Perpustakaan Digital ITB

Dalam suatu reaktor pengolahan air limbah, hidrodinamika, sebagai studi pergerakan pola aliran fluida, memegang peran penting agar proses pengolahan berjalan secara efektif. Karakteristik hidrodinamika yang mendukung peningkatan kinerja adalah berkurangnya daerah mati, dispersi dan interaksi antar fasa (air-lumpur, air-udara, udara-lumpur). Interaksi antar fasa tidak mudah untuk diobservasi, sehingga diperlukan suatu model matematis yang disimulasikan untuk menggambarkan interaksi antar fasa. Aspek hidrolis dan aspek fisik pada unit pengolahan akan mempengaruhi kinerja pengolahan. Untuk mengevaluasi unit pengolahan berdimensi luas membutuhkan waktu dan biaya yang tidak sedikit serta akan mengganggu proses pengolahan, maka dilakukan simulasi aliran pada unit pengolahan dengan menggunakan model matematis. Model matematis hidrodinamika yang dibangun dari persamaan pengatur berupa persamaan momentum dan kontinyuitas diselesaikan secara 1 dimensi, 2 dimensi dan 3 dimensi secara numerik. Penyelesaian persamaan pengatur secara numerik diselesaikan dengan metode volume hingga dan dibantu dengan komputasi melalui aplikasi pemrograman Ansys Fluent. Model simulasi yang dibangun telah melalui tahap kalibrasi menggunakan data pengukuran kecepatan yang dibandingkan dengan hasil simulasi. Tahap validasi dilakukan dengan data sekunder, yaitu dengan menjalankan simulasi berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dan membandingkan hasilnya. Simulasi kemudian dijalankan untuk 1, 2 dan 3 fasa pada berbagai bentuk geometri. Dari hasil perbandingan antara simulasi 1 fasa, 2 fasa dan 3 fasa geometri reaktor kotak terlihat bahwa pada simulasi 3 fasa tergambarkan interaksi antara fluida air, udara dan lumpur sebagai padatan dan sebagai campuran dari air limbah. Model yang tepat digunakan untuk simulasi 2 fasa adalah skema model Volume of Fluid (VoF) dan Eulerian. Untuk simulasi 3 fasa dengan aerator, digunakan model Eulerian. Model aliran multi fasa lebih baik dibandingkan model aliran fasa tunggal untuk reaktor parit oksidasi, karena adanya fenomena aliran di permukaan air yang berinteraksi langsung dengan udara terbuka. Adapun model aliran tiga fasa menggambarkan fenomena hidrodinamika yang sesuai dengan kondisi sebenarnya. Volume efektif hasil simulasi model tiga fasa lebih rendah, 41,33%, dibanding hasil simulasi model dua fasa dengan volume efektif 60,83% Hal ini terjadi karena adanya lumpur sebagai fasa padatan yang mengurangi volume air dan karena adanya gesekan antara permukaan air dengan permukaan lumpur, sehingga memperkecil kecepatan aliran. Untuk analisis volume efektif dalam reaktor, terlihat bahwa pada reaktor tanpa penambahan difuser dan aerator, terdapat daerah “diam” yaitu memiliki kecepatan aliran di bawah 10-5 m/detik atau mendekati 0. Besarnya volume efektif tersebut adalah sebesar 32,94% dari hasil studi perunut, dengan kata lain hanya sepertiga dari volume disain yang dipergunakan sebagai pengaliran. Dengan simulasi penambahan aerator, volume efektif meningkat menjadi 55,5%, hanya tidak merata antara sisi reaktor searah inlet dengan outlet. Sisi searah outlet hanya memiliki volume efektif sebesar 38% sedangkan sisi searah inlet mencapai 73%, sehingga secara rata-rata keseluruhan reaktor memiliki volume efektif 55,5%, atau hanya setengah dari volume disain yang dipergunakan sebagai pengaliran. Secara umum, nilai KLa pada aerator lebih tinggi, 0,0051, dibandingkan difuser, dengan kisaran 0,0028 – 0,0031. Akan tetapi pada zona tanpa aerasi, tetap terdapat nilai KLa yang tidak jauh berbeda dengan nilai KLa pada zona beraerasi. Oleh karena perbedaan nilai KLa yang terjadi pada zona-zona dalam reaktor parit oksidasi, maka model hidrodinamika untuk parit oksidasi harus didekati dengan model aliran sumbat. Model multi fasa yang dilakukan pada reaktor parit oksidasi memberikan pendekatan baru yaitu interaksi tiga fasa, dengan kehadiran lumpur dalam bentuk media solid-liquid yang dalam bentuk endapan di dasar reaktor dan tercampur bersama aliran masuk air limbah secara diskrit. Pergerakan aerator didekati dengan membuat aerator sebagai zona MRF yang mempunyai tekanan positif searah aliran putaran. Untuk mengatasi masalah dalam pengerjaan simulasi yang sering terjadi kesalahan penggambaran aliran karena kesalahan dalam penyelesaian grid, maka pembuatan grid pada suatu reaktor dibagi menjadi sub domain-sub domain yang lebih kecil. Khusus untuk sub domain aerator dan sekitarnya, diaplikasikan Multiple Reference Frame (MRF) yang memberikan tekanan positif searah putaran. Perputaran aerator secara vertikal meningkatkan perataan distribusi aliran di sepanjang aerator dibandingkan dengan penggunaan difuser. Kadar DO di dalam reaktor juga cenderung meningkat dan stabil pada saat penggunaan aerator dibanding difuser, terlihat dari nilai KLa yang lebih baik untuk aerator. Dengan demikian, keberadaan aerator bukan hanya sebagai suplai oksigen tapi juga sebagai perata aliran dengan menjaga kecepatan aliran tidak menjadi daerah mati. Aerator sebagai suplai oksigen dan perata aliran dibuktikan dengan persentase daerah mati yang lebih rendah 27% di sisi inlet dibanding di sisi outlet 62%. Penyebab tingginya daerah mati di sisi outlet di samping karena pola aliran yang terjadi aliran pendek dari inlet langsung ke outlet melalui reaktor sisi inlet, tidak melalui keseluruhan bagian reaktor.