Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa

## Simulasi Pengolahan Air dengan Reverse Osmosis: Studi Kasus Rawa Danau Serang
Muhammad Alfath Chaniago 1 *, Rita Komalasari 2 1 Institut Teknologi Bandung, Indonesia 2 Universitas Serang Raya, Indonesia

## ABSTRACT

## CONTACT
malfathc@gmail.com

## KEYWORDS
Simulation, water treatment, reverse osmosis, Rawa Danau
Received: 15/08/2022 Revised: 10/10/2022 Accepted: 25/11/2022 Online: 14/12/2022 Published: 15/12/2022
Risenologi is licenced under a Creative Commons Attribution 4.0 International Public Licence (CC-BY 4.0)
Water is one of the basic needs for aspects of human life. PDAM Kabupaten Serang has a drinking water production capacity of 912 L/second. Meanwhile, the total water demand in Serang Regency in 2023 is projected to reach 2,893 L/second. Additional water production capacity is needed to fulfill water demand. Rawa Danau can be an additional source of spring water with a reservoir volume of up to 220,000 m 3 . However, the water from Rawa Danau needs  to  be  treated  before  it  can  be  used.  The  results  of  the  hydrogeochemical  analysis showed that the dominant water type contained Ca-Mg-HCO 3 . One of the promising water treatment technologies is Reverse Osmosis (RO). RO can separate dissolved salts in water. The purpose of this study is to simulate the performance of RO in water treatment.

## ABSTRAK
Air merupakan salah satu kebutuhan dasar bagi aspek kehidupan manusia. PDAM Kabupaten Serang  memiliki  kapasitas  produksi  air  minum  sebanyak  912  L/detik.  Sementara  itu, kebutuhan  air  total  di  Kabupaten  Serang  pada  tahun  2023  diproyeksikan  mencapai  2.893 L/detik.  Penambahan  kapasitas  produksi  air  diperlukan  untuk  memenuhi  kebutuhan  air. Rawa Danau bisa menjadi salah satu sumber mata air tambahan dengan volume tampungan mencapai 220.000 m 3 . Namun, air dari Rawa Danau perlu diolah terlebih dahulu sebelum bisa digunakan. Hasil analisis hidrogeokimia menunjukkan bahwa tipe air dominan mengandung Ca-Mg-HCO 3 .  Salah satu teknologi pengolahan air yang cukup menjanjikan adalah Reverse Osmosis (RO). RO dapat memisahkan garam-garam terlarut dalam air. Tujuan dari penelitian ini adalah mensimulasikan kinerja RO dalam pengolahan air.

## PENDAHULUAN
Ketersediaan air dengan kualitas yang baik merupakan kebutuhan dasar bagi sebagian besar aspek kehidupan dan elemen kunci kehidupan bagi semua masyarakat manusia. Kualitas air yang baik menghasilkan kesehatan yang sangat baik, kelangsungan hidup manusia, serta pengembangan dan perluasan industri. Dengan menyediakan air yang dibutuhkan dengan kualitas yang tepat yang dapat digunakan dalam industri dan boiler, masalah seperti korosi, pengotoran, dan kegagalan dini peralatan industri yang membutuhkan air umpan akan berkurang secara signifikan.
Dibandingkan dengan teknologi filtrasi tradisional yang mengandalkan layar atau filter untuk menghilangkan partikel, reverse osmosis (RO) adalah proses pemisahan yang digerakkan oleh tekanan yang menggunakan membran semipermeabel  dan  prinsip  filtrasi  aliran  silang.  Pengolahan  air reverse  osmosis memberikan  tingkat  penyaringan terbaik. Membran RO bertindak sebagai penghalang untuk semua garam dan molekul anorganik, serta molekul organik dengan berat molekul lebih besar dari sekitar 100. Oleh karena itu, ini merupakan proses yang sangat efektif untuk menghilangkan kontaminan seperti endotoksin/pyrogen, insektisida/pestisida, herbisida, antibiotik, nitrat, gula, garam terlarut dan ion logam (DuPont, 2022).
Dalam osmosis biasa, ketika membran semipermeabel memisahkan larutan dengan konsentrasi zat terlarut yang berbeda,  larutan  berkonsentrasi  rendah  mengalir  ke  larutan  berkonsentrasi  tinggi  dalam  upaya  mencapai kesetimbangan: tingkat konsentrasi zat terlarut yang sama di kedua sisi membran. Ketika jumlah larutan pada sisi yang  berkonsentrasi  lebih  tinggi  meningkat,  tekanan  pada  kolom  air  itu  naik  sampai  cukup  tinggi  untuk menghalangi  aliran  larutan  dengan  konsentrasi  yang  lebih  rendah  melintasi  membran.  Ini  adalah  aksi  tekanan osmotik.
Dalam reverse osmosis (RO), tekanan yang melebihi tekanan osmotik sistem diterapkan ke sistem itu. Tekanan memaksa larutan berkonsentrasi tinggi kembali melintasi membran semipermeabel, meninggalkan zat terlarut yang terhalang  oleh  membran  semipermeabel  di  belakang.  Biasanya,  pengolahan  air reverse  osmosis menghasilkan penolakan garam terlarut yang 95 – 99 persen atau lebih besar, tergantung pada jenis membran, komposisi umpan, suhu, dan desain sistem.
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
Pengolahan air reverse osmosis dapat memberikan filtrasi yang lebih baik daripada nanofiltrasi atau ultrafiltrasi. Penggunaan RO sebagai proses awal untuk pertukaran ion (IX) dapat secara substansial mengurangi biaya operasi dan frekuensi regenerasi sistem IX. Reverse osmosis bisa diaplikasikan dalam pemurnian air minum rumah, desalinasi air laut atau air payau untuk menghasilkan air minum, pemulihan air limbah, pengolahan makanan dan minuman, pemisahan biomedis, dan pengolahan air proses industri. Pengolahan air reverse osmosis juga sering digunakan untuk menghasilkan air ultra murni untuk industri semikonduktor, dalam pengolahan air boiler untuk industri tenaga, dan untuk aplikasi dalam industri perawatan kesehatan dan bioproses.
Closed  Circuit  Reverse  Osmosis  (CCRO)  adalah  konfigurasi  yang  dikomersialkan  oleh  Desalitech,  Inc. (Newton, MA, USA), yang memanfaatkan siklus konsentrasi dan depresurisasi untuk mendekati energi minimum termodinamika untuk desalinasi. Dalam sistem CCRO, umpan terus dipompa ke modul membran pada laju aliran yang sama seperti yang melewati permeat untuk mempertahankan tekanan yang diterapkan dalam loop membran umpan,  sementara  larutan  yang  tersisa  dipekatkan  dan  disirkulasikan  kembali  melalui  modul  membran  untuk dikonsentrasikan lebih lanjut. Dalam setiap siklus, konsentrat dicampur dengan pakan segar bertekanan sebagai campuran menjadi lebih terkonsentrasi, tekanan yang diterapkan secara progresif meningkat dari waktu ke waktu untuk  mengatasi  tekanan  osmotik.  Setelah  pemulihan  mencapai  tingkat  yang  diinginkan,  konsentrat  akan dikeluarkan, menandai dimulainya siklus baru. Meskipun entropi yang diperkenalkan oleh pencampuran konsentrat dan pakan masih membatasi efisiensi energi CCRO, konfigurasi inovatif ini mampu secara signifikan meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi konsumsi energi berbeda dengan RO kontinu (baik satu tahap atau multi-tahap). (Li et al., 2020)
Perbandingan energi spesifik untuk variasi konfigurasi RO pada desalinasi air laut ditunjukkan pada Gambar 1. Desalinasi  air  laut  yang  biasanya  menargetkan  recovery  50%.  CCRO  delapan  tahap  dapat  mengurangi  energi spesifik hingga ~22% dibandingkan dengan RO satu tahap. Hal ini menunjukkan terjadinya penghematan sebesar 0,5 kWh/m 3 energi spesifik untuk desalinasi air laut salinitas 35.000 ppm. Penghematan maksimum energi spesifik dengan CC-RO tahap tak hingga pada pemulihan ini adalah 25%. Penghematan energi dengan proses desalinasi reversibel termodinamika, yang hanya dapat dicapai dengan tahap tak terbatas yang tidak praktis direct pass RO, adalah sebesar 30%. Oleh karena itu, dengan menerapkan proses CC-RO delapan tahap yang praktis, penghematan energi maksimum yang diperoleh secara teoritis dapat mencapai lebih dari 70%.
Gambar 1. Energi spesifik minimum untuk variasi konfigurasi RO pada desalinasi air laut (Lin & Elimelech, 2015)
Kebutuhan  air  akan  terus  meningkat  setiap  tahunnya  di  mana  PDAM  Kabupaten  Serang  hanya  memiliki kapasitas produksi air minum sebanyak 912 L/detik. Sementara itu, kebutuhan air total setiap kecamatan dihitung dengan  menjumlahkan  kebutuhan  air  domestik  dengan  kebutuhan  air  non  domestik.  Kebutuhan  air  total mengalami peningkatan setiap tahunnya. Pada tahun 2023 kebutuhan air total di Kabupaten Serang sebesar 2.893 L/detik, kemudian kebutuhan air meningkat pada tahun 2038 menjadi sebesar 4.168 L/detik (Badan Perencanaan Pembangunan Daerah, 2018).
Rawa Danau terletak di Daerah Aliran Sungai (DAS) Cidanau serang memiliki peran penting dalam kehidupan manusia untuk mencukupi kebutuhan rumah tangga dan industri yang ada di Serang dan Cilegon. Kawasan Cagar Alam Rawa Danau merupakan rawa pegunungan yang berada di DAS Cidanau, terletak pada ketinggian 91 meter di atas permukaan air laut yang bermuara di Selat Sunda. Luas Rawa Danau lebih kurang 2.500 Ha dengan area genangan sekitar 1.300 Ha yang berfungsi untuk irigasi dan penyimpan air. Air Rawa Danau sendiri secara Geografi terletak pada koordinat antara 06° 07` 10” - 06° 19` 10” LS dan 105° 51` 30” - 106° 03` 00” BT. Dengan luas kurang  lebih  2.500  Ha  dan  area  genangan  sekitar  1.300  Ha.  Rawa  Danau  ini  sendiri  terletak  pada  beberapa kecamatan,  yaitu  Kecamatan  Mancak,  Kecamatan  Pabuaran,  Kecamatan  Ciomas,  Kecamatan  Padarincang, Kecamatan Cinangka Kabupaten Serang. (Badan Pusat Statistik Banten, 2015)
Rawa Danau bisa menjadi salah satu sumber mata air tambahan dengan volume tampungan mencapai 220.000 m 3 . Hasil analisis hidrogeokimia air dari Rawa Danau dominan mengandung Ca-Mg-HCO3. Air minum merupakan kebutuhan  dasar  bagi  setiap  warga  untuk  mempertahankan  kehidupan.  Oleh  karena  itu,  manusia  perlu mendapatkan pasokan air yang cukup dan memenuhi persyaratan. Air tanah merupakan salah satu sumber utama salam  pemenuhan  kebutuhan  air  di  banyak  negara,  baik  untuk  sektor  rumah  tangga,  industri,  dan  pertanian. Teknologi  RO  dapat  memisahkan  garam-garam  terlarut  dalam  air  dan  mensimulasikan  kinerja  RO  dalam pengolahan air. Salain itu, konsumsi energi merupakan salah satu parameter terpenting yang masih relatif tinggi dalam  proses  desalinasi  RO  dan  hal  ini  perlu  diminimalkan.  Optimalisasi  pembangkit  yang  sedang  beroperasi merupakan salah satu cara yang akan membantu meminimalkan SEC, sekaligus mengoptimalkan sistem desalinasi (Ncube  &  Inambao,  2021).  Tujuan  dilakukannya  penelitian  ini  untuk  melakukan  simulasi  pengolahan  air  yang mengandung Ca-Mg-HCO 3 dengan menggunakan teknologi membran Reverse Osmosis .

## METODE
Simulasi  proses  pengolahan  air  menggunakan  perangkat  lunak  Water  Applicarion  Value  Engine  (WAVE). WAVE merupakan perangkat lunak terintegrasi yang mengintegrasikan tiga teknologi pengolahan air utama, yaitu reverse osmosis (RO), ultrafiltration (UF), dan ion exchange (IX). Perangkat lunak ini menggabungkan fitur perangkat lunak sebelumnya dari reverse osmosis system analysis (ROSA), menawarkan algoritma yang ditingkatkan dan konsisten, peningkatan kesetimbangan massa dan aliran yang dihasilkan dari perubahan suhu, karakteristik dan kompresibilitas air, serta memungkinkan berbagi desain.
Proses simulasi memerlukan berbagai variabel. Beberapa variabel diambil dari studi literatur dan beberapa nilai lainnya diasumsikan sebelum melakukan simulasi. Salah satu parameter yang diasumsikan adalah laju alir umpan dan persen recovery . Karakteristik air sampel diambil dari studi literatur yang mencakup kondisi fisik dan kimia. Tabel 1 menunjukkan nilai karakteristik dari air sampel Rawa Danau Serang. Karakteristik dari sampel 31S berasal dari mata air dengan kedalaman elevasi 107,3 meter di atas permukaan laut. Sampel diambil pada 12 September 2018  pukul  14:33  (Hartanto  et  al.,  2019).  Nilai  dari  tiap  parameter  dibandingkan  dengan  Peraturan  Menteri Kesehatan No. 492 tahun 2010 tentang persyaratan kualitas air minum.
Tabel 1. Karakteristik Air Rawa Danau Serang
Parameter Satuan Nilai Hasil Penyesuaian Standar Baku (Permenkes RI, 2010) Temperatur °C 49,7 25 Suhu udara ± 3 Konduktivitas µS/cm 3860,0 2.769,34 - pH - 6,32 6,33 6,5-8,5 Total Dissolved Solutes (TDS) mg/L - 1.656,75 500 Konsentrasi ion bikarbonat (HCO 32- ) mg/L 214,6 214,69 - Konsentrasi ion klorida (Cl - ) mg/L 771 749,31 - Konsentrasi ion sulfat (SO 42- ) mg/L 9,683 9,41 250 Konsentrasi ion kalsium (Ca 2+ ) mg/L 116,8 120,18 500 Konsentrasi ion magnesium (Mg 2+ ) mg/L 78,6416 80,92 Konsentrasi ion natrium (Na + ) mg/L 212,249 218,39 200 Konsentrasi ion kalium (K + ) mg/L 102,432 105,40 - Konsentrasi karbon dioksida (CO 2 ) mg/L - 112,424 -
Air dari Rawa Danau Serang akan diolah menggunakan reverse osmosis . Ada tiga variasi yang dilakukan, yaitu one stage reverse osmosis, two stage reverse osmosis, dan closed circuit reverse osmosis (CCRO). Gambar 1 menunjukkan skematik desain simulasi reverse osmosis satu tahap. Umpan melewati membran sehingga memisahkan konsentrat dan permeat. Gambar 2 menunjukkan skematik desain simulasi reverse osmosis dua tahap. Konsentrat dari membran pertama akan diumpankan  ke  membran  kedua.  Permeat  dari  membrane  kedua  bergabung  dengan  permeat  dari  membran pertama. Gambar 3 menunjukkan skematik desain simulasi closed circuit reverse osmosis . Konsentrat yang dihasilkan dari proses pemisahan akan dikembalikan ke umpan Kembali.
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
Gambar 2. Skematik desain simulasi Reverse Osmosis satu tahap
Gambar 3. Skematik desain simulasi Reverse Osmosis dua tahap
Gambar 4. Skematik desain simulasi Closed Circuit Reverse Osmosis

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Laju alir umpan diatur pada 100 m 3 /jam dan jumlah recovery diatur pada 90% untuk ketiga percobaan. Tabel 2 menunjukkan hasil simulasi reverse osmosis untuk ketiga percobaan. CCRO memerlukan energi spesifik terbesar, yaitu sebesar 0,84 kWh/m 3 . Reverse osmosis dua tahap memerlukan energi spesifik yang lebih kecil dibandingkan dengan satu  tahap.  Untuk  meminimalkan  konsumsi  energi,  tekanan  umpan  harus  dipilih  untuk  meminimalkan  varians spasial  dalam  fluks.  Konfigurasi  elemen  yang  optimal  menempatkan  setidaknya  setengah  elemen  pada  tahap pertama; konfigurasi yang tepat tergantung pada salinitas umpan, rasio pemulihan, dan permeabilitas membran. Penghematan energi terbesar dicapai dengan sistem RO dua tahap yang memiliki konfigurasi elemen dan tekanan umpan  yang  optimal. Lebih  banyak  energi  dapat  dihemat  dengan  menambahkan  tahap  ketika  kerja pemisahan termodinamika paling kecil lebih besar. Untuk salinitas umpan tertentu, penghematan energi dari penambahan tahap kedua meningkat seiring dengan peningkatan rasio recovery . Energi yang signifikan dapat dihemat dengan desain RO dua tahap yang paling sederhana, pada fluks sistem yang mirip dengan pembangkit RO saat ini dan memperhitungkan efek polarisasi konsentrasi. (Wei et al., 2017)
Table 2. Hasil simulasi reverse osmosis Parameter Satuan  1 Tahap RO  2 Tahap RO CCRO Laju alir umpan m 3 /jam 100 Recovery % 90 Jumlah elemen buah 60 66 50 Total area aktif m 2 2230 2453 1858 Energi spesifik kWh/m 3 0,53 0,49 0,84
Tabel 3 menunjukkan karakteristik hasil pengolahan air dari ketiga percobaan. salah satu parameter terpenting yang perlu diperhatikan adalah jumlah padatan terlarut. Nilai TDS umpan sebesar 1.656,75 mg/L . Nilai TDS dari hasil reverse  osmosis mencapai  70,40  mg/L  untuk  satu  tahap  dan  73,36  untuk  dua  tahap.  Sementara  itu,  kadar maksimum  TDS  yang  diperbolehkan  sebesar  500  mg/L.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa reverse  osmosis dapat memisahkan air dari padatan terlarut secara efektif. Bahkan, nilai TDS dari hasil CCRO mencapai 17,3 mg/L atau 4 kali lebih efektif dibandingkan reverse osmosis satu dan dua tahap.
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
Table 3. Karakteristik air permeat Parameter Satuan  1 Tahap RO  2 Tahap RO CCRO Konduktivitas µS/cm 118 123 36 pH - 5,5 5,5 4,9 Total Dissolved Solutes (TDS) mg/L 70,40 73,36 17,3 Konsentrasi ion bikarbonat (HCO 32- ) mg/L 22,08 22,55 5,0 Konsentrasi ion klorida (Cl - ) mg/L 22,34 23,61 6,5 Konsentrasi ion sulfat (SO 42- ) mg/L 0,07 0,07 0,01 Konsentrasi ion kalsium (Ca 2+ ) mg/L 0,82 0,84 0,88 Konsentrasi ion magnesium (Mg 2+ ) mg/L 0,42 0,42 0,62 Konsentrasi ion natrium (Na + ) mg/L 15,82 16,48 2,64 Konsentrasi ion kalium (K + ) mg/L 8,86 9,38 1,63 Konsentrasi karbon dioksida (CO 2 ) mg/L 110,1 111,0 112,2
Nilai pH dari hasil pengolahan dari ketiga percobaan lebih rendah dibandingkan standar baku, yaitu 6,5-8,5. Hal ini disebabkan berkurangnya ion dalam air. Air deionisasi dapat mengadsorpsi karbon dioksida dari udara sehingga membentuk asam karbonat yang bersifat asam. Bisa dilihat pada Tabel 3 bahwa penurunan pH diakibatkan oleh kenaikan konsentrasi karbon dioksida dalam air. Hal ini bisa diatasi dengan menambahkan basa seperti NaOH atau KOH pada air. Penambahan basa bisa dilakukan hingga pH air memenuhi baku mutu kembali.

## KESIMPULAN
Reverse  osmosis merupakan  salah  satu  langkah  yang  bisa  dilakukan  untuk  memenuhi  kebutuhan  air  minum. Simulasi reverse osmosis perlu dilakukan terlebih dahulu untuk mengetahui hasil proses pengolahan air secara teoretis. Percobaan dilakukan tiga variasi, yaitu reverse osmosis satu tahap, reverse osmosis dua tahap, dan closed circuit reverse osmosis . Simulasi dilakukan untuk laju alir umpan 100 m 3 /jam dengan recovery 90%. Nilai energi spesifik yang diperlukan untuk  satu  tahap,  dua  tahap,  dan  CCRO  secara  berurut  adalah  0,53;  0,49;  0,84  kWh/m 3 .  CCRO  merupakan konfigurasi paling efektif untuk mengurangi padatan terlarut dalam air. Nilai TDS yang awalnya 1.656,75 mg/L bisa diturunkan hingga 17,3 mg/L. Sementara itu, nilai pH dari hasil CCRO mencapai 4,9. Air yang terlalu asam bisa diatasi dengan menambahkan basa hingga pH air kembali normal.

## REFERENSI
Badan  Perencanaan  Pembangunan  Daerah.  (2018). RENCANA  INDUK  SISTEM  PENYEDIAAN  AIR MINUM KABUPATEN SERANG 2019-2038 . Badan Pusat Statistik Banten. (2015). Provinsi Banten Dalam Angka . BPS Provinsi Banten. DuPont. (2022). WAVE Design Software . https://www.dupont.com/water/resources/design-software.html Hartanto, P., Delinom, R. M., & Hendarmawan, H. (2019). Kualitas Air pada Puncak Musim Kemarau di Daerah Rawa Danau Kabupaten Serang. RISET Geologi
dan
Pertambangan , 29 (1), 13. https://doi.org/10.14203/risetgeotam2019.v29.1021
Li, S., Duran, K., Delagah, S., Mouawad, J., Jia, X., & Sharbatmaleki, M. (2020). Energy efficiency of staged reverse osmosis (RO) and closed-circuit reverse osmosis (CCRO) desalination: A model-based comparison. Water Science and Technology: Water Supply , 20 (8), 3096 – 3106. https://doi.org/10.2166/ws.2020.208 Lin,  S.,  &  Elimelech,  M.  (2015).  Staged  reverse  osmosis  operation:  Configurations,  energy  efficiency,  and application potential. Desalination , 366 , 9 – 14. https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.02.043
Ncube, R., & Inambao, F. L. (2021). Modeling, Simulation and Optimization of a Reverse Osmosis Desalination Plant. International  Journal  of  Mechanical  and  Production  Engineering  Research  and  Development , 11 (4),  27 – 46. https://doi.org/10.24247/ijmperdaug20213
Permenkes  RI.  (2010).  Peraturan  Menteri  Kesehatan  Republik  Indonesia  Nomor  492/Menkes/Per/IV/2010 Tentang Persyaratan Kualitas Air Minum. In Peraturan Mentri Kesehatan Republik Indonesia (hal. MENKES). Wei, Q. J., McGovern, R. K., & Lienhard, J. H. (2017). Saving energy with an optimized two-stage reverse osmosis system.
Environmental Science: Water Research and Technology , 3 (4), 659 – 670. https://doi.org/10.1039/c7ew00069c