4. Hidrodinamika Sistem Akuakultur

Sumoharjo, S.Pi., M.Si

HIDRODINAMIKA SISTEM AKUAKULTUR

SISTEM TEKNOLOGI AKUAKULTUR

JURUSAN BUDIDADAYAN PERAIRAN

FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTANUNIVERSITAS MULAWARMAN

2011


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 :

Fs = 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 1 FW. Wheaton, 1979. Aquacultural Engineering. John Wiley and Son, Inc. New York. USA

2


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 :

=

; = ; atau =

Keterangan :

= 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 :

=

Ket.

2 Maryono A, Muth W, Eisenhauer N. 2003. Hidrolika Terapan. Penebar Swadaya Jakarta.

3


V = kecepatanA = luas area

= berat spesifik cairan = massa zat : berat jenis air murni

jika berat cairan sama, maka persamaan direduksi menjadi

A1 = luas penampang pipa 1A2 = luas penampang pipa 2V1 = kecepatan alir di pipa 1V2 = kecepatan alir di pipa 2

Contoh :

Diketahui Q1 = 0.5 m3/s =

Diameter pipa A2 = 0.30 m

=

0.5 m3/s = (0.30 m/2)2

0.5 m3/s = (0.0225)

= 22.2 m/s

a. Konservasi energi

Teori Bernoulli

Dalam hukum bejana berhubungan menyatakan bahwa permukaan zat

cair akan sama, namun hukum ini tidak berlaku bagi fluida yang bergerak

Hubungan antara laju, tekanan, dan tinggi fluida ditulis :

4


P1 + ½ . v12 + . g.h1 = P2 + ½ . v2

2 + . g.h2

Penerapan humum Bernoulli :

Menentukan kecepatan fluida keluar dan debit air pada tangki bocor

Tabung venturi :

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 =

, jika pada titik 2 ada katup, maka tekanan atmosfir diabaikan, dimana =

tinggi cairan di dalam bak.

Tekanan ini dapat membentuk energi potensial, yaitu berat cairan x

tekanan.

5


PE = Potential Energy, W = berat cairan

Gerakan cairan membentuk energi kinetik

m = massa, dan v = kecepatan

dari hukum Newton :

, disubtitusikan :

Total energi fluida (Ee) = energi potensial + energi kinetik, sehingga dapat

dihitung sebagai :

Karena energi titik 1 harus sama dengan energi pada titik 2, maka

persamaannya menjadi :

Atau dengan rumus sederhana berikut :3

P1 + 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

.......................................................................(3)

Pers (1) dalam satuan kerja

Pers (2) dalam satuan tekanan

Pers (3) dalam satuan panjang (tinggi)

3 R. Hartati. 2003. Modul Diklat Fisika : Fluida. Program Analisis Kimia dan Teknik Komputer Jaringan. SMKN 13 Bandung

6


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 :

E

nergi 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 =

Koefisien minor losses untuk beberapa fitting (kran) yang umum

Fitting K

Katub bundar (fully open) 10Katub bersudut (fully open) 5.0Swing check valve (fully open) 2.5Gate valve (fully open) 0.19Close return bend (fully open) 2.2Standard tee 1.8Standard elbow 0.9Medium sweep elbow 0.75Long sweep elbow 0.60Entrance (square-edge) 0.5Entrance (slightly-edge) 0.2Entrance (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.

Penyelesaian :

1 l/s = 0.001 m3/s =

Kehilangan energi akibat gesekan dengan saluran adalah fungsi dari

kecepatan air, jumlah larutan dalam air, diameter pipa, kekentalan, dan

kekasaran pipa.

7


Re (Angka Reynold) = , dimana; v = kecepatan aliran (m/s), d

= diameter pipa (m), = kekentalan kinematis = f (T) (m2/s). Kekasaran Pipa

PVC = 5 x 10-6

Kekentalan kinematis tergantung pada suhu. Jika suhunya (T) = 10 oC, = 1.31 x

10-6.

Untuk saluran berlaku d = 4R =

Sehingga head loss karena gesekan (fricrion factor atau ff) dapat dihitung :

Dimana :

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 :

Q = A

0.6 m3/min =

v = 141.5 m/min

v = 2.36 m/s

Viscositas kinetik air pada suhu 20 oC = 1.1 x 10-1 cm2/s

Re = =

Re = 15.8 x 104

Ff = 0.0198, berdasarkan pada diagram Moody

Maka :

8


m head loss

Angka Reynold (Re)

=

Dengan

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.

Beberapa parameter dalam hidrodinamika yang perlu diperhatikan antara

lain ; volume media budidaya (m3 atau l), kekuatan pompa (l/s), kedalaman air

(m), luas alas bak (m2), luas outlet (m2), jarak permukaan air dengan outlet (m),

panjang pipa outlet (m), dan jarak outlet dengan dasar bak (m). Dari parameter-

parameter tersebut dapat dilakukan evaluasi hidrodinamika yang meliputi; debit

(m3/s atau l/s), kecepatan aliran (m/s), gaya (Nm), dan tekanan air (Pa).

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

9


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 :

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)

Jika semua energi berubah dalam tinggi kecepatan dan tidak ada kehilangan

energi, maka dari

10


Pada suatu aliran bejana tanpa kehilangan energi, maka tinggi tekanan

total adalah diubah ke tinggi kecepatan

Sehingga

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) = ; H = h1-h2 =52-50,66 = 1.34 cm = 0.0134 m

v = = 0.51 m/s

Luas dinding bak yang memberikan tekanan adalah (A)

A = 0.49 x 0.0134 = 0.0066 m2

Sehingga debit air (Q) = V x A = 0.51 m/s x 0.0066 m2 = 0.0034 m3/s

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

4 EH Edding, A Kamstra, JAJ Verreth, EA Huisman, dan A Klapwijk. 2006. Design and Operation of Trickling Filters in Resirculating Aquaculture. Aquacultural Engineering : A Review 34 : 234 -260

11


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 :

Keterangan :

C = konsentrasi limbah di media akuakultur (g/m3)

R = Aliran air yang digunakan kembali (Fraksi air)

12


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

Desain prosedur menurut Losordo, et al (2000) memungkinkan untuk

menurunkan TAN pada perhitungan aliran dan dimensi biofilter karena

nitrifikasi pasif (nitrifikasi di luar biofilter). Namun bagaimanapun, luas

permukaan di media akuakultur dan di dalam pipa relatif kecil

dibandingkan dengan area permukaan yang dimasukkan ke dalam

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

13


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

load (HSL) (m3/ m2/hari).

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 (AL, gTAN/m2/hari), waktu

14


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

Konsentrasi ammonia di inlet filter

3. Menentukan efisiensi filter (E)

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

efisiensi pada suhu tertentu

15


E = efisiensi filter (%); tm = waktu tinggal filter (jam); T = suhu (ºC)

6. Menghitung volume filter

Vf = volume filter (m3); Q = debit (m3/hari); RT = waktu tinggal (jam)

7. Menghitung luas permukaan filter (A, m2)

8. Menguji apakan TAN di filter outlet kurang dari 0.977 g/m2/hari

9. Menentukan dimensi filter.

16


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 : 370-375

17

Documents

4. Hidrodinamika Sistem Akuakultur