SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012 Potensi Produksi Gas Metan dari Air Limbah Kantin dengan Biofilter Anaerob Methane Production Potential from Canteen Wastewater with Anaerobic Biofilter Nur Indradewi Oktavitri a*, Trisnadi Widyaleksono C.P b, Nur Aini Iswati H. c** a,b Dosen Prodi Ilmu dan Teknologi Lingkungan Universitas Airlangga Jalan Mulyorejo Surabaya 60115-Jawa Timur c Mahasiswa Prodi Ilmu dan Teknologi Lingkungan Universitas Airlangga Jalan Mulyorejo Surabaya 60115-Jawa Timur * nur_i_d_o@yahoo.com ** aini.itl.unair@gmail.com Abstrak Air limbah kantin merupakan salah satu jenis air limbah domestik yang berpotensi menghasilkan biogas apabila air limbah tersebut diolah dengan unit pengolahan limbah secara anaerobik. Penelitian ini menggunakan biofilter anaerob dalam skala laboratorium untuk mengevaluasi potensi air limbah kantin yang diolah sebagai bahan baku produksi biogas, khususnya gas metan. Biofilter ini terdiri dari empat kolom yang berisi media kerikil. Media kerikil tersebut direndam dalam rumen sapi yang telah dicampur dengan air selama dua hari. Biofilter mempunyai volume 0,03241 m 3 dan dengan waktu detensi sebesar 1,5 jam. Pada biofilter ini, air limbah dialirkan secara terus-menerus. Gas metan yang telah dihasilkan dikumpulkan pada manometer yang berisi NaOH 5%. Pengidentifikasian potensi produksi gas metan ini dilakukan dengan menganalisis laju produksi gas metan yang terkumpul dan degradasi bahan organik (COD)nya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa gas metan yang dapat diproduksi sebesar 0.00325 ml/hari dengan rata-rata COD air limbah sebesar 7894,67 mg/l. Kata kunci: Air Limbah, Biofilter Anaerob, Biogas, COD Abstract Canteen wastewater was one type of domestic wastewater that potentially produced biogas when it was treated by anaerobic wastewater treatment. This study used anaerobic biofilter in laboratory scale for evaluating canteen wastewater s potention that was processed as biogas raw material. This biofilter consisted of four columns that contained the gravel media. The gravel media was soaked by the rumen of cows that has been mixed with water for two days. The biofilter has volume 0.03241 m 3 and detention time of 1,5 hours. In this biofilter, wastewater was continuously supplied. The produced methane was collected in the manometer that contained 5% NaOH. The identification of methane production potential was carried out by analyzing the rate of methane production and degradation of organic matter (COD). The results showed that methane could be produced for 0.00325 ml/day with an average COD of wastewater was 7894,67 mg/l. Keywords: Anaerobic Biofilter, Biogas, COD, Waste Water ISBN 978-602-95595-5-2 1
1. PENDAHULUAN ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY SCIENTIFIC CONFERENCE IX - 2012 Air limbah kantin merupakan salah satu jenis air limbah domestik. Sebagai air limbah domestik yang memiliki kandungan bahan organik yang tinggi (Boonsong dan Chansiri, 2008), air limbah kantin berpotensi untuk diolah menjadi biogas yang dapat menjadi sumber energi alternatif untuk negara-negara berkembang, seperti Indonesia. Hal ini dikarenakan biogas merupakan produk yang dihasilkan dari dekomposisi bahan organik yang dihasilkan dari proses metanogenesis (Ntengwe dkk, 2010). Dekomposisi ini terjadi dalam keadaan anaerobik dengan melalui tiga tahapan. Menurut Dixit dkk (2010), tahapan tersebut meliputi tahap dimana mikroorganisme fakultatif mengkonversi senyawa organik kompleks menjadi senyawa organik yang lebih sederhana, tahap pengubahan monomer menjadi asam, serta tahap pembentukan gas metan. Biofilter anaerob merupakan kolom-kolom yang berisi berbagai tipe media padat untuk mengolah bahan organik karbon yang ada dalam air limbah (Srinikethan dkk, 2008). Biofilter ini dapat digunakan untuk produksi biogas karena kondisi anaerob yang diciptakan biofilter dapat menunjang terjadinya proses metanogenesis dimana bakteri metanogen berperan sebagai bakteri penghasil gas metan. Dixit dkk (2010) menerangkan bahwa bakteri ini menghasilkan gas metan dengan dua cara, yakni melalui proses fermentasi asam asetat menjadi metana dan karbon dioksida atau dengan mengurangi karbon dioksida untuk metana melalui gas hidrogen. seperti yang ditunjukkan pada reaksi di bawah ini:. hidrolisis n(c 6 H 10 O 5 ) + nh 2 O n(c 6 H 10 O 5 ) n(c 6 H 10 O 5 ) 3nCH 4 +3nCO 2 CO 2 +4H 2 CH 4 +2H 2 O hidrolisis CO 2 +H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 +4H 2 reduksi reduksi CH 4 +3H 2 O Biogas yang dihasilkan oleh bakteri metanogen tidak hanya berisi bahan kimia yang tergolong jenis tidak mudah terbakar, namun juga yang mudah terbakar. Komposisi dari kedua jenis bahan kimia ini sangat tergantung pada bahan organik yang terbentuk selama proses fermentasi. Namun secara umum komposisinya adalah sebagai berikut (Mursec dkk, 2009): Tabel 1 Komposisi Bahan pada Biogas Jenis Bahan Bahan Konsentrasi (%) Mudah terbakar Tidak Mudah terbakar Metan (CH 4 ) Hidrogen (H 2 ) Hidrogen sulfida (H 2 S) Karbon dioksida (CO 2 ) Uap air (H 2 O) Oksigen (O 2 ) Amoniak (NH 3 ) 50-70 <1 2 25-50 2-7 0-0,5 0-2 2 ISBN 978-602-95595-5-2
SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012 Dari komposisi pada tabel 1, konsentrasi gas metan terlihat paling dominan. Menurut Mursec dkk (2009), dari sudut pandang pemanfaatan energi, jumlah gas metan inilah yang menentukan kualitas dari biogas nantinya. Hal inilah yang mendasari tujuan dari penelitian ini, yakni mengevaluasi produksi gas metan yang merupakan hasil dari pengolahan air limbah kantin menggunakan biofilter anaerob agar nantinya dapat terlihat kualitas biogasnya. Penelitian ini perlu dilakukan untuk mengetahui potensi air limbah kantin dalam memproduksi biogas. 2. BAHAN DAN METODE 2.1 Konstruksi Biofilter Anaerob untuk Produksi Gas Metan Biofilter anaerob digunakan dalam skala laboratorium dan mempunyai volume total sebesar 0,03241 m 3 dengan waktu detensi 1,5 jam. Biofilter ini terdiri dari empat kolom yang terintegrasi dan terbuat dari PVC. Kolom-kolom ini berbentuk tabung dengan diameter sebesar 0,1016 m dan tinggi sebesar 1 m. Kolom-kolom tersebut kemudian diisi media kerikil berdimensi 2-2,5 cm yang telah direndam dalam rumen sapi yang telah dicampur dengan air dengan perbandingan air dan rumen sebesar 1:1. Perendaman kerikil berlangsung selama dua hari dalam keadaan anaerobik. Biofilter anaerob dilengkapi dengan bak ekualisasi yang mempunyai volume sebesar 1,5 m 3 dan terbuat dari PE (Poly Etilene). Bak ini digunakan untuk menampung air limbah kantin yang kemudian dialirkan ke biofilter dengan menggunakan pompa. Biofilter ini juga dilengkapi dengan bak efluen yang juga terbuat dari PE untuk menampung air limbah kantin yang telah diolah menggunakan biofilter. Dan untuk mengumpulkan gas metan yang telah terproduksi, biofilter ini dilengkapi dengan manometer berbentuk U berisi NaOH 5%. 2.2 Pengukuran Gambar 1 Biofilter Anaerobik untuk Produksi gas Metan Gas metan yang terproduksi diukur dengan cara memantau penurunan NaOH 5% yang ada di manometer. Setiap penurunan 1 mm pada setiap manometer mengindikasikan adanya produksi gas metan sebesar 0,00314 ml. Pengukuran ini dilakukan setiap hari. Sedangkan pengukuran Chemical Oxygen Demand (COD) dilakukan pada sampel air limbah di influen dan efluen dengan menggunakan metode refluks, dilakukan setiap minggunya. Selain itu, juga dilakukan pengukuran ph air limbah saat di influen, dalam biofilter, dan efluen dengan menggunakan kertas lakmus. ISBN 978-602-95595-5-2 3
produksi gas metan (ml) ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY SCIENTIFIC CONFERENCE IX - 2012 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Biofilter anaerob yang digunakan dalam penelitian ini merupakan gabungan dari beberapa kolom yang berisi media kerikil. Menurut Srinikethan dkk (2008), biofilter anaerob mampu digunakan untuk mengolah air limbah. Karena pengkondisian sistem yang anaerobik, biofilter ini juga mampu memproduksi gas metan selain mendegradasi bahan organik di air limbah, khususnya air limbah kantin. 3.1 Produksi Gas Metan Biofilter anaerob ini dioperasikan untuk mengolah air limbah kantin selama 2 minggu untuk dapat memproduksi gas metan. Secara umum, rata-rata produksi gas metan dari biofilter ini cenderung kecil yakni sebesar 0,00325 ml/hari dengan produksi tertinggi 0,02198 ml/hari. Sedangkan seluruh hasil produksi gas metan per hari dari pengolahan air limbah tersebut terdapat pada gambar 2. 0.024 0.022 0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 Produksi Gas Metan 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Hari ke- Gambar 2 Hasil Produksi Gas Metan Dari gambar di atas terlihat bahwa produksi gas metan terjadi mulai hari ke-5. Hal ini berarti dibutuhkan 5 hari untuk dapat mengubah bahan organik dari air limbah kantin menjadi gas metan. Selain itu, hal ini juga mengindikasikan terdapat hubungan antara hasil produksi gas metan dengan proses pertumbuhan bakteri metanogen yang sedang terjadi. Selama 4 hari awal operasional biofilter belum terlihat adanya produksi gas metan, hal ini dapat dikarenakan bakteri metanogen sedang mengalami fase lag pada saat tersebut (Nophratana dkk, 2007 dalam Abubakar dan Ismail, 2012). Sedangkan terjadinya peningkatan produksi biogas secara substansial pada pada hari ke-5, menurut Abubakar dan Ismail (2012), merupakan hal yang wajar karena saat itu tengah terjadi pertumbuhan eksponensial bakteri metanogen. Fluktuasi produksi gas metan dapat terlihat jelas pada gambar 2 dimana penurunan produksi biogas sering terjadi setelah terdapat kenaikan produksi, seperti pada hari ke-13. Produksi tertinggi gas metan terjadi pada hari tersebut yakni sebesar 0,02198 mg/l dan langsung menurun secara drastis pada hari ke-14. Penurunan produksi gas metan setelah mengalami kondisi produksi optimal/tinggi tersebut dapat terjadi karena adanya asam lemak volatil yang terbentuk akibat proses. Keberadaan asam lemak ini dapat menghambat aktivitas metagonesis dalam biofilter sehingga menurunkan jumlah produksi gas metan 4 ISBN 978-602-95595-5-2
% Penyisihan COD COD (mg/l) SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012 (Agdag dan Sponza, 2006 dalam Zakarya dkk, 2008). Menurut Zakarya dkk (2008), keberadaan asam lemak volatil ini berkaitan dengan ph substrat dan aktivitas metanogenesis dapat meningkat kembali apabila ph-nya berkisar antara 7-8. Sayangnya ph air limbah kantin di influen, dalam biofilter dan di efluen hanya berkisar antara 4-5 sehingga kurang mendukung adanya peningkatan kembali aktivitas metanogenesis tersebut. 3.2 Chemical Oxygen Demand (COD) Nilai COD influen dan efluen dari biofilter anaerob dianalisis pada setiap minggunya. Nilai tersebut dapat dilihat pada gambar 3. Rata-rata nilai COD influen tersebut adalah 7894,67 mg/l, sedangkan nilai COD efluennya adalah 4066,67 mg/l. Chemical Oxygen Demand (COD) 13500 12000 10500 9000 7500 6000 4500 3000 1500 0 0 1 2 Minggu ke- CODinfluen (mg/l) COD efluen Gambar 3 Hasil Produksi Gas Metan Dalam penelitian ini, besar degradasi bahan organik yang terlihat pada efisiensi penyisihan COD air limbah turut menjadi salah satu unsur penilaian kinerja dari biofilter anaerob ini. Nilai efisiensi penyisihan COD tersebut dapat dilihat pada gambar 4 dimana rata-rata efisiensi penyisihan COD hanya mencapai 44,66%. Pada minggu ke-1, nilai efisiensi penyisihan COD menurun secara drastis. Hal ini dapat disebabkan karena bakteri metanogen tengah mengalami pertumbuhan eksponensial yang berdampak pada peningkatan COD sistem. Hal ini juga terjadi pada penelitian Abubakar dan Ismail (2012) dimana aktivitas mikroba yang sedang mendominasi sistem menyebabkan efisiensi penyisihan COD yang lebih rendah. 75.00% 60.00% 45.00% 30.00% 15.00% Efisiensi Penyisihan COD 0.00% 0 1 2 Minggu ke- Gambar 4 Efisiensi Penyisihan COD ISBN 978-602-95595-5-2 5
Produksi Gas Metan (mg/l) ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY SCIENTIFIC CONFERENCE IX - 2012 Besaran nilai efisiensi penyisihan COD berhubungan dengan jumlah produksi gas metan. Grafik hubungan keduanya dapat dilihat pada gambar 5. Besar koefisien determinasi dari hubungan dua variabel tersebut adalah 0,0367, hal ini menunjukkan bahwa bertambahnya produksi gas metan sebesar 0,0367 ml dipengaruhi oleh efisiensi penyisihan COD-nya. 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 Hubungan antara Produksi Gas Metan dan Efisiensi Penyisihan COD y = -0.0134x + 0.0212 R² = 0.0367 0 0.00% 12.50% 25.00% 37.50% 50.00% 62.50% 75.00% Efisiensi Penyisihan COD Gambar 5 Hubungan antara Produksi Gas Metan dan Efisiensi Penyisihan COD 3.3 Potensi Produksi Gas Metan dari Air Limbah Kantin Biofilter anaerob dalam penelitian ini terbukti mampu menghasilkan gas metan dari proses pengolahan air limbah kantin. Berdasarkan hasil penelitian didapatkan nilai produksi gas metan per hari sebesar 0,00325 ml/hari. Hal ini berarti dalam satu tahun, biofilter anaerob ini hanya mampu mengolah air limbah kantin untuk menghasilkan gas metan sejumlah 1,18625 ml. Nilai kalori gas metan yang dihasilkan biofilter ini dapat dihitung untuk mengetahui potensinya. Menurut Slamet (2010), gas metan murni mempunyai nilai kalor 8900 kkal/m 3. Jadi untuk setiap satu ml gas metan tersebut memiliki nilai kalor sejumlah 8,9 kal. Sehingga nilai kalori gas metan yang dihasilkan biofilter ini dalam satu tahun adalah 10,558 kal. 4. KESIMPULAN Penelitian ini bertujuan untuk untuk mengevaluasi potensi air limbah kantin yang diolah sebagai bahan baku produksi biogas, khususnya gas metan dengan menggunakan biofilter anaerob. Dari penelitian diketahui bahwa rata-rata laju produksi biogas dari air limbah dengan COD rata-rata 7894,67 mg/l ini hanya mencapai 0,00325 ml/hari dengan produksi tertinggi 0,02198 ml/hari dan besar degradasi bahan organik hanya mencapai 44,66%. Dalam penelitian ini apabila dilakukan pengolahan selama satu tahun, air limbah kantin hanya berpotensi menghasilkan biogas sejumlah 1,18625 ml dengan kalori sebesar 10,558 kal. Meskipun hasil tersebut cukup rendah akan tetapi tidak berarti air limbah ini tidak bisa dimanfaatkan. Apabila dilakukan peningkatan berbagai kondisi yang dapat menunjang terjadinya proses metanogenesis dan degradasi bahan organik pada biofilter anaerob tidak menutup kemungkinan biofilter ini dapat menghasilkan produksi gas metan dan degradasi bahan organik yang lebih besar nantinya. 6 ISBN 978-602-95595-5-2
5. REFERENSI SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012 Abubakar, B.S.U.I. dan Ismail, N. 2012. Anaerobic Digestion of Cow Dung for Biogas Production. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 169-172. Boonsong, K. Dan Chansiri, M. 2008. Domestic Wastewater Treatment using Vetiver Grass Cultivated with Floating Platform Technique. AU J.T., 73-80. Dixit, S., Kharaya, A., dan Srinivas, G. 2010. Design and Development of Floating Prototype Bio-digester. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences 1, 62-66. Mursec, B., Vindi, P., Janzekovic, M., Brus, M., dan Cus, F. 2009. Analysis of different substrates for processing into biogas. Jornal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 37, 652-659. Ntengwe, F.W., Njovu, L., Kasali, G. dan Witika, L.K. 2000. Biogas Production In Cone- Closed Floatingdome Batch Digester Under Tropical Conditions. International Journal of ChemTech Research 2(1), 483-492. Slamet, A., 2010. Memanfaatkan Limbah Cair Industri Tepung Aren Menjadi Energi Alternatif. Jurnal Rekayasa Mesin, 152-158. Srinikethan, G., Shrihari, Pradeepan, V.S. 2008. Optimum Size of granite Filter Media for The Maximum Treatment of Domestic dewage in Upflow Anaerobic Biofilters. Pol Res, 273-278. Zakarya, I.A.,Tajaradin, H.A., Abustan, I. dan Ismail, N. 2008. Relationship between Methane Production and Chemical Oxygen Demand (COD) in Anaerobic Digestion of Food Waste. ICCBT, 29-36.. ISBN 978-602-95595-5-2 7