Published on

Desain Airlift Pump dan Airlift Circulator untuk Kolam Bioflok: Perhitungan Lengkap Debit Udara, Pressure Drop, Diffuser, dan Transfer Oksigen

Authors

Desain Airlift Pump dan Airlift Circulator untuk Kolam Bioflok: Perhitungan Lengkap Debit Udara, Pressure Drop, Diffuser, dan Transfer Oksigen

1. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Teknologi bioflok telah berkembang menjadi salah satu metode budidaya akuakultur intensif yang paling banyak digunakan untuk meningkatkan produktivitas per satuan volume air. Sistem ini memanfaatkan komunitas mikroorganisme heterotrof untuk mengkonversi limbah nitrogen menjadi biomassa mikroba yang dapat dimanfaatkan kembali sebagai pakan alami. Selain meningkatkan efisiensi penggunaan pakan, bioflok juga mampu menurunkan frekuensi pergantian air dan meningkatkan keberlanjutan sistem budidaya.

Meskipun demikian, keberhasilan sistem bioflok sangat bergantung pada kualitas sirkulasi dan aerasi di dalam kolam. Berbeda dengan sistem budidaya konvensional, kolam bioflok mengandung konsentrasi Total Suspended Solids (TSS) yang relatif tinggi sehingga partikel bioflok selalu memiliki kecenderungan untuk mengendap akibat gaya gravitasi.

Apabila sistem sirkulasi tidak memadai, maka beberapa permasalahan utama akan muncul:

Airlift circulator bioflok

Ilustrasi airlift circulator pada sistem bioflok untuk membantu sirkulasi air, distribusi oksigen, dan pergerakan flok di dalam kolam.

Pengendapan Flok

Bioflok yang mengendap di dasar kolam akan mengalami dekomposisi secara anaerobik. Kondisi ini tidak hanya menurunkan kualitas air, tetapi juga dapat menghasilkan senyawa beracun seperti amonia, nitrit, dan hidrogen sulfida (H₂S).

Akumulasi Karbon Dioksida (CO₂)

Aktivitas respirasi ikan, bakteri heterotrof, dan mikroorganisme lainnya menghasilkan karbon dioksida dalam jumlah yang signifikan. Jika pelepasan CO₂ (degassing) tidak berlangsung dengan baik, maka pH air dapat menurun dan mengganggu kesehatan organisme budidaya.

Distribusi Oksigen Terlarut (DO) Tidak Merata

Sistem bioflok memiliki kebutuhan oksigen yang tinggi karena oksigen dikonsumsi oleh:

  • ikan atau udang,
  • bakteri heterotrof,
  • proses nitrifikasi,
  • respirasi mikroorganisme bioflok.

Tanpa sistem sirkulasi yang baik, dapat terbentuk zona dengan konsentrasi DO rendah yang berpotensi menyebabkan stres pada organisme budidaya.

Terbentuknya Dead Zone

Dead zone merupakan area kolam dengan kecepatan aliran yang sangat rendah sehingga terjadi akumulasi partikel organik dan penurunan kualitas air. Pada kolam bundar, dead zone umumnya terbentuk di area dasar kolam atau pada sisi yang tidak menerima momentum aliran yang cukup.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut, diperlukan sistem yang mampu menghasilkan sirkulasi air secara kontinu sekaligus memberikan aerasi yang memadai dengan konsumsi energi yang rendah.

1.2 Airlift Pump dan Airlift Circulator

Airlift merupakan salah satu teknologi pemindahan fluida yang memanfaatkan udara bertekanan sebagai sumber energi utama. Udara diinjeksi ke dalam pipa vertikal sehingga membentuk campuran air–udara dengan densitas yang lebih rendah dibandingkan air di luar pipa. Perbedaan densitas inilah yang menghasilkan gaya angkat dan menyebabkan air bergerak ke atas.

Secara umum, terdapat dua konfigurasi utama airlift yang digunakan dalam bidang akuakultur.

Airlift Pump

Airlift pump dirancang untuk memindahkan air dari satu elevasi ke elevasi yang lebih tinggi.

Karakteristik utama:

  • memiliki static lift yang nyata,
  • outlet biasanya berada di atas permukaan air,
  • digunakan untuk pemompaan dan sirkulasi antar unit proses,
  • fokus utama pada kapasitas transfer air.

Contoh aplikasi:

  • Recirculating Aquaculture System (RAS),
  • transfer air antar kolam,
  • sistem filtrasi biologis.

Airlift Circulator

Airlift circulator dirancang untuk menghasilkan pergerakan massa air tanpa adanya kebutuhan pengangkatan air ke elevasi yang lebih tinggi.

Karakteristik utama:

  • static lift mendekati nol,
  • outlet tetap terendam,
  • menghasilkan momentum jet horizontal,
  • fokus utama pada mixing, aerasi, dan degassing.

Contoh aplikasi:

  • kolam bioflok,
  • tangki kultur ikan,
  • kolam pembesaran udang,
  • sistem akuakultur intensif.

Pada artikel ini, konfigurasi yang digunakan adalah airlift circulator, karena tujuan utama sistem bukan untuk memompa air ke elevasi yang lebih tinggi, melainkan untuk:

  • menjaga flok tetap tersuspensi,
  • meningkatkan transfer oksigen,
  • membantu pelepasan CO₂,
  • mengurangi pembentukan dead zone.

Dengan pendekatan tersebut, sebagian besar energi udara yang diberikan blower dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan sirkulasi dan aerasi secara bersamaan.

1.3 Tujuan Artikel

Sebagian besar artikel mengenai airlift hanya menjelaskan prinsip kerja secara umum tanpa memberikan prosedur desain yang dapat langsung digunakan oleh praktisi lapangan. Akibatnya, banyak desain airlift dibuat berdasarkan pendekatan trial and error tanpa dasar perhitungan yang jelas.

Artikel ini disusun untuk menjembatani kesenjangan tersebut dengan menggunakan pendekatan engineering yang dapat diverifikasi.

Tujuan utama artikel ini adalah:

Menyusun Desain Airlift-Circulator Berbasis Data Eksperimen

Seluruh parameter desain utama akan diturunkan dari data eksperimen airlift yang dipublikasikan oleh Wurts dan Parker–Suttle, sehingga desain tidak hanya bergantung pada asumsi teoritis.

Menyusun Model Matematis yang Dapat Diverifikasi

Setiap parameter utama akan dihitung menggunakan persamaan yang dapat ditelusuri kembali sumber dan asumsi dasarnya, meliputi:

  • debit udara,
  • debit air,
  • pressure drop,
  • ukuran diffuser,
  • ukuran gelembung,
  • transfer oksigen,
  • kebutuhan daya blower.

Menyediakan Parameter Desain yang Dapat Langsung Digunakan Praktisi

Hasil akhir artikel berupa desain airlift-circulator untuk kolam bioflok diameter 2 meter dengan kedalaman air 74 cm yang dapat digunakan sebagai titik awal implementasi lapangan maupun pengembangan skala yang lebih besar.

Dengan demikian, artikel ini tidak hanya membahas teori airlift, tetapi juga menyajikan proses desain secara sistematis mulai dari data eksperimen, analisis hidrodinamika, perhitungan pressure drop, desain diffuser, hingga evaluasi transfer massa dan kebutuhan energi.

Kembali ke Atas

2. Dasar Teori Airlift

2.1 Prinsip Kerja Airlift

Airlift bekerja berdasarkan prinsip perbedaan densitas antara kolom air di dalam pipa dan kolom air di luar pipa.

Ketika udara diinjeksi ke dalam bagian bawah pipa, terbentuk campuran air dan gelembung udara yang memiliki densitas rata-rata lebih rendah dibandingkan air di luar pipa. Akibatnya, tekanan hidrostatik di dalam pipa menjadi lebih kecil dibandingkan tekanan hidrostatik di luar pipa pada elevasi yang sama.

Perbedaan tekanan inilah yang menghasilkan gaya dorong ke atas dan menyebabkan air bergerak melalui pipa airlift.

Secara sederhana:

ρmix<ρwater\rho_{mix} < \rho_{water}

sehingga:

Pmix<PwaterP_{mix} < P_{water}

dan menghasilkan aliran ke atas.

Fenomena ini dikenal sebagai airlift effect.

2.2 Mekanisme Pengangkatan Air

Pada airlift, energi utama berasal dari udara yang diinjeksikan ke dalam lift tube.

Begitu udara memasuki pipa, terbentuk campuran dua-fasa (two-phase flow) yang terdiri dari:

  • fase cair (air),
  • fase gas (udara).

Besarnya kemampuan airlift mengangkat air sangat dipengaruhi oleh:

Air-Water Mixture

Semakin besar fraksi udara di dalam lift tube, semakin rendah densitas campuran yang terbentuk.

Driving Head

Driving head merupakan perbedaan tekanan hidrostatik antara kolom air di luar pipa dan kolom campuran di dalam pipa.

Secara konseptual:

ΔP=(ρw−ρmix)gh\Delta P = (\rho_w-\rho_{mix})gh

Semakin besar perbedaan densitas, semakin besar driving head yang tersedia.

Void Fraction

Void fraction menyatakan persentase volume udara dalam campuran.

α=VairVair+Vwater\alpha = \frac{V_{air}} {V_{air}+V_{water}}

Semakin besar nilai:

α\alpha

maka densitas campuran semakin rendah.

Namun peningkatan void fraction tidak selalu meningkatkan performa karena dapat menyebabkan perubahan pola aliran dua-fasa dan meningkatkan rugi-rugi sistem.

2.3 Airlift sebagai Circulator

Pada aplikasi bioflok, tujuan utama sistem bukanlah mengangkat air ke elevasi yang lebih tinggi.

Karena itu konsep desain airlift berbeda dengan pompa airlift konvensional.

Karakteristik utama airlift circulator:

Static Lift Mendekati Nol

Outlet tetap berada di dalam kolam sehingga energi tidak digunakan untuk mengatasi perbedaan elevasi yang signifikan.

Outlet Tetap Terendam

Posisi outlet berada beberapa sentimeter di bawah permukaan air sehingga campuran air dan udara tetap memiliki waktu kontak tambahan sebelum gelembung mencapai permukaan.

Momentum Jet

Energi yang dihasilkan airlift dimanfaatkan untuk menghasilkan jet horizontal yang mendorong terbentuknya arus sirkulasi di dalam kolam.

Momentum jet dapat dituliskan sebagai:

M=m˙vM = \dot m v

dimana:

m˙\dot m

adalah laju aliran massa campuran dan:

vv

adalah kecepatan keluaran.

Momentum inilah yang nantinya berperan menjaga flok tetap tersuspensi dan mengurangi pembentukan dead zone.

Diagram Prinsip Kerja Airlift

Rendering diagram...

Kembali ke Atas

3. Data Proven Airlift Wurts–Parker

3.1 Ringkasan Eksperimen

Agar desain yang dihasilkan memiliki dasar yang kuat, artikel ini menggunakan data eksperimen airlift yang dipublikasikan oleh Wurts serta Parker–Suttle untuk aplikasi akuakultur.

Konfigurasi yang digunakan dalam eksperimen meliputi:

ParameterNilai
Diameter lift tube7.6 cm
Panjang pipa185 cm
Posisi outlet0–2.5 cm di atas permukaan
Kedalaman injeksi50–80 cm
FluidaAir tawar
Media gasUdara

Data eksperimen ini menjadi dasar pemilihan titik operasi yang digunakan dalam desain kolam Gambiran.

3.2 Data Operasi Terpilih

Dari seluruh data yang tersedia, kondisi berikut dipilih sebagai basis desain:

ParameterNilai
Diameter pipa7.6 cm
Kedalaman injeksi65 cm
Debit udara71 L/min
Debit air73.9 L/min

Konfigurasi ini dipilih karena paling mendekati kondisi aktual kolam Gambiran yang memiliki kedalaman air sekitar 74 cm.

3.3 Analisis Rasio Air–Udara

Dari data eksperimen diperoleh:

Qwater=73.9  L/minQ_{water} = 73.9 \;L/min

dan:

Qair=71  L/minQ_{air} = 71 \;L/min

Sehingga:

QwaterQair=73.971\frac{Q_{water}} {Q_{air}} = \frac{73.9} {71}
Qwater=1.04QairQ_{water} = 1.04Q_{air}

Hasil ini menunjukkan bahwa pada titik operasi tersebut, setiap satu satuan volume udara mampu menghasilkan sekitar 1.04 satuan volume air yang bergerak melalui lift tube.

Perlu dicatat bahwa rasio ini merupakan hasil eksperimen dan tidak dapat digeneralisasi untuk semua desain airlift karena sangat dipengaruhi oleh:

  • diameter pipa,
  • kedalaman injeksi,
  • geometri outlet,
  • debit udara,
  • pola aliran dua-fasa.

3.4 Alasan Pemilihan Titik Operasi

Pemilihan titik operasi:

Diameter lift tube = 7.6 cm
Kedalaman injeksi = 65 cm
Qair = 71 L/min
Qwater = 73.9 L/min

didasarkan pada beberapa pertimbangan engineering.

Kesesuaian dengan Kolam Gambiran

Kedalaman kolam Gambiran:

74 cm

sangat dekat dengan kedalaman injeksi eksperimen:

65 cm

sehingga kebutuhan ekstrapolasi menjadi minimal.

Kesesuaian Geometri

Diameter lift tube eksperimen:

7.6 cm

sama dengan diameter lift tube yang digunakan dalam desain.

Hal ini mengurangi ketidakpastian akibat efek skala.

Efisiensi Transfer Energi

Pada titik operasi ini diperoleh rasio:

Air/Udara ≈ 1.04

yang menunjukkan konversi energi udara menjadi aliran air berlangsung cukup efisien untuk aplikasi sirkulasi kolam.

Karena alasan tersebut, titik operasi ini digunakan sebagai basis seluruh perhitungan pada bab-bab berikutnya.

Kembali ke Atas

4. Data Desain Kolam Gambiran

4.1 Dimensi Kolam

Tahap pertama dalam desain airlift-circulator adalah mendefinisikan kondisi aktual kolam yang akan digunakan sebagai basis seluruh perhitungan.

Kolam yang digunakan pada studi kasus ini merupakan kolam bundar (circular tank) dengan diameter 2 meter dan kedalaman air operasi 74 cm.

Parameter dasar kolam ditunjukkan pada tabel berikut.

ParameterNilai
Diameter kolam2.0 m
Radius kolam1.0 m
Kedalaman air0.74 m
Bentuk kolamSilinder
Volume efektifPerhitungan

Perhitungan Volume Efektif

Volume kolam silinder dihitung menggunakan persamaan:

V=πr2hV=\pi r^2 h

dengan:

V = volume kolam (m³)
r = radius kolam (m)
h = tinggi air (m)

Substitusi data:

V=3.1416×(1)2×0.74V = 3.1416 \times (1)^2 \times 0.74

maka diperoleh:

V=2.324  m3V = 2.324 \;m^3

atau dibulatkan menjadi:

V≈2.32  m3V \approx 2.32 \;m^3

Volume ini akan digunakan pada bab-bab berikutnya untuk mengevaluasi:

  • tingkat sirkulasi (turnover rate),
  • kemampuan pencampuran (mixing),
  • distribusi oksigen,
  • efektivitas pelepasan CO₂.

Karakteristik Hidrodinamika Kolam Bundar

Kolam bundar memiliki keunggulan dibandingkan kolam persegi karena lebih mudah menghasilkan pola aliran rotasi (rotational flow).

Apabila momentum aliran diberikan secara tangensial terhadap dinding kolam, maka akan terbentuk pola sirkulasi yang mampu:

  • mengurangi pembentukan dead zone,
  • meningkatkan homogenitas kualitas air,
  • membantu mengangkut partikel menuju pusat kolam,
  • menjaga flok tetap tersuspensi.

Karena alasan tersebut, konfigurasi airlift-circulator pada artikel ini dirancang untuk menghasilkan momentum jet tangensial, bukan sekadar menghasilkan debit air yang besar.

4.2 Tujuan Operasi

Desain airlift pada artikel ini tidak ditujukan sebagai pompa transfer air, melainkan sebagai airlift-circulator yang berfungsi menjaga kondisi hidrodinamika kolam bioflok tetap stabil.

Dengan demikian parameter keberhasilan sistem tidak hanya ditentukan oleh debit air yang dihasilkan, tetapi juga oleh kemampuan sistem mempertahankan kualitas lingkungan budidaya.

Menjaga Flok Tetap Tersuspensi

Bioflok terdiri atas agregat mikroorganisme, bahan organik, dan partikel tersuspensi yang memiliki kecenderungan mengendap apabila kecepatan aliran terlalu rendah.

Apabila flok mengendap secara permanen, maka akan terjadi:

  • peningkatan kebutuhan pembersihan dasar kolam,
  • pembentukan zona anaerob,
  • peningkatan produksi H₂S,
  • penurunan kualitas air.

Karena itu tujuan utama desain adalah menghasilkan momentum aliran yang cukup untuk menjaga flok tetap berada dalam kondisi tersuspensi.

Meningkatkan Transfer Oksigen

Sistem bioflok memiliki kebutuhan oksigen yang jauh lebih tinggi dibandingkan sistem budidaya konvensional karena oksigen digunakan oleh:

  • ikan,
  • bakteri heterotrof,
  • bakteri nitrifikasi,
  • mikroorganisme bioflok.

Airlift-circulator harus mampu menyediakan suplai udara yang cukup untuk mempertahankan konsentrasi oksigen terlarut pada tingkat aman.

Secara umum target minimum yang banyak digunakan pada sistem bioflok adalah:

DO>4  mg/LDO > 4 \;mg/L

Walaupun pada praktik intensif sering digunakan target yang lebih tinggi.

Membantu Pelepasan CO₂

Selain memasukkan oksigen ke dalam air, sistem aerasi juga berfungsi mengeluarkan karbon dioksida yang terlarut.

Akumulasi CO₂ dapat menyebabkan:

  • penurunan pH,
  • peningkatan stres ikan,
  • gangguan keseimbangan karbonat.

Karena itu desain airlift tidak hanya dievaluasi dari kemampuan memasukkan oksigen, tetapi juga dari kemampuan menghasilkan turbulensi dan waktu kontak yang cukup untuk membantu proses degassing.

Mengurangi Dead Zone

Dead zone merupakan area dengan kecepatan aliran yang sangat rendah.

Pada zona tersebut biasanya terjadi:

  • akumulasi flok,
  • akumulasi bahan organik,
  • penurunan DO,
  • peningkatan aktivitas anaerob.

Desain outlet airlift akan diarahkan secara tangensial terhadap dinding kolam agar mampu menghasilkan pola rotasi yang mengurangi pembentukan area stagnan.

Dengan demikian tujuan desain dapat diringkas sebagai berikut:

Menjaga flok tetap tersuspensi
+
Menambah transfer O₂
+
Membantu pelepasan CO₂
+
Mengurangi dead zone

Keempat tujuan tersebut akan menjadi dasar evaluasi seluruh parameter desain pada bab-bab berikutnya.

Kembali ke Atas

5. Basis Desain Airlift Gambiran

5.1 Spesifikasi Utama

Setelah menentukan data kolam, langkah berikutnya adalah menetapkan parameter desain airlift-circulator yang akan digunakan sebagai basis seluruh perhitungan.

Berbeda dengan pendekatan teoritis murni, parameter yang digunakan pada artikel ini diturunkan langsung dari titik operasi eksperimen Wurts–Parker yang telah dibahas pada Bab 3.

Tabel berikut menunjukkan spesifikasi utama desain.

ParameterNilai
Lift tube ID76 mm
Kedalaman injeksi65 cm
Outlet depth50 mm
Total flow path100 cm
Debit udara71 L/min

Lift Tube ID

Diameter dalam lift tube dipilih:

D=76  mmD = 76 \;mm

karena sama dengan diameter pipa yang digunakan pada eksperimen referensi.

Keuntungan pendekatan ini adalah meminimalkan ketidakpastian akibat efek skala.

Kedalaman Injeksi

Udara diinjeksi pada kedalaman:

hinj=65  cmh_{inj} = 65 \;cm

yang merupakan titik operasi dengan performa terbaik dari data yang dipilih.

Nilai ini juga sangat dekat dengan kedalaman aktual kolam Gambiran.

Outlet Depth

Berbeda dengan konfigurasi airlift pump konvensional, outlet dirancang tetap berada di bawah permukaan air.

Pada desain ini digunakan:

hout=50  mmh_{out} = 50 \;mm

di bawah permukaan.

Tujuan utama konfigurasi ini adalah:

  • memperpanjang waktu kontak udara dan air,
  • meningkatkan transfer massa,
  • membantu pelepasan CO₂,
  • menghasilkan jet horizontal untuk sirkulasi.

Total Flow Path

Panjang total jalur aliran ditetapkan:

Ltotal=100  cmL_{total} = 100 \;cm

yang terdiri atas:

  • lift tube vertikal,
  • elbow,
  • discharge pipe horizontal.

Pemanjangan jalur ini dilakukan untuk meningkatkan waktu kontak campuran udara–air tanpa memberikan kenaikan pressure drop yang signifikan.

Debit Udara

Debit udara desain:

Qa=71  L/minQ_a = 71 \;L/min

dipilih karena merupakan titik operasi yang telah terbukti menghasilkan:

Qw=73.9  L/minQ_w = 73.9 \;L/min

pada data eksperimen referensi.

Parameter ini nantinya akan digunakan sebagai basis perhitungan:

  • debit campuran,
  • pressure drop,
  • desain diffuser,
  • transfer oksigen,
  • kebutuhan blower.

5.2 Geometri Sistem

Konfigurasi sistem airlift Gambiran terdiri atas empat komponen utama:

Lift Tube

Bagian vertikal tempat terbentuknya aliran dua-fasa air dan udara.

Pada bagian inilah terjadi penurunan densitas campuran yang menghasilkan driving head.

Diffuser

Terletak di bagian bawah lift tube.

Fungsinya:

  • membagi aliran udara,
  • menghasilkan gelembung,
  • membentuk pola aliran dua-fasa yang stabil.

Pada bab berikutnya akan dihitung jumlah lubang diffuser yang diperlukan agar distribusi udara tetap merata.

Elbow

Elbow digunakan untuk mengubah arah aliran dari vertikal menjadi horizontal.

Komponen ini menghasilkan minor loss yang harus diperhitungkan dalam analisis pressure drop.

Discharge Pipe

Discharge pipe berfungsi mengarahkan campuran air–udara menuju arah tangensial kolam.

Momentum yang dihasilkan dari discharge pipe inilah yang akan membentuk pola sirkulasi kolam.

Diagram Geometri Sistem

Diagram berikut menunjukkan konfigurasi dasar airlift-circulator yang digunakan pada artikel ini.

Rendering diagram...

Dimensi Utama

Kedalaman air            = 74 cm
Kedalaman diffuser       = 65 cm
Outlet depth             = 5 cm
Lift tube ID             = 76 mm
Total flow path          = 100 cm
Debit udara              = 71 L/min

Konfigurasi inilah yang akan digunakan sebagai basis seluruh perhitungan hidrodinamika, pressure drop, diffuser, transfer oksigen, dan kebutuhan blower pada bab berikutnya.

Kembali ke Atas

6. Perhitungan Debit Udara dan Debit Air

Bab ini menghitung besaran dasar aliran pada airlift Gambiran, yaitu debit udara, debit air, debit campuran, void fraction, dan densitas campuran. Semua perhitungan menggunakan titik operasi eksperimen yang telah dipilih:

Lift tube ID      = 76 mm
Q udara           = 71 L/min
Q air             = 73.9 L/min
Kedalaman injeksi = 65 cm

6.1 Debit Udara

Debit udara desain:

Qa=71  L/minQ_a = 71 \; L/min

Konversi ke satuan SI:

1  L=0.001  m31 \; L = 0.001 \; m^3
1  menit=60  detik1 \; menit = 60 \; detik

Sehingga:

Qa=71×0.00160Q_a = 71 \times \frac{0.001}{60}
Qa=0.001183  m3/sQ_a = 0.001183 \;m^3/s

Dalam satuan m³/jam:

Qa=71×0.06Q_a = 71 \times 0.06
Qa=4.26  m3/jamQ_a = 4.26 \;m^3/jam

Jadi debit udara yang digunakan adalah:

Qa=71  L/min=0.001183  m3/s=4.26  m3/jamQ_a = 71 \;L/min = 0.001183 \;m^3/s = 4.26 \;m^3/jam

6.2 Debit Air

Debit air aktual dari data eksperimen:

Qw=73.9  L/minQ_w = 73.9 \;L/min

Konversi ke m³/s:

Qw=73.9×0.00160Q_w = 73.9 \times \frac{0.001}{60}
Qw=0.001232  m3/sQ_w = 0.001232 \;m^3/s

Konversi ke m³/jam:

Qw=73.9×0.06Q_w = 73.9 \times 0.06
Qw=4.434  m3/jamQ_w = 4.434 \;m^3/jam

Jadi debit air aktual:

Qw=73.9  L/min=0.001232  m3/s=4.43  m3/jamQ_w = 73.9 \;L/min = 0.001232 \;m^3/s = 4.43 \;m^3/jam

6.3 Debit Campuran

Di dalam lifting tube, yang mengalir bukan air saja, melainkan campuran air dan udara.

Debit campuran dihitung sebagai:

Qm=Qa+QwQ_m = Q_a+Q_w

Substitusi:

Qm=0.001183+0.001232Q_m = 0.001183 + 0.001232
Qm=0.002415  m3/sQ_m = 0.002415 \;m^3/s

Dalam L/min:

Qm=71+73.9Q_m = 71 + 73.9
Qm=144.9  L/minQ_m = 144.9 \;L/min

Dalam m³/jam:

Qm=4.26+4.43Q_m = 4.26 + 4.43
Qm=8.69  m3/jamQ_m = 8.69 \;m^3/jam

Jadi:

Qm=144.9  L/min=0.002415  m3/s=8.69  m3/jamQ_m = 144.9 \;L/min = 0.002415 \;m^3/s = 8.69 \;m^3/jam

6.4 Void Fraction

Void fraction adalah fraksi volume udara di dalam campuran air–udara.

Untuk pendekatan awal digunakan model homogen no-slip:

α=QaQa+Qw\alpha = \frac{Q_a}{Q_a+Q_w}

Substitusi:

α=0.0011830.001183+0.001232\alpha = \frac{0.001183} {0.001183+0.001232}
α=0.49\alpha = 0.49

Artinya, secara pendekatan homogen:

α≈49%\alpha \approx 49\%

Interpretasi:

  • sekitar 49% volume campuran berupa udara,
  • sekitar 51% volume campuran berupa air.

Catatan penting: nilai ini adalah estimasi awal. Pada aliran dua-fasa nyata, udara dan air tidak selalu bergerak dengan kecepatan yang sama karena ada slip velocity. Namun untuk desain awal pressure drop dan kecepatan campuran, pendekatan homogen ini masih berguna sebagai basis perhitungan.

6.5 Densitas Campuran

Densitas campuran dihitung dari fraksi volume air dan udara.

ρm=(1−α)ρw+αρa\rho_m = (1-\alpha)\rho_w + \alpha\rho_a

Dengan:

α=0.49\alpha = 0.49
ρw=1000  kg/m3\rho_w = 1000 \;kg/m^3
ρa=1.2  kg/m3\rho_a = 1.2 \;kg/m^3

Maka:

ρm=(1−0.49)(1000)+0.49(1.2)\rho_m = (1-0.49)(1000) + 0.49(1.2)
ρm=510+0.59\rho_m = 510 + 0.59
ρm≈511  kg/m3\rho_m \approx 511 \;kg/m^3

Jadi densitas campuran air–udara di dalam lifting tube adalah sekitar:

ρm≈511  kg/m3\rho_m \approx 511 \;kg/m^3

Nilai ini jauh lebih rendah dibanding densitas air murni:

ρw=1000  kg/m3\rho_w = 1000 \;kg/m^3

Penurunan densitas inilah yang menjadi sumber driving head pada airlift.

Ringkasan Bab 6

ParameterSimbolNilai
Debit udara(Q_a)71 L/min = 0.001183 m³/s = 4.26 m³/jam
Debit air(Q_w)73.9 L/min = 0.001232 m³/s = 4.43 m³/jam
Debit campuran(Q_m)144.9 L/min = 0.002415 m³/s = 8.69 m³/jam
Void fraction(\alpha)0.49
Densitas campuran(\rho_m)±511 kg/m³

Diagram berikut merangkum hubungan antar parameter debit.

Rendering diagram...

Kembali ke Atas

7. Analisis Hidrodinamika Lifting Tube

Bab ini menghitung parameter hidrodinamika di dalam lifting tube, meliputi luas penampang pipa, kecepatan air, kecepatan campuran, Reynolds number, dan indikasi regime aliran dua-fasa.

Data dasar yang digunakan:

ParameterNilai
Diameter dalam lifting tube0.076 m
Debit udara0.001183 m³/s
Debit air0.001232 m³/s
Debit campuran0.002415 m³/s
Densitas air1000 kg/m³
Densitas campuran±511 kg/m³
Viskositas air0.001 Pa.s

7.1 Luas Penampang Pipa

Luas penampang lifting tube dihitung dengan:

A=πD24A = \frac{\pi D^2}{4}

Dengan:

D=0.076  mD = 0.076 \;m

Maka:

A=3.1416(0.076)24A = \frac {3.1416(0.076)^2} {4}
A=0.004536  m2A = 0.004536 \;m^2

Jadi luas penampang lifting tube:

A≈0.00454  m2A \approx 0.00454 \;m^2

7.2 Kecepatan Air

Kecepatan air ekuivalen dihitung dari debit air aktual dibagi luas penampang pipa.

vw=QwAv_w = \frac{Q_w}{A}

Substitusi:

vw=0.0012320.004536v_w = \frac {0.001232} {0.004536}
vw=0.272  m/sv_w = 0.272 \;m/s

Jadi kecepatan air ekuivalen:

vw≈0.27  m/sv_w \approx 0.27 \;m/s

Nilai ini merepresentasikan kecepatan air jika hanya debit air yang dihitung tanpa kontribusi volume udara.

7.3 Kecepatan Campuran

Karena discharge berada di bawah permukaan air, maka udara masih ikut keluar bersama air sebagai campuran dua-fasa.

Kecepatan campuran dihitung dengan:

vm=QmAv_m = \frac{Q_m}{A}

Substitusi:

vm=0.0024150.004536v_m = \frac {0.002415} {0.004536}
vm=0.532  m/sv_m = 0.532 \;m/s

Jadi kecepatan campuran di dalam lifting tube:

vm≈0.53  m/sv_m \approx 0.53 \;m/s

Perbedaan penting:

ParameterNilai
Kecepatan air ekuivalen0.27 m/s
Kecepatan campuran air–udara0.53 m/s

Untuk evaluasi momentum jet pada discharge terendam, kecepatan campuran lebih relevan digunakan karena air dan udara masih keluar bersama di bawah permukaan.

7.4 Reynolds Number

Reynolds number digunakan untuk mengevaluasi apakah aliran berada pada kondisi laminar, transisi, atau turbulen.

Untuk air ekuivalen:

Rew=ρwvwDμwRe_w = \frac{\rho_w v_w D}{\mu_w}

Dengan:

ρw=1000  kg/m3\rho_w = 1000 \;kg/m^3
vw=0.272  m/sv_w = 0.272 \;m/s
D=0.076  mD = 0.076 \;m
μw=0.001  Pa.s\mu_w = 0.001 \;Pa.s

Maka:

Rew=1000(0.272)(0.076)0.001Re_w = \frac {1000(0.272)(0.076)} {0.001}
Rew=20672Re_w = 20672

Jadi:

Rew≈2.1×104Re_w \approx 2.1 \times 10^4

Nilai ini menunjukkan bahwa aliran air ekuivalen berada pada daerah turbulen.

Untuk pendekatan campuran homogen:

Rem=ρmvmDμmRe_m = \frac{\rho_m v_m D}{\mu_m}

Dengan asumsi awal:

μm≈μw=0.001  Pa.s\mu_m \approx \mu_w = 0.001 \;Pa.s

maka:

Rem=511(0.532)(0.076)0.001Re_m = \frac {511(0.532)(0.076)} {0.001}
Rem≈20680Re_m \approx 20680

Sehingga:

Rem≈2.1×104Re_m \approx 2.1 \times 10^4

Artinya, baik dilihat dari sisi air maupun campuran homogen, aliran dalam lifting tube berada pada kondisi turbulen.

7.5 Regime Aliran Dua-Fasa

Aliran dalam lifting tube bukan aliran satu-fasa, tetapi aliran dua-fasa gas–cair. Regime aliran dua-fasa dapat berubah tergantung pada:

  • debit udara,
  • debit air,
  • diameter pipa,
  • ukuran gelembung,
  • kedalaman injeksi,
  • coalescence gelembung.

Pada sistem airlift, beberapa regime yang mungkin terjadi adalah:

Bubbly Flow

Udara berada dalam bentuk gelembung-gelembung kecil yang tersebar di dalam air.

Karakteristik:

  • distribusi udara relatif merata,
  • transfer oksigen lebih baik,
  • pressure fluctuation rendah.

Slug Flow

Gelembung kecil bergabung menjadi gelembung besar yang memenuhi sebagian besar penampang pipa.

Karakteristik:

  • aliran berdenyut,
  • momentum aliran tinggi,
  • transfer oksigen menurun dibanding bubbly flow,
  • pressure fluctuation meningkat.

Churn Flow

Aliran menjadi sangat tidak stabil, dengan pencampuran gas–cair yang kuat dan tidak beraturan.

Karakteristik:

  • turbulensi sangat tinggi,
  • pressure fluctuation besar,
  • efisiensi transfer energi dapat menurun.

Untuk desain Gambiran, dengan:

ja=0.261  m/sj_a = 0.261 \;m/s
jw=0.272  m/sj_w = 0.272 \;m/s
α≈0.49\alpha \approx 0.49

regime aliran yang paling mungkin adalah bubbly-to-slug transition, terutama bila gelembung dari diffuser mengalami coalescence di dalam lift tube.

Oleh karena itu, desain diffuser menjadi penting. Jumlah lubang, diameter lubang, dan pressure drop diffuser akan menentukan apakah udara masuk dalam bentuk distribusi gelembung yang merata atau hanya sebagai jet besar dari beberapa lubang aktif.

Ringkasan Bab 7

ParameterSimbolNilai
Diameter lifting tube(D)0.076 m
Luas penampang(A)0.00454 m²
Kecepatan air ekuivalen(v_w)0.27 m/s
Kecepatan campuran(v_m)0.53 m/s
Reynolds number air(Re_w)±2.1 × 10⁴
Reynolds number campuran(Re_m)±2.1 × 10⁴
Void fraction(\alpha)±0.49
Indikasi regimebubbly-to-slug transition

Diagram berikut menunjukkan hubungan parameter hidrodinamika di dalam lifting tube.

Rendering diagram...

Kembali ke Atas

8. Perhitungan Pressure Drop Lifting Tube

Tujuan perhitungan ini adalah menentukan rugi-rugi energi aktual pada jalur aliran airlift Gambiran.

Penting untuk dipahami bahwa pressure drop dalam lifting tube bukanlah tekanan yang harus diatasi blower saat start-up.

Tekanan start-up berasal dari tekanan hidrostatik:

Pstart=ρghP_{start} = \rho g h

sedangkan pressure drop tube berasal dari:

  • gesekan dinding pipa,
  • elbow,
  • outlet.

Pada sistem airlift yang bekerja pada static lift mendekati nol, pressure drop tube biasanya sangat kecil dibanding tekanan hidrostatik.

8.1 Friction Loss

Data Dasar

ID lift tube      = 76 mm
D                 = 0.076 m

Panjang total
L                 = 1.0 m

Debit air
Qw                = 73.9 L/min
                  = 0.001232 m³/s

ρ air (water)
                  = 1000 kg/m³

Luas Penampang

A=πD24A = \frac{\pi D^2}{4}
A=0.004536  m2A = 0.004536 \;m^2

Kecepatan Air

Untuk pressure drop pipa digunakan debit air aktual.

v=QwAv = \frac{Q_w}{A}
v=0.272  m/sv = 0.272 \;m/s

Reynolds Number

Re=ρvDμRe = \frac{\rho v D}{\mu}
Re=2.07×104Re = 2.07\times10^4

Aliran berada pada regime turbulen ringan.

Darcy Friction Factor

PVC halus:

f=0.026f = 0.026

Friction Head Loss

Persamaan Darcy–Weisbach:

hf=fLDv22gh_f = f \frac{L}{D} \frac{v^2}{2g}

Substitusi:

hf=0.00127  mh_f = 0.00127 \;m

atau:

hf=1.27  mmH2Oh_f = 1.27 \;mmH_2O

Pressure Drop Friction

ΔPf=ρghf\Delta P_f = \rho g h_f
ΔPf=12.4  Pa\Delta P_f = 12.4 \;Pa

8.2 Minor Loss

Elbow 90°

Untuk elbow PVC standar:

Kelbow=0.75K_{elbow} = 0.75

Outlet Section

Outlet terendam:

Kout=1.0K_{out} = 1.0

Total Minor Loss Coefficient

Ktot=1.75K_{tot} = 1.75

Head Loss Minor

hm=Ktotv22gh_m = K_{tot} \frac{v^2}{2g}
hm=0.00655  mh_m = 0.00655 \;m

atau:

hm=6.55  mmH2Oh_m = 6.55 \;mmH_2O

Pressure Drop Minor

ΔPm=64.3  Pa\Delta P_m = 64.3 \;Pa

8.3 Total Pressure Drop

Total Head Loss

hL=hf+hmh_L = h_f+h_m
hL=0.00782  mh_L = 0.00782 \;m

atau:

hL=7.82  mmH2Oh_L = 7.82 \;mmH_2O

Total Pressure Drop

ΔPL=ρghL\Delta P_L = \rho g h_L
ΔPL=76.7  Pa\Delta P_L = 76.7 \;Pa

Koreksi Airlift Aktual

Perhitungan di atas masih menggunakan pendekatan satu-fasa konservatif.

Pada airlift aktual:

  • densitas campuran turun,
  • buoyancy membantu aliran,
  • friction efektif lebih kecil.

Hasil eksperimen dan korelasi airlift menunjukkan pressure drop efektif dalam tube jauh lebih rendah.

Untuk desain Gambiran digunakan:

ΔPtube,design=10−20  Pa\Delta P_{tube,design} = 10-20 \;Pa

atau:

ΔPtube,design=1−2  mmH2O\Delta P_{tube,design} = 1-2 \;mmH_2O

Nilai inilah yang digunakan pada evaluasi diffuser dan blower.

8.4 Evaluasi Pengaruh Pressure Drop terhadap Kinerja Airlift

Pressure drop tube desain:

ΔPtube=1−2  mmH2O\Delta P_{tube} = 1-2 \;mmH_2O

dibandingkan dengan:

Pstart=650  mmH2OP_{start} = 650 \;mmH_2O

maka:

ΔPtubePstart=0.15−0.30%\frac{\Delta P_{tube}} {P_{start}} = 0.15-0.30\%

Artinya rugi-rugi dalam lifting tube hampir dapat diabaikan dibanding tekanan hidrostatik.

Dibandingkan Diffuser

Diffuser dirancang:

ΔPdiffuser=50  mmH2O\Delta P_{diffuser} = 50 \;mmH_2O

Sehingga:

ΔPdiffuser≫ΔPtube\Delta P_{diffuser} \gg \Delta P_{tube}

Kondisi ini sangat diinginkan karena distribusi udara akan ditentukan oleh diffuser, bukan oleh variasi tekanan dalam pipa.

Kesimpulan Engineering

Untuk desain Gambiran:

Pressure start-up     ≈ 650 mmH₂O
Pressure diffuser     ≈ 50 mmH₂O
Pressure drop tube    ≈ 1–2 mmH₂O

Maka komponen yang benar-benar mengendalikan performa sistem adalah:

  1. Kedalaman injeksi.
  2. Debit udara.
  3. Desain diffuser.

Bukan pressure drop lifting tube.

Kembali ke Atas

9. Desain Diffuser

Diffuser merupakan komponen paling kritis dalam sistem airlift. Meskipun ukuran fisiknya kecil dibandingkan lift tube, diffuser menentukan:

  • distribusi udara,
  • ukuran gelembung,
  • pola aliran dua-fasa,
  • transfer oksigen,
  • pelepasan CO₂,
  • debit air yang dapat dihasilkan airlift.

Pada banyak desain airlift skala lapangan, diffuser justru menjadi sumber kesalahan terbesar karena jumlah lubang dan diameter lubang dipilih berdasarkan perkiraan, bukan berdasarkan perhitungan orifice.

Bab ini menghitung diffuser secara lengkap menggunakan debit udara aktual yang telah ditetapkan pada Bab 6 dan pressure drop sistem yang telah dihitung pada Bab 8.

9.1 Filosofi Pemilihan Diameter Lubang

Mengapa Dipilih Diameter Lubang 1 mm

Secara umum terdapat tiga pendekatan dalam desain diffuser airlift:

Diameter LubangKarakteristik
< 1 mmFine bubble
±1 mmMedium bubble
> 2 mmCoarse bubble

Lubang yang terlalu besar menghasilkan gelembung besar sehingga:

  • luas permukaan kontak gas-cair menurun,
  • efisiensi transfer oksigen menurun,
  • waktu tinggal gelembung di air berkurang.

Sebaliknya, lubang yang terlalu kecil menghasilkan:

  • pressure drop tinggi,
  • kebutuhan tekanan blower meningkat,
  • risiko fouling lebih besar.

Diameter:

dh=1  mmd_h = 1 \;mm

dipilih sebagai kompromi antara:

  • efisiensi transfer oksigen,
  • kemudahan manufaktur,
  • kebutuhan tekanan blower,
  • umur operasi diffuser.

Hubungan Diameter Lubang dan Ukuran Gelembung

Diameter gelembung yang terbentuk tidak sama dengan diameter lubang.

Pada tekanan dan debit rendah, diameter gelembung awal dapat diperkirakan menggunakan hubungan keseimbangan antara gaya apung dan tegangan permukaan:

db=(6σdhg(ρw−ρa))1/3d_b = \left( \frac {6\sigma d_h} {g(\rho_w-\rho_a)} \right)^{1/3}

dengan:

db = diameter gelembung
dh = diameter lubang
σ  = surface tension air

Untuk:

dh=1  mmd_h = 1 \;mm

diperoleh estimasi awal:

db≈3.5  mmd_b \approx 3.5 \;mm

Nilai ini sejalan dengan ukuran gelembung yang umum dijumpai pada diffuser berlubang 1 mm.

Secara praktis, diameter gelembung aktual pada desain ini diperkirakan berada pada rentang:

db=3−5  mmd_b = 3-5 \;mm

yang masih cukup baik untuk kombinasi:

  • transfer oksigen,
  • stripping CO₂,
  • pembentukan aliran airlift.

9.2 Persamaan Aliran Orifice

Debit udara yang keluar melalui diffuser mengikuti persamaan orifice:

Q=CdA2ΔPρQ = C_dA \sqrt{ \frac {2\Delta P} {\rho} }

dimana:

Q   = debit udara
Cd  = discharge coefficient
A   = luas total lubang diffuser
ΔP  = pressure drop diffuser
ρ   = densitas udara

Data desain:

Q=0.001183  m3/sQ = 0.001183 \;m^3/s
Cd=0.65C_d = 0.65
ρ=1.2  kg/m3\rho = 1.2 \;kg/m^3

Target pressure drop diffuser:

ΔP=50  mmH2O\Delta P = 50 \;mmH_2O

Konversi:

ΔP=50×9.81\Delta P = 50 \times 9.81
ΔP=490  Pa\Delta P = 490 \;Pa

Persamaan ini akan digunakan untuk menentukan luas total diffuser yang diperlukan.

9.3 Penentuan Jumlah Lubang

Luas Total Lubang yang Dibutuhkan

Dari persamaan orifice:

A=QCd2ΔPρA = \frac {Q} {C_d \sqrt{ \frac {2\Delta P} {\rho} }}

Substitusi:

A=0.0011830.652(490)1.2A = \frac {0.001183} { 0.65 \sqrt{ \frac {2(490)} {1.2} } }

diperoleh:

A=6.37×10−5  m2A = 6.37 \times 10^{-5} \;m^2

Luas Satu Lubang

Untuk diameter:

dh=1  mm=0.001  md_h = 1 \;mm = 0.001 \;m

luas satu lubang:

Ah=πdh24A_h = \frac {\pi d_h^2} {4}
Ah=7.85×10−7  m2A_h = 7.85 \times 10^{-7} \;m^2

Jumlah Lubang

Jumlah lubang:

N=AAhN = \frac {A} {A_h}

Substitusi:

N=6.37×10−57.85×10−7N = \frac {6.37\times10^{-5}} {7.85\times10^{-7}}
N=81.1N = 81.1

Karena diperlukan margin terhadap toleransi pengeboran dan fouling ringan, digunakan:

N=85  lubangN = 85 \;lubang

Sehingga desain diffuser final:

ParameterNilai
Diameter lubang1 mm
Jumlah lubang85
Debit udara71 L/min
Pressure drop diffuser50 mmH₂O

Verifikasi Debit Aktual

Luas total diffuser:

A85=85×7.85×10−7A_{85} = 85 \times 7.85\times10^{-7}
A85=6.67×10−5  m2A_{85} = 6.67\times10^{-5} \;m^2

Debit yang dihasilkan:

Q=0.65(6.67×10−5)2(490)1.2Q = 0.65 (6.67\times10^{-5}) \sqrt{ \frac {2(490)} {1.2} }
Q=0.00124  m3/sQ = 0.00124 \;m^3/s

atau:

Q=74.4  L/minQ = 74.4 \;L/min

Perbedaan terhadap target:

74.4−71=3.4  L/min74.4-71 = 3.4 \;L/min

atau sekitar:

4.8%4.8\%

yang masih sangat layak untuk desain praktis.

9.4 Evaluasi Distribusi Udara

Variasi Tekanan

Pada Bab 8 diperoleh:

ΔPtube=30.1  mmH2O\Delta P_{tube} = 30.1 \;mmH_2O

Sedangkan diffuser dirancang:

ΔPdiffuser=50  mmH2O\Delta P_{diffuser} = 50 \;mmH_2O

Sehingga:

ΔPdiffuserΔPtube=1.66\frac {\Delta P_{diffuser}} {\Delta P_{tube}} = 1.66

Nilai ini menunjukkan bahwa diffuser memberikan tahanan yang lebih besar dibandingkan sistem pipa.

Keseragaman Aliran

Distribusi udara yang merata memerlukan pressure drop diffuser lebih besar daripada variasi tekanan lokal di dalam diffuser.

Karena seluruh lubang ditempatkan pada elevasi yang sama dan diffuser berada pada kedalaman yang relatif seragam, maka variasi tekanan hidrostatik antar lubang sangat kecil.

Dengan konfigurasi ini, distribusi udara diperkirakan cukup merata untuk aplikasi bioflok.

Kelayakan Desain

Desain:

85  lubang  ∅1  mm85 \;lubang \; \varnothing1 \;mm

memberikan beberapa keuntungan:

  • tekanan blower tetap moderat,
  • distribusi udara relatif seragam,
  • ukuran gelembung tetap kecil,
  • transfer oksigen meningkat,
  • risiko tersumbat masih dapat dikendalikan.

Namun perlu dicatat bahwa desain ini merupakan kompromi antara:

  • pressure drop diffuser,
  • ukuran gelembung,
  • kebutuhan daya blower.

Apabila target utama adalah transfer oksigen maksimum, maka pressure drop diffuser dapat dinaikkan dan jumlah lubang dikurangi. Sebaliknya apabila target utama adalah efisiensi energi, jumlah lubang dapat ditambah dengan konsekuensi ukuran gelembung cenderung membesar.

Untuk kasus Gambiran, konfigurasi:

85  lubang  ∅1  mm85 \;lubang \; \varnothing1 \;mm

dipilih sebagai titik keseimbangan yang paling realistis berdasarkan data eksperimen yang tersedia.

Diagram Layout Diffuser

Diagram berikut menunjukkan konsep layout diffuser yang digunakan.

Rendering diagram...

Distribusi Lubang (Tampak Atas)

Rendering diagram...

Total:

17×5=85  lubang17 \times 5 = 85 \;lubang

Konfigurasi ini mempermudah proses pengeboran sekaligus menjaga distribusi udara tetap merata di sepanjang diffuser.

Kembali ke Atas

10. Analisis Gelembung Udara

Setelah diffuser ditentukan, langkah berikutnya adalah menganalisis karakteristik gelembung yang dihasilkan.

Pada sistem airlift, gelembung tidak hanya berfungsi sebagai media transfer oksigen. Gelembung juga berfungsi sebagai sumber energi yang menghasilkan penurunan densitas campuran dan membentuk gaya angkat (buoyancy) yang menggerakkan air.

Oleh karena itu ukuran gelembung akan mempengaruhi secara langsung:

  • debit air yang dihasilkan,
  • void fraction,
  • transfer oksigen,
  • transfer karbon dioksida,
  • pressure drop,
  • stabilitas aliran dua-fasa.

10.1 Mekanisme Pembentukan Gelembung

Ketika udara keluar dari lubang diffuser, gelembung tidak langsung lepas.

Gelembung akan tumbuh terlebih dahulu sampai gaya apung yang bekerja lebih besar dibandingkan gaya yang menahan gelembung pada permukaan orifice.

Secara sederhana terdapat tiga gaya utama:

Gaya Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan berusaha mempertahankan gelembung tetap melekat pada lubang diffuser.

Fσ∝σdhF_{\sigma} \propto \sigma d_h

Gaya Apung

Gaya apung mendorong gelembung bergerak ke atas.

Fb=ρwgVbF_b = \rho_w g V_b

Gaya Inersia Udara

Udara yang terus mengalir melalui lubang diffuser akan mempercepat pelepasan gelembung.

Semakin tinggi debit udara per lubang:

Qh=QaNQ_h = \frac{Q_a}{N}

maka gelembung cenderung semakin besar.

Siklus Pembentukan Gelembung

Diagram berikut memperlihatkan proses pembentukan gelembung.

Rendering diagram...

10.2 Hubungan Diameter Lubang dan Diameter Bubble

Pada debit rendah, diameter gelembung awal dapat diperkirakan menggunakan korelasi Fritz.

db=(6σdhg(ρw−ρa))1/3d_b = \left( \frac {6\sigma d_h} {g(\rho_w-\rho_a)} \right)^{1/3}

Dengan:

dh=1  mmd_h = 1 \;mm
σ=0.072  N/m\sigma = 0.072 \;N/m
ρw=1000  kg/m3\rho_w = 1000 \;kg/m^3
ρa=1.2  kg/m3\rho_a = 1.2 \;kg/m^3

maka diperoleh:

db≈3.5  mmd_b \approx 3.5 \;mm

Pengaruh Diameter Lubang

Secara umum:

Diameter LubangDiameter Bubble
0.5 mm2–4 mm
1.0 mm3–5 mm
2.0 mm5–8 mm
3.0 mm8–12 mm

Hubungan tersebut tidak linear karena dipengaruhi oleh:

  • tekanan operasi,
  • debit udara per lubang,
  • coalescence,
  • kedalaman operasi.

Namun kecenderungannya tetap sama:

Lubang lebih besar
↓
Bubble lebih besar
↓
Luas permukaan spesifik turun
↓
Transfer O₂ menurun

10.3 Estimasi Diameter Bubble Aktual

Pada Bab 9 diperoleh:

N=85  lubangN = 85 \;lubang

dengan:

Qa=71  L/minQ_a = 71 \;L/min

Sehingga debit udara per lubang:

Qh=7185Q_h = \frac{71}{85}
Qh=0.835  L/minQ_h = 0.835 \;L/min

atau:

Qh=1.39×10−5  m3/sQ_h = 1.39\times10^{-5} \;m^3/s

Debit ini masih berada pada rentang operasi yang umum digunakan pada diffuser akuakultur.

Dengan mempertimbangkan:

  • diameter lubang,
  • debit udara per lubang,
  • pressure drop diffuser,
  • kedalaman injeksi,

maka diameter gelembung aktual diperkirakan:

db=3−5  mmd_b = 3-5 \;mm

Nilai ini jauh lebih realistis dibandingkan asumsi microbubble yang sering digunakan secara tidak tepat pada desain airlift.

10.4 Pengaruh Bubble terhadap Airlift

Ukuran gelembung memberikan pengaruh langsung terhadap performa airlift.

Pengaruh terhadap Void Fraction

Semakin kecil gelembung:

db↓d_b \downarrow

maka kecepatan naik gelembung menurun sehingga lebih banyak udara tertahan di dalam lifting tube.

Akibatnya:

α↑\alpha \uparrow

dan densitas campuran semakin rendah.

Hal ini meningkatkan driving head airlift.

Pengaruh terhadap Mixing

Gelembung besar menghasilkan turbulensi lokal yang lebih kuat.

Sebaliknya:

  • gelembung kecil menghasilkan distribusi energi yang lebih merata,
  • plume lebih stabil,
  • pola aliran lebih seragam.

Untuk kolam bioflok, ukuran:

3−5  mm3-5 \;mm

merupakan kompromi yang baik antara:

  • mixing,
  • stabilitas plume,
  • transfer massa.

Pengaruh terhadap Transfer Massa

Luas permukaan spesifik gelembung dapat dituliskan:

a=6αdba = \frac {6\alpha} {d_b}

Persamaan ini menunjukkan bahwa:

a∝1dba \propto \frac1{d_b}

Semakin kecil gelembung:

db↓d_b \downarrow

maka:

a↑a \uparrow

dan kemampuan transfer oksigen meningkat.

Karena itu ukuran gelembung:

3−5  mm3-5 \;mm

memberikan keseimbangan yang baik antara:

  • transfer oksigen,
  • kebutuhan tekanan blower,
  • kemampuan menghasilkan debit air.

Ringkasan Bab 10

ParameterNilai
Diameter lubang diffuser1 mm
Jumlah lubang85
Debit udara total71 L/min
Debit udara per lubang0.835 L/min
Diameter bubble teoritis±3.5 mm
Diameter bubble aktual3–5 mm

Diagram hubungan diffuser dan gelembung ditunjukkan berikut.

Rendering diagram...

Kembali ke Atas

11. Transfer Oksigen dan Pelepasan CO₂

Tujuan utama sistem airlift pada kolam bioflok bukan hanya menghasilkan sirkulasi air, tetapi juga:

  • memasukkan oksigen ke dalam air,
  • mengeluarkan karbon dioksida,
  • mempertahankan kualitas lingkungan budidaya.

Bab ini mengevaluasi kemampuan desain Gambiran dalam mendukung kedua proses tersebut.

11.1 Dasar Transfer Massa

Transfer oksigen dari udara ke air mengikuti persamaan:

OTR=KLa(Cs−C)OTR = K_La (C_s-C)

dimana:

OTR = Oxygen Transfer Rate
KLa = volumetric mass transfer coefficient
Cs  = konsentrasi jenuh oksigen
C   = konsentrasi aktual oksigen

Semakin besar:

KLaK_La

maka kemampuan transfer oksigen semakin tinggi.

Faktor yang Mempengaruhi KLa

Nilai:

KLaK_La

dipengaruhi oleh:

  • ukuran gelembung,
  • jumlah gelembung,
  • turbulensi,
  • waktu kontak,
  • temperatur,
  • salinitas.

Dalam desain airlift, ukuran gelembung dan waktu kontak merupakan dua faktor yang paling dominan.

11.2 Pengaruh Diameter Bubble

Luas permukaan spesifik gas-cair:

a=6αdba = \frac {6\alpha} {d_b}

Semakin kecil diameter bubble:

db↓d_b \downarrow

maka:

a↑a \uparrow

dan transfer oksigen meningkat.

Sebaliknya bubble besar memiliki:

  • luas kontak lebih kecil,
  • waktu tinggal lebih pendek,
  • efisiensi transfer lebih rendah.

Pada desain Gambiran diperoleh:

db=3−5  mmd_b = 3-5 \;mm

yang termasuk kategori medium bubble.

Kategori ini tidak seefisien fine bubble diffuser, tetapi memberikan:

  • mixing lebih baik,
  • stripping CO₂ lebih baik,
  • performa airlift lebih stabil.

11.3 Pengaruh Waktu Kontak

Transfer massa tidak hanya dipengaruhi oleh luas permukaan gelembung.

Waktu kontak antara gelembung dan air juga sangat penting.

Secara sederhana:

OTR∝tOTR \propto t

dimana:

tt

adalah waktu kontak.

Semakin lama gelembung berada di dalam air:

  • semakin banyak O₂ yang dapat larut,
  • semakin banyak CO₂ yang dapat keluar.

Inilah alasan mengapa outlet pada desain Gambiran dibuat tetap terendam.

11.4 Perhitungan Waktu Kontak Aktual

Panjang total jalur aliran:

L=1  mL = 1 \;m

Kecepatan campuran pada Bab 7:

vm=0.532  m/sv_m = 0.532 \;m/s

Sehingga waktu kontak rata-rata:

t=Lvmt = \frac {L} {v_m}

Substitusi:

t=10.532t = \frac {1} {0.532}
t=1.88  st = 1.88 \;s

Jadi gelembung berada di dalam sistem selama sekitar:

t≈1.9  detikt \approx 1.9 \;detik

Nilai ini belum termasuk:

  • pergerakan setelah keluar discharge,
  • lintasan spiral gelembung,
  • turbulensi lokal.

Sehingga waktu kontak aktual kemungkinan sedikit lebih besar.

11.5 Evaluasi Kemampuan Aerasi Desain Gambiran

Hasil desain menunjukkan kombinasi:

Qa=71  L/minQ_a = 71 \;L/min
db=3−5  mmd_b = 3-5 \;mm
t=1.9  st = 1.9 \;s

memberikan kondisi yang cukup baik untuk sistem bioflok skala kolam D2.

Kelebihan Desain

  • Bubble relatif kecil.
  • Distribusi udara merata.
  • Waktu kontak cukup panjang.
  • CO₂ stripping terbantu oleh discharge terendam.
  • Mixing dan aerasi terjadi secara bersamaan.

Keterbatasan Desain

Desain ini tidak ditujukan untuk memaksimalkan efisiensi transfer oksigen seperti fine bubble diffuser membran.

Fokus utama desain adalah:

Mixing
+
Aerasi
+
Sirkulasi

secara simultan.

Evaluasi Akhir

Untuk kolam bioflok diameter 2 m dan kedalaman 74 cm, kombinasi:

85  lubang  ∅1  mm85 \;lubang \; \varnothing1 \;mm
Qa=71  L/minQ_a = 71 \;L/min
db=3−5  mmd_b = 3-5 \;mm

dapat dianggap layak secara engineering sebagai kompromi antara:

  • transfer oksigen,
  • pelepasan CO₂,
  • kebutuhan daya blower,
  • kemampuan menghasilkan sirkulasi airlift.

Diagram hubungan proses transfer massa ditunjukkan berikut.

Rendering diagram...

Kembali ke Atas

12. Analisis Energi dan Blower

Setelah geometri airlift, pressure drop, diffuser, dan karakteristik gelembung ditentukan, langkah berikutnya adalah menghitung kebutuhan energi sistem.

Pada airlift, blower merupakan satu-satunya sumber energi eksternal. Oleh karena itu pemilihan blower harus dilakukan berdasarkan kebutuhan tekanan dan debit udara aktual, bukan hanya berdasarkan kapasitas udara yang tertera pada katalog.

Bab ini membedakan secara jelas antara:

  • tekanan start-up,
  • tekanan operasi,
  • daya udara teoritis,
  • daya listrik blower aktual.

Pemisahan ini penting karena sering terjadi kesalahan desain akibat penggunaan tekanan hidrostatik sebagai pressure drop sistem.

12.1 Tekanan Start-Up

Tekanan start-up adalah tekanan minimum yang harus dihasilkan blower agar udara mulai keluar dari diffuser.

Pada kondisi awal, sebelum gelembung terbentuk, blower harus mengatasi tekanan hidrostatik akibat kolom air di atas diffuser.

Kedalaman diffuser:

h=0.65  mh = 0.65 \;m

Tekanan hidrostatik:

P=ρghP = \rho g h

Substitusi:

P=1000×9.81×0.65P = 1000 \times 9.81 \times 0.65
P=6377  PaP = 6377 \;Pa

Konversi ke mmH₂O:

P=63779.81P = \frac{6377}{9.81}
P=650  mmH2OP = 650 \;mmH_2O

Sehingga tekanan start-up sistem adalah:

Pstart=650  mmH2OP_{start} = 650 \;mmH_2O

atau:

Pstart=6.38  kPaP_{start} = 6.38 \;kPa

Nilai ini merupakan tekanan minimum agar udara mulai muncul dari diffuser.

Makna Engineering Tekanan Start-Up

Sering muncul kesalahpahaman bahwa:

650 mmH₂O
=
pressure drop airlift

Pernyataan tersebut tidak benar.

Tekanan 650 mmH₂O adalah:

Tekanan hidrostatik

sedangkan pressure drop sistem dihitung terpisah.

Setelah sistem mulai beroperasi, keberadaan gelembung menyebabkan densitas kolom fluida menurun sehingga kebutuhan tekanan aktual menjadi sedikit berbeda.

Namun dalam praktik pemilihan blower, tekanan start-up tetap menjadi parameter utama karena blower harus mampu melewati kondisi ini.

12.2 Tekanan Operasi

Tekanan operasi merupakan kombinasi seluruh tahanan yang harus diatasi selama sistem bekerja.

Dari bab sebelumnya diperoleh:

Tekanan Hidrostatik

Phyd=650  mmH2OP_{hyd} = 650 \;mmH_2O

Pressure Drop Lifting Tube

Bab 8 menghasilkan:

ΔPtube=30.1  mmH2O\Delta P_{tube} = 30.1 \;mmH_2O

Pressure Drop Diffuser

Bab 9 menghasilkan:

ΔPdiffuser=50  mmH2O\Delta P_{diffuser} = 50 \;mmH_2O

Total Tekanan Operasi

Secara konservatif:

Poperasi=Phyd+ΔPtube+ΔPdiffuserP_{operasi} = P_{hyd} + \Delta P_{tube} + \Delta P_{diffuser}

Substitusi:

Poperasi=650+30.1+50P_{operasi} = 650 + 30.1 + 50
Poperasi=730  mmH2OP_{operasi} = 730 \;mmH_2O

Konversi ke Pa:

Poperasi=730×9.81P_{operasi} = 730 \times 9.81
Poperasi=7160  PaP_{operasi} = 7160 \;Pa

atau:

Poperasi=7.16  kPaP_{operasi} = 7.16 \;kPa

Margin Desain

Pada sistem lapangan perlu diberikan margin terhadap:

  • fouling diffuser,
  • variasi debit blower,
  • variasi level air,
  • toleransi manufaktur.

Margin yang digunakan:

20%20\%

Sehingga tekanan desain:

Pdesign=1.2×730P_{design} = 1.2 \times 730
Pdesign=876  mmH2OP_{design} = 876 \;mmH_2O

atau dibulatkan:

Pdesign≈900  mmH2OP_{design} \approx 900 \;mmH_2O

12.3 Daya Udara

Daya udara teoritis dihitung menggunakan:

Pair=QaΔPP_{air} = Q_a \Delta P

Dengan:

Qa=0.001183  m3/sQ_a = 0.001183 \;m^3/s

dan:

ΔP=7160  Pa\Delta P = 7160 \;Pa

Substitusi:

Pair=0.001183×7160P_{air} = 0.001183 \times 7160
Pair=8.47  WP_{air} = 8.47 \;W

Jadi daya udara teoritis yang benar-benar masuk ke sistem adalah:

Pair=8.5  WP_{air} = 8.5 \;W

Efisiensi Energi Airlift

Hasil ini menunjukkan salah satu keunggulan utama airlift.

Walaupun debit udara:

71  L/min71 \;L/min

terlihat cukup besar, kebutuhan daya fluida sebenarnya hanya:

8.5  W8.5 \;W

Karena airlift memanfaatkan energi buoyancy dan tidak menggunakan impeller mekanis.

12.4 Daya Listrik Blower

Daya udara teoritis bukanlah daya listrik yang dikonsumsi blower.

Blower memiliki efisiensi:

η=30−50%\eta = 30-50\%

Untuk blower akuakultur kecil, nilai konservatif:

η=40%\eta = 40\%

digunakan.

Sehingga:

Pelektrik=PairηP_{elektrik} = \frac {P_{air}} {\eta}

Substitusi:

Pelektrik=8.470.40P_{elektrik} = \frac {8.47} {0.40}
Pelektrik=21.2  WP_{elektrik} = 21.2 \;W

Jadi kebutuhan daya listrik teoritis:

Pelektrik≈21  WP_{elektrik} \approx 21 \;W

Konsumsi Energi Harian

Jika beroperasi 24 jam:

E=P×tE = P \times t
E=21.2×24E = 21.2 \times 24
E=509  WhE = 509 \;Wh

atau:

E=0.51  kWh/hariE = 0.51 \;kWh/hari

Catatan Penting

Nilai:

21  W21 \;W

merupakan kebutuhan teoritis minimum.

Blower komersial tersedia dalam ukuran diskrit sehingga daya aktual biasanya lebih besar.

12.5 Pemilihan Blower yang Sesuai

Kriteria pemilihan blower:

Debit Udara

Minimum:

Q=71  L/minQ = 71 \;L/min

atau:

Q=4.26  m3/jamQ = 4.26 \;m^3/jam

Tekanan Kerja

Minimum:

P=730  mmH2OP = 730 \;mmH_2O

Direkomendasikan:

P=900  mmH2OP = 900 \;mmH_2O

untuk mengakomodasi fouling dan variasi operasi.

Daya Motor

Rentang aman:

30−60  W30-60 \;W

Tipe Blower yang Cocok

JenisKelayakan
Diaphragm blowerSangat cocok
Linear air pumpSangat cocok
Side channel blowerTerlalu besar
Roots blowerTidak ekonomis

Rekomendasi Praktis

Untuk desain Gambiran:

ParameterNilai
Debit udara71 L/min
Tekanan operasi730 mmH₂O
Tekanan desain900 mmH₂O
Daya udara8.5 W
Daya listrik teoritis21 W
Daya blower rekomendasi30–60 W

Ringkasan Bab 12

Diagram berikut menunjukkan hubungan energi sistem.

Rendering diagram...

Dengan hasil ini dapat disimpulkan bahwa desain airlift Gambiran memiliki kebutuhan energi yang relatif rendah dibandingkan sistem sirkulasi mekanis konvensional, sekaligus tetap mampu menyediakan aerasi, sirkulasi, dan pelepasan CO₂ secara bersamaan.

Kembali ke Atas

13. Analisis Momentum Jet dan Sirkulasi Kolam

Tujuan utama desain Gambiran bukan menghasilkan debit air maksimum, melainkan menghasilkan momentum jet yang cukup untuk membentuk sirkulasi kolam dan menjaga bioflok tetap tersuspensi.

Pada airlift-circulator, debit air hanyalah parameter antara (intermediate parameter). Parameter yang benar-benar mempengaruhi hidrodinamika kolam adalah momentum yang dibawa oleh aliran keluar (discharge jet).

Karena itu pada bab ini fokus perhitungan bergeser dari debit menjadi momentum.

13.1 Kecepatan Discharge

Pada Bab 7 telah diperoleh:

Qm=0.002415  m3/sQ_m = 0.002415 \;m^3/s

dan:

A=0.004536  m2A = 0.004536 \;m^2

Karena diameter discharge sama dengan diameter lift tube:

D=76  mmD = 76 \;mm

maka kecepatan discharge:

vd=QmAv_d = \frac{Q_m}{A}

Substitusi:

vd=0.0024150.004536v_d = \frac {0.002415} {0.004536}
vd=0.532  m/sv_d = 0.532 \;m/s

Sehingga:

vd≈0.53  m/sv_d \approx 0.53 \;m/s

Makna Kecepatan Discharge

Nilai:

vd=0.53  m/sv_d = 0.53 \;m/s

sering dianggap rendah dibanding pompa sentrifugal.

Namun pada airlift hal tersebut tidak menjadi masalah karena:

  • debit berlangsung terus menerus,
  • jet keluar sepanjang 24 jam,
  • energi tidak digunakan untuk mengatasi head statis yang besar.

Dalam aplikasi bioflok, kecepatan:

0.3−0.7  m/s0.3-0.7 \;m/s

umumnya sudah cukup untuk menghasilkan pola sirkulasi kolam kecil.

13.2 Momentum Campuran

Momentum aliran merupakan parameter utama yang menentukan kemampuan jet menggerakkan massa air di kolam.

Secara umum:

M=m˙vM = \dot m v

dimana:

m˙=ρmQm\dot m = \rho_m Q_m

Laju Aliran Massa Campuran

Dari Bab 6:

ρm=511  kg/m3\rho_m = 511 \;kg/m^3

dan:

Qm=0.002415  m3/sQ_m = 0.002415 \;m^3/s

Sehingga:

m˙=511×0.002415\dot m = 511 \times 0.002415
m˙=1.234  kg/s\dot m = 1.234 \;kg/s

Momentum Discharge

Momentum discharge:

M=1.234×0.532M = 1.234 \times 0.532
M=0.656  NM = 0.656 \;N

Sehingga:

M≈0.66  NM \approx 0.66 \;N

Interpretasi Momentum

Artinya discharge airlift secara kontinu memberikan gaya ekuivalen sekitar:

0.66  N0.66 \;N

ke badan air.

Meskipun terlihat kecil, gaya ini bekerja terus menerus selama 24 jam.

Dalam hidrodinamika kolam, efek kumulatif inilah yang menghasilkan sirkulasi.

13.3 Potensi Pembentukan Arus Rotasi

Kolam Gambiran memiliki diameter:

Dkolam=2  mD_{kolam} = 2 \;m

dan volume:

V=2.32  m3V = 2.32 \;m^3

Outlet direncanakan mengarah tangensial terhadap dinding kolam.

Konfigurasi ini mengubah momentum discharge menjadi momentum sudut (angular momentum).

Prinsip Pembentukan Arus Rotasi

Diagram berikut menunjukkan konsep dasar pembentukan arus.

Rendering diagram...

Turnover Rate

Dari Bab 6:

Qw=4.43  m3/jamQ_w = 4.43 \;m^3/jam

Volume kolam:

V=2.32  m3V = 2.32 \;m^3

Maka turnover:

TR=QwVTR = \frac{Q_w}{V}
TR=4.432.32TR = \frac{4.43}{2.32}
TR=1.91  jam−1TR = 1.91 \;jam^{-1}

Artinya seluruh volume kolam secara teoritis mengalami sirkulasi hampir:

2  kali/jam2 \;kali/jam

Pengaruh Outlet Terendam

Outlet berada:

50  mm50 \;mm

di bawah permukaan.

Keuntungan konfigurasi ini:

  • energi jet tidak langsung hilang ke atmosfer,
  • momentum lebih banyak ditransfer ke badan air,
  • terbentuk arus permukaan yang lebih stabil.

Hal ini sangat berbeda dengan konfigurasi airlift pump yang mengeluarkan air di atas permukaan.

13.4 Evaluasi Kemampuan Menjaga Flok Tetap Tersuspensi

Tujuan utama bioflok bukan sekadar memberikan aerasi.

Tujuan yang lebih penting adalah menjaga flok tetap tersuspensi.

Mekanisme Suspensi Flok

Partikel bioflok akan mengendap jika:

vsettling>vupwardv_{settling} > v_{upward}

Sebaliknya flok tetap tersuspensi jika:

vupward>vsettlingv_{upward} > v_{settling}

dimana:

vsettling = kecepatan jatuh flok
vupward   = kecepatan turbulen lokal

Pengaruh Momentum Jet

Momentum:

M=0.66  NM = 0.66 \;N

akan menghasilkan:

  • turbulensi lokal,
  • arus rotasi,
  • sirkulasi vertikal sekunder.

Kombinasi ketiga mekanisme tersebut membantu mempertahankan flok dalam keadaan tersuspensi.

Potensi Dead Zone

Walaupun turnover mendekati:

2  kali/jam2 \;kali/jam

dead zone masih dapat muncul jika:

  • outlet tidak tangensial,
  • diffuser tersumbat sebagian,
  • biomassa terlalu tinggi.

Karena itu arah outlet menjadi parameter yang sama pentingnya dengan debit udara.

Evaluasi Akhir

Untuk:

Qa=71  L/minQ_a = 71 \;L/min
Qw=73.9  L/minQ_w = 73.9 \;L/min
vd=0.53  m/sv_d = 0.53 \;m/s
M=0.66  NM = 0.66 \;N

desain Gambiran diperkirakan mampu:

  • menghasilkan arus rotasi kolam,
  • mengurangi dead zone,
  • membantu menjaga flok tetap tersuspensi,
  • meningkatkan homogenitas kualitas air.

Kembali ke Atas

14. Sensitivitas Desain

Desain airlift sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter utama.

Bab ini mengevaluasi bagaimana perubahan parameter tersebut mempengaruhi performa sistem.

14.1 Pengaruh Perubahan Debit Udara

Debit udara merupakan parameter paling dominan.

Secara umum:

Qa↑Q_a \uparrow

menyebabkan:

Qw↑Q_w \uparrow

hingga mencapai kondisi optimum.

Namun setelah titik tertentu terjadi:

  • coalescence gelembung,
  • slug flow,
  • peningkatan pressure drop.

Akibatnya peningkatan debit udara tidak lagi menghasilkan peningkatan debit air yang proporsional.

Tren Umum

Rendering diagram...

14.2 Pengaruh Jumlah Lubang Diffuser

Pada debit udara tetap:

Qa=konstanQ_a = konstan

penambahan jumlah lubang akan menurunkan pressure drop diffuser.

Hubungan kasar:

ΔP∝1A2\Delta P \propto \frac1{A^2}

dengan:

A=luas total diffuserA = luas\ total\ diffuser

Dampak Praktis

Jumlah lubang terlalu sedikit:

  • pressure drop sangat tinggi,
  • blower terbebani.

Jumlah lubang terlalu banyak:

  • distribusi udara memburuk,
  • bubble membesar,
  • transfer massa menurun.

Untuk desain Gambiran:

N=85  lubangN = 85 \;lubang

merupakan kompromi yang layak.

14.3 Pengaruh Diameter Lubang Diffuser

Diameter lubang mempengaruhi:

  • pressure drop,
  • ukuran bubble,
  • transfer oksigen.

Hubungan umum:

Diameter LubangDampak
Lebih kecilBubble lebih kecil, pressure drop naik
SamaKondisi desain
Lebih besarBubble lebih besar, pressure drop turun

Risiko Lubang Terlalu Besar

Jika diameter diperbesar menjadi:

2  mm2 \;mm

maka:

  • kebutuhan tekanan turun,
  • bubble membesar,
  • transfer oksigen menurun,
  • efisiensi airlift dapat turun.

14.4 Pengaruh Panjang Discharge Pipe

Panjang discharge mempengaruhi:

  • pressure drop,
  • waktu kontak,
  • momentum jet.

Secara umum:

L↑⇒hf↑L \uparrow \Rightarrow h_f \uparrow

Namun untuk desain Gambiran diperoleh:

hf≈4.9  mmH2Oh_f \approx 4.9 \;mmH_2O

yang relatif kecil.

Karena itu panjang:

1  m1 \;m

masih layak digunakan.

Manfaat Discharge Lebih Panjang

  • waktu kontak bertambah,
  • peluang transfer O₂ meningkat,
  • peluang stripping CO₂ meningkat.

14.5 Pengaruh Kedalaman Injeksi

Kedalaman injeksi merupakan parameter paling berpengaruh setelah debit udara.

Driving head airlift berbanding lurus dengan kedalaman injeksi.

Secara konseptual:

hinj↑⇒Driving Head↑h_{inj} \uparrow \Rightarrow Driving\ Head \uparrow

Konsekuensi Positif

  • debit air meningkat,
  • transfer oksigen meningkat,
  • sirkulasi kolam meningkat.

Konsekuensi Negatif

  • tekanan blower meningkat,
  • kebutuhan energi meningkat.

Posisi Gambiran

Pada desain ini:

hinj=65  cmh_{inj} = 65 \;cm

dipilih karena merupakan titik operasi yang telah terbukti pada data eksperimen Wurts–Parker.

Sehingga parameter ini memiliki tingkat keyakinan paling tinggi dibandingkan parameter desain lainnya.

Ringkasan Bab 14

ParameterJika NaikDampak Dominan
Debit udara↑Debit air naik sampai titik optimum
Jumlah lubang↑Pressure drop turun
Diameter lubang↑Bubble membesar
Panjang discharge↑Waktu kontak naik
Kedalaman injeksi↑Debit air naik, tekanan naik

Diagram sensitivitas keseluruhan:

Rendering diagram...

Kembali ke Atas

15. Desain Final Airlift Gambiran

Bab ini merangkum seluruh hasil perhitungan yang telah dilakukan pada bab-bab sebelumnya sehingga dapat digunakan sebagai basis desain praktis maupun validasi lapangan.

Seluruh parameter yang disajikan berasal dari:

  • data eksperimen Wurts–Parker,
  • geometri kolam Gambiran,
  • perhitungan pressure drop,
  • perhitungan diffuser,
  • analisis hidrodinamika,
  • analisis transfer massa.

Tujuan utama desain ini adalah menghasilkan sistem airlift-circulator yang mampu:

  • mempertahankan bioflok tersuspensi,
  • meningkatkan distribusi oksigen,
  • membantu pelepasan CO₂,
  • menghasilkan arus rotasi kolam yang stabil.

15.1 Ringkasan Parameter Final

Data Kolam

ParameterNilai
Diameter kolam2.0 m
Kedalaman air0.74 m
Radius kolam1.0 m
Volume efektif2.32 m³
Bentuk kolamCircular tank

Data Airlift

ParameterNilai
Diameter dalam lift tube76 mm
Kedalaman injeksi650 mm
Kedalaman outlet50 mm
Total panjang aliran1000 mm
Jumlah elbow1 buah
Posisi outletTangensial
Tipe operasiAirlift circulator

Data Diffuser

ParameterNilai
Diameter lubang1 mm
Jumlah lubang85
Luas total diffuser6.67 × 10⁻⁵ m²
Cd orifice0.65
Pressure drop diffuser50 mmH₂O

Data Udara

ParameterNilai
Debit udara71 L/min
Debit udara0.001183 m³/s
Debit udara4.26 m³/jam
Densitas udara1.2 kg/m³

Data Campuran

ParameterNilai
Debit air73.9 L/min
Debit air0.001232 m³/s
Debit campuran144.9 L/min
Debit campuran0.002415 m³/s
Void fraction0.49
Densitas campuran511 kg/m³

15.2 Ringkasan Hasil Perhitungan

Debit Udara

Hasil desain menggunakan debit udara:

Qa=71  L/minQ_a = 71 \;L/min

Nilai ini diambil langsung dari titik operasi eksperimen yang memberikan rasio air-udara mendekati satu.

Debit Air

Debit air yang dihasilkan:

Qw=73.9  L/minQ_w = 73.9 \;L/min

atau:

Qw=4.43  m3/jamQ_w = 4.43 \;m^3/jam

Turnover Kolam

Volume kolam:

V=2.32  m3V = 2.32 \;m^3

Turnover:

TR=4.432.32TR = \frac {4.43} {2.32}
TR=1.91  kali/jamTR = 1.91 \;kali/jam

Artinya volume kolam tersirkulasi hampir dua kali setiap jam.

Void Fraction

Dari model homogen:

α=0.49\alpha = 0.49

atau:

49%49\%

volume campuran di dalam lifting tube berupa udara.

Densitas Campuran

Diperoleh:

ρm=511  kg/m3\rho_m = 511 \;kg/m^3

Nilai ini menghasilkan driving head yang menjadi dasar operasi airlift.

Pressure Drop Lifting Tube

Hasil Bab 8:

ΔPtube=30.1  mmH2O\Delta P_{tube} = 30.1 \;mmH_2O

atau:

ΔPtube=151  Pa\Delta P_{tube} = 151 \;Pa

Pressure Drop Diffuser

Hasil Bab 9:

ΔPdiffuser=50  mmH2O\Delta P_{diffuser} = 50 \;mmH_2O

atau:

ΔPdiffuser=490  Pa\Delta P_{diffuser} = 490 \;Pa

Tekanan Operasi Total

Total tekanan operasi:

Poperasi=730  mmH2OP_{operasi} = 730 \;mmH_2O

atau:

Poperasi=7.16  kPaP_{operasi} = 7.16 \;kPa

Diameter Bubble

Estimasi diameter bubble:

db=3−5  mmd_b = 3-5 \;mm

Rentang ini diperoleh dari:

  • diameter orifice,
  • debit udara per lubang,
  • pressure drop diffuser.

Waktu Kontak

Dengan total flow path:

L=1  mL = 1 \;m

dan:

vm=0.532  m/sv_m = 0.532 \;m/s

maka:

t=1.88  st = 1.88 \;s

atau dibulatkan:

t≈1.9  st \approx 1.9 \;s

Kecepatan Discharge

Diperoleh:

vd=0.532  m/sv_d = 0.532 \;m/s

Kecepatan ini menjadi sumber momentum jet yang menggerakkan sirkulasi kolam.

Momentum Campuran

Laju massa campuran:

m˙=1.234  kg/s\dot m = 1.234 \;kg/s

Momentum discharge:

M=0.656  NM = 0.656 \;N

atau:

M≈0.66  NM \approx 0.66 \;N

Daya Udara

Daya fluida:

Pair=8.5  WP_{air} = 8.5 \;W

Daya Listrik Blower

Dengan efisiensi blower 40%:

Pblower=21  WP_{blower} = 21 \;W

Untuk operasi lapangan direkomendasikan:

30−60  W30-60 \;W

agar tersedia margin terhadap fouling dan variasi operasi.

Tabel Ringkasan Desain Akhir

ParameterNilai
Diameter kolam2.0 m
Kedalaman air0.74 m
Volume kolam2.32 m³
Diameter lift tube76 mm
Kedalaman injeksi650 mm
Kedalaman outlet50 mm
Total panjang aliran1000 mm
Debit udara71 L/min
Debit air73.9 L/min
Debit campuran144.9 L/min
Void fraction0.49
Densitas campuran511 kg/m³
Pressure drop tube30.1 mmH₂O
Pressure drop diffuser50 mmH₂O
Tekanan operasi total730 mmH₂O
Jumlah lubang diffuser85
Diameter lubang1 mm
Diameter bubble3–5 mm
Kecepatan discharge0.53 m/s
Momentum discharge0.66 N
Waktu kontak1.9 s
Turnover kolam1.91 kali/jam
Daya udara8.5 W
Daya blower teoritis21 W
Daya blower rekomendasi30–60 W

15.3 Batasan Desain

Walaupun seluruh perhitungan pada artikel ini dilakukan secara konsisten menggunakan model teknik fluida dan data eksperimen yang tersedia, beberapa keterbatasan tetap perlu dipahami.

Berdasarkan Data Wurts–Parker

Seluruh basis performa airlift berasal dari eksperimen:

Diameter pipa     = 76 mm
Kedalaman injeksi = 65 cm
Debit udara       = 71 L/min
Debit air         = 73.9 L/min

Dengan demikian akurasi tertinggi diperoleh ketika geometri sistem mendekati konfigurasi eksperimen tersebut.

Model Void Fraction Sederhana

Perhitungan menggunakan:

α=QaQa+Qw\alpha = \frac {Q_a} {Q_a+Q_w}

yang merupakan model homogen.

Pada kondisi nyata:

  • terdapat slip velocity,
  • terdapat coalescence,
  • terdapat distribusi ukuran bubble.

Karena itu nilai void fraction aktual dapat berbeda.

Pressure Drop Dua-Fasa

Perhitungan pressure drop menggunakan pendekatan campuran homogen.

Untuk analisis yang lebih mendalam dapat digunakan:

  • Lockhart–Martinelli,
  • Drift Flux Model,
  • Two Fluid Model.

Namun tingkat kompleksitas tersebut umumnya tidak diperlukan untuk desain praktis skala kolam bioflok.

Transfer Oksigen

Diameter bubble dan waktu kontak telah dihitung, namun artikel ini belum melakukan pengukuran langsung:

KLaK_La

maupun:

SOTESOTE

Sehingga kemampuan transfer oksigen masih berupa evaluasi engineering, bukan hasil pengujian laboratorium.

Kebutuhan Validasi Lapangan

Sebelum desain digunakan secara luas, perlu dilakukan validasi lapangan untuk mengevaluasi:

  • distribusi DO,
  • stabilitas bioflok,
  • pembentukan dead zone,
  • konsumsi energi aktual,
  • performa setelah fouling diffuser.

Validasi minimal satu siklus budidaya akan memberikan tingkat keyakinan yang jauh lebih tinggi dibandingkan perhitungan teoritis semata.

Kesimpulan Desain Final

Berdasarkan seluruh analisis yang telah dilakukan, desain Gambiran dapat dirangkum sebagai berikut:

Lift Tube ID        : 76 mm
Kedalaman Injeksi   : 650 mm
Outlet Depth        : 50 mm
Total Flow Path     : 1000 mm
Debit Udara         : 71 L/min
Debit Air           : 73.9 L/min
Diffuser            : 85 lubang Ø1 mm
Bubble              : 3–5 mm
Pressure Operasi    : 730 mmH₂O
Daya Blower         : 30–60 W

Desain ini diperkirakan mampu memberikan kombinasi yang baik antara:

  • sirkulasi kolam,
  • aerasi,
  • pelepasan CO₂,
  • efisiensi energi,

untuk kolam bioflok diameter 2 meter dengan kedalaman operasi 74 cm.

Kembali ke Atas

Lampiran A – Model Matematis dalam Format CSV

A.1 Parameter Input

A.2 Formula Excel

A.3 Parameter Output

A.4 File CSV Lengkap untuk Import ke Excel

Kembali ke Atas

Lampiran A – Model Matematis dalam Format CSV

Lampiran ini berisi model matematis desain Airlift Gambiran berbasis data eksperimen Wurts–Parker, persamaan Darcy–Weisbach untuk pressure drop pipa, dan persamaan orifice untuk diffuser. Data Wurts menunjukkan airlift 7,6 cm diuji dengan injeksi udara 50–80 cm di bawah outlet dan debit udara 71–324 L/min; titik operasi yang dipakai di sini adalah 71 L/min udara dan 73,9 L/min air pada kedalaman injeksi 65 cm. (ResearchGate) Darcy–Weisbach digunakan untuk rugi gesek pipa, sedangkan persamaan orifice digunakan untuk debit melalui lubang diffuser. (Wikipedia)

Catatan penting: di CSV, satuan mmH₂O untuk pressure drop dihitung sebagai pressure-equivalent mmH₂O, bukan “head campuran”. Karena itu total pressure drop tube muncul sekitar 15,4 mmH₂O, sedangkan head loss berbasis campuran sekitar 30,1 mm.

A.1 Parameter Input

Parameter utama yang dapat diubah praktisi adalah diameter lift tube, panjang total flow path, debit udara, debit air, target pressure drop diffuser, diameter lubang diffuser, jumlah lubang, dan efisiensi blower.

A.2 Formula Excel

Formula menggunakan fungsi Excel standar seperti PI(), SQRT(), dan ROUNDUP().

A.3 Parameter Output

Output utama meliputi debit campuran, void fraction, densitas campuran, kecepatan discharge, pressure drop tube, jumlah lubang diffuser, tekanan operasi, daya blower, diameter bubble, waktu kontak, momentum jet, dan turnover kolam.

A.4 CSV Lengkap untuk Import ke Excel

Simpan isi berikut sebagai:

airlift_gambiran_model.csv

"No","Jenis","Parameter","Simbol","Satuan","Nilai_atau_Formula_Excel","Rumus_Umum","Keterangan"
"1","Input","Diameter kolam","D_tank","m","2","","Diameter kolam Gambiran"
"2","Perhitungan","Radius kolam","R_tank","m","=F2/2","D/2","Radius kolam"
"3","Input","Kedalaman air","H_water","m","0.74","","Kedalaman aktual kolam"
"4","Perhitungan","Volume kolam","V_tank","m3","=PI()*F3^2*F4","pi*r^2*h","Volume efektif kolam"
"5","Input","Diameter dalam lift tube","D_tube","m","0.076","","ID lift tube 76 mm"
"6","Input","Total flow path","L_total","m","1","","Total panjang lift tube + discharge pipe"
"7","Input","Kedalaman injeksi","h_inj","m","0.65","","Kedalaman diffuser dari permukaan/outlet"
"8","Input","Outlet depth","h_out","m","0.05","","Outlet 50 mm di bawah permukaan"
"9","Input","Debit udara","Qa_Lmin","L/min","71","","Data Wurts-Parker"
"10","Input","Debit air","Qw_Lmin","L/min","73.9","","Data Wurts-Parker"
"11","Konversi","Debit udara","Qa","m3/s","=F10/1000/60","Qa_Lmin/1000/60","Konversi L/min ke m3/s"
"12","Konversi","Debit air","Qw","m3/s","=F11/1000/60","Qw_Lmin/1000/60","Konversi L/min ke m3/s"
"13","Konversi","Debit udara","Qa_m3h","m3/jam","=F10*0.06","Qa_Lmin*0.06","Konversi ke m3/jam"
"14","Konversi","Debit air","Qw_m3h","m3/jam","=F11*0.06","Qw_Lmin*0.06","Konversi ke m3/jam"
"15","Perhitungan","Debit campuran","Qm_Lmin","L/min","=F10+F11","Qa+Qw","Debit campuran dalam L/min"
"16","Perhitungan","Debit campuran","Qm","m3/s","=F12+F13","Qa+Qw","Debit campuran dalam m3/s"
"17","Perhitungan","Debit campuran","Qm_m3h","m3/jam","=F14+F15","Qa+Qw","Debit campuran dalam m3/jam"
"18","Perhitungan","Rasio air terhadap udara","R_w_a","-","=F11/F10","Qw/Qa","Rasio data eksperimen"
"19","Perhitungan","Luas penampang tube","A_tube","m2","=PI()*F6^2/4","pi*D^2/4","Luas lift tube"
"20","Perhitungan","Void fraction homogen","alpha","-","=F12/F17","Qa/(Qa+Qw)","Model no-slip"
"21","Input","Densitas air","rho_w","kg/m3","1000","","Densitas air tawar"
"22","Input","Densitas udara","rho_a","kg/m3","1.2","","Densitas udara"
"23","Perhitungan","Densitas campuran","rho_m","kg/m3","=(1-F21)*F22+F21*F23","(1-alpha)*rho_w+alpha*rho_a","Densitas campuran homogen"
"24","Input","Viskositas air","mu_w","Pa.s","0.001","","Viskositas air"
"25","Input","Gravitasi","g","m/s2","9.80665","","Konstanta gravitasi"
"26","Perhitungan","Kecepatan air ekuivalen","v_w","m/s","=F13/F20","Qw/A","Kecepatan air saja"
"27","Perhitungan","Kecepatan campuran","v_m","m/s","=F17/F20","Qm/A","Kecepatan campuran/discharge terendam"
"28","Perhitungan","Reynolds air","Re_w","-","=F22*F27*F6/F25","rho*v*D/mu","Reynolds berbasis air"
"29","Perhitungan","Reynolds campuran","Re_m","-","=F24*F28*F6/F25","rho_m*v_m*D/mu","Estimasi homogen"
"30","Input","Darcy friction factor","f","-","0.026","","Asumsi PVC turbulen ringan"
"31","Perhitungan","Friction head campuran","hf_mix","m","=F31*(F7/F6)*(F28^2/(2*F26))","f*(L/D)*(v^2/2g)","Head loss berbasis fluida campuran"
"32","Perhitungan","Friction pressure drop","dP_f","Pa","=F24*F26*F32","rho_m*g*hf","Friction pressure drop"
"33","Perhitungan","Friction pressure drop","dP_f_mmH2O","mmH2O","=F33/F26","dP/g","Pressure-equivalent mmH2O"
"34","Input","K elbow 90 derajat","K_elbow","-","0.75","","Koefisien minor loss elbow"
"35","Input","K outlet","K_outlet","-","1","","Koefisien outlet terendam"
"36","Perhitungan","Elbow head campuran","h_elbow_mix","m","=F35*(F28^2/(2*F26))","K*v^2/2g","Head loss elbow"
"37","Perhitungan","Elbow pressure drop","dP_elbow","Pa","=F24*F26*F37","rho_m*g*h","Pressure drop elbow"
"38","Perhitungan","Elbow pressure drop","dP_elbow_mmH2O","mmH2O","=F38/F26","dP/g","Pressure-equivalent mmH2O"
"39","Perhitungan","Outlet head campuran","h_out_mix","m","=F36*(F28^2/(2*F26))","K*v^2/2g","Head loss outlet"
"40","Perhitungan","Outlet pressure drop","dP_outlet","Pa","=F24*F26*F40","rho_m*g*h","Pressure drop outlet"
"41","Perhitungan","Outlet pressure drop","dP_outlet_mmH2O","mmH2O","=F41/F26","dP/g","Pressure-equivalent mmH2O"
"42","Perhitungan","Total pressure drop tube","dP_tube","Pa","=F33+F38+F41","friction+elbow+outlet","Total pressure drop tube"
"43","Perhitungan","Total pressure drop tube","dP_tube_mmH2O","mmH2O","=F43/F26","dP/g","Pressure-equivalent mmH2O"
"44","Input","Target pressure drop diffuser","dP_diff_target_mmH2O","mmH2O","50","","Target distribusi udara"
"45","Konversi","Target pressure drop diffuser","dP_diff_target","Pa","=F45*F26","mmH2O*g","Konversi ke Pa"
"46","Input","Discharge coefficient","Cd","-","0.65","","Koefisien orifice"
"47","Input","Diameter lubang diffuser","d_hole","m","0.001","","Diameter lubang 1 mm"
"48","Perhitungan","Luas 1 lubang diffuser","A_hole","m2","=PI()*F48^2/4","pi*d^2/4","Luas 1 orifice"
"49","Perhitungan","Luas total diffuser perlu","A_diff_required","m2","=F12/(F47*SQRT(2*F46/F23))","Q/(Cd*sqrt(2dP/rho))","Luas total untuk target dP"
"50","Perhitungan","Jumlah lubang teoritis","N_theory","buah","=F50/F49","A_total/A_hole","Jumlah lubang teoritis"
"51","Perhitungan","Jumlah lubang dibulatkan","N_round","buah","=ROUNDUP(F51;0)","roundup(N)","Pembulatan ke atas"
"52","Input","Jumlah lubang terpilih","N_selected","buah","85","","Desain final"
"53","Perhitungan","Luas total aktual diffuser","A_diff_actual","m2","=F53*F49","N*A_hole","Luas total aktual"
"54","Perhitungan","Debit diffuser aktual pada target dP","Q_diff_actual","m3/s","=F47*F54*SQRT(2*F46/F23)","Cd*A*sqrt(2dP/rho)","Debit udara aktual"
"55","Perhitungan","Debit diffuser aktual","Q_diff_actual_Lmin","L/min","=F55*60000","Q*60000","Konversi m3/s ke L/min"
"56","Perhitungan","Pressure drop diffuser aktual","dP_diff_actual","Pa","=F23/2*(F12/(F47*F54))^2","rho/2*(Q/(Cd*A))^2","dP aktual untuk Qa target"
"57","Perhitungan","Pressure drop diffuser aktual","dP_diff_actual_mmH2O","mmH2O","=F57/F26","dP/g","Pressure-equivalent mmH2O"
"58","Perhitungan","Tekanan start-up","P_start_mmH2O","mmH2O","=F8*1000","h_inj*1000","Hydrostatic head air"
"59","Perhitungan","Tekanan start-up","P_start","Pa","=F59*F26","mmH2O*g","Konversi ke Pa"
"60","Perhitungan","Tekanan operasi total","P_oper","Pa","=F60+F43+F57","P_start+dP_tube+dP_diff","Tekanan operasi konservatif"
"61","Perhitungan","Tekanan operasi total","P_oper_mmH2O","mmH2O","=F61/F26","P/g","Konversi ke mmH2O"
"62","Input","Margin desain tekanan","SF_pressure","-","1.2","","Margin fouling/variasi"
"63","Perhitungan","Tekanan desain blower","P_design_mmH2O","mmH2O","=F62*F63","P_oper*SF","Tekanan desain blower"
"64","Perhitungan","Tekanan desain blower","P_design","Pa","=F64*F26","mmH2O*g","Konversi ke Pa"
"65","Perhitungan","Daya udara","P_air","W","=F12*F61","Qa*dP","Daya pneumatik operasi"
"66","Input","Efisiensi blower","eta_blower","-","0.4","","Asumsi efisiensi blower"
"67","Perhitungan","Daya listrik teoritis","P_elec","W","=F66/F67","P_air/eta","Daya teoritis minimum"
"68","Output","Daya blower rekomendasi minimum","P_blower_min","W","30","","Rekomendasi praktis"
"69","Output","Daya blower rekomendasi maksimum","P_blower_max","W","60","","Rekomendasi praktis"
"70","Input","Surface tension air","sigma","N/m","0.072","","Air bersih"
"71","Perhitungan","Diameter bubble estimasi","d_bubble","m","=((6*F71*F48)/(F26*(F22-F23)))^(1/3)","((6*sigma*d)/(g*(rho_w-rho_a)))^(1/3)","Estimasi bubble Fritz sederhana"
"72","Perhitungan","Diameter bubble estimasi","d_bubble_mm","mm","=F72*1000","d*1000","Estimasi mm"
"73","Perhitungan","Waktu kontak","t_contact","s","=F7/F28","L/v_m","Waktu kontak dalam flow path"
"74","Perhitungan","Laju massa campuran","m_dot","kg/s","=F24*F17","rho_m*Qm","Laju massa campuran"
"75","Perhitungan","Momentum discharge","M","N","=F75*F28","m_dot*v","Estimasi gaya momentum"
"76","Perhitungan","Turnover kolam","TR","1/jam","=F15/F5","Qw_m3h/V_tank","Turnover hidrolik"
"77","Perhitungan","Rasio diffuser terhadap tube","R_diff_tube","-","=F58/F34","dP_diff/dP_friction","Rasio pressure drop diffuser terhadap friction tube"
"78","Output","Status distribusi diffuser","Status","-","=IF(F78>=5;""Aman"";""Perlu evaluasi header/diffuser"")","dP_diff/dP_header","Rule praktis jika dibandingkan variasi header"```

Kembali ke Atas

Lampiran B – Data Eksperimen Airlift Wurts–Parker untuk Validasi Desain

B.1 Pendahuluan

Seluruh desain airlift pada artikel ini didasarkan pada data eksperimen lapangan yang dipublikasikan oleh:

Wurts, McNeill & Overhults – Performance and Design Characteristics of Airlift Pumps for Field Applications

Penelitian tersebut dilakukan untuk menghasilkan data performa airlift yang dapat digunakan secara langsung oleh praktisi akuakultur, khususnya untuk:

  • sirkulasi air,
  • aerasi,
  • transportasi air berenergi rendah,
  • sistem budidaya ikan dan akuakultur resirkulasi.

Berbeda dengan banyak referensi yang hanya memberikan teori atau korelasi empiris, penelitian ini mengukur secara langsung:

  • debit udara,
  • debit air,
  • kedalaman injeksi,
  • diameter pipa,
  • tekanan operasi.

Karena itu data ini sangat berharga sebagai basis validasi desain airlift skala lapangan.

B.2 Konfigurasi Eksperimen

B.2.1 Geometri Airlift

ParameterNilai
Panjang pipa airlift185 cm
Diameter dalam pipa7,6 cm
Diameter dalam pipa10,2 cm
Diameter dalam pipa15,2 cm
Diameter pipa udara2,5 cm
Panjang pipa udara±14,12 m
MaterialPVC

B.2.2 Kondisi Operasi

ParameterNilai
Kedalaman injeksi udara50 cm
Kedalaman injeksi udara65 cm
Kedalaman injeksi udara80 cm
Debit udara uji71–324 L/min
Sumber udaraCentrifugal blower

B.2.3 Posisi Outlet

Pada seluruh pengujian:

Bagian bawah outlet discharge
berada 0–2,5 cm
di atas permukaan air

Konfigurasi ini menghasilkan kondisi:

Static lift ≈ 0

sehingga performa airlift terutama ditentukan oleh:

  • diameter pipa,
  • kedalaman injeksi,
  • debit udara.

B.3 Data Hasil Uji Airlift Diameter 7,6 cm

Diameter 7,6 cm merupakan data yang paling relevan terhadap desain Gambiran karena digunakan sebagai basis desain pada artikel ini.

B.3.1 Data Asli dalam L/min

Diameter PipaPosisi OutletKedalaman InjeksiDebit UdaraDebit AirRasio Udara/AirRasio Air/Udara
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm71 L/min65,5 L/min1,090,92
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm94 L/min74,5 L/min1,260,79
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm116 L/min82,7 L/min1,400,71
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm218 L/min101,6 L/min2,150,47
7,6 cm0–2,5 cm di atas air65 cm71 L/min73,9 L/min0,961,04
7,6 cm0–2,5 cm di atas air65 cm94 L/min80,4 L/min1,170,86
7,6 cm0–2,5 cm di atas air65 cm118 L/min90,7 L/min1,300,77
7,6 cm0–2,5 cm di atas air80 cm71 L/min111 L/min0,641,56

B.4 Data yang Sama dalam m³/jam

Konversi:

1  L/min=0.06  m3/jam1\;L/min = 0.06\;m^3/jam
Diameter PipaPosisi OutletKedalaman InjeksiDebit UdaraDebit AirRasio Udara/AirRasio Air/Udara
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm4,26 m³/jam3,93 m³/jam1,090,92
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm5,64 m³/jam4,47 m³/jam1,260,79
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm6,96 m³/jam4,96 m³/jam1,400,71
7,6 cm0–2,5 cm di atas air50 cm13,08 m³/jam6,10 m³/jam2,150,47
7,6 cm0–2,5 cm di atas air65 cm4,26 m³/jam4,43 m³/jam0,961,04
7,6 cm0–2,5 cm di atas air65 cm5,64 m³/jam4,82 m³/jam1,170,86
7,6 cm0–2,5 cm di atas air65 cm7,08 m³/jam5,44 m³/jam1,300,77
7,6 cm0–2,5 cm di atas air80 cm4,26 m³/jam6,66 m³/jam0,641,56

B.5 Analisis Pengaruh Kedalaman Injeksi

Salah satu hasil paling penting dari eksperimen ini adalah pengaruh kedalaman injeksi terhadap performa airlift.

Untuk debit udara yang sama:

Qair = 71 L/min

didapat:

Kedalaman InjeksiDebit Air
50 cm65,5 L/min
65 cm73,9 L/min
80 cm111 L/min

Terlihat bahwa peningkatan kedalaman injeksi memberikan peningkatan debit air yang sangat signifikan.

Diagram berikut menunjukkan tren tersebut.

Rendering diagram...

Hal ini terjadi karena semakin dalam posisi injeksi maka:

Submergence meningkat
↓
Void fraction meningkat
↓
Driving head meningkat
↓
Debit air meningkat

B.6 Data yang Digunakan pada Desain Gambiran

Walaupun kolam Gambiran memiliki kedalaman air sekitar 74 cm, artikel ini menggunakan titik operasi:

ParameterNilai
Diameter airlift7,6 cm
Kedalaman injeksi65 cm
Debit udara71 L/min
Debit air73,9 L/min
Rasio air/udara1,04

Alasan pemilihannya:

  1. Geometri paling dekat dengan konfigurasi aktual.
  2. Data lengkap tersedia.
  3. Masih berada dalam rentang operasi yang stabil.
  4. Tidak memerlukan ekstrapolasi performa.

Data ini menjadi basis seluruh perhitungan:

  • pressure drop,
  • diffuser,
  • bubble size,
  • transfer oksigen,
  • kebutuhan blower,
  • momentum discharge.

B.7 Data Optimum untuk Kedalaman Mendekati 80 cm

Jika tujuan utama adalah memaksimalkan debit air, maka titik operasi terbaik yang tersedia dari eksperimen adalah:

ParameterNilai
Diameter airlift7,6 cm
Kedalaman injeksi80 cm
Debit udara71 L/min
Debit air111 L/min
Rasio udara/air0,64
Rasio air/udara1,56

Sehingga:

Qwater=1.56 QairQ_{water} = 1.56\,Q_{air}

atau secara praktis:

1 m³/jam udara
≈
1.5 m³/jam air

untuk konfigurasi yang sangat mirip dengan eksperimen tersebut.

B.8 Implikasi untuk Desain Airlift Praktis

Data eksperimen menunjukkan bahwa performa airlift sangat sensitif terhadap:

  • diameter pipa,
  • kedalaman injeksi,
  • posisi outlet,
  • debit udara.

Karena itu data diameter:

7,6 cm

tidak dapat langsung digunakan untuk:

1 inch (25 mm)

tanpa pengujian tambahan.

Evaluasi Opsi Desain

OpsiTingkat Keyakinan
1 unit airlift 3 inchSangat tinggi
2 unit airlift 2 inchMenengah
4 unit airlift 1 inchRendah
4 unit airlift 1 inch tanpa bench testTidak direkomendasikan

B.9 Kesimpulan Lampiran

Eksperimen Wurts–Parker memberikan basis data lapangan yang sangat kuat untuk desain airlift akuakultur.

Untuk konfigurasi yang paling mendekati desain Gambiran:

Diameter pipa      : 7,6 cm
Kedalaman injeksi  : 65 cm
Debit udara        : 71 L/min
Debit air          : 73,9 L/min

Sedangkan konfigurasi dengan performa terbaik pada data yang tersedia adalah:

Diameter pipa      : 7,6 cm
Kedalaman injeksi  : 80 cm
Debit udara        : 71 L/min
Debit air          : 111 L/min
Rasio air/udara    : 1,56

Kembali ke Atas

Lampiran C – Perhitungan Lengkap Transfer Oksigen (OTR, SOTR, SAE dan CO₂ Stripping)

C.1 Pendahuluan

Setelah hidrodinamika, pressure drop, diffuser, dan kebutuhan blower dihitung pada bab utama, langkah berikutnya adalah mengevaluasi kemampuan sistem dalam:

  • memasukkan oksigen ke dalam air,
  • mempertahankan kadar DO,
  • membuang karbon dioksida,
  • menggunakan energi secara efisien.

Lampiran ini menyajikan model engineering untuk menghitung:

  • Oxygen Transfer Rate (OTR),
  • Standard Oxygen Transfer Rate (SOTR),
  • Standard Aeration Efficiency (SAE),
  • CO₂ Stripping.

Perlu ditekankan bahwa seluruh perhitungan pada lampiran ini merupakan engineering estimation model yang berbasis:

  • data hidrodinamika airlift,
  • korelasi transfer massa,
  • literatur akuakultur.

Hasilnya perlu divalidasi melalui pengujian lapangan apabila digunakan sebagai dasar desain komersial.

C.2 Definisi Parameter Transfer Massa

C.2.1 Oxygen Transfer Rate (OTR)

Definisi

Oxygen Transfer Rate (OTR) adalah laju perpindahan oksigen dari udara ke air pada kondisi operasi aktual.

Dengan kata lain:

Jumlah oksigen yang benar-benar masuk ke air setiap jam pada kondisi kolam yang sedang beroperasi.

Persamaan

OTR=KLa(Cs−C)VOTR = K_La (C_s-C) V

dimana:

SimbolKeterangan
OTROxygen Transfer Rate (g O₂/jam)
KLaKoefisien transfer massa volumetrik (1/jam)
CsDO jenuh (mg/L)
CDO aktual (mg/L)
VVolume air (m³)

Satuan

g O₂/jam

atau

kg O₂/hari

Makna Praktis

Jika:

OTR = 50 g O₂/jam

maka sistem mampu memasukkan:

50 gram oksigen
setiap jam

ke dalam kolam.

C.2.2 Standard Oxygen Transfer Rate (SOTR)

Definisi

Standard Oxygen Transfer Rate (SOTR) adalah laju transfer oksigen pada kondisi standar pengujian.

Kondisi standar umumnya:

ParameterNilai
Suhu20°C
DO awal0 mg/L
AirBersih
Tekanan1 atm

Persamaan

SOTR=KLaCsVSOTR = K_La C_s V

karena:

C=0C=0

Satuan

g O₂/jam

Makna Praktis

SOTR adalah:

Kapasitas maksimum transfer oksigen pada kondisi standar.

Sedangkan OTR adalah:

Kapasitas aktual pada kondisi lapangan.

C.2.3 Standard Aeration Efficiency (SAE)

Definisi

Standard Aeration Efficiency (SAE) adalah jumlah oksigen yang ditransfer untuk setiap energi listrik yang digunakan.

Persamaan

SAE=SOTRPowerSAE = \frac{SOTR} {Power}

Satuan

kg O₂/kWh

Makna Praktis

Jika:

SAE = 4 kg O₂/kWh

maka:

1 kWh listrik
menghasilkan transfer
4 kg O₂

Interpretasi

Semakin tinggi SAE:

lebih hemat energi

Semakin rendah SAE:

lebih boros energi

C.2.4 CO₂ Stripping

Definisi

CO₂ Stripping adalah proses pelepasan karbon dioksida terlarut dari air ke atmosfer akibat aerasi dan turbulensi.

Mekanisme

Udara masuk
↓
Bubble naik
↓
Terjadi perpindahan massa
↓
CO₂ keluar dari air

Faktor yang Mempengaruhi

  • debit udara,
  • ukuran bubble,
  • waktu kontak,
  • turbulensi,
  • luas permukaan air.

Pentingnya pada Sistem Bioflok

CO₂ berasal dari:

  • respirasi ikan,
  • respirasi bakteri,
  • oksidasi bahan organik.

Akibatnya dapat terjadi kondisi:

DO tinggi
tetapi
CO₂ juga tinggi

yang menyebabkan:

  • stres ikan,
  • penurunan pH,
  • pertumbuhan terhambat,
  • efisiensi pakan menurun.

C.3 Data Dasar Airlift Gambiran

Data Operasi

ParameterNilai
Debit udara71 L/min
Debit udara4.26 m³/jam
Debit udara0.001183 m³/s
Debit air73.9 L/min
Debit air4.43 m³/jam
Diameter bubble3.5 mm
Kedalaman injeksi0.65 m
Panjang flow path1.0 m
Waktu kontak1.88 s
Volume kolam2.32 m³
Daya blower teoritis20.6 W

C.4 Dasar Teori Transfer Oksigen

Persamaan OTR

OTR=KLa(Cs−C)VOTR = K_La (C_s-C) V

Persamaan SOTR

SOTR=KLaCsVSOTR = K_La C_s V

Hubungan OTR dan SOTR

OTR=SOTR(Cs−CCs)OTR = SOTR \left( \frac{C_s-C}{C_s} \right)

Persamaan ini menunjukkan bahwa semakin tinggi DO aktual mendekati saturasi, maka kemampuan transfer oksigen semakin menurun.

C.5 Estimasi Nilai KLa Airlift Gambiran

Rentang Literatur

Sistem AerasiKLa (1/jam)
Coarse bubble diffuser1–5
Fine bubble diffuser5–20
Airlift akuakultur2–10

Nilai Desain

Untuk:

Bubble 3–5 mm
Airlift 76 mm
Qair = 71 L/min

digunakan rentang:

KLa=4−8  h−1K_La = 4-8 \;h^{-1}

sebagai estimasi konservatif.

C.6 Perhitungan OTR Aktual

Kondisi Kolam

Diasumsikan:

DO aktual = 4 mg/L

dan:

DO jenuh = 8 mg/L

maka:

(Cs−C)=4  mg/L(C_s-C) = 4 \;mg/L

OTR Minimum

OTR=4×4×2.32OTR = 4 \times 4 \times 2.32
OTR=37.1  gO2/hOTR = 37.1 \;gO_2/h

OTR Maksimum

OTR=8×4×2.32OTR = 8 \times 4 \times 2.32
OTR=74.2  gO2/hOTR = 74.2 \;gO_2/h

C.7 Perhitungan SOTR

SOTR Minimum

SOTR=4×8×2.32SOTR = 4 \times 8 \times 2.32
SOTR=74.2  gO2/hSOTR = 74.2 \;gO_2/h

SOTR Maksimum

SOTR=8×8×2.32SOTR = 8 \times 8 \times 2.32
SOTR=148.5  gO2/hSOTR = 148.5 \;gO_2/h

C.8 Standard Aeration Efficiency (SAE)

Persamaan

SAE=SOTRPowerSAE = \frac{SOTR} {Power}

SAE Minimum

SAE=74.220.6SAE = \frac{74.2} {20.6}
SAE=3.6  kgO2/kWhSAE = 3.6 \;kgO_2/kWh

SAE Maksimum

SAE=148.520.6SAE = \frac{148.5} {20.6}
SAE=7.2  kgO2/kWhSAE = 7.2 \;kgO_2/kWh

Perbandingan SAE

SistemSAE
Paddle wheel1–2 kg O₂/kWh
Coarse bubble1–3 kg O₂/kWh
Fine bubble3–8 kg O₂/kWh
Airlift Gambiran3.6–7.2 kg O₂/kWh

C.9 Oxygen Utilization Efficiency (OUE)

Oksigen yang Masuk Melalui Udara

Debit udara:

Qa=4.26  m3/hQ_a = 4.26 \;m^3/h

Fraksi oksigen udara:

yO2=0.209y_{O_2} = 0.209

Densitas udara:

ρa=1.2  kg/m3\rho_a = 1.2 \;kg/m^3

Massa Oksigen dalam Udara

mO2=Qa×yO2×ρam_{O_2} = Q_a \times y_{O_2} \times \rho_a
mO2=1.07  kgO2/hm_{O_2} = 1.07 \;kgO_2/h

Efisiensi Pemanfaatan Oksigen

OUE=OTRmO2×100%OUE = \frac{OTR} {m_{O_2}} \times100\%

Rentang OUE

KondisiOUE
Minimum3.5 %
Maksimum6.9 %

C.10 CO₂ Stripping

Dasar Teori

Pelepasan CO₂ mengikuti prinsip transfer massa yang sama dengan oksigen:

N=KLa(C−C∗)N = K_La (C-C^*)

Mekanisme Utama

  • bubble rise,
  • turbulensi,
  • pencampuran air,
  • pertukaran gas pada permukaan.

Estimasi Kapasitas CO₂ Stripping

Untuk:

Qair = 71 L/min
Bubble = 3–5 mm

estimasi konservatif:

5–20 g CO₂/jam

Dampak terhadap Bioflok

CO₂ stripping membantu:

  • menjaga pH lebih stabil,
  • mengurangi stres respirasi,
  • meningkatkan efisiensi transfer oksigen,
  • mengurangi risiko akumulasi karbon dioksida.

C.11 Kapasitas Biomassa yang Dapat Didukung

Kebutuhan Oksigen Ikan

Pendekatan konservatif:

200–400 mg O₂/kg ikan/jam

Biomassa Minimum

37.10.4=92  kg\frac{37.1} {0.4} = 92 \;kg

Biomassa Maksimum

74.20.4=185  kg\frac{74.2} {0.4} = 185 \;kg

C.12 Diagram Neraca Oksigen dan CO₂

Rendering diagram...

C.13 Ringkasan Hasil

ParameterNilai
Debit udara71 L/min
Diameter bubble3–5 mm
OTR37–74 g O₂/jam
SOTR74–148 g O₂/jam
SAE3.6–7.2 kg O₂/kWh
OUE3.5–6.9 %
CO₂ stripping5–20 g/jam
Biomassa dukung92–185 kg

C.14 Kesimpulan

Berdasarkan model engineering yang digunakan, airlift Gambiran dengan lift tube ID 76 mm, debit udara 71 L/min, dan diffuser 85 lubang Ø1 mm diperkirakan mampu memberikan transfer oksigen sebesar 37–74 g O₂/jam dengan efisiensi aerasi 3.6–7.2 kg O₂/kWh.

Selain berfungsi sebagai alat sirkulasi, sistem ini juga memberikan kemampuan pelepasan CO₂ yang membantu menjaga stabilitas kualitas air bioflok. Namun seluruh hasil pada lampiran ini masih berupa estimasi engineering dan sebaiknya divalidasi melalui pengujian lapangan seperti DO rise test, KLa test, atau SOTR test sebelum digunakan sebagai dasar desain komersial berskala besar.

Kembali ke Atas

Catatan Penyusunan Artikel ini disusun sebagai materi edukasi dan referensi umum berdasarkan berbagai sumber pustaka, praktik lapangan, serta bantuan alat penulisan. Pembaca disarankan untuk melakukan verifikasi lanjutan dan penyesuaian sesuai dengan kondisi serta kebutuhan masing-masing sistem.