HIDRODINAMIKA SISTEM
AKUAKULTUR
SISTEM TEKNOLOGI AKUAKULTUR JURUSAN BUDIDADAYAN PERAIRAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
UNIVERSITAS MULAWARMAN
HIDRODINAMIKA DALAM SISTEM AKUAKULTUR
I. PENDAHULUAN
Dinamika fluida adalah ilmu yang mempelajari gerakan cairan. Dalam sistem akuakultur lebih banyak menekankan pada sifat fluida dinamis dari pada fluida statis, terutama pada akuakultur sistem resirkulasi, di mana air mengalir secara kontinu atau bergerak sehingga berdampak pada karakteristik fisika dan kimia, bahkan biologi air yang dibawanya.
Dinamika fluida dalam sistem akuakultur resirkulasi lebih menarik karena memiliki perbedaan viskositas (kekentalan) antara air yang keluar dari media ikan dengan air yang masuk karena sudah melalui proses filtrasi. Hal ini mempengaruhi karakteristik aliran fluida seperti; tekanan pancar, kecepatan alir, volume air yang dibawa, energi, dll.
Dinamika Fluida saluran tertutup 1
. Karena air bergerak dalam berbagai sistem akuakultur produktif, maka dinamika fluida merupakan perhatian utama untuk rekayasa akuakultur. deskripsi aliran fluida berdasarkan pada konsep fisika dasar, yakni :
a. Tipe aliran Fluida
Bila fluida mengalir dalam pipa yang berpenampang A dengan kecepatan v, aliran atau debit (Q) adalah: Q (m2/s) = A. v
Viskositas
Viskositas atau kekentalan merupakan gesekan yang dimiliki oleh fluida. Gesekan dapat terjadi antar partikel-partikel zat cair atau gesekan antara zat cair dengan dinding permukaan tempat zat cair itu berada. Gaya gesekan antar benda dengan fluida disebut juga gaya stokes. Besarnya gaya gesek tersebut dirumuskan sebagai berikut :
F
s= 6.
.
.r.
Garis Alir
Aliran fluida bisa berupa laminar atau turbulen. Aliran laminar di mana fluida bergerak dalam arah dan kecepatan yang sama seperti semua elemen lainnya.
Elemen-elemen itu akan membentuk garis arus (stremline) yang bergerak secara konstan dan berhubungan satu sama lain. Pusaran arus internal ada di dalam garis alir dan tidak ada aliran yang merintangi garis alir.
Aliran turbulen adalah ada aliran yang merintangi garis arus, pusaran internal, dan gerakan elemen lain relatif berhubungan, contohnya; angin dibelakang mobil yang melaju dan pusaran air. Energi yang hilang lebih tinggi dibandingkan aliran laminar karena peningkatan friksi internal. Aliran laminar berupa aliran berkecepatan rendah, diameter pipa yang kecil, dan kekentalan cairan yang tinggi sedangkan aliran turbulen adalah sebaliknya. Pada umumnya aplikasi aliran fluida yang digunakan dalam rekayasa akuakultur adalah aliran turbulen karena kecepatannya yang lebih tinggi akan mengurangi biaya pipa.
Debit (Q) 2
Banyaknya fluida yang mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu disebut debit (Q) atau debit adalah volume aliran air per satuan waktu (m3/s) atau (l/s). Besarnya debit dapat diperoleh dengan persamaan :
t
QV = v(kecepatan);makaQ v .A
dt dI dengan ,
dt A.dI dt
dv
t s
v ; Q= t s
A. ; atau Q= t V
Keterangan :
Q = Debit fluida (m3/s)
A = luas penampang alir (m2) v = laju aliran fluida (m/s) V = volume fluida (m3) t = waktu (s)
b. Konservasi massa
Massa fluida yang yang mengalir dari suatu saluran tertutup harus melewati saluran yang lain (bagian 1 dan bagian 2). Jika massa yang sama harus melewati bagian 1 dan kemudian bagian 2, walaupun kedua pipa memiliki luas penampang berbeda akan memiliki debit air yang sama pada setiap penampang. maka persamaan yang diterapkan untuk sistem ini adalah persamaan kontinuitas :
1
Q = v1A1y1 Q2 v2A2y2
Ket.
V = kecepatan A = luas area
y
= berat spesifik cairan = massa zat : berat jenis air murnijika berat cairan sama, maka persamaan direduksi menjadi
2 2 1
1A v A
v
1 1
1A Q
v Q2 v2A2
A1 = luas penampang pipa 1 A2 = luas penampang pipa 2 V1 = kecepatan alir di pipa 1 V2 = kecepatan alir di pipa 2
Contoh :
Diketahui Q1 = 0.5 m3/s = 2 2A v
Diameter pipa A2 = 0.30 m
2 2A
v =
r2v20.5 m3/s = 2
v (0.30 m/2)2
0.5 m3/s = 2
v (0.0225)
2
v = 22.2 m/s
a. Konservasi energi
Teori Bernoulli
Hubungan antara laju, tekanan, dan tinggi fluida ditulis :
P1 + ½ . v12 + . g.h1 = P2 + ½ . v22 + . g.h2
Penerapan humum Bernoulli :
Menentukan kecepatan fluida keluar dan debit air pada tangki bocor
2gh
v
gh A Q . 2
Tabung venturi :
1 2
v 2
2 1 1
A A
gh
Fluida dalam keadaan mengalir kontinu mempunyai energi tekanan, energi kinetik (kecepatan) dan energi potensial (kecepatan awal) pada sebarang titik adalah sama dengan jumlah energi dari berbagai titik.
Konservasi energi menggunakan persamaan yang berguna dalam menyelesaikan berbagai macam masalah dinamika fluida. Total energi pada berbagai titik dalama suatu cairan terdiri atas tiga bagian; energi potensial yang terjadi karena lokasi, energi potensial yang terjadi karena tekanan, dan energi kinetik karena gerakan fluida itu sendiri.
Pada titik 1 terjadi energi potensial karena lokasi di ketinggian hanya dipengaruhi tekanan atmosfir sedangkan cairan di mana titik 2 berada membentuk energi potensial karena tekanan, sehingga tekanan pada poin 2 = yh, jika pada titik 2 ada katup, maka tekanan atmosfir diabaikan, dimana h= tinggi cairan di dalam bak.
Tekanan ini dapat membentuk energi potensial, yaitu berat cairan x
Gerakan cairan membentuk energi kinetik
2 dari hukum Newton :
g
Total energi fluida (Ee) = energi potensial + energi kinetik, sehingga dapat dihitung sebagai :
W
Karena energi titik 1 harus sama dengan energi pada titik 2, maka persamaannya menjadi :
g
Atau dengan rumus sederhana berikut :3
P1 + 1
M = massa fluida
= rapat jenis fluida
P1, V1, h1 = tekanan, kecepatan, dan tinggi fluida pada bagian 1 P2, V2, h2 = tekanan, kecepatan, dan tinggi fluida pada bagian 2
Seterusnya dalam satuan inggris m dinyatakan dalam sluge, p = lb/ft2,
dalam sludge/ft3.
Persamaan (1) kita bagi dengan m/p sehingga :
2
Persamaan (2) kita bagi dengan mg
2
Pers (1) dalam satuan kerja
3 R. Hartati. 2003. Modul Diklat Fisika : Fluida. Program Analisis Kimia dan Teknik Komputer
Pers (2) dalam satuan tekanan
Pers (3) dalam satuan panjang (tinggi)
Persamaan di atas dikenal sebagai persamaan Bernoulli yang bisa diterapkan pada aliran yang tidak kehilangan energi baik pada titik 1 maupun titik 2. Namun bagaimanapun, energi fluida sebenarnya hilang karena pergesekan dengan dinding saluran, jadi persamaan yang lebih praktis adalah :
pipa
Energi input contohnya pompa yang diletakkan diantara poin 1 dan 2. kehilangan energi terjadi karena gesekan; saat air masuk melewati bidang pipa di titik 2, perubahan arah aliran, ketika air meninggalkan saluran, dan perubahan yang terjadi karena peningkatan air yang hilang.
Minor losses =
2g v K
2
Koefisien minor losses untuk beberapa fitting (kran) yang umum
Fitting K
Katub bundar (fully open) 10 Katub bersudut (fully open) 5.0 Swing check valve (fully open) 2.5
Gate valve (fully open) 0.19
Close return bend (fully open) 2.2
Standard tee 1.8
Standard elbow 0.9
Medium sweep elbow 0.75
Long sweep elbow 0.60
Entrance (square-edge) 0.5
Entrance (slightly-edge) 0.2
Entrance (inward projecting) 0.8
Contoh ; hitung head loss pada 2.54 cm (1 in.) nominal diameter 90o elbow yang membawa 60 liter air/menit (Q = 1 l/s), diameter pipa inside = 2.54 cm, nominal diameter 2.43 cm.
Kehilangan energi akibat gesekan dengan saluran adalah fungsi dari
, dimana; v = kecepatan aliran (m/s),
d = diameter pipa (m),
v
= kekentalan kinematis = f (T) (m2/s). Kekasaran Pipa PVC = 5 x 10-6Kekentalan kinematis tergantung pada suhu. Jika suhunya (T) = 10 oC,
v
= 1.31 x 10-6.Untuk saluran berlaku d = 4R =
v 4
Re vR
Sehingga head loss karena gesekan (fricrion factor atau ff) dapat dihitung :
h = head loss karena gesekan pipa, ff = friction factor
L = panjang pipa D = diameter pipa v = kecepatan
g = percepatan grafitasi
Contoh : carilah head loss pada 100 m dengan diameter pipa 7.62 cm (3 in.) dengan debit 0.6 m3/menit air pada suhu 20oC, internal diameter pipa = 7.37 cm
Penyelesaian :
Re = 15.8 x 104
Ff = 0.0198, berdasarkan pada diagram Moody Maka :
Angka Reynold (Re)
v
Dimana I = panjang karakteristik d = diameter pipa
1.2. Hidrodinamika dalam Sistem Akuakultur
Dalam sistem akuakultur resirkulasi, gerakan air dan gaya-gaya yang ditimbulkannya (hidrodinamika) sangat penting peranannya dalam merencanakan instalasi sistem akuakultur yang ingin dibangun. Hal ini terkait erat dengan pengaturan pola aliran air yang bisa berdampak pada keseimbangan kualitas air karena sangat menentukan pola aliran limbah nutrien dan oksigen terlarut dalam sistem.
Hidrodinamika sistem resirkulasi berhubungan dengan sistem filter yang digunakan, debit air yang keluar dari media budidaya akan mempengaruhi waktu tinggal limbah nutrien dalam biofilter sehingga berdampak pada efektifitas dan efisiensi kerja biofilter dalam merombak limbah nutrien tersebut menjadi senyawa-senyawa yang tidak berracun.
Tipe hidrodinamika dalam sistem akuakultur resirkulasi pada umumnya mengikuti tipe pelimpahan tak sempurna, yakni kondisi aliran air di outlet dipengaruhi oleh kondisi aliran air dari bagian inlet secara tuntas
Rumusnya : Q a..b.. 2gh
Dimana : Q = debit; a = luas lubang outlet; b = luas bidang vertikal, = koefisien pintu outlet (0.5)
Sistem akuakultur resirkulasi dengan biofilter
c. Tinggi Energi (H)
Dalam hukum kekelan energi; di dalam sistem yang tertutup, jumlah energi potensial dan kinetik selalu konstan.
Total energi (Et) = energi potensial (Ep)+ energi kinetik (Ek)
surface) er
(meter wat mWS
dalam 2
v h z g.v .
E G E H
2
g
Jika semua energi berubah dalam tinggi kecepatan dan tidak ada kehilangan energi, maka dari
2.g.h keluar v
pancaran kecepatan
dengan 2
v H dapat di v . 2 m E
2
2
g
Pada suatu aliran bejana tanpa kehilangan energi, maka tinggi tekanan
total adalah g
. p
diubah ke tinggi kecepatan g 2g
v .
p 2
Sehingga
g H
. 2
v2
Contoh :
Suatu bak berukuran 49 x 49 x 52 cm dengan lubang outlet di dasar bak Diketahui :
Kedalaman air (h1) = 52 cm = 0.52 m Diameter pipa outlet = 1.3 cm = 0.013 m Tinggi pipa outlet (h2) = 50 cm = 0.5 m Maka :
Kecepatan aliran air (v) = 2gH ; H = h1-h2 =52-50,66 = 1.34 cm = 0.0134 m
v = 2 x9.8 x0.0134 = 0.51 m/s
Luas dinding bak yang memberikan tekanan adalah (A) A = 0.49 x 0.0134 = 0.0066 m2
3.Perhitungan Hidrodinamika Untuk Trickling Filter4
Perhitungan aliran pada TF di awali dari maksimum pemberian pakan (kg/hari), biomassa maksimum, volume media budidaya, dan produksi limbah per kg pakan (Timmons, 2002).
Untuk perhitungan aliran, keseimbangan massa diperlukan untuk menentukan perbedaan nutrien yang relevan atas target kualitas air yang diinginkan, maka dari itu asumsi konsentrasi efluen awal per parameter kualitas air. keadaan awal menandakan belum ada akumulasi (dC/dt = 0) pada perhitungan ini diasumsikan bahwa volume air di filter tercampur (mixed) (Summerfelt dan Vinci, 2004).
Penjelasan konsentrasi metabolit pada efluen media budidaya dalam suatu sistem resirkulasi adalah konsentrasi metabolit dalam media budidaya tanpa adanya resirkulasi. Koefisien porposional ini adalah C sebagai suatu ukuran untuk metabolit karena proses resirkulasi. Faktor akumulasi ini juga dapat digunakan untuk mebedakan konsentrasi metabolit di outlet media budidaya. Dengan demikian konsentrasi TAN di dalam media budidaya (Wasteout) dapat ditentukan dengan cara :
Faktor akumulasi dapat ditentukan berdasarkan fraksi aliran air yang digunakan kembali (R) dan efisiensi penyisihan TAN/treatment efficiency (TE)
Tingkat produksi TAN (PTAN)
Konsentrasi TAN di air baru (Wastenew)
Debit air untuk mengontrol akumulasi TAN di media budidaya.
Menurut Timmon et al (2002), akumumulasi TAN tergantung pada efisiensi perlakuan yang melewati biofilter (CTANout), sedangkan konsentrasi TAN di efluen biofilter (Ctreatmen out) didasarkan pada konsentrasi efluen media akuakultur (Ctreatmen in) dan efisiensi perlakuan. Berikut ini, laju aliran TAN yang melintasi media akuakultur dapat dihitung dengan persamaan berikut :
xTE R R C
1 1
4 EH Edding, A Kamstra, JAJ Verreth, EA Huisman, dan A Klapwijk. 2006. Design and
,out Treatmrnt in Treatment best Treatment in
Treatment C TE C C
C = konsentrasi limbah di media akuakultur (g/m3) R = Aliran air yang digunakan kembali (Fraksi air) TE = Treatmen efficiency (desimal)
Wasteout = Konsentrasi metabolit di efluen media akuakultur (g/m3) Pwaste = Produksi metabolit (g/hari)
Qr = Debit air, untuk aliran TAN dalam biofilter (m3/hari)
Wastenew = Konsentrasi limbah di dalam air yang sudah difilter (g/m3) CTAN,out = Konsentrasi TAN di efluen media akuakultur (g/m3)
CTAN,in = Konsentrasi TAN di influen media akuakultur/air dari filter (g/m3) CTreatment, Best,TAN= 0
PTAN = Produksi TAN (g/hari)
CTAN,in = Konsentrasi TAN dari efluen media akuakultur (g/m3)
Beberapa pernyataan harus dibuat sehubungan dengan perhitungan terhadap tingkat pengendalian TAN :
Laju aliran yang lebih tinggi mungkin dibutuhkan agar sesuai dengan kebutuhan hidorolik untuk operasi TF.
Konsentrasi TAN yang tinggi di air yang banyak daripada CTAN yang terjadi pada saat transisi (kinetika penyisihan nitrogen pada ½ orde reaksi sampai pada 0 orde kinetik) tidak akan menghasilkan penyisihan TAN yang lebih tinggi
biofilter dan mudah mendegradasi bahan organik yang masuk dan akan menghasilkan penyisihan nitrogen yang rendah per m2. penyisihan nitrogen yang tinggi hanya dapat diharapkan terjadi di dalam pipa yang menuju media akuakultur (konsentrasi TAN yang tinggi terjadi karena loading hidrolik yang tinggi dan BOD yang rendah).
Kebutuhan aliran untuk mengontrol parameter kualitas air dihitung untuk dapat menentukan aliran yang mana yang menjadi faktor pengendali.
4. Dimensi/Ukuran Sebuah Biofilter
Efisiensi penyisihan TAN secara empiris ditentukan oleh; spesies ikan, pakan yang diberikan, tinggi filter, tipe media filter, Hydraulic surface load, suspended solids unit dan konsentrasi TAN di influen filter. Seperangkat persyaratan ini digunakan untuk membuat desain baru dan sering berfungsi tanpa masalah. Namun demikian, ketika masalah kualitas air terjadi biasanya dilakukan pergantian dengan tipe media filter yang baru, mengganti komposisi pakan, mengganti unit perlakuan yang lebih baik dan murah. Pengaruh dari pergantian ini harus dapat diprediksi.
Menurut Losordo, et al (2000), ketika konsentrasi influen diketahui pada TF tertentu, hal ini berdasarkan pada data tinggi filter yang ditetapkan, tipe media, aliran air di permukaan filter, laju penyisihan TAN, dan suhu. Kebutuhan atas nitrifikasi di keseluruhan luas permukaan (A) dihitung dari TAN yang masuk ke TF (PTAN load trickling filter) dan laju nitrifikasi (rTAN, TAN/m2/hari). Volume bioreaktor (VTF) adalah fungsi dari total luas permukaan (A) dan luas permukaan spesifik (a, dalam m2/m3) suatu media filter bentuk reaktor tergantung pada hydraulic surface
) m (
) m ( )
( 2
area sectional -cross
3 filter tricling height
S V m
H
Namun bagaimanapun, untuk mendapatkan desain TF yang baik, penting untuk menetapkan hubungan antara parameter operasional dan laju penyisihan TAN (Gujer dan Boller, 1986) supaya bisa memprediksi efisiensi biofilter dan menentukan perangkat nilai parameternya. Untuk menentukan laju penyisihan TAN, hubungan empiris (Liao dan Mayo, 1974) dan pembahasan tentang kinetika nitrogen dapat digunakan.
4.1.Hubungan Empiris
Liao dan Mayo (1974) menjelaskan bahwa laju penyisihan TAN (NAR, gTAN/m2/hari) adalah fungsi dari TAN loading rate (A
L, gTAN/m2/hari), waktu tinggal di dalam media (tm = Vmedia (m3)/void fraction atau debit (m3/jam) : NAR = 0.96 AL tm). Persamaan ini menjadi : NAR/ AL = EA (efisiensi filter) = 0.96 tm.
Pendekatan ini dapat bekerja pada suhu 10-15 ºC, HLS = 86.4–147 m3/m2/day per cross-sectional surface area), pH 7.5-8, media filter 3.5 inchi, waktu tinggal 0.206-0.46 jam, konsentrasi TAN ≤ 1 g/m3, dan TAN loading rate maksimum 0.977 g/ m2/hari sebagai akibat loading bahan organik (Wheaton, 1977). Maksimum loading rate terjadi karena kondisi operasional percobaan, yang mana semua efluen dari media akuakultur dipompa keluar menuju TF dan sedimentasi terjadi kemudian, hasilnya adalah maksimum load/bahan organik (yang dinyatakan sebagai BOD atau COD) dan SS. BOD yang tinggi akan mengurangi kapasitas penyisihan nitrogen.
PROSEDUR DESAIN TRIKLING FILTER
Untuk memulai prosedur desain, fraksi (R) dari aliran air yang digunakan kembali diasumsikan telah diketahui.
1. menentukan debit air (m3/hari) yang diperlukan untuk kebutuhan oksigen bagi ikan dan pengendalian TAN. Menentukan konsentrasi TAN yang masih ditoleransi ikan (Climit.TAN). Jika aliran oksigen sudah dipilih untuk desain filter, maka konsentrasi aliran TAN yang masuk ke filter harus dihitung untuk jenis aliran ini.
2. Menentukan faktor akumulasi ammonia (C) akibat resirkulasi
))
(g/m
(
))
g/m
(
(
3 TAN
3 TAN limit,
C
ilter
di inlet f
i ammonia
Konsentras
C
eransi
yang ditol
i ammonia
Konsentrasi ammonia di inlet filter
(C (g/m3))TAN Debit air (m /hari)
g/hari) (
TAN Produksi
3
3. Menentukan efisiensi filter (E)
CR C CR E1
Ket : E = efisiensi filter (dalam desimal); C = faktor akumulasi ammonia; R = persen resirkulasi (dalam desimal)
4. Menghitung TAN yang masuk ke dalam filter Total TAN load = Produksi TAN x C
5. Menghitung waktu tinggal air di filter untuk menghilangkan ammonia dari efisiensipada suhu tertentu
7 . 21 (T) 8 .
9
E
tm
E = efisiensi filter (%); tm = waktu tinggal filter (jam); T = suhu (ºC) 6. Menghitung volume filter
(fraction) volume
void media
1 x
) (Q xRT Vf
Vf = volume filter (m3); Q = debit (m3/hari); RT = waktu tinggal (jam) 7. Menghitung luas permukaan filter (A, m2)
) /m (m spesifik permukaan
luas x ) (m )
(m2 Vf 3 2 3
A
HIDRODINAMIKA BAK/KOLAM IKAN5
Desain bak/kolam ikan sangat mempengaruhi hidrodinamika yang terjadi selama operasional bak/kolam, di mana hidrodinamika tersebut akan sangat mempengaruhi; volume mati, kelarutan metabolit, pergerakan dan tingkah laku ikan, penyebaran pakan, manajemen kualitas air dan kesehatan ikan, kesehatan dan serangan penyakit ikan (Burley dan Klapsis,1988; Griffiths dan Armstrong, 2000; Odeh et al., 2003; Rasmussen et al.,2004).
Meskipun peningkatan kepadatan diketahui dapat menaikkan produksi dan keuntungan, namun sangat sedikit pengetahuan tentang dampak kepadatan ikan terhadap proses percampuran (mixing) di dalam bak/kolam. Sementara itu, informasi ini merupakan parameter yang sangat penting dalam produksi dan rekayasa bak/kolam ikan. Lebih jauh, studi tentang pengaruh ikan terhadap proses pencampuran di dalam bak memberikan hasil yang kontradiksi (Watten dan Beck, 1987;Watten et al., 2000). Alasan inkonsistensi ini bervariasi, tetapi sebenarnya merefleksikan kesulitan dalam metodologis, khususnya penggunaan outlet sebagai satu-satunya titik pengukuran, perbedaaan dalam kepadatan ikan.
5 Lunger, et al. 2006. Fish Stocking Density Impacts Tank Hydrodynamics. J. Aquaculture 254 :
