REKAYASA REAKTOR CoLAR SEBAGAI SOLUSI PENANGANAN AIR LIMBAH YANG BERBASIS BIOGAS. Rochman Isdiyanto, Benny FD, Hari Soekarno

Transkripsi

1 REKAYASA REAKTOR CoLAR SEBAGAI SOLUSI PENANGANAN AIR LIMBAH YANG BERBASIS BIOGAS Rochman Isdiyanto, Benny FD, Hari Soekarno Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi S A R I Reaktor Covered Lagoon Anaerobic Reactor (CoLAR) merupakan hasil kegiatan kerekayasaan yang telah diterapkan sebagai teknologi produksi biogas pada sistem instalasi pengolahan air limbah industri tapioka. Reaktor CoLAR sebagai sarana pengolah air limbah memiliki ukuran m 3 mampu menampung debit air limbah 150 m 3 /hari dan akan mengalami proses fermentasi dengan waktu tinggal selama 20 hari. Hasil uji kinerja reaktor CoLAR diketahui bahwa sistem fermentasi anaerobik dapat berlangsung dengan baik. Sistem anaerobik bekerja pada suhu mesofilik pada kisaran o C dan ph antara 6,3-7,4. Proses penguraian bahan organik ditandai dengan adanya penurunan nilai COD (Chemical Oxygen Demand-removal) sebesar 78,3 %, rata-rata nilai COD awal sebesar mg/liter turun menjadi mg/liter. Hasil analisis terhadap nilai Total-COD diketahui sebesar 0,36 gr COD/liter atau 1.086,6 kg/150 m 3. Terjadinya penyisihan penurunan COD air limbah mengindikasikan telah terjadi proses konversi COD menjadi biogas selama proses fermentasi berlangsung. Rata-rata produksi biogas diketahui 490,41 m 3 /hari dengan konsentrasi metana sekitar 54,5 % dan secara teknis layak digunakan sebagai bahan bakar. Kata kunci : air limbah, biogas, reaktor CoLAR 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sejalan dengan semakin meningkatnya tuntutan kebutuhan energi, Kebijakan Energi Nasional dan Instruksi Presiden No. I tahun 2006, diarahkan untuk meningkatkan peran Energi Baru Terbarukan (EBT) agar lebih memberikan kontribusi pada peta pasokan energi nasional dimasa mendatang. Untuk mempercepat realisasi tujuan diatas Pemerintah di dalam Rancangan Kebijakan Energi Nasional telah mentargetkan visi yang mendorong peran EBT agar dapat memberikan kontribusi sebesar 25 % pada tahun Untuk mencapai visi tersebut, diperlukan kerja keras dan dukungandari berbagai pihak melalui kerjasama secara sinergis, terintegrasi dan berkelanjutan, baik oleh Pemerintah, Sektor Swasta, kalangan Industri, Perguruan Tinggi, kelompok masyarakat maupun bantuan luar negeri dan sebagainya. Dalam tulisan ini dibahas contoh kontribusi pengembangan energi terbarukan (biogas) yang dilakukan pada Industri Tepung Tapioka Rakyat (ITTARA) di Kabupaten Pesawaran Propinsi Lampung. Sebagaimana diketahui bahwa industri tapioka selain dapat meningkatkan pertumbuhan ekonomi daerah, dapat pula menimbulkan masalah pencemaran lingkungan apabila air limbah yang ditimbulkan tidak ditangani dengan 23

2 baik. Pada umumnya industri tapioka hanya menghasilkan tapioka sebesar 20-30% dari berat ubi kayu yang diolah, selebihnya industri ini menghasilkan limbah cair, padat maupun gas. Air limbah industri tapioka yang dihasilkan dapat mencapai 4-8 m 3 /ton ubi kayu yang diolah. Air limbah industri tapioka masih banyak mengandung bahan organik dan nilai COD (Chemical Oxygen Demand) air limbah tapioka dapat mencapai mg/liter bahkan mg/liter, sehingga sangat berpotensi mencemari lingkungan (Hasanudin, 2006). Sedangkan kandungan bahan organik yang tinggi merupakan bahan baku yang sangat potensial untuk diolah menjadi biogas. Sistem pengolahan air limbah industri tapioka pada umumnya masih menggunakan sistem pengolahan secara biologis anaerobik pada kolam terbuka. Sistem pengolahan air limbah seperti ini meskipun dapat mendegradasi bahan organik dengan baik, tetapi biogas yang dihasilkan masih terbuang ke udara sehingga menimbulkan pencemaran udara lingkungan pabrik. Reaktor CoLAR (Covered Lagoon Anaerobic Reactor) merupakan jenis reaktor biogas yang dirancang untuk mengolah air limbah industri tapioka yang dapat memberikan nilai tambah Identifikasi Masalah Tidak dipungkiri bahwa permasalahan umum yang sering dihadapi industri tapioka adalah masalah pencemaran lingkungan, baik pencemaran air maupun udara di sekitar pabrik. Pengolahan air limbah industri tapioka secara konvensional maupun tradisional masih belum optimal sehingga menimbulkan polusi udara berupa bau menyengat. Hal ini sering mengundang aksi protes warga di sekitar pabrik tapioka. Selain permasalahan lingkungan tersebut, industri tapioka sering menghadapi masalah pasokan energi untuk menjalankan roda operasionalnya. Kebutuhan energi listrik untuk menjalankan mesin pabrik kapasitas kecil dapat mencapai kva. Untuk lokasi pabrik di daerah terpencil seringkali pasokan listrik PLN masih belum dapat melayani sepenuhnya. Akibatnya untuk menjalankan operasional pabrik sebagian proses masih menggunakan mesin berbahan bakar solar atau bensin yang dibeli dengan tarif BBM non subsidi. Hal ini dirasakan sangat memberatkan Pemecahan Masalah Teknologi produksi biogas dengan reaktor CoLAR telah dapat diterapkan sebagai solusi permasalahan diatas. Penerapan reaktor CoLAR merubah kebiasaan pengolahan air limbah dengan sistem kolam terbuka menjadi sistem kolam tertutup. Emisi gas yang sering menjadi akar permasalahan dapat diatasi dengan pemasangan geomembrane sebagai dome reaktor CoLAR. Produksi biogas yang tadinya terbuang dapat diisolasi di dalam dome dan dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi yang berdayaguna tinggi bagi industri tapioka setempat. Pada umumnya biogas yang dihasilkan memiliki komposisi yang terdiri dari beberapa komponen gas, seperti Metana (CH 4 ), Karbondioksida (CO 2 ), Nitrogen (N 2 ), dan H 2 S. Metana merupakan komponen gas yang dominan dalam biogas, kandungan metana biasanya lebih dari 50 %. Metana merupakan satu-satunya komponen biogas yang mempunyai sifat mudah terbakar. 1.4 Tujuan Kegiatan a. Mengembangkan terobosan teknologi produksi biogas melalui rancang bangun reaktor tipe CoLAR pada sistem instalasi pengolahan air limbah industri tapioka. b. Menyediakan sumber energi terbarukan biogas yang ramah lingkungan dan berdaya guna tinggi bagi industri tapioka setempat. 24 M&E, Vol. 10, No. 3, September 2012

3 2. KEGIATAN PEREKAYASAAN 2.1. Rancang Bangun Reaktor CoLAR Teknologi produksi biogas pada dasarnya adalah teknologi yang memanfaatkan proses pencernaan (digestion) yang dilakukan oleh bakteri mathanogenic dalam lingkungan kedap udara (anaerobic). Teknologi biogas sebenarnya sudah mulai dikenal di Indonesia sejak tahun 1980an, namun hingga saat ini teknologi tersebut belum mengalami perkembangan yang menggembirakan. Kendala yang dihadapi adalah kurangnya jumlah tenaga ahli biogas yang menekuni dan mengembangkan biogas, adanya pendapat bahwa teknologi produksi biogas dianggap sebagai teknologi kuno dan kurang menarik, kelemahan alat berupa reaktor biogas yang sering tidak berfungsi dengan baik karena kesalahan konstruksi/bocor, desain alat tidak user friendly, cara operasi yang masih manual, serta biaya konstruksi yang mahal. Kegiatan rancang bangun reaktor CoLAR sebagai teknologi produksi biogas pada sistem Instalasi Pengolahan Air Limbah diterapkan di industri tapioka PD Semangat Jaya, Kabupaten Pesawaran Propinsi Lampung. Pemilihan reaktor jenis CoLAR sebagai teknologi produksi biogas menawarkan aspek manfaat ganda, selain dapat memperoleh sumber energi yang berlimpah, juga menjadikan suasana lingkungan pabrik menjadi lebih bersih dan ramah lingkungan. Metoda perancangan reaktor CoLAR dilakukan dengan menggunakan pendekatan matematis berdasarkan parameter terkait seperti jumlah bahan baku olahan, kapasitas limbah yang akan diolah, laju pembebanan hidrolik, waktu tinggal hidrolik, kapasitas gas holder, mekanisme resirkulasi dan lain sebagainya. Untuk membuat perancangan dimensi reaktor CoLAR, hal pertama yang harus diperhatikan adalah jumlah bahan yang tersedia setiap hari dan lama waktu proses untuk mencerna bahan tersebut secara anaerob. Untuk menghitung volume reaktor CoLAR yang dibutuhkan sebagai sarana produksi biogas dapat dihitung sebagai berikut (Meynell, 1976) : a. Penentuan Kapasitas Produksi Limbah Proses pembuatan tepung tapioka senantiasa menghasilkan air limbah yang perlu diolah lebih lanjut agar tidak mencemari lingkungan. Besarnya produksi air limbah dapat diperkirakan dengan persamaan : Kap. limbah = Koef. limbah x Ó bahan Koefisien = 4,8 liter/kg b. Penentuan Dimensi CoLAR Untuk menentukan dimensi reaktor CoLAR terlebih dahulu harus diketahui waktu tinggal hidrolik (WTH) untuk lama proses dekomposisi bahan organik, serta jumlah air limbah yang diumpankan sebagai laju pembebanan hidrolik (LPH). Kapasitas volume kerja reaktor CoLAR dapat dihitung dengan persamaan berikut : VCoLAR = WTH x LPH Selanjutnya diperhitungkan pula ruang penampung gas sebesar 20 % dari volume total reaktor CoLAR, sehingga total volume reaktor CoLAR adalah : Vt = ( WTH LPH ) + 20 % Vt Vt - 20 % Vt = (WTH LPH ) Cover Lagoon Anaerobic Reactor (CoLAR) Pipa Bak inlet kontrol inlet 2 m 1,5 m COVER HDPE Air limbah GAS STORAGE ` Pompa resirkulasi 30 m 1,5 m Timbunan tanah 6 m Bak kontrol outlet Pipa outlet 2 m Penampang Samping Dinding Cover Lagoon Anaerobic Reactor Redesain Gambar 1. Gambar teknis reaktor CoLAR Pipa outet 25

4 Berdasarkan hasil pengamatan terhadap data penimbangan pasokan bahan baku singkong di PD Semangat Jaya dalam kurun waktu tercatat antara ton/tahun. Sedangkan pengamatan pada data pasokan bahan baku harian tercatat sangat fluktuatif, yaitu antara ton/hari. Rata-rata produksi air limbah hasil pengolahan tapioka diperkirakan dapat mencapai 260 m 3 / hari. Reaktor CoLAR yang dirancang untuk kapasitas olah sekitar 30 ton/hari, dengan laju pembebanan hidrolik air limbah sekitar 150 m 3 / hari, serta waktu tinggal hidrolik yang diberikan selama 20 hari. Berdasarkan data tersebut maka perancangan dimensi kapasitas volume reaktor CoLAR dan ruang penampung biogas dapat dihitung sehingga diperoleh kapasitas volume kerja reaktor m 3. Reaktor CoLAR ini dilengkapi Geomembrane sebagai perangkap emisi gas selama fermentasi berlangsung. Geomembrane yang digunakan dari jenis High Density Poly Ethylene (HDPE) dengan ketebalan 1 mm dengan bentangan luas m 2. Biogas yang diproduksi secara terus menerus akan terakumulasi dalam perangkap geomembrane. Produksi biogas yang kontinyu menimbulkan tekanan yang menuju ke segala arah sehingga harus dikontrol dengan menggunakan manometer air yang bekerja pada tekanan rendah, yaitu pada level air (h) setinggi 80 cm atau sekitar 1,16 atm Kinerja Reaktor CoLAR Pengujian kinerja dilakukan sesuai dengan kemampuan kerja reaktor CoLAR, laju pembebanan hidrolik dengan debit air limbah yang diberikan sekitar 2 liter/detik untuk waktu tinggal hidrolik selama 20 hari. Untuk mencapai kinerja reaktor CoLAR tetap optimal, dilakukan resirkulasi air limbah, stabilisasi laju pembebanan, dan pengontrolan ph air limbah secara rutin. Untuk mengetahui sistem anaerobik CoLAR dapat bekerja dengan baik dilakukan pengamatan terhadap indikator kinerja fermentasi yaitu ph dan nilai Chemical Oxygen Demand (COD). Hasil pengamatan terhadap kinerja reaktor CoLAR tersebut dapat diketahui, bahwa sistem anaerobik bekerja pada suhu mesofilik, yaitu C dan ph antara 6,3-7,4. Kondisi suhu dan ph tersebut mengindikasikan bahwa proses fermentasi dapat berjalan dengan baik. Hal ini dibuktikan pula dengan terjadinya laju penyisihan COD sebesar 78,3 %, yaitu dari rata-rata COD awal sebesar mg/liter turun menjadi mg/liter pasca fermentasi berlangsung. Hasil analisis rata-rata laju penyisihan Total-COD diketahui sebesar 0,36 gr COD/liter atau 1.086,6 kg COD/150 m 3. Laju penyisihan COD yang signifikan (78,3 %) tersebut menunjukkan telah terjadi penyisihan COD yang terkonversikan menjadi biogas selama proses fermentasi berlangsung. Sedangkan rata-rata produksi biogas diketahui sebesar 490,41 m 3 /hari dengan konsentrasi metana sekitar 54,5 % dan secara teknis biogas tersebut layak digunakan sebagai bahan bakar. Kapasitas produksi biogas sebesar 490,41 m 3 /hari tersebut memiliki nilai potensi energi yang dapat disetarakan dengan sumber energi lain seperti minyak tanah, solar, kayu bakar, LPG maupun listrik. Hasil analisis potensi energi produksi biogas tersebut memiliki kesetaraan dengan 304 liter minyak tanah, 255 liter solar, 225 kg LPG, 583 kg kayu bakar, dan atau 45 kw energi listrik. Gambar 2. Reaktor CoLAR di PD Semangat Jaya, Lampung 26 M&E, Vol. 10, No. 3, September 2012

5 3. KEUNGGULAN TEKNOLOGI CoLAR Industri tapioka di Indonesia bervariatif, mulai dari kelas kecil, menengah hingga besar dengan kapasitas olah dapat mencapai puluhan ton hingga ribuan ton ubikayu per hari. Industri tapioka senantiasa akan menghasilkan air limbah yang sangat berlimpah, sehingga diperlukan sarana pengolah air limbah yang sangat besar dan aman tanpa menimbulkan pencemaran lingkungan. Pada umumnya industri tapioka masih menggunakan sistem instalasi pengolahan air limbah dengan kolam terbuka. Sistem ini diketahui telah dapat memenuhi persyaratan standar baku mutu lingkungan, tetapi masih menghasilkan emisi gas rumah kaca (CH 4 dan CO 2 ) dan menghamburkan sumber energi yang potensial. Metana (CH 4 ) sebenarnya adalah gas yang dapat dibakar (flameable gas), dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif yang bersifat terbarukan. Teknologi produksi biogas dengan reaktor CoLAR dapat mengolah air limbah dalam jumlah yang sangat besar dan menghasilkan biogas yang berdaya guna tinggi. Biogas yang dihasilkan dapat dimanfaatkan sebagai pasokan sumber energi untuk keperluan operasional dan proses produksi industri tapioka setempat. Beberapa keunggulan yang ditawarkan teknologi CoLAR sebagai sarana pengolah limbah berbasis energi ini antara lain : 1) Dapat dirancang dalam berbagai ukuran dengan kapasitas/volume kerja hingga ribuan m 3, dapat disesuaikan dengan kapasitas produksi pabrik tapioka. Sedangkan teknologi reaktor biogas pada umumnya memiliki kapasitas kurang dari 100 m 3. 2) Biaya pembuatan konstruksi CoLAR jauh lebih murah bila dibanding dengan teknologi produksi biogas konvensional untuk kapasitas yang sama. 3) Penggunaan bahan geomembrane HDPE (High Density Poly Ethylene) yang lentur sebagai dome reaktor, memberikan bentuk yang estetika tanpa mengurangi nilai fungsi sebagai gas holder yang kuat dan aman, mudah diperoleh di pasaran, tahan terhadap berbagai kondisi cuaca maupun pengaruh sifat korosif air limbah, dan life time dapat mencapai 20 tahun. 4) Konstruksi sipil pembuatan reaktor CoLAR sangat sederhana hanya sedikit menggunakan pasangan dinding batubata, sehingga biaya pembuatan konstruksi jauh lebih murah dibanding reaktor biogas konvensional pada umumnya untuk kapasitas yang sama 5) Kinerja CoLAR memiliki efisiensi kerja hingga % dengan produk biogas yang layak untuk digunakan sebagai sumber energi. 6) Reaktor CoLAR sangat efektif untuk mencegah pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh air limbah. 7) Pengoperasian reaktor CoLAR sangat minim akan kebutuhan energi listrik, mengandalkan sistem drainase berdasarkan beda tinggi lokasi. 8) Biaya pemeliharaan sangat murah dan mudah dikerjakannya. 4. POTENSI PENGEMBANGAN 4.1. Potensi Aplikasi CoLAR Sebagai negara agraris, Indonesia memiliki banyak agroindustri yang tersebar di berbagai daerah dengan berbagai macam produk yang dihasilkan. Pada umumnya proses produksi agroindustri menghasilkan air limbah yang penanganannya masih menggunakan sistem Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) secara konvensional. Air limbah yang dihasilkan agroindustri biasanya banyak mengandung bahan organik yang cukup tinggi. Reaktor CoLAR sebagai teknologi produksi biogas dapat pula diterapkan pada sistem IPAL agro industri lainnya. Pada Tabel 1 berikut ditunjukkan kandungan nilai COD air limbah dari beberapa agroindustri yang sangat berpotensi untuk diolah menjadi biogas : 27

6 Tabel 1. Potensi air limbah agroindustri No. Agroindustry COD (mg/l) Quantity\ (m 3 /ton RM) 1 Pineapple Tapioca Palm oil ,6 0,8 4 Sugar cane ,3 0,4 5 Rubber Tahu-tempe Sumber : Hasanudin, Potensi Sumber Energi Penerapan reaktor CoLAR sebagai sarana pengolah air limbah pada agroindustri dapat menghasilkan biogas yang sangat melimpah. Biogas dketahui memiliki nilai kalori yang cukup tinggi sekitar kcal/m 3, sedangkan metana (CH4) murni memiliki nilai kalori sekitar kcal/m 3 sehingga sangat layak digunakan sebagai sumber energi. Produksi biogas dapat dimanfaatkan untuk pasokan sumber energi bagi agroindustri setempat, baik untuk substitusi BBM maupun sistem dual fuel pada mesin produksi. Biogas dapat pula digunakan sebagai bahan bakar gas engine atau diesel untuk menggerakkan generator listrik. Energi listrik yang dihasilkan memberikan nilai tambah bagi perusahaan tersebut. 5. MANFAAT KEGIATAN Pemanfaatan air limbah sebagai bahan baku biogas pada industri tapioka maupun agroindustri lainnya, merupakan bentuk nyata kegiatan penyediaan sumber energi setempat. Kegiatan ini sejalan dengan program diversifikasi sumber energi yang dapat membawa dampak positif terhadap penghematan maupun ketergantungan terhadap pemakaian bahan bakar fosil. Hal ini juga sejalan pula dengan program konservasi energi. Selain itu pemanfaatan biogas secara luas juga dapat mengurangi konsumsi kayu bakar, dan ikut berkontribusi dalam upaya melestarikan lingkungan sehingga terciptanya lingkungan yang lebih bersih. Pemanasan global disebabkan oleh peningkatan emisi CO 2 dan CH 4 di atmosfir. Gas metana (CH 4 ) sebagai komposisi dominan dalam biogas mempunyai karakteristik kimiawi yang lebih sulit terurai di alam bila dibandingkan dengan CO 2, karena tingkat kestabilan metana 21 kali lebih kuat dibanding CO 2. Pemanfaatan biogas sebagai bahan bakar sejalan dengan program langit biru karena dapat mengurangi dampak negatif terhadap pemanasan global tersebut. 6. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan a. Rancang bangun reaktor CoLAR telah berhasil diterapkan sebagai teknologi produksi biogas pada sistem instalasi pengolahan air limbah industri tapioka. b. Reaktor CoLAR dapat bekerja dengan baik yang ditandai dengan terjadinya laju penyisihan penurunan COD hingga 78,3 %. 28 M&E, Vol. 10, No. 3, September 2012

7 c. Biogas yang dihasilkan memiliki kandungan metana sebesar 54,5 % dan secara teknis layak digunakan sebagai bahan bakar Saran Diantara teknologi konversi energi biomasa yang ada saat ini, teknologi pembangkit listrik tenaga biogas adalah yang paling siap untuk diimplementasikan di lapangan. Pembangunan percontohan demo plant pembangkit listrik tenaga biogas pada industri tapioka, nampaknya perlu dipertimbangkan untuk ditindaklanjuti. Hal ini mengingat bahwa pemakaian biogas sebagai bahan bakar pembangkit listrik di masa mendatang akan menjadi salah satu alternatif yang diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam peta pasokan energi biomasa. DAFTAR PUSTAKA Grady Jr. C.P.L. and Lim H.C Biological Wastewater Treatment, Theory and Applications. Marcel Dekker Inc. New York. Gujer, W. dan Zehnder, A.J.B Conversion Process in Anaerobic Digestion. Dikutip dalam Pavlostathis, S.G. dan Gilardo- Gomez, E Kinetics of Anaerobic Treatment. Water Sci. Tech : Garcelon, J., and Clark, J Waste Digester Design. Civil Engineering Laboratory Agenda. University of Florida. Hammad, M., D. Badarneh, and K. Tahboub Evaluating Variable Organic Waste to Produce Methane. Energy Conversion and Managements. 40 : Hasanudin, U Present status and possibility of biomass effective use in Indonesia. Proceeding. Seminar Sustainable Society Achievement by Biomass Effective Use, EBARA Hatakeyama Memorial Fund, January 24-25, Jakarta. Hasanudin, U Methane production from agroindustries wastewater, Workshop on Commercialization of renewable energy recovery from agro-industry wastewater, University of Lampung, February 1, 2007 John, D. et al., Methanae Generation From Livestock Waste. Energy Management in Agriculture. A Publication of Cooperation Extension Service. Purdu India. Meynell, P.J., Methane : Planning a Digester, Prism Press, Great Britain Omer, A. M., and Y. Fadalla Biogas Energy Technology in Sudan. J. Renewable Energy. 28: Paramsothy, A., R. M. Wimalaweera, B. F. A. Basnayake, and D.T.N. Wijesinghe Optimizing Hydrolysis/acidogenesis Anaerobic Reactor with the application of Microbial Reaction Kinetics. Journal of Tropical Agricultural Research. Postgraduate Institute of Agriculture. University of Peradeniya. Peradeniya. Vol. 16. Pages: Rodhe, A. L., A comparison of the contribution of various gasses to the greenhouse effect. Science, 248, Sham, H Anaerobic wastewater treatment. Dikutip dalam Fiechter, A. (Ed.). Advances in Biochemical Eng./Biotech. Vol. 29. Springer Verlag. Berlin. 29