Tag Archives: membrane

Video: Cara Kerja Reverse Osmosis Membrane

Pada video kali ini akan terlihat ilustrasi proses yang terjadi pada filtrasi dengan proses reverse osmosis. Penjelasan mengenai proses RO secara umum dapat dilihat hingga menit ke 2:25. Selebihnya, tayangan menjelaskan proses yang terjadi di salah satu instalasi pengolahan air di Sydney, Australia.
Mudah-mudahan bermanfaat!

Copyright: © Sydney Water Corporation

Pengolahan Air Limbah dengan Membran

Membrane treatment merupakan salah satu teknologi yang sudah cukup lama digunakan dan memiliki aplikasi yang luas. Salah satunya adalah di dalam sistem pengolahan air limbah. Penggunaan teknologi membran di dalam pengolahan air limbah memang terdengar mahal jika dibandingkan dengan teknologi lumpur aktif. Dengan teknologi membran perlu adanya perawatan membran antara lain pembersihan dan penggantian membran secara rutin. Akan tetapi, untuk kebutuhan pengolahan selama dua puluh tahun serta jika terdapat kebutuhan kualitas efluen air limbah yang ketat maka biaya yang dibutuhkan pada teknologi membran sama dengan pada lumpur aktif konvensional [1]. Selain itu, teknologi membran menjadi pilihan yang lebih baik bagi instalasi yang memiliki keterbatasan lahan serta daerah dengan biaya konstruksi yang tinggi. Pada artikel kali ini akan dibahas beberapa hal dasar tentang proses membran.

Klasifikasi Proses Membran Berdasarkan Ukuran Pori
1. Reverse Osmosis (RO)
Proses RO digunakan untuk menyaring partikel-partikel yang memiliki ukuran hingga 0.001 mm sehingga banyak dimanfaatkan untuk menyaring ion-ion bervalensi satu. Aplikasinya di dalam pengolahan air limbah adalah untuk keperluan reklamasi air limbah.

2. Nanofiltration (NF)
Nanofiltrasi dikenal juga dengan istilah “loose RO”[2] karena ukuran celah yang lebih besar dan kebutuhan tekanan yang lebih rendah dari RO. Walaupun tidak memiliki kemampuan menyaring ion-ion monovalensi seperti halnya RO, proses NF memiliki kemampuan untuk menyisihkan senyawa-senyawa organik. Untuk aplikasi pengolahan air limbah rumah sakit, proses NF mampu menyisihkan COD, NH3-N, dan PO4-P berturut-turut hingga 92%, 88%, dan 68%[3]. Penggunan lainnya misalnya pada air limbah pencucian pakaian (laundry) yang mampu menurunkan COD dari kisaran 2000-4500 mg/L hingga mencapai antara 50-100 mg/L[4].

3. Ultrafiltration (UF)
Berbeda dengan RO dan NF, proses UF tidak memerlukan adanya tekanan eksternal untuk menyaring polutan. Dengan kemampuan membran UF untuk menyaring partikel berukuran hingga 0.01 mm, membran ini banyak digunakan untuk keperluan desinfeksi. Salah satu aplikasi UF adalah pada pengolahan air limbah domestik untuk digunakan kembali dalam aplikasi pertanian[5]. Penggunaan lainnya adalah dalam pengolahan air limbah industri automotif pada bagian pemotongan logam [6] dan pengilangan minyak bumi [7].

4. Microfiltration (MF)
Proses MF berfungsi untuk menyaring partikel-partikel dengan ukuran lebih besar dari 0.01 mm. Penyaringan dengan mikrofiltrasi banyak dimanfaatkan sebagai pengolahan pendahuluan sebelum proses NF atau RO. Gambar berikut ini menunjukkan klasifikasi membran berdasarkan ukuran pori.

Sumber: www.nottingham.ac.uk

Sumber: www.nottingham.ac.uk

Membrane Fouling
Membrane fouling atau pengotoran membran di antaranya dapat disebabkan oleh:
• Pengendapan atau tertutupnya permukaan membran oleh zat-zat anorganik (scaling).
• Adanya adsorpsi senyawa-senyawa organik ke dalam pori-pori membran (organic fouling).
• Adanya pertumbuhan bakteri di permukaan membran (bio-fouling).
• Pembentukan lapisan cake pada permukaan membran akibat deposisi partikel koloid (colloidal fouling).
Bio-fouling dan organic fouling adalah jenis fouling yang paling sering terjadi pada aplikasi membran di dalam pengolahan air limbah[8].

Pretreatment Untuk Proses Filtrasi Membran
Untuk memperpanjang usia pakai membran, diperlukan proses pengolahan pendahuluan. Materi padatan yang dapat diendapkan hendaknya disisihkan terlebih dahulu melalui proses pengendapan. Jika diperlukan, proses pengolahan pendahuluan seperti koagulasi-flokulasi, pertukaran ion, adsorpsi karbon, hingga desinfeksi dengan UV dapat dilakukan[8].

Pembersihan Membran
Walaupun air limbah telah mengalami serangkaian pengolahan sebelum memasuki penyaringan membran, fenomena fouling tidak akan dapat dihindari. Saat fouling terjadi, diperlukan proses pembersihan membran. Pembersihan membran biasanya dilakukan saat terjadi hal-hal sebagai berikut[9]:
• Adanya penurunan jumlah air yang terproduksi sebesar 10% dalam kondisi operasional yang konstan, atau
• Adanya peningkatan tekanan sebesar 10% untuk memperoleh air dengan volume yang sama pada temperatur yang konstan, atau
• Adanya peningkatan beda tekanan sebesar 15-20% antara feed flow dan reject flow.
Terdapat dua macam metode pembersihan membran yaitu pembersihan secara fisik (physical cleaning) dan kimia (chemical cleaning). Pembersihan secara fisik dilakukan dengan cara backwash. Sementara itu, pembersihan secara kimia dilakukan apabila proses backwash sudah tidak mampu untuk membersihkan permukaan membran.

Sumber:
1. Young, T., Muftugila, M., Smoota, S., & Peetersb, J. (2012). MBR vs. CAS: Capital and operating cost evaluation. Water Practice & Technology, 7(4). Diakses 23 Maret, 2015, dari http://www.iwaponline.com/wpt/007/0075/0070075.pdf
2. Fane, A., Wang, R., & Jia, Y. (2011). Membrane Technology: Past, Present and Future. In L. Wang, J. Chen, Y. Hung, & N. Shammas (Eds.), Handbook Of Environmental Engineering (Vol. 13, pp. 1-45). New York: Humana Press.
3. Kootenaei, F., & Rad, H. (2013). Treatment of Hospital Wastewater by Novel Nano-Filtration Membrane Bioreactor (NF-MBR). Iranica Journal of Energy & Environment, 4(1), 60-67. Diakses 23 Maret, 2015, dari http://www.idosi.org/ijee/4(1s)13/10.pdf
4. www.Envirochemie.com (diakses 23 Maret 2015)
5. Falsanisi, D., Liberti, L., & Notarnicola, M.(2010).Ultrafiltration (UF) Pilot Plant for Municipal Wastewater Reuse in Agriculture: Impact of the Operation Mode on Process Performance. Water 2009,1, 872-885.
6. Notodarmojo, S., Mayasanthy, D., & Zulkarnain, T.(2004).Pengolahan Limbah Cair Emulsi Minyak dengan Proses Membran Ultrafiltrasi Dua-tahap Aliran Cross-flow. Proceedings ITB Sains & Teknologi,36A(1),45-62.
7. Aryanti, N., Prihatiningtyas, I.,Ikhsan, D., & Wardhani, D.(2013).Kinerja Membran Ultrafiltrasi Untuk Pengolahan Limbah Emulsi Minyak-Air Sintetis. Reaktor,14(4), 277-283.
8. Chen, J., Mou, H., Wang, L., Matsuura, T., & Wei, Y. (2011). Membrane Separation: Basics and Applications. In L. Wang, J. Chen, Y. Hung, & N. Shammas (Eds.), Handbook Of Environmental Engineering (Vol. 13, pp. 271-332). New York: Humana Press.
9. Song, L. dan Tay, K. (2011). Advanced Membrane Fouling Characterization in Full-Scale Reverse Osmosis Processes. In L. Wang, J. Chen, Y. Hung, & N. Shammas (Eds.), Handbook Of Environmental Engineering (Vol. 13, pp. 101-134). New York: Humana Press.

What MBR Operator Should Know

I got this article couple of months ago from an online magazine. This is a good reference for those who are working with membrane bioreactor. The PDF version of this article can be downloaded here .

Membrane bioreactor (MBR)

  • This process is a combination of biological treatment (activated sludge) and membrane filtration (instead of a clarifier).
  • An MBR can satisfy the needs of activated sludge treatment, including biological nutrient removal, without worrying about settling issues.

Membrane

  • A thin sheet of porous material. The porous medium is configured to provide highly efficient filtration of mixed liquor.
  • The pore size on this “filter” for most MBRs is 0.04 to 0.2 ?m (microns).

 Membrane configurations

  • Membranes may be configured in several ways, including: hollow fiber (looks like spaghetti), flat plate (membrane sheets), and disk (new).
  • Fibers and plates generally hang suspended in the mixed liquor, and the air scour causes movement of the media and cleaning. Disks are semirigid and may not require as much air for cleaning.

Micron (?m)

  • 1/1,000,000 of a meter or 1/1000 of a millimeter
  • The pore size for the filters used in bacteriological analyses is 0.45 ?m. (Most membranes will prevent the passage of bacteria.)

 Pore size

  • Pore size is the average opening (pore) in the membrane. Most MBRs are in the range of ultrafiltration.
  • Ranges of relative pore sizes for filtration area include: sand filtration — 1 to 10 ?m; microfiltration — 0.1 ?m; ultrafiltration — 0.01 ?m; nanofiltration — 0.001 ?m; and reverse osmosis — 0.0001 ?m.

 Flux

  • Flux is the throughput of the membrane. It is based on rate of flow per unit of surface area, per unit time.
  • The typical range for flux rate may be 370 to 775 L/m2•d (9 to 19 gal/ft2•d). The effective surface area varies based on the membrane configuration

 Transmembrane pressure (TMP)

  • TMP expresses the pressure differential between the outside and inside of the membrane, similar to head loss.
  • A rise in TMP indicates an increase in fouling (clogging pores) or an increase in flux rate (throughput).

 Basics of operation

  • To ensure best operation of the MBR system, some unique operations will be needed, including: using 1- to 3-mm fine screening; maintaining 8- to 20-day sludge age; operating at high mixed liquor suspended solids (MLSS) concentrations (8000 to 15,000 mg/L); and sustaining a high return activated sludge (RAS) flow, about 2 to 4 Q.
  • Good screening will remove materials that could harm the membranes.
  • Membrane filtration enables the use of higher sludge age and MLSS needed for nutrient reduction without the risk of high effluent total suspended solids.
  • The membrane tank is, in effect, a dead end for solids; therefore, the RAS rate will be higher than for a normal activated sludge process.

 Membrane cleaning

  • Just as filters must be backwashed to remove solids from the media, membranes require similar actions, including air scour, resting mode (or back-pulse), clean-in-place, and chemical cleaning.
  • All membranes require one or more of the cleaning methods. Cleaning methods vary with configuration and membrane type.

 Typical results

  • BOD: <2 mg/LTSS: <0.5 mg/L
  • NH3–N: <0.5 mg/L
  • TN: <3 mg/L
  • TP: <0.05 mg/L
  • Turbidity: <0.2 NTU
  • Fecal coliform: <10 CFU per 100 mL
  • Note that reduction of nitrogen and phosphorus will depend on proper operation of specific nutrient removal processes.Even though most membranes will filter out fecal coliform, disinfection is required by regulatory authorities.

Motive force

  • Some MBR systems will require a reduction in the downstream pressure to achieve the necessary flux rate. This force can be from pump suction, vacuum assist, or gravity.
  • MBR systems may require pumps, vacuum systems, or gravity to force the liquid to flow through the tiny pores. The amount of force needed will vary with configuration and system type.

 Associated operational issues and limitations

  • Operators should consider the following issues when working with MBRs: stormwater flow control, membrane monitoring and cleaning, and equipment maintenance.
  • High flows will require flow leveling, equalization, or a scalping operation
  • Membranes will age and require various cleaning methods and eventual replacement
  • An MBR’s support systems will require additional monitoring and maintenance.

Source: www.wef.org/publications/page_wet.aspx?id=9095&page=ca&section=Operator%20Essentials

Membrane Bioreactor

Membrane bioreactor (MBR) merupakan suatu sistem pengolahan air limbah yang mengaplikasikan penggunaan membran yang terendam di dalam bioreaktor. Proses yang terjadi di dalam bioreaktor mirip dengan lumpur aktif konvensional (conventional activated sludge, CAS), di mana zat organic di dalam air limbah akan didegradasi secara biologis oleh mikroorganisme aerob kemudian terjadi pemisahan solid (lumpur). Bedanya, pada MBR proses pemisahan solid dilakukan menggunakan membran sementara pada CAS pemisahan solid dilakukan secara gravitasi di dalam tangki pengendap. Perbandingan antara MBR dengan CAS  dapat dilihat pada gambar berikut:

CAS vs MBR
Sumber: Li, Norman N.; Fane, Anthony G.; Ho, W.S. Winston; Matsuura, T. (2008)

Beberapa fitur utama dari MBR antara lain:

1.       Tidak memerlukan bak pengendap (clarifier) sehingga dapat menghemat penggunaan lahan

2.       Konsentrasi MLSS (mixed liquor suspended solids) yang tinggi dapat memaksimalkan jumlah BOD yang masuk ke dalam modul MBR untuk diolah sehingga dapat mengurangi waktu pengolahan

3.       Pembuangan lumpur dapat dilakukan langsung dari dalam reaktor

4.       Kualitas efluen hasil pengolahan yang tinggi sehingga air hasil olahannya dapat digunakan kembali (misal untuk boiler)

Penggunaan modul MBR dalam pengolahan air limbah saat ini cukup luas di negara-negara dimana faktor ketersediaan lahan dan konservasi air menjadi pertimbangan. Bagi negara-negara yang lahannya terbatas, teknologi ini akan sangat menguntungkan. Begitu pula jika di tempat tersebut terdapat keterbatasan dalam sumber daya air, hasil olahan dari MBR dapat digunakan sebagai sumber air (contohnya di Singapura). Di Indonesia sendiri tampaknya teknologi membran belum terlalu banyak digunakan mengingat ketersediaan lahan dan sumber air masih bisa dibilang cukup banyak.

Akan tetapi, jika kita memikirkan kondisi di masa datang dimana pertumbuhan penduduk semakin meningkat dan lahan akan semakin mahal, maka teknologi MBR mungkin sebaiknya mulai diterapkan. Memang MBR memiliki kelemahan dari segi harga, teknologi membran memang bukan teknologi yang murah. Selain harganya yang mahal, juga diperlukan operator yang terlatih (berdampak pada upah pekerja yang lebih tinggi). Dari segi operasional, akan diperlukan regular chemical cleaning serta laju kerusakan membran tidak dapat dipastikan.

Kondisi yang diperlukan untuk modul MBR

Modul MBR yang akan digunakan harus memiliki kelebihan dari sisi cost reduction (baik investasi maupun operasional), usia pakai yang cukup lama, serta mudah ditangani. Berikut ini kondisi-kondisi yang penting untuk diperhatikan dalam penggunaan modul MBR:

1.       Kuat menahan beban fisik (akibat aerasi) maupun kimiawi (akibat proses pembersihan dengan bahan kimia).

2.       Struktur membran haruslah kuat untuk mengatasi gaya gesekan dan osilasi dari gelembung udara dari proses aerasi.

3.       Aerasi harus efektif dan uniform serta aliran vertikal gelembung udara dari bawah ke atas membran harus berlangsung tanpa hambatan.

Konfigurasi MBR

Terdapat dua konfigurasi MBR yang tergantung pada letak membran terhadap bioreaktor, yaitu submerged MBR dan sidestream MBR.

Sumber: Malia dan Till (2001)

Sumber: Malia dan Till (2001)

Pada submerged MBR, membran terletak di dalam bioreaktor sehingga proses filtrasi langsung dilakukan di dalam reaktor. Sementara itu, pada sidestream MBR proses filtrasi dilakukan di luar bioreaktor melalui aliran resirkulasi. Perbandingan antara kedua konfigurasi MBR dapat dilihat pada tabel berikut:

Tabel 1 : Perbandingan Submerged MBR dan Sidestream MBR

Submerged MBR Sidestream MBR
Biaya aerasi Tinggi Rendah
Biaya pemompaan Sangat rendah, kecuali jika digunakan pompa hisap Tinggi
Ukuran (footprint) Lebih besar Lebih kecil
Kebutuhan untuk proses pembersihan Lebih sedikit Lebih tinggi
Biaya operasional Lebih rendah Lebih tinggi

Biaya investasi

Lebih tinggi Lebih rendah

Sumber: Malia dan Till (2001)

Referensi :

Li, Norman N.; Fane, Anthony G.; Ho, W.S. Winston; Matsuura, T. (2008). Advanced Membrane Technology and Applications. (Chapter 5 & 9).  John Wiley & Sons.

Malia, H. dan Till, S. (2001). Membrane Bioreactors: Wastewater Treatment Applications To Achieve High Quality Effluent. (http://www.wioa.org.au/conference_papers/2001/pdf/paper8.pdf)