7
BAB 2
TUJUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Pustaka
Beberapa studi pustaka yang berhubungan dengan penelitian pada salah satu
kompartemen pada pengolahan air bersih pada area flokulator dengan tipe hidrolis
menggunakan diffuser yang disajikan. Berikut adalah beberapa refrensi penelitian
terhahulu menenai karakteristik hidrolik aliran pada area flokulator. Berikut adalah
beberapa penelitian terhadulu terkait analisa karakteristik aliran yang terjadi pada
diffuser
• Judul : Dengan judul Pengenbangan Media Pembelajaran Pengukuran
Rugi Aliran Fluida Cair Dalam Pipa Venturi Untuk Menunjang
Perkuliahan Mekanika Fluida. Disusun oleh Yosi Ramadhan, Ramelan
dan Wirawan Sumbodo tahun 2014. Metode yang digunakan dalam
penelitian ini adalah dalam pipa venturi, tekanan ketika penyempitan
mengalami kenaikan sedangkan kecepatan meningkat. Variasi penutupan
gate valve sangat berpengaruh terhadap kerugian aliran fluida, semakin
gate valve menutup maka kerugian aliran fluida cair yang melewati
semakin mengecil.
• Judul : Studi Distribusi Tekanan Aliran Melalui Pengecilan Saliran Secara
Mendadak Dengan Belokan Pada Penampang Segi Empat. Disusun oleh
Sarjito, Subroto dan Arif Kurniawan tahun 2016. Metode yang digunakan
dalam penelitian ini adalah distribusi tekanan dan penurunan tekanan
aliran pada satu fase, melalui penampang persegi dengan belokan (elbow)
dan mengalami pengecilan saluran, setiap kenaikan kecepatan aliran
selalu di ikuti dengan tekanan aliran nya. Terjadinya peningkatan tekanan
dipengaruhi oelh kenaikan debit aliran (Q), semakin besar luas
penampang pipa maka akan semakin kecil bilangan Reynoldnya dan
bilangan Reynold akan semakin bertambah seiring debit aliran (Q)
bertambah.
• Judul : Karakteristik Aliran Air Dalam Model Saluran Terbuka Menuju
Kajian Hidrolika Erosi Dan Transpor Sedimen. Disusun oleh Bakhtiar,
Joetata Hadihardaja tahun 2009. Metode yang digunakan dalam penelitian
ini adalah penelitian teramati karakteristik hidrolis aliran di saluran
8
terbuka antara air murni dan air berpasir cenderung sama dan hasil pola
hubungan antara vairabel karakteristik hidrolis yang dikemukakan secara
teoritik melalui penurunan model marematis sama dengan hasil
pengamatan.
• Judul : Kajian Pengaruh Tinggi Bukaan Pintu Air Tegak (Sckuicegate)
Terhadaap Bilangan Froude. Disusun oleh Jani Albas dan Sulwan
Permana tahun 2016. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah
mengoptimalisasi peranan bangunan pintu air sebagai pengatur debit dan
pengatur tinggi muka air di hulu bangunan pintu air, seiring dihadapkan
pada masalah gerusan likal (Local Scouring) di sebalah hilir bangunan
pintu air, dalam penanganan masalah dengan pembuatan landasan
komalm olak atau dikobinasikan dengan persamaana ambang peredam
energy, bilangan froude merupakan satuan non-dimensional yang
menunujan efek relative dari evek inersia terhdapat efek gravitasi, faktor
yang mempengaruhi bertambahnya ketinggian aliran pada energy spesifik
merupakan ketinggian muka air dan harga kecepatan masing-masing
keadaan,
• Judul : Kajian Fenomena Separasi Pada Pipa Sudden Contraction dengan
Kontrasi Rasio 5:3. Disusun oleh Hijrah Anjar Nugroho, Khoiri Rozi dan
Tony Surya Utomo tahun 2014. Dalam penlitian ini adalah Sudden
contraction merupakan bentuk saluran terkontrasi secara tiba-tiba dari
daerah upstream menuju downstream. Penyempetian secara mendadak
akan mengakibatkan terjadinya penurunan dan terjadinya secondary flow.
Dari hasil penelitian menunjukan terjadinya perubahan tekanan akibat
penyempitan luas penampang secara tiba-tiba pada area upstream.
Tekanan aliran menunjukan secara konstan karena fluida belum mulai
mengalami separasi. Ketika memasuki downstream terjadinya recovery
tekanan diakibatkan momentum aliran yang cukup kuat untuk mengatasi
gata viskos fluida dan energy kinetis aliran meningkat sehingga mampu
membawa aliran dalam kondisi favorable.
• Judul : Multiscale Simulation Of Water Flow Through Laboratory-Scale
Nantube Membranes. Disusun oleh Matthew K.Brog, Duncan A.
Lockerby, Konstantinos Ritos dan Jason M. Reese tahun 2018. Dalam
penelitian ini menjelaskan dalam selaput pemurnian atau penjernihan air
9
yang terdiri dai susunan karbon nontube (CNT). Dalam penelitian
pengumpalan CNT dilakukan transportasi air secara berulang 2-5 kali
dari hasil Hagen-Poseulle hasil yang sudah diamati dalam pembentukan
CNT yang dihasil kan dengan dimeter partikel 0,8-10 nm. Dalam
penelitian ini diaplikasikan dengan menggunakan simulasi aplikasi
Mocular dynamic (MD) dengan ditambah nya berupa suatu hambatan
berupa slip panjang, maka penambahan diameter CNT mengalami
penaikan 2nm dalam satu fase.
• Judul : Flow Characteristic In Low-Speed Wind Tunnel Conreactions :
Simulation And Testing. Disusun oleh E.S. Zanoun tahun 2018. Dalam
peneitian ini menjelaskan dalam studi numerik dan eksperimental
dilaksanakan untuk mengetahui karakteristik aliran melalui kontraksi
trowongan dengan kecepatan yang rendah. Pemecah aliran dilakukan
dengan dua dimensi dengan berdasarkan skema volumenya. Sehingga
akan diprediksi kecepatan aliran disepanjang trowongan yang diteliti, dari
hasil penelitian membuktikan karakterostik dari intensitas turbulensi yang
keluar terhadap kontrasi sebanding dengan kecepatan yang masuk dan
menunjukan kenaikan kecepatan maka tingkat turbulensi menuju keluar
akan semakin tinggi.
• Judul : Viscoelastic Hydromagnetic Flow Between Two Porous Parallel
Plate in The Presence Of Sinusoidal Pressure Gradient. Disusun oleh
G.C Dash dan Kanaka Lata Ojha tahun 2018. Dalam penelitian ini
menjelaskan Aliran fluida viskoelastik hidromaknetik antara dua poros
penampang horizontal, dengan gradient tekanan sinusoidal dan medan
magnet yang bervariasi. Viskoelastisitas merupakan pendekatan yang
efektif untuk memodelkan mekanisme disipatif. Dalam hasil menunjukan
dalam mendesain agar gradient tekanan berfekwensi rendah dan aliran
kembali ke arah masuk maka dilakukan dengan penghambatan
penambahan salurann berpori dan mengaplikasikan medan magnet serta
elastisitas untuk memperlambat aliran fluida.
• Judul : Optimal Operation Of The Water-Lifting Unit In Determining The
Water Flow In The Warer Source. Disusun oleh V.Kushnir, O. Benyukh
dan A. Kushnir tahun 2016. Dalam penelitian ini menjelaskan pengunaan
air untuk daya tampung penyemprotan ladang runput harus merata dengan
10
penggunaan air secara minimalis maka dilakukannya penyempitan
penampang atau pengecilan penampang agar kecepatan aliran yang
diaplikasikan akan semakin besar. Dalam menunjau kecepatan aliran yang
kelur dianalisa juga ketinggian dari air keluar dengan sumber yang
digunakan. Hasil penelitian menunjukan agar didapatlam nya daya
tampung dengan nominal ketinggian air sejauh 0,25 (Hd/Hc) maka
diperlukan nya nilai debit aliran 02 m3/h, untuk 0,5 (Hd/Hc) dengan nilai
debit aliran 0,4 m3/h dan untuk 0,75 (Hd/Hc) Dengan nilai debit aliran
0,8 m3/h.
• Judul : Hydraulic Jump Type Stilling Basims For Froude Number 2.5 to
4.5. Disusun oleh Nani G. Bhowmik tahun 1971. Menjelaskan dalam tipe
Stilling basins tipe lompat hydraulic yang diaplikasikan untuk mencegah
efek dari kecepatan aliran bertipe superkritis pada stabilitas saluran,
dilakukan percobaan laboratorium untuk memprediksi lompatan hidrolik
dengan tipe horizontal dengan nilai kisaran bilangan froude kisaran 2,5
sampai 4,5. Hasil menunjukan dalam berkolerasi data dengan teori
dibutuhkan nya satu alat baffleblock untuk menahan lompatan hidrolik.
Hubungan antara keduanya dikembangkan untuk mencapai nominal
froude 2,5 sampai 4,5 dengan variable kedalaman (D2/D1) yang
membutuhkan nilai kehilangan energi (EL/E1) dan nilai rasio panjang
(L/D2) yang terkait secara independen dengan bilangan Froude
superkritis.
2.2 Landasan Teori
2.2.1 Pengertian Air
Air merupakan salah satu komponen zat cair yang sangat dibutuhkan dalam
kehidupan seluruh jenis makluk hidup, menurut pakar ahli air merupakan senyawa
zat yang terdiri dari H2O secara empiris berdasarkan observasi dimana senyawa
tersebut terdiri dari 2 unsur yaitu unsur 2 hidrogen dan unsur 1 oksigen (Niigata H,
2017).
11
2.2.2 Pengertian Air Baku
Air baku dalam Sumber air memilik karakteristik yang spesifik, dengan
mengetahui karakterisktik masing-masing sumber air serta fakator yang
mempengaruhi karakteristik tersebut, diharapkan dapat membantu di dalam
pemilihan air baku untuk suatu sistem penyediaan air bersih serta mempermudah
memilih sistem pengolahan yang akan kita gunakan untuk menghasilkan air yang
memnuhi persyaratan kualitas secara fisik, kimiawi dan biologis. (Niigata H, 2017).
Dalam penentuan yang didasarkan letaknya air baku dapat diperoleh dari
beberapa sumber, diantaranya adalah air angkasa (hujan), air permukaan, air laut,
dan air tanah, Indonesia sendiri, sumber air yang sering dipergunakan oleh sebagian
besar masyarakat adalah air tanah, baik air tanah dangkal maupun air tanah.Chandra
dalam Cut Khairunnisa, (2012).
(Salmani.S, 2016).Dalam memilih sumber ar baku air bersih, maka harus
diperhatikan persyaratan utamanya yang meliputi kuantitas dan biaya yang murah
dala proses pengambilan sampai pada proses pengolahan nya, berikut merupakan
sumber air baku yang dapat di gunakan untuk penyedia air bersih:
1. Air Hujan
Beberapa sifat kualitas dari air hujan aladah sebagai berikut:
a) Bersifat lunak karena tidak mengandung larutan garm dan zat mineral.
b) Air hujan pada umumnya bersifat lebih bsersih.
c) Dapat bersifat korosif karena mengandung zat yang terdapat di udara
seperti NH3, CO2 agresif, ataupun SO2. Adanya konsentrasi SO2
yang tinggi di udara yang bercampur dengan air hujan akan
menyebabkan terjadinya hujan asam (acid rain).
Dari segi kuantitas, air hujan tergantung pada besar kecil nya curah
hujan. Sehingga air hujan tidak mencukupu untuk persediaan umum karena
jumlah berfluktuasi. Begitu pula bila dilihat dari segi kontinuitasnya, air ujan
tidak dapat diambil secara terus menerus karena tidak ada penambahan air
hujan.
2. Air Permukaan
Air permukaan yang biasanya dimanfaatkan sebagai sumber atau bahan
baku air bersih adalah :
a) Air waduk (berasa dari air hujan)
12
b) Air sungai (berasal dari air hujan dan manta air)
c) Air danau (berasal dari air hujan, air sungai aau mata air)
Pada umum nya air permukaan telah terkontaminasi dengan berbagai
zat yang berbahaya bagi kesehatan, sehingga memerlukan pengolaha terlebih
hadulu sebelum di konsumsi oleh masyarakat. Kontaminana atau zat tercemar
tersebut antara lain domestikm buangan industry dan limbah pertanian.zat zat
pencemaran tersebut antara lain Total Suspend Solid (TSS).
3. Air Tanah
Air tanah banyak mengandung garam dan material yang terlarut pada
waktu air melalui lapisan tanah, secara praktis air tanahh adalah bebas dari
polutan karena berada di bawah permukaan tanag. Tetapi tidak menutup
kemungkinan bahwa air tanah dapat tercemar oleh zat yang menggangu
kesehatan seperti kandungan Fe, Mn, kesadahan yang terbawa oleh aliran
permukaan tanag. Bila ditiju dri kedalaman air tanag maka air tanah di
bedakan menjadi air tanah dangkal dan air tanah dalam. Air tanah dangkal
mempunyai kualitas lebih rendah dibandingkan kualitas air tanah dalam. Hal
ini disebabkan air tanah dangal lebih muda mendapat kontaminasi dari luar
dan fungsi tanahsebagai penyaring lebih sedikit.
Dari segi kuantitas, apabila air tanag dipakai sbagai sumber air baku
sersih adalah cukup relatif. Tetaou bila dilihat dari segi kontinuitasnya maka
pengambilan air tanag harus di batasi, karena dikhawatirkan dengan
pengambilan yang secara terus menerus akan menyebabkan penurunan muka
air tanah. Karena air di alam merupakan rantai panjang menurut siklus
hidrologi. Maka bila terjadi penurunan tanah kemungkinan kekosongan nya
akn diisi oleh air laut, peristiwa ini bisa disebut intrusi air laut. Kondisi ini
telah banyak dijumpai khususnya di daerah dekat pantai atau laut seperti
Jakarta dan Surabaya.
4. Mata air
Dari segi kualitas, mata air adalah sangat baik dipakai sebagai air
baku, karena berasal dari dalam tanah yang muncul ke permukaan tanah
akibat tekanan, sehingga berlum terkontaminasi oleh zat pencemar. Biasanya
lokasi mata air merupakan daerah terbuka, sehingga mudah terkontaminasi
13
oleh lingkungan sekitar. Contohnya banyak ditemukan bakteri E-Coli pada
mata air.
Dilihat dari segi kuantitasnya, jumlah dan kapasitas mata air sangat
terbatas sehingga hanya mampu memenuhi kebutuhan sejumlah penduduk
tertentu. Begitu pula bila mata air tersebut terus di ambil semakin lama akan
habis.
Dalam (Shalahuddin, 2016) Instalasi pengolahan air atau disingkat
IPA adalah sistem utama dari sistem pengolahan air bersih. Pada prinsipnya,
terdapat 3 buah sistem dalam sistem pengolahan air bersih (Water Treatment
System) yaitu sistem air yang masuk (Intake Water System), Instalasi
Pengolahan Air (Water Treatment Plant), dan tempat penampungan air
(Reservoir). Berikut penjelasan lebih mendalam mengenai ketiga bangunan
tersebut.
2.2.3 Intake Water System
Bangunan konstruksi yang menampung sumber air baku yang akan
digunakan dalam proses pengolahan air, dalam penampung air baku ini pada
umumnya ada sebuah alat yang bernama bar screen. Alat ini yang akan berfungsi
untuk mendeteksi dan menyaring air baku tersebut dari benda yang ikut tergenang
dalam air baku tersebut. Intake water system juga bisa di sebut dengan bak
prasedimentasi dimana dalam mendesain bak prasedimentasi tersebut didesain
dengan kemiringan 45 – 65 o untuk membuat lumpur padat yang terdapat dalam air
baku tersebut mengendap sehingga dapat menggurangi beban kerja dari WTP.
Setelah itu air yang sudah disaring di bak prasedimentasi akan dipompa ke bangunan
konstruksi ke dua yaitu Water Treatment Plant (WTP).
14
Gambar 2.1 Intake Water System
(Sumber : PT. Waterindo Primatech Bekasi, 2017)
Berikut juga merupakan gambar dari sitem bak prasedimentasi yang terdapat
di PT. Waterindo Primatech Bekasi :
45-65O
Air bakumasuk
lumpur
Air bersih
Gambar 2.2 Intake Water System
(Sumber : PT.Grhamet Mekatelindo, 2017)
2.2.4 Water Treatment Plant (WTP)
Water Treatment Plant atau bisa di sebut dengan Instalasi Pengolahan Air
(IPA) yang menerima air baku yang di teruskan dari bak prasedimentasi. Dalam
tahap ini, Water Treatment Plant berfungsi untuk mengolah air baku yang masih
terkontaminasi akan diolah untuk mendapatkan kualitas air yang memenuhi syarat
dan standar mutu yang layak untuk dikonsumsi.
(Niggata.H, 2017) dalam tapahapan Water Treatment Plant terbagi menjadi 5
proses yaitu: koagulasi, flokulasi, sedimentasi, filtrasi, dan desinfeksi
15
Gambar 2.3 Water Tratment Process
(Sumber : PT. Waterindo Primatech Bekasi, 2017)
1. Koagulasi
Koagulasi pada pengolahan air bersih merupakan bagian pendahuluan
dimana seringkali terdapat zat padat dalam bentuk atau ukuran yang tidak
memungkinkan mengendap pada proses sedimentasi saja atau dengan
proses lain di dalam waktu detensi yang efisien. Ada 3 (tiga) factor yang
berpengaruh dalam proses koagulasi yakni kualitas air baku, jenis dan
dosis kuagulan, serta pengadukan cepat. Kualitas dapat di ketahui dari
Jar-test. Koagulasi terjadi pada unit pengadukan cepat (Flash Mixing)
karena koagulasi harus tersebar secara capat dan reaksi hidrolisa hanya
terjadi dalam beberapa detik, jadi destabilisasi muatan negative oleh
muatan positif harus dilakukan dalam beberapa detik. Pangadukan cepat
dapat dilakukan secara mekanis, pneumatis (udara) dan hidrolis. Hal
yang terpenting, dalam proses pengadukan dilakukan secara intensif.
2. Flokulasi
Flokulasi adalah proses penggumpalan partikel-partikel terdestabilisasi
menjadi flok dengan ukuran yang memungkinkan dapat dipisahkan oleh
sedimentasi dan filtrasi. Atau proses pertumbuhan flok kecil (mikroflok)
menjadi flok dengan ukuran yang lebih besar (makroflok). Dengan
ukuran flok dan partikel yang semakin besar, maka perbedaan kecepatan
diantara partikel yang semakin besar, dan akan membentuk flok. Jika flok
terlalu besar tidak bisa menahan tekan abrasi di dalam air.
16
3. Sedimentasi
Proses sedimentasi adalah proses penghilangan sebagain besar padatan
yang terkandung dalam air degan pengendapan secara gravitasi dan
dalam waktu tertentu. Kecepatan aliran dirancang sangat rendah,
menimbulkan kondisi tanpa gerak. Oleh karena pengaruh gaya gravitasi,
partikel dengan densitas lebih besar dari densitas cairan sekelilingnya
akan bergerak ke bawah Mengendap sedangakan partikel dengan densitas
yang lebih kecil akan bergerak ke atas (flotasi). Dengan pengertian ini air
baku akan tertahan baik pada lapisan busa di permukaan atau pada
lapisan endapan pada dasar tanki/bak, pada akhirnya air yang
meninggalkan tanki/bak ini akan berada pada kondisi jernih.
4. Filtrasi
Proses penyaringan merupakan proses utama dalam instalasi pengolahan
air. Proses ini bisa menggunakan media pasir (sand filter), karbon aktif
(activated carbon), dan teknologi membran (membrane process) seperti
MF (Microfiltration), UF (Ultrafiltration ), NF (Nanofiltration) atau RO
(Reverse Osmosis).
5. Disinifeksi
Fungsi dari proses disinfeksi adalah mematikan bakteri atau virus yang
masih terdapat di dalam air. Proses ini dapat menggunakan senyawa
kimia seperti penambahan chlor, proses ozonisasi, pemancaran sinar UV,
ataupun dengan pemanasan.
17
Berikut merupakan gambar area flokulator yang akan diteliti :
Gambar 2.4 Pengolahan IPA 220 l/s
(Sumber: PT Waterindo Primatech Bekasi, 2017)
Proses flokulasi bertujuan membentuk dan memperbesar flok (gumpalan
pengotor) pada air baku (raw water) yang pengotornya sudah terkoagulasi, biasanya
dilakukan pengadukan lambat (slow mixing) dan ditambahkan bahan kimia flokulan
(flocculant) untuk meningkatkan efisiensi penggumpalan (Niggata.H, 2017).
2.3 Flokulasi
Flokulasi adalah proses penggumpalan partikel-partikel terdestabilisasi
menjadi flok dengan ukuran yang memungkinkan dapat dipisahkan oleh proses
sedimentasi dan filtrasi. Atau proses pertumbuhan flok (mikroflok) menjadi flok
dengan ukuran yang lebih besar (makroflok). Dengan ukuran flok dan partikel yang
semakin besar, maka perbedaan kecepatan diantara partikel yang semakin besar, dan
akan membentuk flok. Jika flok terlu besar tidak bisa menahan tekan abrasi di dalam
air, artinya dengan nilai Gradient Kecepatan (G) yang semakin besar, ukurana flok
rata-rata akan menurun. Untuk mempertahankan nilai “G” pada prakteknya
dilakukan semacam pengadukan pendahuluan dengan nilai G yang tinggi jika flok
sudah terjadi, nilai G kembali di turunkan (Niggata.H, 2017).
18
Menurut Vigneswaran dan Visvanathan (1995) dalam (Susanto.R, 2008) ada
3 mekanisme utama dalam flokulasi :
• Flokulasi Perikinetik
Merupakan penggumpalan yang diakibatkan oleh gerakan acak Brown
dari molekul didalam larutan. Ketika partikel bergerak didala air akibat
gerak Brown, partikel tersebut saling bertubrukan satu sama lain dan pada
saat hubungan itulan terjadi pembentukan partikel yang lebih besar dan
selanjutnya terus menumpuk
• Flokulasi Ortokinetik
Merupakan penggumpalan yang diakibatkan oleh gradient kecepatan
dalam cairan. Proses ini membutuhkan pergerakan yang lambat dari
partikel didalam air. Partikel akan dianggap bertubrukan bila jarak
mereka dekat atau berada dalam daerah yang masih mempunyai pengaruh
terhadap partikel lain. Pada proses ini kecepatan pengendapan dari
partikel diabaikan. Untuk itu dibutuhkan pergolakan air atau gradient
kecepatan untuk menaikkan tumbukan antar partakel.
• Pengendapan Difrensial
Merupakan terjadinya flokulasi akibat dari kecepatan pengendapan yang
berbeda karena adanya perbedaan ukuran partikel. Partikel besar akan
lebih cepat mengendap dibandingkan partikel kecil. Hal ini akan
membantu flokulasi ortokinetik karena gradient kecepatan yang
dihasilkan menyebabkan pnggumpalan lebih lanjut.
Gambar 2.5 Pengadukan Koagulan
(Sumber : Niigita.H, 2018)
19
“Banyak faktor yang dapat mempengaruhi proses flokulasi, seperti pH, suhu
dan percampuran. Pencampuran dapat mendorong aglomerasi partikel, secara praktis,
flokulasi efisiensi pencampuran dapat meningkat melalui metode mekanis atau
metode hidrolik, di proses flokulasi hidrolik, cairan melewati kondisi bosan, "plug
flow" reaktor, kehilangan kepala hidrolik yang disebabkan oleh baffle akan
meningkatkan flokulasi. Secara mekanik proses flokulasi, pencampuran agitator akan
meningkatkan interaksi partikel-partikel dan flokulasi, pencampuran mekanis harus
diatur cukup untuk mendorong partikel interaksi dan menghindari kerusakan flok
yang ada Bridgeman,(2010). Dalam air limbah proses perawatan, pencampuran
mekanik bertujuan untuk mempromosikan pencampuran bahan kimia, aerasi atau
pencampuran, pencampuran mekanis terutama menggunakan mixer turbin atau
baling-baling, tersedia mixer meliputi turbin pipih datar (FBT), turbin sudu bernafas
(PBT), Rushton turbin dan baling-baling.” (Niggata.H, 2017).
2.4 Perancangan Flokulator
Untuk mencapai kondisi flokulasi yang dibutuhkan, ada beberapa factor yang
harus diperhatikan seperti:
1. Waktu flokulasi,
2. Jumlah Energi yang diberikan.
3. Jumlah koagulan
4. Jenis dan jumlah koagulan pembantu
5. Cara pemakaian koagulan pembantu
6. Penetapan pH pada proses koagulan.
(Degreemount, 1991) menjelaskan dalam merancang flokulator harus
memenuhi beberapa syarat:
1. Alirannya harus seimbang dengan distribusi air mentah yang baik dan
pemulihan yang seragam dari air yang telah tenang.
2. Aliran sebisa mungkin tidak bergejolak
3. Aliran, konsentrasi dan pembuangan lumpur adalah parameter esensial
dalam pengoperasian unit yang tepat dan konsep pemuatan volume
lumpur juga sangat penting.
20
Dalam proses Instalasi Pengolahan Air (IPA). Waterindo Primatech Bekasi,
untuk area bagian flokulatornya merupakan tipe aliran saluran terbuka. Hal ini
dikarnakan pada bagian lapisan ke 6, air langsung turun menuju ke kompartemen 2.
Berikut merupakan merupakan penjelasan dari aliran terbuka.
2.4.1 Aliran Saluran Terbuka
Dalam (Fajri .J, 2014). Aliran melalui saluran terbuka adalah saluran dimana
air mengalir dengan muka bebas serta tekanan di permukaan air adalah sama
(tekanan atmosfir). Kondisi aliran dalam saluran terbuka yang rumit berdasarkan
kenyataan bahwa kedudukan permukaan yang bebas cenderung berubah sesuai waktu
dan ruang, dan juga bahwa kedalaman aliran, debit dan permukaan bebas adalah
tergantung sama lain. Kondisi fisik saluran terbuka jauh lebih bervariasi
dibandingkan dengan pipa. Kombinasi antara perubahan setiap parameter saluran
akan mempengaruhi kecepatan yang dimana kecepatan tersebut akan menentukan
keadaan dan sifat aliran. Aliran saluran terbuka dapat diklasifikasikan menjadi
berbagai jenis dan diuraikan dengan berbagai cara.
Berikut adalah beberapa jenis aliran pada saluran terbuka:
1. Aliran Laminer dan Turbulen
Aliran laminer ditandai dengan lintasan partikel fluida sepanjang lintasan
yang halus dan membentuk lapisan-lapisan tertentu. lintasan partikel yang
berurutan mengikuti lintasan yang benar. Aliran Turbulen ditandai dengan
campuran antara lapisan-lapisan fluida yang berbeda terjadi pada harga
bilangan Reynolds yang lebih tinggi, pada jenis aliran ini dimana hampir
tidak terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat.
2. Aliran Kritis, Subkritis dan Superkritis
Aliran itu dikatan kritis apabila bilangan Froude sama dengan satu (Fr
=1), dan aliran disebut subkritis (aliran tenang) apabila Fr = 1, sedangkan
aliran cepat (rapid flow) dan aliran mengerem (shooting flow) juga
digunakan untuk menyatakan aliran superkritis.
3. Aliran Tetap dan Tidak Tetap
Aliran tetap terjadi apabila kedalaman, debit dan kecepatan rata-rata pada
setiap penampang tidak berubah menurut waktu. Aliran tidak tetap terjadi
apabila kedalaman, debit dan kecepatan rata-rata pada setiap penampang
berubah menurut waktu .
21
4. Aliran Seragam dan Tidak Seragam
Aliran disebut seragam apabila berbagai variabel aliran seperti
kedalaman, tampang basah, kecepatan dan debit di sepanjang saluran
adalah konstan. Demikian juga sebaliknya aliran tidak seragam itu terjadi
apabila variabel aliran tersebut tidak konstan. Berdasarkan sifat aliran,
Aliran viskos dapat dibedakan menjadi dua tipe yaitu aliran laminer dan
turbulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur
mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan
kecil dan/atau kekentalan besar. Pengaruh kekentalan adalah sangat besar
sehingga dapat meredam gangguan yang dapat menyebabkan aliran
menjadi turbulen. Dengan berkurangnya kekentalan dan bertambahnya
kecepatan aliran maka pada suatu batas tertemu akan menyebabkan
terjadinya perubahan aliran dari laminar ke turbulen. Aliran turbulen
gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran ini terjadi apabila
kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil.
Selain itu aliran melalui saluran terbuka juga dapat dibedakan menjadi aliran
subkritis (mengalir) dan superkritis (meluncur). Diantara kedua tipe tersebut aliran
adalah kritis. Aliran disebut sub kritis apabila suatu gangguan (misalnya batu
dilemparkan kedalam aliran sehingga menimbulkan gelombang) yang terjadi di suatu
titik pada aliran dapat menjalar kearah hulu. Aliran sub kritis dipengaruhi oleh
kondisi hilir, dengan kata lain keadaan di hilir akan mempengaruhi aliran disebelah
hulu.
(Paul.P, 2015) menjelaskan menurut (Leton, 2005) terjadinya lompatan
hidrolik merupakan kenaikan level air dari dalam saluran terbuka sebagai transisi
dari aliran yang tidak stabil mengalir kealiran yang lebih stabil karena kehilangan
gaya energy yang disebabkan oleh gangguan yang mendadak dan semua variable
bergantung pada jumlah pendekatan froude (aliran turun) aliran seperti kehilangan
energi relative, efiensi, tinggi relative dari awal dan berurutan kedalaman. Apabila
kecepatan aliran cukup besar sehingga gangguan yang terjadi tidak menjalar kehulu
maka aliran adalah super kritis. Dalam hal ini kondisi di hulu akan dipengaruhi aliran
disebelah hilir. Penentuan tipe aliran dapat didasarkan pada nilai angka Froude (Fr).
Aliran adalah sub kritis apabila Fr 1. (Bambang, 2003) dalam (Fajri .J, 2014).
22
Menurut (Kneeshaw.S, 2017) Angka Froude menentukan rasio grafitasi ke
gaya inersia dan merupakan yang utama karakteristik apakah aliran superkritis atau
subkritis. (Ady.S, 2014) mengatakan menurut (Chow, 1959) dalam buku Open
Chanel Hydraulics dijelaskan bahwa akibat gaya tarik bumi terhdap aliran
dinyatakan dengan rasio gaya inersia dengan gaya tarik bumi (g). Rasio ini di
terapkan sebagai bilangan froude (Fr) yang didefinisikan dengan rumus Bilangan
Froude :
............................................................................................... (2.1)
Dimana:
Fr : Bilangan Froude
V : Kecepatan Aliran (m/s)
g : Percepatan Gravitasi (m/s2)
h : Panjang Karakteristik/Kedalaman (m)
Euler Number (Eu) merupakan angka nondimensional yang digunakan dalam
perhitungan fluida, hubungan antara penurunan tekanan yang disebabkan oleh
pembatasan energi kinetik per volume aliran, digunakan untuk melihat karakteristik
kehilangan energi dalam aliran. Persamaan Euler (Eu) berkaitan dengan kointum
inviscid. (Mohammad. T, 2008).
............................................................................................... (2.2)
Dimana :
Eu : Bilangan Euler
∆P : Tekanan Aliran (Pa)
: Masa Jenis Aliran Fluida (1000)
v : Kecepatan Aliran (m/s)
2.4.2 Perhitungan Debit Atas Dasar Pengukuran Kecepatan pada Diffuser
Flokulator
Dalam (Fajri.J, 2014) Aliran sungai yang mengalir pada waktu yang sama,
pasti akan terdapat persamaan kontinuitas didalamnya, yang dimana debit masuk itu
setara dengan debit yang keluar. Hal ini memungkinkan dimana variasi kecepatan
akan mengikuti memenuhi luasan permukaan basah dari suatu saluran.
23
M Anis,dkk ,(2018). Terlihat bahwa semakin besar luas penampang aliran
maka semakin kecil nilai kecepatan, begitupun sebaliknya semakin kecil luas
penampang maka semakin besar nilai kecepatannya, hal ini sesuai dengan persamaan
kontinuitas.
Q masuk = Q keluar................................................................................. (2.3)
V1.A1 = V2.A2........................................................................................ (2.4)
Dimana:
Q masuk = debit aliran masuk (m3/s)
Q keluar = debit aliran keluar (m3/s)
V1 = kecepatan aliran masuk (m/s)
V2 = kecepatan aliran keluar (m/s)
A1 = luas saluran ketika aliran masuk (m2)
A2 = luas saluran ketika aliran keluar (m2)
Besarnya debit dihitung menurut rumus Velocity Area Method:
Q = A x V.................................................................................................. (2.5)
Dimana:
Q =Debit (m3 /s)
A =Luas Penampang Basah (m2)
V = Kecepatan Rata-rata (m/s)
2.4.3 Perhitungan Debit Atas Dasar Pengukuran Tekanan pada Diffuser
Flokulator
Menurut (Zane.S, 2010) Aliran atau air dapat mengerahkan kekuatan dan
tekanan terhdap dinding wadah nya, dalam menghitung tekanan air yang melewati
setiap penampang diffuser pada proses area flokulator PT. Waterindo Primatech
Bekasi menggunakan rumus Static Mixer. Rumus ini bersumber dari Water
Treatment Plant Hand Book Degremont (1991).
……………………………………………............................ (2.6)
……..……………………………………………………...… (2.7)
………………………………………………………………...… (2.8)
Dimana:
24
∆H = Tekanan (mH2O)
VC = Koefesien Kecepatan (m /s)
g = Gravitasi (m2 /s)
0,62 = Koefesien penampang persegi
Q = Debit (m2 /s)
S = Luas Penampang (m)
V = Kecepatan Aliran (m /s)
2.4.4 Pengadukan dalam Proses Koagulasi-Flokulasi
Jenis pengadukan berdasarkan kecepatan pengadukannya dibedakan menjadi
2 yaitu pengadukan cepat dan pengadukan lambat. Sedangkan proses pengadukan
berdasarkan jenis alat atau cara pengadukannya dibagi menjadi 3 pengadukan
mekanis, pengadukan hidrolis dan pengadukan pneumatic. Kecepatan pengadukan
merupakan parameter penting dalam pengadukan yang dinyatakan dengan gradien
kecepatan Gradien kecepatan merupakan fungsi dari tenaga yang disuplai.
Persamaan diatas berlaku umum untuk semua jenis pengadukan. Parameter
yang membedakannya adalah besarnya tenaga yang disuplai ke dalam air (P). dalam
sistem pengadukan, menurut (Zhongyang.L 2018) Begitu aliran fluida mencapai
kondisi stabil, kecepatan aliran dan tekanan nya adalah voxel dimana setiap bagian
akan tegak lurus terhdap arah aliran rata-rata. Koagulasi dan flokulasi adalah proses
fisika kimia dimana diperlukan energi dan waktu agar proses dapat berlangsung,
Camp dan Stein mengabungkan kecepatan adukan (G). (Reynold, 1982).
Dalam (Suprihanto, 2004) flokulasi merupakan kelanjutan dari proses
koagulasi, dimana mikroflok hasil koagulasi mulai menggunpal partikel menjadi
flok-flok yang bersar (makroflok) dan dapat diendapkan. Proses penggumpalan ini
tergantung dari waktu dan pengadukan lambar dalam air.
2.4.4.1 Jenis Pengadukan Berdasarkan Metode Pengadukan
1. Pengadukan Mekanis
Menurut (Sarah.A, 2010) Pengadukan mekanis adalah metoda
pengadukan menggunakan peralatan mekanis yang terdiri atas motor,
poros pengaduk (shaft), dan alat pengaduk (impeller). Peralatan tersebut
digerakkan dengan motor bertenaga listrik. Berdasarkan bentuknya, ada
25
tiga macam impeller, yaitu paddle (pedal), turbine, dan propeller (baling-
baling).
Gambar dari ketiga bentuk tersebut dapat dilihat di bawah ini :
Gambar 2.6 Pengadukan Mekanis (a) tubine blade lurus, (b) turbine blade dengan
piringan, (c) turbine dengan blade menyerong, (d) propeller 2 blade, (e) propeller 3
blade (Qasim, dkk, 2000)
(Sumber : Sarah.A, 2010)
Pengadukan mekanis dengan tujuan pengadukan cepat umumnya dilakukan
dalam waktu singkat dalam satu bak. Faktor penting dalam perancangan alat
pengaduk mekanis adalah dua parameter pengadukan, yaitu G dan td. Pengadukan
mekanis dengan tujuan pengadukan lambat umumnya memerlukan tiga
kompartemen dengan ketentuan G di kompartemen I lebih besar daripada G di
kompartemen II dan G di kompartemen III adalah yang paling kecil. Pengadukan
mekanis yang umum digunakan untuk pengadukan lambat adalah tipe paddle yang
dimodifikasi hingga membentuk roda (paddle wheel), baik dengan posisi horisontal
maupun vertikal. Berikut adalah contoh gambar untuk pengadukan lambat:
Gambar 2.7 Pengadukan lambat dengan alat pengaduk
(Sumber : Sarah.A, 2010)
26
Gambar 2.8 Flokulator paddle wheel dengan blade tegak lurus aliran air
(Sumber : Sarah.A, 2010)
2.4.4.2 Pengadukan Hidrolis
Menurut Sarah.A, (2010) Pengadukan hidrolis adalah pengadukan yang
memanfaatkan aliran air sebagai tenaga pengadukan. Tenaga pengadukan ini
dihasilkan dari energi hidrolik yang dihasilkan dari suatu aliran hidrolik. Energi
hidrolik dapat berupa energi gesek, energi potensial (jatuhan) atau adanya lompatan
hidrolik dalam suatu aliran.
Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pada pengadukan cepat haruslah
aliran air yang menghasilkan energi hidrolik yang besar. Dalam hal ini dapat dilihat
dari besarnya kehilangan energi (headloss) atau perbedaan muka air. Dengan tujuan
menghasilkan turbulensi yang besar tersebut, maka jenis aliran yang sering
digunakan sebagai pengadukan cepat adalah terjunan, loncatan hidrolik, dan parshall
flume.
Jenis pengadukan hidrolis yang digunakan pada pengadukan lambat adalah
aliran air yang menghasilkan energi hidrolik yang lebih kecil. Aliran air dibuat relatif
lebih tenag dan dihindari terjadinya turbulensi agar flok yang terbentuk tidak pecah
lagi. Beberapa contoh pengadukan hidrolis untuk pengadukan lambat adalah kanal
bersekat, perforated wall, gravel bed dan sebagainya.
27
Gambar 2.9 Pengadukan cepat dengan terjunan
(Sumber : Sarah.A, 2010)
Gambar 2.10 Denah pengadukan dengan baffled channel
(Sumber : Sarah.A, 2010)
2.4.5 Flokulator Hidrolis Tipe Diffuser
Dalam penelitian water treatment plant di PT. Waterindo Primatech Bekasi
tipe flokulator yang digunakan adalah tipe hidrolis dengan sistem aliran vertikal dan
memodifikasi penambahan diffuser pada bagian flokulator seperti pada Gambar 2.10
berikut:
28
Gambar 2.11 Tingkat Difuser PT. Waterindo Primatech Bekasi
(Sumber: PT. Waterindo Primatech Bekasi, 2017)
Diffuser merupakan lapisan yang berbentuk tudung yang tersusun di masing
masing plat tempat proses flokulasi berada. Dalam gambar 2.10 PT. Waterindo
Primatech Bekasi mendesain plat diffuser menjadi 6 tingkat dimana lapisan ini
betujuan untuk mengurangi kecepatan aliran dari debit air dan terjadi penredaman
aliran air secara berkala yang bertujuan untuk pembentukan flok saling
mengikat/menyatu secara maksimal. Plat diffuser menggunakan struktur tudung
berfungsi untuk tidak terjadinya penumpukan flok pada saat mesin berhenti dan
melakukan back wash atau pembuangan lumpur flok yang sudah menumpuk.
2.5 CFD (Computational Fluid Dynamics)
Dalam menentukan metode yang tepat untuk proses flokulasi di water
treatment palnt Thomas,(1999) dalam Duo Zhang ,(2014) mengemukakan bahwa :
“To investigate the most suitable parameters for flocculation process, it
requires a large numbers of experiments. Nowadays, flocculation research
were focused mainly at improving chemical conditions for treatment, ignore
study the influence of hydraulic mechanism on flocculation, it’s because
hydraulic mechanism is difficult to study under lab conditions. So, the CFD is
the most suitable method for explore the performance of flocculation tank
during changing the parameters, almost without any cost and restrictions.”
29
Pada proses flokulasi membutuhkan metode dengan parameter yang sesuai
untuk mengetahui karateristik air dan CFD (Computational Dynamics Fluid) adalah
metode yang paling sesuai untuk mengeksplorasi kinerja tangki flokulasi.
2.5.1 Pengertian CFD (Computational Fluid Dynamics)
Perangkat lunak ini terdiri atas tiga komponen inti yakni, pre-processor,
solver dan post-processor. Pre-processor, merupakan input yang diberikan, berupa
geometri, pembentukan grid (mesh), penentuan sifat termofisik dan kondisi batas.
Solver, adalah pemecahan model aliran fluida menggunakan analisis numerik,
dengan metode beda hingga, elemen hingga, spectral atau volume hingga, yang
merupakan pengembangan dari formulasi beda hingga secara khusus. Post-processor,
meliputi pengolahan hasil visualisasi dari solver, berupa penampilan kecepatan dan
suhu fluida, baik dua ataupun tiga dimensi berbentuk vektor, kontur dan bayangan
dengan warna tertentu. (Budiarthana.N, 2015).
Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah cabang dari dinamika fluida
yang memberikan nilai efektif untuk simulasi alira – aliran nyata oleh solusi numeri
dari persamaan yang mengatur. Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan
suatu sistem simulasi yang berbasi komputer, program CFD dapat memprediksi
aliran fluida pada kondisi tertentu menggunakan persamaan diferensial.Sayma,
(2009) dalam (Suhendra, 2018).
Dalam katalain CFD merupakan simulasi sitematis yang mensimulasikan
aliran fluida dan temperature yang terjadi pada objek, Aplikasi CFD merupakan
program yang menganalisa objek berbentuk 3D yang mempunyai kelebihan tampa
menggunakan biaya untuk membuat suatu desain secara cepat (Manual Autodesk
CFD, 2018).
Untuk menyelidiki parameter yang paling cocok untuk proses flokulasi,
dibutuhkan parameter yang besar jumlah percobaan. Saat ini, penelitian flokulasi
difokuskan pada meningkatkan kondisi kimia untuk perawatan, abaikan mempelajari
pengaruh hidrolik mekanisme flokulasi, itu karena mekanisme hidrolik sulit
dipelajari dalam kondisi lab. Jadi, CFD adalah metode yang paling cocok untuk
mengeksplorasi kinerja tangki flokulasi selama mengubah parameter, hampir tanpa
ada biaya dan pembatasan (Thomas 1999) dalam (Zhang.D, 2014)
30
Menurut (Zhang.D, 2014) Computational Fluid Dynamic (CFD) terbagi
menjad -3 general komponen yaitu : pre-processor, solver dan post-processor.
2.5.2 Pre-Processor
pre-processor meliputi pembentukan geometri dan pembuatan jaring. Pada
langkah ini, tujuannya pre-processor adalah membangun model komputer
berdasarkan kebutuhan objek yang sebenarnya mensimulasikan, dengan demikian
penyederhanaan dan konseptualisasi yang tepat diperlukan, tidak semua rincian
geometri dari kenyataan perlu ditransfer ke dalam model komputer, profesional
perangkat lunak desain bantuan komputer (CAD) disarankan untuk konfigurasi yang
kompleks penciptaan
dalam tahapan pre-processor pada CFD (Computational Fluid Dynamic) dilakukan
dengan tahap sebagai berikut :
1. Menentukan batas geometri permodelan.
2. Menentukan jenis aliran yang digunakan (Boundaries Condition).
3. Menentukan gaya external yang terjadi pada permodelan (gaya grafitasi,
masa jenis material dan gaya gesek berupa angina atau fluida pada gaya
luar permodelan).
4. Menentukan karaktersitik dari aliran yang di jalankan pada input.
5. Menentukan pendetailan perencanaan pada permodelan (Mashsizing).
6. Mementukan kondisi batas yang akan di jalankan (interasi, tipe aliran
dsb).
7. Menentukan parameter hasil yang di inginkan (kecepatan, tekanan, suhu
dsb).
2.5.3 Solving
Solver adalah bagian paling canggih dari perangkat lunak CFD, dalam solver,
pengguna dapat menentukan mengatur persamaan, model turbulensi, model multi-
fase, transportasi spesies dan model reaksi atau model yang lebih maju. Kondisi
batas, seperti kecepatan saluran masuk, juga perlu didefinisikan di bagian ini, setelah
konfirmasi persamaan perlu diselesaikan dan inisial kondisi, langkah selanjutnya
adalah menentukan metode solusi, seperti algoritma untuk kopling tekanan-
kecepatan, serta metode solusi untuk tekanan, konveksi dan istilah difusi, pengguna
31
juga dapat mengatur faktor relaksasi di bawah untuk mengontrol perilaku
konvergensi. Pemecah mewarisi mesh dari langkah pre-processor
Tahapan Solving juga menganalisa aliran, perpindahan panas, tekanan yang
terjadi dsb, dalam analisa tersebut didapatkan Navier-Stokes (persamaan kontinuitas
dan persamaan momentum) juga persamaan pertama termodinamika atau persamaan
energy, dalam hal ini dimaksudkan adalah jenis tipe aliran nya yaitu steady state atau
transient. Suhendra, (2018).
Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan massa elemen fluida
sama dengan laju aliran net aliran massa ke dalam elemen fluida. Karena semua
elemen fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu, maka massa jenis fluida ρ
ditulis dalam bentuk ρ (x, y, z, t) dan dalam komponen kecepatan fluida ditulis
sebagai dx/dt=u, dy/dt=v, dan dz/dt=w. ) dan persamaan momentum dikembangakan
dari persamaan Navier-Strokes dalam bentuk sesuai dengan metode. (Suhendra, 2018
dalam Versteeg, 1995.)
Berikut merupakan persamaan yang digunakan :
Persamaan kontinuitas
0)()()( =
∂∂+
∂∂+
∂∂
z
w
y
v
x
u ρρρ
Persamaan momentum x :
MXSz
u
y
u
x
u
x
p
z
uw
y
uv
x
uu +
∂∂+
∂∂+
∂∂+
∂∂=
∂∂+
∂∂+
∂∂
2
2
2
2
2
2
µρ
Persamaan momentum y :
MYSz
u
y
u
x
u
x
p
z
uw
y
uv
x
uu +
∂∂+
∂∂+
∂∂+
∂∂=
∂∂+
∂∂+
∂∂
2
2
2
2
2
2
µρ
Persamaan momentum z :
MZSz
u
y
u
x
u
x
p
z
uw
y
uv
x
uu +
∂∂+
∂∂+
∂∂+
∂∂=
∂∂+
∂∂+
∂∂
2
2
2
2
2
2
µρ
Persamaan Energi
MXSz
T
y
T
x
T
x
p
z
ww
y
vv
x
uup +
∂∂+
∂∂+
∂∂+
∂∂=
∂∂+
∂∂+
∂∂
2
2
2
2
2
2
µ
32
2.5.4 Post-Processor
Untuk berhasil memecahkan masalah teknik dengan bantuan CFD, post-
processor memainkan peran penting yang sama dengan akurasi model (Wu ,2012),
gambar berkualitas tinggi yang berisi informasi yang diperlukan dari hasil simulasi
adalah tujuan utama pengolahan pasca. post-processor biasanya dicapai dengan
menampilkan kontur kecepatan gradien, fraksi volume (jika menggunakan simulasi
multi-fase) dan suhu, arah dan pola kecepatan aliran dapat disajikan dengan
menampilkan vektor kecepatan, garis arus bisa menunjukkan garis aliran atau
perilaku pelacakan partikel. Selain gambar, hasil simulasi juga dapat disajikan oleh
plot x-y, histogram serta tabel.