BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Bagian terbesar dari kebutuhan energi di dunia selama ini telah ditutupi oleh bahan bakar fosil. Konsumsi sumber energi fosil seperti minyak dan batu bara dapat menimbulkan pengaruh negatif terhadap lingkungan, yaitu dapat menimbulkan penambahan konsentrasi CO 2 di atmosfir dan juga kehabisan sumber energi fosil secara cepat. Limbah merupakan pilihan yang menjanjikan untuk memproduksi bahan bakar bio yang merupakan sumber energi alternatif. Hal ini juga dapat membantu untuk menstabilkan limbah yang dapat mengganggu komunitas lingkungan [1]. Salah satu energi alternatif yang ramah lingkungan dan dapat terbarukan adalah biogas dari Palm Oil Mill Effluent (POME) atau yang sering disebut dengan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS). Limbah kuat yang berasal dari pabrik kelapa sawit dapat diidentifikasi sebagai sumber energi potensial untuk menghasilkan bioenergi terbarukan dengan proses fermentasi anaerobik [2]. Limbah cair yang dihasilkan oleh pabrik kelapa sawit berupa POME (Palm Oil Mill Effluent) yang berasal dari air kondensat pada proses sterilisasi sebesar 15-20%, air dari proses klarifikasi dan sentrifugasi sebesar 40-50%, dan dari proses hydrocyclone (claybath) sebesar 9-11%. LCPKS umumnya bersuhu tinggi, berwarna kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu minyak dengan kandungan COD (Chemical Oxygen Demand) yang tinggi. Limbah cair juga bersifat asam dengan ph 3,5-5, dengan nilai COD yang tinggi dan kisaran ph yang rendah ini, mengakibatkan terjadinya pencemaran lingkungan bila limbah cair minyak sawit langsung dibuang ke lingkungan [3] Bahan organik dalam fermentasi anaerob dirombak oleh aktivitas mikroorganisme menjadi biogas. Produksi biogas dengan bahan LCPKS memberikan berbagai keuntungan diantaranya pengurangan jumlah padatan organik, jumlah mikroba pembusuk yang tidak diinginkan, serta kandungan racun dalam limbah, selain itu residu limbah dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik 1
[4]. Proses anaerob merupakan proses yang kompleks dengan melibatkan berbagai kelompok bakteri. Masing-masing kelompok bakteri yang terlibat mempunyai subsrat tertentu antara lain kelompok bakteri hidrolitik hanya memanfaatkan substrat berupa senyawa organik dengan molekul besar seperti karbohidrat, protein dan minyak lemak, kelompok bakteri asidogen hanya dapat memanfaatkan substrat yang lebih sederhana dengan molekul organik penguraian dari sebelumnya, sedangkan bakteri astogen hanya memanfaatkan asam organik rantai sedang. Selanjutnya produk akhir dari kelompok bakteri pembentuk asam berupa asam asetat akan dimanfaatkan oleh bakteri metanogen asetotrof untuk membentuk gas metan sedangkan gas yang dihasilkan berupa gas CO 2 dan H 2 akan dimanfaatkan oleh kelompok bakteri metanogen hidrogenotrof untuk membentuk gas metan [2]. Energi biogas didominasi oleh gas metan (60-70%), karbondioksida (30-40%), dan beberapa gas lain dalam jumlah kecil [5]. Tingkat kandungan H 2 S umumnya dari 100 sampai 2000 ppm. Pada umumnya, untuk mengetahui potensi produksi biogas dapat diestimasi dari volatile solid (VS) dari umpan di dalam digester dan persentase dari reduksi VS. Laju produksi gas yang rentangnya berubah-ubah dapat dilihat dari kandungan VS di dalam sludge umpan dan tingkat aktivitas biologis di dalam digester [6]. Dalam penelitian ini, variabel tetap yang digunakan adalah suhu yaitu mesofilik (35 o C) sebagai tahap awal penyesuaian dan termofilik (55 o C) sebagai variabel tetap untuk variasi pengadukan. Potensi keuntungan dari termofilik dibandingkan dengan mesofilik adalah penambahan inaktivasi kerja bakteri pathogen sehingga sangat baik untuk peningkatan reduksi volatile solid (VS). Selain itu, suhu termofilik juga dapat meningkatkan laju produksi biogas [7]. Pengadukan menjadi salah satu variabel pendukung yang divariasikan. Pengadukan dimaksudkan agar kontak antara substrat dan bakteri perombak lebih baik dan menghindari padatan terbang (scum) atau mengendap. Selain itu, terdapat kontak yang baik antara limbah segar dan bakteri pencerna yang aktif dan menghindari akumulasi dari padatan terapung ataupun padatan mengendap yang akan mengurangi volume keaktifan digester dan menimbulkan plugging gas serta lumpur keluaran. Selama pengadukan lingkungan yang kondusif selalu tersedia 2
bagi pertumbuhan bakteri yang bekerja mengubah bahan organik menjadi metan. Dengan pengadukan, lebih dari 80% dari patogen dan padatan tereliminasi, dan lebih efektif untuk mengubah padatan organik menjadi unsur hara terlarut dengan bantuan mikroorganisme [8]. Beberapa penelitian sebelumnya mengenai pengaruh pengadukan dan pengenceran terhadap produksi biogas dan penghilangan zat organik telah dilakukan dari bahan baku yang berbeda-beda. Tabel 1.1 Beberapa artikel yang berhubungan dengan pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas [9,10,8,11,12,13.14,15]. Peneliti Judul Artikel Hasil Hadi and Pengaruh pemanasan, Penelitian ini dilakukan secara batch el-azeem, 2008 [9] pengadukan, dan tipe digester pada produksi biogas dari kotoran sapi dalam kondisi anaerobik menggunakan digester tipe vertikal dan horizontal. Yield biogas dan metan tertinggi pada digester vertical (pemanasan (38,1 o C) pengadukan) (468,1 L/kg TS; 284,1 L/kg OTS), dibanding horizontal (353,1 L/kg TS; 233,7 L/kg OTS). Triakuntini, Pengaruh pengenceran dan Penelitian ini menggunakan 10 reaktor dkk, 2014 pengadukan pada produksi dengan jumlah limbah 4 kg dan rumen [10] biogas dari limbah rumah makan dengan menggunakan starter ekstrak rumen sapi 1,5 L dengan variasi penambahan air sebanyak 6000, 4000, 2600, 1500, dan 670 ml. 5 reaktor pertama diberikan pengadukan sedangkan 5 lainnya tanpa pengadukan. Reaktor dengan pengenceran 6000 ml menghasilkan gas terbanyak, yaitu reaktor 1(1032,02 ml) dan 6 (1196,99 ml). Luthfianto, Pengaruh macam limbah Penelitian ini dilakukan menggunakan dkk, 2012 organik dan pengenceran limbah peternakan ayam dengan [8] terhadap produksi biogas dari perlakuan pengenceran dan bahan biomassa limbah penambahan berbagai substrat. Hasil 3
peternakan ayam terbaik ditunjukkan pada pengadukan 4 jam/hari suhu termofilik (55 0 C), dengan penyampuran kotoran ayam dengan eceng gondok, pengenceran 1:3 efisiensi perombakan COD 78,46% dibandingkan dengan frekuensi pengadukan 8 jam/hari dan suhu mesofilik (37 0 C) sebesar 76,23%. Angkara, pengaruh pengenceran dan Penelitian ini berskala laboratorium dkk, 2013 pengadukan terhadap dengan kapasitas digester 500 ml dan [11] produksi biogas pada limbah industry kecil pengasapan ikan sampel limbah pengasapan ikan pari dan ekstrak rumen sapi sebgaai starter. dengan menggunakan starter Kadar biogas terbanyak pada ekstrak rumen sapi pengadukan 3 kali,sampel yang tidak dihaluskan dan dengan pengenceran 150 ml sebanyak 800 ml biogas. Dibandingkan dengan pengadukan 1 kali sampel dihaluskan dengan pengenceran 100 ml menghasilkan biogas 249 Ml Sasongko Produksi biogas dari biomassa Penelitian ini dilakukan skala dan Wedo, kotoran sapi dalam laboratorium dan skala semi pilot 2010 [12] biodigester fixdome dengan dengan kapasitas digester 20 L dan 9 pengenceran dan penambahan m 3. Perlakukan pengenceran dan agitasi pengadukan. Produksi biogas tertinggi pada rasio pengenceran 1:3 + agitasi (18 m 3 /hari) dan tanpa agitasi (6,62 m 3 /hari) (dua kali lipat). Efisiensi perombakan COD, TS, VS pada rasio pengenceran 1:3 dengan agitasi yaitu 78,45; 82,56; 82,75%. Jha, et al, Digestasi anaerobik kering Penelitian ini dilakukan secara batch 4
2012 [13] dari kotoran sapi untuk produksi methane: efek pengadukan Irawati, Pengaruh pengadukan dan dkk, 2013 variasi feeding pada sampah [14] rumah makan terhadap laju produksi biogas dengan penambahan rumen sapi (Bos Taurus) sebagai activator Wisnu, Pengaruh pengenceran dan dkk, 2013 pengadukan limbah dapur [15] daerah bulusan (studi kasus rasio c/n 17 : 1) terhadap peningkatan produksi biogas dengan menggunakan ekstrak rumen sapi sebagai starter menggunakan kotoran sapi yang dicampur. Digester kering + pengadukan memproduksi methane 0,35 LCH 4 /kg VS (7,5% lebih tinggi dari yang tidak diaduk). Efisiensi pengurangan material organik mengalami penambahan 9,73% dalam masa dari VS. Penelitian ini menggunakan 2 reaktor besar dan 3 reaktor kecil, limbah yang digunakan untuk reaktor besar adalah 2,5 kg limbah, 1,3 L rumen sapi, dan 12,3L penambahan air. Pada reaktor 1 + pengadukan mengalami penurunan COD paling besar (12383-8716 mg/l) dibandingkan reaktor 2 (tanpa pengadukan) (9366,67 mg/l). Untuk produksi biogas, reaktor 1 83,8 L). Reaktor 2 (9,29 L). untuk reaktor kecil dilakukan variasi umpan (60 gr, 2a; 180 gr, 2b; 240 gr, 2c). hasil menunjukan produksi biogas terbesar pada reaktor 2c (337 ml) dibanding 2a (233 ml) dan 2b (313 ml). Penelitian ini dilakukan menggunakan limbah makanan/dapur dengan penambahan rumen sapi sebagai starter. Variasi yang digunakan adalah penambahan air dan pengadukan. Nilai tertinggi dengan penambahan air 150 ml 3x pengadukan total biogas 905 ml. Limbah yang diblender didapat volume biogas tertinggi dengan penambahan air sebanyak 150 ml 3x pengadukan (905 ml). Sedangkan untuk limbah yang dicacah variasi terbaik adalah 1x 5
pengadukan dengan penambahan air 150 ml Berdasarkan beberapa penelitian yang telah dilakukan diatas, kami ingin melakukan penelitian dengan hanya menggunakan satu proses yaitu metanogenesis yang berbahan baku hasil keluaran (effluent) berupa asam-asam lemak rantai pendek yang dihasilkan dari reaktor asidogenesis. Selain itu juga menggunakan pengadukan sebagai variabel yang divariasikan dengan tujuan untuk melihat seberapa besar pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas dan penghilangan (reduksi) zat organik. 1.2 PERUMUSAN MASALAH Adapun yang menjadi perumusan masalah dalam penelitian ini adalah : Bagaimana pengaruh pengadukan terhadap perubahan ph dan alkalinitas, produksi biogas, reduksi zat-zat organik (total solid (TS) dan volatile solid (VS)), serta Chemical Oxygen Demand (COD). Selain itu juga dikaji bagaimana pengadukan dapat memperngaruhi kondisi kehidupan mikroorganisme (bakteri metanogenik) dalam menghasilkan biogas yang dilihat dari nilai Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS). 1.3 TUJUAN PENELITIAN Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah:. 1. Memperoleh profil proses metanogenesis dari perubahan nilai ph, alkalinitas, total solid (TS) dan volatile solid (VS), Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS). 2. Mendapatkan pengaruh pengadukan terhadap ph dan alkalinitas, reduksi senyawa organik (total solid (TS) dan volatile solid (VS)), produksi biogas, serta COD. 3. Mendapatkan kecepatan pengadukan yang optimum untuk menghasilkan produksi biogas tertinggi. 4. Mendapatkan pengaruh pengadukan terhadap kondisi mikroorganisme dalam menghasilkan biogas yang dilihat dari nilai Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS). 6
1.4 MANFAAT PENELITIAN Adapun Manfaat dari penelitian yang akan dilakukan antara lain yaitu : 1. Memperoleh kondisi pengadukan yang baik (optimum) untuk menghasilkan biogas serta dalam penghilangan zat organik seperti TS, VS, dan COD. 2. Memberikan informasi mengenai pembuatan biogas berbahan baku asam limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) dengan proses metanogenesis untuk dikembangkan ke skala yang lebih besar (pilot plant). 3. Memperoleh data dan informasi untuk menghasilkan biogas dengan kondisi yang optimum pada proses metanogenesis untuk dikembangkan pada penelitian selanjutnya. 1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di laboratorium Ekologi Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Univesitas Sumatera Utara, Medan. Adapun ruang lingkup dan batasan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Substrat yang digunakan adalah asam limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) yang diperoleh dari effluent tahap asidogenesis. 2. Proses yang digunakan adalah digestasi anaerobik sistem kontinu dengan menggunakan reaktor CSTR (Continous Stirred Tank Reactor) bervolume 2 liter. 3. Variabel yang ditetapkan pada penelitian ini adalah suhu mesofilik (35 o C) sebagai tahap penyesuaian, termofilik (55 o C) untuk variasi pengadukan, ph 6,9-7,5, alkalinitas 2500 mg/l. 4. Hydraulic Retention Time (HRT) yang digunakan adalah HRT 0, 40, 10 pada loading up dan 4 hari. 5. Variabel yang divariasikan dalam penelitian ini adalah pengadukan yaitu 50, 100, 150, dan 200 rpm. 6. Analisa yang dilakukan meliputi analisa sampel cair dan sampel gas. Analisa sampel cair meliputi : a. Analisa M-alkalinity dengan metode titrasi b. Analisa ph atau derajat keasaman dengan menggunakan ph meter. 7
c. Analisa Total Solid (TS), Volatile Solid (VS), Total Suspended Solid (TSS), dan Volatile Suspended Solid (VSS) dengan metode gravimetri sesuai dengan SNI 06-6989.3-2004 dan Standard Methods for Examination of Water and Wastewater [34]. d. Analisa Chemical Oxygen Demand (COD) yang dilakukan di Balai Teknik Kesehatan Lingkungan dan Pengendalian Penyakit (BTKLPP) kelas I Medan dengan metode. Sedangkan untuk analisa biogas meliputi : a. Analisa H 2 S menggunakan gastec detecting tube No. 4HM b. Analisa CO 2 menggunakan gastec detecting tube No. 2HM 8