Apakah Ultrafiltrasi, Bagaimana Cara Kerja dan Keuntungannya?

Ultrafiltrasi adalah jenis pengolahan air terbaru untuk pengolahan air bersih dan air minum. Proses ini tidak berdiri sendiri, sebelum masuk ke membrane ultrafiltrasi harus melalui pretreatment multimedia dan selanjutnya mikro filter.

System ultra filtrasi bekerja menggunakan tekanan air yang rendah 2 – 4 bar. Tidak seperti reverse osmosis atau nanofiltrasi yang membutuhkan tekanan tinggi hingga 15 – 20 bar. Dengan tekanan rendah tidak membutuhkan pompa khusus.

Penggunaan ultrafiltration membrane tidak saja untuk air bersih, namun bisa menggunakannya untuk proses pengolahan air kotor. Proses sewage treatment, lebih banyak menggunakan UF membrane untuk proses “recycle”. Sedangkan pada sistem desalinasi air laut menggunakannya sebagai pretreatment.

Apakah Ultrafiltrasi?

Ultra filtrasi adalah proses penyaringan membrane yang berfungsi untuk memisahkan mikro organisme, bakteri dan kontaminan lainnya. Membrane ultrafiltrasi mampu memisahkan bahan yang lebih besar seperti koloid, partikel, lemak, bakteri, dan protein, dan molekul dengan berat molekul rendah lainnya melewati membran.

Membran ultrafiltrasi adalah klasifikasi filtrasi yang menggunakan membrane. Istilah lainnya dari UF membrane adalah elemen tubular dengan serat berongga (hollow fiber). Selain RO jenis membran lainnya adalah Mikro filtrasi dan Nanofiltration.

Dengan kisaran ukuran pori antara 0,01 hingga 0,1μm, ukuran pori membran ultrafiltrasi berada di antara nanofiltrasi dan mikro filtrasi. Tekanan operasional pada UF Membrane biasanya beroperasi antara 50 – 120 PSI (3,4 – 8,3 bar) dan bergantung pada tekanan trans membran untuk mendorong proses ultrafiltration.

System ultra filtrasi dalam operasionalnya membutuhkan pretreatment dan prefilter sebelum masuk ke UF membrane. Walaupun sesungguhnya tanpa keduanya bisa beroperasional, namun pasti akan cepat mampat. Untuk itu pastikan pretreatment berfungsi baik, agar membrane bertahan lama.

Mengapa Membutuhkan System Ultrafiltrasi?

Ada beberapa alasan mengapa membutuhkan system ultra filtrasi, salah satunya adalah untuk menurunkan turbiditas (kekeruhan). Kasus seperti ini beberapa kali terjadi pada air baku yang menggunakan air gunung dengan proses system konvensional menggunakan Sand dan Carbon Filter saja.

Air gunung atau sumber air dari aliran permukaan kualitas airnya sangat tergantung pada iklim. Saat curah hujan tinggi, maka kualitas air baku cenderung lebih tinggi kekeruhannya. Dengan hanya menggunakan Sand Filter sering kali belum memenuhi standar turbiditasnya.

Dengan kasus seperti itu, maka pemasangan membran ultrafiltrasi akan membantu untuk menurunkan kadar kekeruhan. Selain efek kekeruhan, secara langsung pemasangan system UF membrane ini adalah menurunkan tingkat mikro biologi, khususnya e-coli dan salmonela.

Dari sisi fungsi aplikasi ultra filtrasi, selain untuk air minum bisa menggunakannya pada pengolahan air limbah, air proses industri, pabrik bir, kilang anggur, dan penyulingan. Namun tentunya pemilihan jenis UF membrane harus menyesuaikan dengan aplikasinya.

Bagaimana Cara Kerja Ultrafiltrasi System?

System membran ultrafiltrasi bekerja dengan melewatkan air melalui membran. Membran ini menyaring partikel yang lebih besar dari 0,1 mikron (0,0001 mm). Salah satu faktor yang mempengaruhi cara kerja ultra filtrasi adalah kualitas air baku. Jenis air yang kotor akan berbeda dengan air yang bersih.

Kecepatan aliran sangat penting untuk air baku yang mengandung minyak atau endapan. Jika alirannya lebih tinggi, berarti konsumsi energi lebih tinggi dan pompa lebih besar. Umumnya kecepatan aliran bisa mengaturnya antara Tekanan Pompa dan Kapasitas Permeate.

Permeate flow berbanding lurus dengan tekanan air ke UF membrane. Tetapi tentu meningkatkan tekanan ada batasnya, agar memperoleh hasil yang tinggi akan menimbulkan risiko lebih cepat mampat. Hal ini mengingat struktur ultrafiltration membrane tidak melebihi 100 psi dan bahkan operasionalnya sekitar 50 psi.

Cara kerja ultrafiltration sangat tergantung dengan pretreatment, misalnya sand filter, multimedia filter, carbon filter dan water softener. Bahkan untuk pengolahan air kotor, sering menambahkan system clarifier sebelum membrane.

Start – Up Pertama Kali Ultrafiltrasi System

System ultra filtrasi umumnya tidak bisa berdiri sendiri sebagai system tunggal, yang mana ultrafiltrasi membrane ini bagian dari water treatment. Di Indonesia sendiri penggunaan UF membrane sudah menjadi paket yang umum menjadi satu dengan system lainnya.

Pada saat awal pertama kali (startup) modul UF membrane harus di “flush” (bilas) terlebih dahulu menggunakan air bersih. Hal ini penting untuk menghilangkan sisa bahan kimia atau udara yang terperangkap pada membrane baru. Setelah flush, sudah bisa menjalankan system ultra filtrasi pada posisi mode Operasi.

Apabila menggunakan air bersih, umumnya desain system ultrafiltrasi adalah dead-end. Desain ini memungkinkan 100% air menjadi air hasil. Pada operasionalnya, mode OPERASI hanya berlangsung 60 menit. Setelah itu berganti menjadi mode Backwash, flushing dan kembali ke mode operasi.

Sistem Ultrafiltrasi produk Mapurna, kapasitasnya hanya 2 – 50 M³/Jam. System menggunakan dimensi ultra filter membrane dengan diameter 8 atau 10 inch. Pilihan membrane bisa menggunakan PP, PVC, PES atau PVDF.

Ultra filter membrane menggunakan power listrik yang lebih rendah daripada reverse osmosis. Serta recovery system lebih tinggi juga yaitu 70 – 90%.

Spesifikasi Standard :

Skid Frame
Prefilter Cartridge 25 micron
Flow Meter, rotameter pada permeate
Pompa Tekanan Multistage
Ultrafiltrasi Membrane
Low-Pressure Switch
Pressure Gauge pada Pre & Post Filter, Pompa
Concentrate Valve.
Automatic Inlet Feed water valve
Electronic Panel Control
Automatic Fast Flush
Sample Valve
Cleaning Port
Pemipaan Standard menggunakan PVC Class AW.

Spesifikasi Tambahan :

Turbidity Meter
Cleaning In Place
Pemipaan PVC Sch 80
Pilihan Membrane PVDF
dll. sesuai kebutuhan

Apa Saja Jenis Membran Ultrafiltrasi?

Jenis UF membrane pada umumnya terbagi menjadi dua pokok dasar yaitu berdasarkan dimensi dan jenis air baku. Khusus berdasarkan dimensi umumnya berhubungan dengan besarnya kapasitas. Semakin besar membrane maka akan semakin besar juga kapasitas membran ultrafiltrasi per modul.

Jenis Material Membran Ultrafiltrasi

Beberapa manufaktur membran ultrafiltrasi menawarkan berbagai macam jenis UF membrane. Tujuannya tentu agar lebih spesifik terhadap permasalahan dan aplikasi yang akan di treatment. Misalnya, aplikasi untuk menurunkan turbiditas pastinya akan berbeda dengan untuk aplikasi air kotor.

Beberapa jenis ultrafiltration membrane berdasarkan materialnya, yaitu PVC, PES, PAN dan PVDF. Di bawah ini adalah beberapa type dari membrane ultrafiltrasi dengan material PVDF. Jenis ini sangat cocok untuk air yang sangat kotor.

Dimensi Membran Ultrafiltrasi

Dimensi membran ultrafiltrasi terkadang tidak mempunyai standarisasi antara merk membrane dari beberapa manufaktur. Pengamatan tim Mapurna, hampir sebagian besar UF membrane berbeda dimensinya. Terkadang ketika melakukan pergantian, harus menyesuaikan ukuran port input dan output.

Tidak seperti membrane RO dan membrane nanofiltrasi, hampir cocok dari merek lain baik diproduksi oleh manufacture USA, Eroupe, Korea, China, dll. Untuk itu terkadang ketika ada pergantian uf membrane pada ultra filtrasi plant, harus mengetahui brand yang terpasang.

Beberapa ukuran UF membrane seperti: 4040, 8060, 1060, 8040, dll. Ukuran membrane kecil seperti 4040, mungkin lebih flexible penggantiannya. Hal ini mengingat jenis 4040 sering menggunakan housing membrane dari housing RO, sehingga hanya mengganti isi dalamnya saja.

membrane ultrafiltrasi — Membrane Ultrafiiltrasi PVDF Size 1060

Bagaimana Operasional dan Pemeliharaan Ultrafiltrasi?

Operasional dan pemeliharaan sistem ultrafiltrasi hampir sama dengan sistem RO filter dan nanofiltration. Log Sheet berupa catatan hari juga harus dilakukan terhadap komponen yang sama dengan reverse osmosis, seperti air baku, permeate flow, inlet pressure, outlet pressure, juga catatan adanya penurunan pressure.

Membrane ultrafiltrasi harus dibersihkan ketika laju kapasitas permeate flow, sudah turun 10% atau lebih. Flow pada air umpan (feed flow) sangat penting dijaga agar tidak menurun. Kemungkinan yang sering terjadi adalah ketika, ada masalah pada prefilter (jika ada), solenoid/valve yang tertutup atau dengan pompa air umpan sudah lemah.

Ketika terjadi menon-aktifkan ultra filtrasi sistem lebih 2 hari, maka kemungkinan mikro biologi akan tumbuh. Untuk itu pastikan, sebelum dipakai airnya di flushing agar tidak masuk ke tangki produk.

Membrane Ultrafiltrasi Mampat (Fouling)

Selama penyaringan, kontaminan akan terbentuk di UF membrane. Untuk menghilangkan penumpukan kontaminan, maka membutuhkan backwash dan CIP. Cara menghilangkan kontaminan adalah dengan melakukan backwash. Namun pengotoran lainnya harus membersihkannya dengan prosedur CIP berkala.

Jangan biarkan membran ultrafiltrasi mampat apabila menggunakannya sebagai pretreatment reverse osmosis filter. Pada membrane yang mampat, maka air umpan ke RO akan semakin kecil, sehingga akan menyebabkan terjadinya “Low Pressure”, dan akhirnya system akan shutdown.

Penggantian Membrane Ultrafiltrasi

Masa operasional pakai membran ultrafiltrasi tentunya sangat beragam, namun umumnya masa pakainya lebih lama dari pada RO. Dari data yang ada masa pakai normal berkisar antara 4 – 5 tahun. Salah satu tanda ultrafiltration membrane ini harus menggantinya adalah karena kapasitasnya sudah berkurang lebih 50%.

Dalam penggantian ultrafiltrasi pastikan mempunyai merk dan ukuran yang sama, serta tentunya jenis materialnya juga sama. Terkadang manufaktur membrane yang lama tidak ada lagi, maka mengganti dengan membrane lain masih bisa melakukannya. Namun biasanya harus memodifikasi port in dan out.

Bagaimana Desain Perhitungan Ultrafiltrasi System?

Design sistem ultra filtrasi yang baik tentunya harus menggunakan tim yang sudah mengerti. Serta mengumpulkan data – data parameter yang akan mendukung perencanaan. Hubungi mapurna untuk konsultasi desain dan pemasangannya.

Untuk menentukan kinerja modul UF membrane, Anda harus memiliki yang berikut instrumentasi:

Feed Pressure
Concentrate Pressure
Filtrate Pressure
Filtrate Flow Rate
Concentrate Flow Rate (Crossflow)

Selain itu, instrumentasi berikut harus mencakup sistem ultra filtrasi juga:

Feed Turbidity
Feed Temperature
Total Filtrate Flow Rate
Total Filtrate Turbidity
Backwash Pressure
Backwash Flow Rate
Cleaning Flow Rate
Cleaning pH
Cleaning Temperature

Desain Ultrafiltrasi Dengan Flux Rate?

Menentukan nilai flux rate adalah dari kualitas air umpan dan oleh sifat ultra filter. Untuk sebagian desain membran ultrafiltrasi, menyarankan menggunakan flux rate antara 60-80 L / m2.hr.

Namun, dapat juga memilih modul ultrafiltration membrane yang memiliki sifat anti-fouling yang tinggi. Sehingga bisa merancang fluks yang lebih tinggi daripada 80L / m2.hr. Dengan desain fluks lebih tinggi, akan lebih aman ketika kualitas air umpan turun secara dramatis.

Di bawah ini tabel beberapa contoh nilai flux rate dari sumber air bakunya:

Flux Rate Sumber Air Baku

Jenis Sumber	Turbidity	TOC	Flux
	(NTU)	(mg/L)	GFD/lmh)
PAM	＜0.5	＜1	85/145
Air Bor	0~5	＜5	75/128
Alr Permukaan	2~5	3	50/85
	5~15	3	40/68
	15~50	＜10	32/55
	50~100	＜10	32/55
Air Laut	＜5		60/102

Sistem Desain Ultrafiltrasi Dengan Software

Untuk memudahkan perhitungan dan simulasi design UF membrane, beberapa vendor memberikan software gratis. Dengan software ini designer atau engineer bisa menyimulasikan penggunaan rangkaian membrane ultrafiltrasi.

Apabila desain sistem ultra filtrasi sudah bagus, maka perhitungan biaya pengadaan dan biaya pemeliharaan lebih terencana. Sehingga biaya investasi yang berhubungan dengan capex dan opex sudah bisa di simulasikan untuk jangka panjang.

Di bawah ini contoh penggunaan software untuk merencanakan sistem ultrafiltrasi dari salah satu merk UF membrane.

Operational Mode Sistem Ultrafiltrasi

Ketika air baku adalah air sumur atau air PAM dan kekeruhan lebih rendah dari 5, COD lebih rendah dari 10, maka menggunakan mode ultra filtrasi “DEAD END” lebih efisien. Ketika air umpan adalah air permukaan atau air dengan sedimentasi lebih tinggi, maka mode “CROSS FLOW” yang harus dipilih.

Ketika air umpan memiliki kekeruhan10, atau COD 50, maka menggunakan mode cross flow harus menambahkan dengan kimia cleaning (CEB) secara terus menerus. Kekeruhan tinggi selain pada air kotor, juga untuk air laut. Pretreatment dengan UF pada pengolahan air laut harus mencegah kotoran masuk ke membrane.

Aplikasi Apa Saja Yang Menggunakan Sistem Ultrafiltrasi?

Sistem UF membrane bisa menggunakannya pada berbagai macam aplikasi dan kebutuhan. Namun harus menyesuaikan antara jenis membran ultrafiltrasi dan jenis air bakunya. Beberapa aplikasi umum dari teknologi ultrafiltration membrane meliputi:

JENIS INDUSTRI	APLIKASI
Water treatment	Feed pretreatment, ultra pure and RO water in electronic industry
	For Boiler Make-up water
	potable water production
	Bacteria free, pyrogens-free water
Wastewater	Integrated with bioreactor to treat all kinds of wastewater
	Wastewater treatment and reclamation in dextrin manufacture
	Treatment and reclamation of wastewater containing sugar
	Wastewater treatment of plating manufacture
Food industry	Recovery of whey protein and concentration of skim milk in dairy industry
	Clarification, bacteria removal and ripening acceleration of wine
	Purification of fermentation solution and clarification Concentration of gelatin

Unsur Apa Saja Yang Hilang Oleh System Ultrafiltrasi?

Sistem ultrafiltrasi adalah filter super halus yang mengurangi partikel 5.000 kali lebih kecil dari rambut manusia. Di bawah ini adalah beberapa unsur yang bisa berkurang konsentrasi oleh sistem ultra filtrasi.

Elemen	Mereduksi Sebagian Besar	Mereduksi Sedang	Mereduksi Minimal
Algae		x
Arsenic			x
Bakteri	x
Benzene	x
Klorida		x
Chlorine	x
Tembaga		x
Crypro	x
flouride			x
Timah		x
Merkuri		x
Nitrate			x
Pesitisida	x
Karat	x
Garam			x
Sulfate			x
Rasa dan Bau	x
Virus	x

Apakah Membrane Ultrafiltrasi Menurunkan TDS?

Metode untuk menurunkan TDS yang biasanya adalah mesin RO atau exchange resin. UF membrane pada umumnya tidak menurunkan TDS secara mutlak, tetapi secara relatif akan menurunkan TDS. Membran ultrafiltrasi hanya mengurangi mikro biologi, bakteri, partikel dan suspended solid.

Kelebihan dan Kekurangan Sistem Ultrafiltrasi

Di bawah ini kelebihan dan kekurangan sistem ultra filtrasi, yang tentunya akan beragam tergantung air baku dan aplikasinya.

Kelebihan Ultrafiltrasi Membrane :

Ukuran pori mikron 0,03 untuk menghilangkan bakteri (>6 pengurangan log), virus (>2,5 pengurangan log), dan partikel (<2,5 SDI)
Ultrafiltrasi menghasilkan kualitas produk yang konsisten, dengan turbidity kurang dari 0.1 NTU dan SDI kurang dari 2.5.
System Dead End, artinya semua air umpan akan melewati membran. UF mempunyai recovery hingga 95%, karena bisa memanfaatkan air backwash untuk air baku atau lainnya.
Ultrafiltrasi dapat menggantikan pretreatment media (pada air umpan yang relatif bersih), sehingga air umpan akan lebih berkualitas.
Filtrate flux at max 30 psi transmembrane pressure – 24 -70 gfd (gallons/sq.ft./day)
Hollow fiber membrane mempunyai toleransi temperatur yang lebar mulai 1 to 40°C
Feed pressure 4 to 90 psi
pH range 6-9 (2-11 max for cleaning)
Ultrafiltrasi membrane mempunyai toleransi unsur chlorine 200 ppm max. System design bisa menggunakan automation maupun manual.

Kekurangan Ultrafiltrasi Membrane :

Pada kualitas air jelek, membersihkan membrane ultrafiltrasi akan semakin sering.
Kelebihan tekanan pompa akan menyebabkan kerusakan membran ultrafiltrasi.
Untuk mencegah partikel besar, sebaiknya memasang bag filter dan automatic screener dengan micron 100 – 300.

Kesimpulan:

Membran ultrafiltrasi akan terus berkembang dengan beberapa aplikasi yang sudah ada. Untuk prinsip dasar mengenai kesesuaian jenis membrane dan aplikasinya akan membuat design perencanaan menjadi tepat guna.
Sistem ultra filtrasi adalah teknologi pemurnian air yang dapat menggunakannya sebagai proses pretreatment sebelum RO atau filtrasi lainnya. Sering kali UF membrane menggantikan penyaringan media konvensional, seperti sand dan carbon filter.