,5 jam operasi. Untuk penghentian berminggu-minggu, membran direndam dalam larutan pengawet; panduan pabrikan membran memakai natrium metabisulfit 1% (berat). Sebelum dipakai lagi, pengawet dibilas, tangki penuh pertama dibuang, dan TDS permeat diukur.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Penanganan bahan kimia, sistem bertekanan, dan listrik tetap tunduk pada kondisi berhenti di bawah.

Contoh 1: membaca pola kerusakan. Dua unit diperiksa setelah datanya dinormalisasi. Unit P: debit ternormalisasi turun 14%, salt passage naik 2%, beda tekanan prafilter normal, dan endapan cokelat terlihat di rumah filter. Unit Q: debit ternormalisasi naik 20%, salt passage naik 150%, dan filter karbonnya terakhir diganti 14 bulan lalu. Unit P cocok dengan pengotoran oksida logam di elemen depan; pembersihan dengan jenis larutan reduktor atau asam dapat dipertimbangkan, dan prafilter besi-mangan diperbaiki. Unit Q cocok dengan oksidasi klorin; pembersihan tidak memulihkan lapisan aktif, sehingga karbon diganti, klorin di keluarannya diuji, lalu membran diganti.

Contoh 2: pemicu pembersihan. Debit ternormalisasi acuan 8,0 L/menit, sekarang 7,1 L/menit:

$$\frac{8{,}0 - 7{,}1}{8{,}0} = 0{,}1125 = 11{,}25\%$$

Pemicu 10% tercapai. Langkah berikutnya bukan langsung membersihkan, tetapi memastikan prafilter dan tekanan suplai normal, karena keduanya juga menurunkan debit ternormalisasi bila NDP tidak dikoreksi, seperti dijelaskan di Bab 7.

Contoh 3: air bilas saat ganti filter dan membran di hotel. Teknisi sebuah hotel mengganti filter sedimen dan karbon sekaligus memasang membran baru pada unit 800 GPD, yang menurut Bab 5 menghasilkan sekitar 2,1 L/menit. Air dari filter baru mengalir ke pembuangan sekitar 4,0 L/menit:

$$V_\text{filter} = 4{,}0 \times (5\ \text{sampai}\ 10) = 20\ \text{sampai}\ 40\ \text{L}, \qquad V_\text{membran} = 2{,}1 \times (15\ \text{sampai}\ 30) \approx 32\ \text{sampai}\ 63\ \text{L}$$

Seluruhnya sekitar 50 sampai 100 L air dibuang, jauh lebih murah daripada membran yang celahnya tersumbat serbuk karbon. Air bilas dialirkan dengan selang ke saluran, tidak ke tangki air minum. Pada sistem bertangki, tangki penuh pertama juga dibuang sebelum airnya dipakai.

Contoh 4: klorin di dapur hotel. Air PDAM di keran umpan dapur sebuah hotel berklorin 0,45 mg/L, di dalam rentang sisa klor 0,2 sampai 0,5 mg/L dan di atas batas masuk 0,2 ppm unit contoh; untuk air encer, 1 ppm setara 1 mg/L. Agar air yang mencapai membran di bawah 0,1 ppm, tahap karbon harus menurunkan klorin sedikitnya:

$$\frac{0{,}45 - 0{,}1}{0{,}45} \approx 78\%$$

Keluaran karbon terukur 0,05 mg/L pada bulan ketujuh dan 0,15 mg/L pada bulan kesepuluh. Angka bulan kesepuluh sudah di atas batas membran, sehingga karbon diganti saat itu juga walaupun jadwal kalender 6 sampai 12 bulan belum habis. Bila debit dan TDS permeat sudah naik bersama, membran juga diganti, karena oksidasi klorin tidak dapat dibersihkan.

Contoh 5: kerak di laundry hotel. Unit RO sebuah laundry hotel mengolah air sumur berkesadahan 180 mg/L sebagai CaCO₃ pada recovery 60%. Data ternormalisasi menunjukkan debit turun 12%, salt passage naik 8%, dan beda tekanan naik 6%, terutama di elemen ujung buangan. Kesadahan di ujung membran:

$$C_\text{c} \approx \frac{180}{1 - 0{,}60} = 450\ \text{mg/L}$$

Polanya cocok dengan kerak karbonat. Pemicu debit (10%) dan salt passage (5%) tercapai, pemicu beda tekanan (15%) belum. Jenis larutannya asam encer menurut panduan pabrikan, dicocokkan dengan batas pH lembar data; pada membran ukuran 3012 CIP jarang praktis, sehingga membersihkan atau mengganti ditimbang. Pencegahannya menurunkan recovery (pada 50% kesadahan ujung sekitar 360 mg/L), memasang pelunak, atau memakai antiscalant. Asam hanya ditangani dengan SDS, sarung tangan tahan kimia, pelindung mata, dan air bilas (kondisi berhenti butir 1 dan 2).

Contoh 6: biofilm di unit cadangan rumah sakit. Unit cadangan di sebuah rumah sakit, yang mempunyai pengukur tekanan masuk dan keluar membran, tidak dipakai selama 4 minggu dan airnya berbau. Beda tekanan ternormalisasi naik dari 0,50 menjadi 0,59 bar dan debit ternormalisasi turun dari 3,6 menjadi 3,2 L/menit:

$$\frac{0{,}59 - 0{,}50}{0{,}50} = 18\%, \qquad \frac{3{,}6 - 3{,}2}{3{,}6} \approx 11\%$$

Kedua pemicu (15% dan 10%) tercapai, dan bau menunjuk ke biofilm. Sistem disanitasi dengan membran dilepas (kondisi berhenti butir 3), dengan dosis dan waktu kontak menurut manual unit. Membran dibersihkan dengan jenis larutan basa menurut panduan pabrikan, setelah batas pH dan suhu lembar data dicek, atau diganti. Dengan tangki 40 L, dua sampai tiga tangki pertama, yaitu 80 sampai 120 L, dibuang sebelum TDS dan sisa klorin diukur.

Kondisi berhenti

Bagian ini berisi batas, bukan izin kerja. Pekerjaan dihentikan dan diserahkan kepada orang yang berwenang bila:

1. Bahan kimia asam, basa, atau hipoklorit akan ditangani tanpa SDS yang terbaca, tanpa sarung tangan tahan kimia dan pelindung mata, atau di tempat tanpa air bilas. Hipoklorit tidak pernah dicampur atau ditampung bersama asam karena campurannya melepaskan gas klorin, seperti dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan campuran berbahaya.
2. Larutan pembersih berada di luar rentang pH atau suhu lembar data membran yang terpasang, atau lembar data itu tidak tersedia.
3. Sanitasi dengan klorin akan dimulai sementara membran masih terpasang.
4. Sistem masih bertekanan: rumah filter, rumah membran, atau sambungan selang tidak dibuka sebelum pompa dimatikan, pasokan ditutup, dan tekanan dibuang menurut prosedur fasilitas dan Bab 1 · Keselamatan tentang energi tersimpan.
5. Listrik dekat air: ada genangan atau kebocoran di dekat pompa, solenoid, atau panel. Pasokan listrik dimatikan di panel lebih dahulu, dan pekerjaan listrik mengikuti bab keselamatan listrik, Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman, LOTO, izin kerja, dan kompetensi.
6. Larutan bekas akan dibuang ke saluran sebelum dinetralkan.
7. Air dari unit akan dipakai setelah membran baru dipasang, membran dibersihkan atau diawetkan, atau sistem disanitasi, padahal air bilas pertama yang ditetapkan bagian terkait belum dibuang, atau TDS dan sisa klorin setelah sanitasi belum diukur.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 5 tentang osmosis balik menjelaskan lapisan aktif poliamida dan celah aliran di elemen gulungan spiral. Bab 6 tentang recovery, rejeksi, dan neraca konsentrat menghitung pemekatan yang memicu kerak, dan Bab 7 tentang normalisasi data kinerja memberi data ternormalisasi dan pemicu tindakan. Bab 8 · Kimia tentang larutan dan pH dan Bab 10 · Kimia tentang SDS membahas pH, larutan, dan SDS; Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba dan kontaminasi membahas mikroba dan pengendaliannya. Bab 1 · Keselamatan tentang energi tersimpan dan Bab 2 · Keselamatan tentang izin kerja membahas energi berbahaya, izin kerja, dan verifikasi keadaan aman, dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman listrik menjadi acuan pekerjaan listrik. Bab 8 · Laundry tentang oksidator membahas bahaya mencampur pemutih klorin dengan asam, dan Bab 3 tentang koagulasi, filtrasi, dan desinfeksi membahas desinfeksi pada instalasi pengolahan air. Sesudah bab ini, Bab 13 tentang komisioning dan perawatan rutin unit RO memakai pembilasan kartrid dan membran baru serta jadwal penggantian yang dibahas di sini.

Latihan dan pembahasan