Recovery, rejeksi, dan neraca konsentrat RO

Pemilik sebuah restoran melihat selang buangan di belakang unit osmosis balik (reverse osmosis, RO) di dapurnya mengalirkan air hampir sederas selang air bersih. Merasa rugi, ia menjepit ujung selang buangan dengan klem agar "air tidak terbuang". Ketika teknisi datang untuk servis rutin, alat ukur debit air bersih menunjukkan 2,1 L/menit, sedangkan tampungan air buangan selama satu menit hanya sekitar 1 liter. Angka itu berarti lebih dari dua pertiga air yang masuk berubah menjadi air bersih. Kedengarannya efisien, tetapi bagi membran artinya garam dan kapur di sisi buangan menjadi tiga kali lebih pekat daripada air baku.

Batas pembahasan

Bab ini membahas recovery, rejeksi, dan salt passage; neraca air dan neraca garam; faktor pemekatan; batas recovery per elemen dan per sistem; risiko kerak pada tingkat konsep; pengukuran recovery di lapangan; pemanfaatan ulang konsentrat menurut TDS; serta penampungan dan pembuangan. Bab 5 tentang osmosis balik menjelaskan mekanisme membran dan NDP, termasuk mengapa sebagian aliran harus terus keluar sebagai konsentrat agar garam tidak menumpuk di permukaan membran. Di sini besaran itu dihitung: berapa bagian air umpan yang boleh menjadi permeat, berapa pekat sisanya, bagaimana mengukurnya di lapangan, dan ke mana air buangan itu boleh pergi.

Normalisasi data ada di Bab 7 tentang normalisasi data kinerja dan diagnosis sistem RO, sedangkan prapengolahan dan pembersihan ada di Bab 8 tentang prapengolahan, pembersihan, sanitasi, dan pengawetan membran. Perancangan dosis antiscalant tidak dibahas di buku ini. Konsentrasi dan beban dibahas di Bab 1 tentang mutu air, perkiraan TDS dari konduktivitas di Bab 23 · Kimia tentang kimia analitik lapangan, dan mutu air limbah secara umum di Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah.

Tiga besaran kinerja

Unit RO membagi air umpan menjadi dua aliran. Permeat (permeate) adalah air yang menembus membran, sedangkan konsentrat (concentrate) adalah air yang tidak menembus membran dan membawa sebagian besar garam keluar. Recovery (recovery rate) adalah perbandingan debit permeat terhadap debit umpan:

$$R = \frac{Q_\text{p}}{Q_\text{f}}$$

$Q_\text{p}$ adalah debit permeat dan $Q_\text{f}$ debit umpan, dalam satuan yang sama, misalnya L/menit. Recovery 0,40 atau 40% berarti 40 dari setiap 100 liter air umpan menjadi permeat dan 60 liter keluar sebagai konsentrat.

Rejeksi (salt rejection) adalah kemampuan membran menahan garam, dihitung dari TDS umpan $C_\text{f}$ dan TDS permeat $C_\text{p}$, keduanya dalam mg/L:

$$\text{rejeksi} = 1 - \frac{C_\text{p}}{C_\text{f}}$$

Kebalikannya adalah salt passage (salt passage, SP), bagian garam umpan yang lolos ke permeat: $SP = 1 - \text{rejeksi} \approx C_\text{p}/C_\text{f}$. Membran yang sehat pada unit rumah tangga dan komersial kecil memiliki rejeksi di atas 95%. Sebagai contoh, umpan 280 mg/L dan permeat 12 mg/L memberi rejeksi $1 - 12/280 = 0{,}957$ atau 95,7%, dan salt passage 4,3%.

Kedua besaran ini dibaca bersama. Recovery menjelaskan pembagian air, rejeksi menjelaskan pembagian garam. Membran dengan rejeksi tinggi tetapi recovery terlalu tinggi tetap dapat rusak oleh kerak, sedangkan recovery yang rendah tidak memperbaiki membran yang rejeksinya sudah turun.

Neraca air dan neraca garam

Air tidak hilang di dalam membran, sehingga neraca airnya sederhana:

$$Q_\text{f} = Q_\text{p} + Q_\text{c}$$

dengan $Q_\text{c}$ debit konsentrat. Neraca yang sama berlaku untuk garam: beban garam yang masuk sama dengan jumlah beban yang keluar di permeat dan konsentrat. Beban adalah hasil kali debit dan konsentrasi, $QC$, misalnya dalam mg/menit:

$$Q_\text{f} C_\text{f} = Q_\text{p} C_\text{p} + Q_\text{c} C_\text{c}$$

Dengan $Q_\text{p} = R\,Q_\text{f}$, $Q_\text{c} = (1 - R)\,Q_\text{f}$, dan $C_\text{p} = SP \cdot C_\text{f}$, persamaan itu dapat diselesaikan untuk konsentrasi konsentrat:

$$C_\text{c} = C_\text{f}\,\frac{1 - R \cdot SP}{1 - R}$$

Rumus ini menganggap aliran tunak, tidak ada kebocoran, dan TDS mewakili garam yang dihitung. Untuk rejeksi tinggi, suku $R \cdot SP$ kecil, sehingga konsentrat kira-kira lebih pekat dengan faktor pemekatan. Faktor pemekatan (concentration factor, CF) adalah perbandingan kepekatan konsentrat terhadap kepekatan umpan:

$$CF \approx \frac{1}{1 - R}$$

Faktor ini menjelaskan mengapa recovery tidak dapat dinaikkan sesuka hati. Pada recovery 40%, konsentrat sekitar 1,7 kali lebih pekat daripada umpan; pada 50%, dua kali; pada 67%, sekitar tiga kali. Tabel berikut memakai TDS umpan 300 mg/L dan rejeksi 98% per 100 L permeat.

Menaikkan recovery dari 40% ke 67% memangkas volume konsentrat menjadi sepertiganya, tetapi hampir menggandakan kepekatannya. Penghematan air dibayar dengan konsentrasi garam yang lebih tinggi di ujung membran.

Batas recovery per elemen dan per sistem

Satu elemen membran umumnya dibatasi pabrikan pada recovery sekitar 15 sampai 20% per elemen. Unit yang memerlukan recovery sistem lebih tinggi membagi beban ke beberapa elemen, sehingga tiap elemen tetap bekerja dalam batasnya. Itu sebabnya satu unit komersial kecil kelas 800 GPD memakai empat elemen.

Recovery sistem yang wajar bergantung pada rancangan unit dan pada kimia air umpan. Tabel berikut merangkum angka umum industri.

Angka recovery yang beredar sekilas bertentangan: recovery mesin kecil ada yang disarankan tidak melebihi 40%, unit komersial ada yang memakai angka acuan 50% sampai hasil ukur tersedia, dan rentang industri sampai 80%. Angka-angka itu tidak dapat dipilih salah satu sebagai aturan umum. Yang membedakannya adalah syaratnya: kesadahan dan silika air umpan, ada tidaknya pelunak atau antiscalant, jumlah elemen, dan rancangan pabrikan. Tanpa data itu, pilihan yang aman adalah memulai dari recovery rendah, mengukurnya, lalu menaikkan bertahap sambil memantau data ternormalisasi menurut Bab 7.

Risiko kerak di ujung membran

Kalsium, magnesium, bikarbonat, sulfat, dan silika ikut terpekatkan bersama garam lain. Konsentrasinya paling tinggi di ujung akhir elemen, tepat sebelum air keluar sebagai konsentrat. Bila kepekatannya melewati batas kelarutan, mineral mengendap sebagai kerak di permukaan membran. Dengan faktor pemekatan yang sama, air umpan berkesadahan 150 mg/L sebagai CaCO₃ menjadi sekitar $150/0{,}60 = 250$ mg/L di sisi konsentrat pada recovery 40%, dan sekitar $150/0{,}33 \approx 455$ mg/L pada recovery 67%.

Indeks Kejenuhan Langelier (Langelier Saturation Index, LSI) adalah indeks yang biasa dipakai untuk menilai kecenderungan kalsium karbonat membentuk kerak. Nilai negatif berarti air cenderung melarutkan kerak karbonat, nilai positif berarti cenderung mengendapkannya. Karena konsentrat lebih pekat, LSI di ujung membran selalu lebih tinggi daripada LSI air umpan. Air umpan yang tampak aman belum tentu aman di ujung membran. Menghitung LSI memerlukan pH, alkalinitas, kalsium, TDS, dan suhu yang terukur; bab ini tidak memberi angka batas kesadahan tunggal karena batas itu bergantung pada semua besaran tersebut.

Pilihan pengendaliannya ada tiga: menurunkan recovery, melunakkan air umpan dengan resin penukar kation, atau menambahkan antiscalant dengan pompa dosis. Antiscalant (antiscalant) adalah bahan kimia yang ditambahkan ke air umpan dengan pompa dosis untuk mengendalikan kerak. Pada praktik industri, recovery di atas sekitar 60% disertai antiscalant, sedangkan untuk mesin kecil tanpa pompa dosis pilihan yang lebih praktis adalah tetap di sekitar 50% atau memasang pelunak sebelum RO. Bila data ternormalisasi menunjukkan debit permeat turun cepat setelah recovery dinaikkan, setelan dikembalikan ke posisi sebelumnya.

Mengukur recovery di lapangan

Recovery yang tertulis di brosur adalah angka rancangan. Recovery sebenarnya bergantung pada tekanan masuk, suhu, setelan katup atau pembatas konsentrat, dan kondisi membran, sehingga perlu diukur. Pengukurannya tidak memerlukan alat khusus selain stopwatch dan wadah berskala:

1. Jalankan unit dalam produksi stabil sekurang-kurangnya 10 menit setelah siklus bilas otomatis selesai, dengan tangki belum penuh.
2. Catat debit permeat dari alat ukur debit dan suhu air.
3. Tampung air dari selang buangan ke gelas ukur atau ember berskala selama tepat 1 menit. Ulangi tiga kali dan pakai rata-ratanya sebagai $Q_\text{c}$.
4. Hitung $R = Q_\text{p}/(Q_\text{p} + Q_\text{c})$.
5. Ukur TDS umpan, permeat, dan konsentrat, lalu bandingkan TDS konsentrat terukur dengan hasil neraca garam. Selisih yang besar menandakan alat ukur TDS perlu dikalibrasi atau debit terukur salah.
6. Catat seluruh angka sebagai baseline unit.

Jangan menampung air buangan saat solenoid bilas terbuka. Pada saat itu jalur konsentrat terbuka penuh, debitnya jauh lebih besar, dan recovery akan tampak terlalu rendah.

Untuk unit dengan debit permeat 2,1 L/menit, hasil tampung satu menit dapat langsung dibaca seperti tabel berikut.

Kasus restoran di pembuka berada di baris pertama: $2{,}1/(2{,}1 + 1{,}0) \approx 68\%$.

Pemanfaatan ulang konsentrat

Konsentrat dari unit yang mengolah air PDAM atau air sumur berisi mineral air baku yang terpekatkan. Klorin tidak ikut terpekatkan secara berarti karena sebagian besar sudah diserap tahap karbon sebelum membran. Keputusan memanfaatkannya kembali sebaiknya didasarkan pada TDS terukur. Kelas pemanfaatan di tabel berikut memakai batas salinitas air irigasi pedoman FAO (Ayers dan Westcot, 1985).

Untuk menilai tanaman tertentu, TDS dikonversi kasar ke daya hantar listrik air irigasi: $\text{TDS} \approx 640 \times \text{EC}$, dengan TDS dalam mg/L dan EC dalam dS/m. Ambang EC sebelum hasil panen mulai turun menurut FAO antara lain 0,7 dS/m untuk kacang buncis, 0,8 untuk bawang, 0,9 untuk selada, 1,1 untuk jagung dan jeruk, 1,7 untuk tomat dan mentimun, 2,0 untuk padi, dan 4,6 untuk rumput bermuda.

Ada dua larangan yang berlaku untuk semua kelas. Konsentrat tidak dipakai untuk diminum, memasak, atau memandikan bayi. Konsentrat juga tidak dialirkan kembali ke umpan RO, karena itu menaikkan TDS umpan dan tekanan osmotik, sehingga membran bekerja pada air yang makin pekat.

Penampungan dan pembuangan

Wadah penampung konsentrat perlu tertutup dan tidak tembus cahaya agar alga tidak tumbuh dan nyamuk tidak bertelur. Wadah dipakai habis atau dikuras sekurang-kurangnya seminggu sekali. Angka seminggu ini mengikuti pedoman 3M Plus, karena siklus nyamuk Aedes dari telur sampai dewasa sekitar 9 sampai 10 hari. Celah udara (air gap) adalah jarak terbuka antara ujung selang buangan dan permukaan air wadah atau saluran. Ujung selang buangan dipasang dengan celah udara di atas permukaan air wadah atau saluran, tidak terendam, agar air kotor tidak dapat tersedot balik ke unit. Wadah perlu saluran luapan ke drainase, dan tidak boleh tersambung ke pipa air minum.

Ukuran wadah harus sebanding dengan produksi. Pada recovery 50%, setiap 400 L permeat per hari disertai sekitar 400 L konsentrat per hari; wadah 100 sampai 200 L penuh dalam beberapa jam produksi, sehingga saluran luapan tidak bisa ditiadakan. Selang buangan juga tidak boleh ditekuk, dipersempit, atau dinaikkan berlebihan. Perubahan itu menambah tahanan jalur konsentrat dan menggeser recovery tanpa disadari, persis seperti klem pada kasus pembuka.

Konsentrat unit rumah tangga dan komersial kecil umumnya dibuang ke saluran air limbah domestik. Parameter yang naik terutama TDS, bukan beban organik. Pengecualiannya adalah larutan pembersih membran, yang harus dinetralkan lebih dahulu (Bab 8). Baku mutu air limbah domestik ditetapkan peraturan menteri di bidang lingkungan hidup, yaitu Permen LH/Kepala BPLH Nomor 11 Tahun 2025, yang membagi baku mutu menurut jenis air limbah dan tujuannya. Untuk usaha seperti depot atau restoran, kewajiban dokumen lingkungan dan nilai baku mutunya dicocokkan dengan teks resmi dan dinas setempat.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Penyetelan katup atau pembatas konsentrat tetap pekerjaan orang yang berwenang menyetel unit.

Contoh 1: dua setelan untuk kebutuhan 400 L/hari. Sebuah unit melayani kebutuhan air bersih 400 L/hari. TDS umpan 300 mg/L, rejeksi 98% sehingga $SP = 0{,}02$. Dua setelan dibandingkan. Pada recovery 40%, air umpan $Q_\text{f} = 400/0{,}40 = 1000$ L/hari, konsentrat $Q_\text{c} = 1000 - 400 = 600$ L/hari, dan:

$$C_\text{c} = 300 \times \frac{1 - 0{,}40 \times 0{,}02}{1 - 0{,}40} = 300 \times \frac{0{,}992}{0{,}60} \approx 496\ \text{mg/L}$$

Pada recovery 67%, air umpan $Q_\text{f} = 400/0{,}67 \approx 597$ L/hari, konsentrat sekitar 197 L/hari, dan:

$$C_\text{c} = 300 \times \frac{1 - 0{,}67 \times 0{,}02}{1 - 0{,}67} = 300 \times \frac{0{,}9866}{0{,}33} \approx 897\ \text{mg/L}$$

Setelan kedua menghemat sekitar 403 L air umpan per hari dan mengurangi air buangan dari 600 menjadi sekitar 197 L. Harganya adalah TDS konsentrat yang hampir dua kali lipat dan risiko kerak yang lebih besar. Kedua hasil masih berada di kelas pemanfaatan 450 sampai 2.000 mg/L pada tabel pemanfaatan ulang konsentrat.

Pemeriksaan neraca garam untuk setelan 40%: beban masuk $1000 \times 300 = 300\,000$ mg/hari; beban keluar di permeat $400 \times 6 = 2400$ mg/hari (TDS permeat $0{,}02 \times 300 = 6$ mg/L) dan di konsentrat $600 \times 496 \approx 297\,600$ mg/hari. Jumlahnya sekitar 300.000 mg/hari, sama dengan beban masuk. Di lapangan, pemeriksaan yang sama dipakai untuk menguji apakah alat ukur saling cocok.

Contoh 2: mengukur recovery unit dapur hotel. Dapur sebuah hotel memakai 500 L air RO sehari dari air sumur sadah tanpa prapengolahan. Saat produksi stabil di luar siklus bilas, alat ukur debit membaca 1,8 L/menit, dan tiga kali tampung satu menit memberi 2,6, 2,8, dan 2,7 L, rata-rata 2,7 L/menit:

$$R = \frac{1{,}8}{1{,}8 + 2{,}7} = 0{,}40$$

Air umpan $500/0{,}40 = 1250$ L/hari dan konsentrat 750 L/hari. Recovery 40% aman terhadap kerak, tetapi di bawah rentang 50 sampai 60% untuk air sadah tanpa prapengolahan. Pada 50%, air umpan 1.000 L/hari dan konsentrat 500 L/hari, hemat 250 L sehari. Setelan dinaikkan bertahap menurut manual, recovery diukur ulang, dan setelan dikembalikan bila debit ternormalisasi turun cepat (kondisi berhenti butir 1).

Contoh 3: rejeksi rendah di rumah sakit. Unit di sebuah rumah sakit mencatat TDS umpan 310 mg/L, permeat 21 mg/L, dan konsentrat 600 mg/L pada recovery 50%:

$$\text{rejeksi} = 1 - \frac{21}{310} = 0{,}932, \qquad C_\text{c} = 310 \times \frac{1 - 0{,}50 \times 0{,}068}{1 - 0{,}50} \approx 599\ \text{mg/L}$$

Neraca garam cocok dengan konsentrat terukur, sehingga alat ukur TDS dapat dipercaya. Rejeksi 93,2% berada di bawah 95%, batas membran sehat. Sebelum membran disalahkan, data dinormalisasi terhadap NDP, karena tekanan yang turun saja sudah menaikkan salt passage, seperti dibahas di Bab 7 tentang normalisasi data kinerja. Selama penyebabnya belum diketahui, air ini tidak dipakai untuk minum pasien sampai mutunya diuji.

Contoh 4: konsentrat hotel untuk taman. Unit sebuah hotel menghasilkan 800 L permeat sehari pada recovery 50%, dari umpan 400 mg/L dengan rejeksi 97%. Konsentratnya juga 800 L/hari, dengan:

$$C_\text{c} = 400 \times \frac{1 - 0{,}50 \times 0{,}03}{1 - 0{,}50} = 788\ \text{mg/L}$$

Angka itu masuk kelas 450 sampai 2.000 mg/L: siram kloset, cuci lantai, dan irigasi dengan memilih tanaman. Daya hantarnya sekitar $788/640 \approx 1{,}23$ dS/m. Rumput bermuda (4,6 dS/m) serta tomat dan mentimun (1,7 dS/m) masih di bawah ambangnya, sedangkan selada, bawang, kacang buncis, jagung, dan jeruk sudah terlampaui. Konsentrat dipakai untuk rumput taman, bukan kebun selada, dan tidak pernah untuk minum, memasak, atau dialirkan kembali ke umpan RO.

Contoh 5: wadah konsentrat di dapur rumah sakit. Unit dapur gizi sebuah rumah sakit menghasilkan 1,5 L/menit permeat pada recovery 40% selama 6 jam sehari. Dari $Q_\text{f} = 1{,}5/0{,}40 = 3{,}75$ L/menit:

$$Q_\text{c} = Q_\text{f} - Q_\text{p} = 3{,}75 - 1{,}5 = 2{,}25\ \text{L/menit}$$

Itu 135 L per jam atau sekitar 810 L per hari. Wadah 150 L penuh dalam sekitar 67 menit. Bila 200 L sehari dipakai untuk cuci lantai, sekitar 610 L tetap mengalir ke drainase, sehingga saluran luapan wajib ada. Ujung selang buangan dipasang dengan celah udara, wadah tertutup dan gelap, dikuras sekurang-kurangnya seminggu sekali, dan tidak tersambung ke pipa air minum (kondisi berhenti butir 2).

Contoh 6: tampungan yang terkena siklus bilas di laundry rumah sakit. Unit di laundry sebuah rumah sakit mengolah air umpan ber-TDS 300 mg/L dengan rejeksi 98%, seperti tabel neraca garam, dan alat ukur debit membaca permeat 2,1 L/menit. Tiga kali tampung satu menit memberi 2,0, 2,2, dan 6,5 L, rata-rata sekitar 3,57 L/menit:

$$R = \frac{2{,}1}{2{,}1 + 3{,}57} \approx 0{,}37, \qquad C_\text{c} = 300 \times \frac{1 - 0{,}37 \times 0{,}02}{1 - 0{,}37} \approx 473\ \text{mg/L}$$

Recovery 37% berada di antara baris 40% (boros air) dan baris 34% (jalur konsentrat terlalu terbuka) pada tabel hasil tampung, sehingga jalur konsentrat tampak perlu dipersempit. Padahal TDS konsentrat terukur 590 mg/L, jauh di atas hasil neraca 473 mg/L. Selisih sebesar itu adalah keadaan kondisi berhenti butir 3, sehingga recovery tidak disetel berdasarkan angka 37%. Alat ukur TDS dikalibrasi, dan teknisi mendapati tampungan ketiga diambil saat solenoid bilas terbuka. Tampungan diulang di luar siklus bilas: 2,0, 2,2, dan 2,1 L, rata-rata 2,1 L/menit, sehingga $R = 2{,}1/(2{,}1 + 2{,}1) = 50\%$ dan neraca garam memberi 594 mg/L, cocok dengan 590 mg/L terukur. Setelan tidak diubah. Menyempitkan jalur konsentrat berdasarkan angka pertama akan menaikkan recovery di atas 50% tanpa alasan.

Kondisi berhenti

Keadaan berikut adalah kondisi berhenti untuk penyetelan recovery, pemakaian konsentrat, dan pembuangan. Tindakan pada setiap butir dilakukan, lalu keputusan selanjutnya diserahkan kepada penanggung jawab peralatan atau orang yang berwenang menyetel unit.

1. Data ternormalisasi menunjukkan debit permeat turun cepat setelah recovery dinaikkan: kembalikan setelan ke posisi sebelumnya dan jangan menaikkannya lagi sebelum kimia air umpan diketahui.
2. Selang buangan ditemukan terendam di wadah atau saluran, atau wadah penampung tersambung ke pipa air minum: hentikan pemakaian konsentrat dan perbaiki sambungan lebih dahulu.
3. TDS konsentrat terukur jauh berbeda dari hasil neraca garam: jangan menyetel recovery berdasarkan angka itu sampai alat ukur dikalibrasi dan pengukuran diulang.
4. Larutan pembersih membran akan dibuang ke saluran: hentikan bila belum dinetralkan.
5. Recovery akan dinaikkan di atas sekitar 60%, batas atas tabel untuk air sadah tanpa prapengolahan, pada unit tanpa antiscalant atau pelunak: setelan tidak diubah sampai kimia air umpan dinilai dan prapengolahan diputuskan orang yang berwenang.
6. Konsentrat ber-TDS di atas 2.000 mg/L akan dipakai menyiram tanaman: hentikan, karena tabel pemanfaatan ulang membatasinya untuk siram kloset dan cuci lantai.
7. Konsentrat dari kelas TDS mana pun akan dipakai untuk diminum, memasak, atau memandikan bayi, atau akan dialirkan kembali ke umpan RO: hentikan, karena larangan itu berlaku untuk semua kelas.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 5 tentang osmosis balik menjelaskan mengapa garam yang lebih pekat di sisi umpan menaikkan tekanan osmotik dan menurunkan NDP. Bab 7 tentang normalisasi data kinerja memakai recovery dan salt passage sebagai masukan dan menyediakan pemicu tindakan. Bab 8 tentang prapengolahan dan pembersihan membran membahas pelunak air, kerak, dan pembersihannya. Bab 1 tentang mutu air menjelaskan konsentrasi dan beban, Bab 23 · Kimia tentang konduktometri menjelaskan perkiraan TDS dari konduktivitas, dan Bab 2 tentang aliran pengolahan air dan air limbah membahas air limbah secara umum.

Latihan dan pembahasan

Referensi