BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Peruraian anaerobik (anaerobic digestion) merupakan salah satu metode pengolahan limbah secara biologis yang memiliki keunggulan berupa dihasilkannya energi lewat pembentukan gas metana. Peruraian anaerobik juga memberikan keuntungan dari segi konsumsi energi karena tidak memerlukan oksigen sehingga dapat menekan konsumsi energi untuk aerasi serta menurunkan biaya penanganan sludge karena menghasilkan sludge 3-20 kali lebih rendah dibandingkan proses pengolahan aerobik (Lew dkk., 2004). Keunggulan peruraian anaerobik serta kenaikan biaya energi yang terjadi 10-15 tahun terakhir membuat proses anaerobik mulai menarik perhatian para pelaku industri. Kelemahan dari penerapan peruraian anaerobik di industri adalah pertumbuhan bakteri yang berperan dalam peruraian anaerobik lebih lambat sehingga pengolahan limbah memerlukan waktu tinggal yang lebih lama. Kelemahan ini menimbulkan batasan bagi industri dengan jumlah limbah organik yang besar. Banyaknya jumlah limbah atau tingginya laju alir limbah ke dalam digester menyebabkan kebutuhan volume digester lebih besar untuk memberikan waktu tinggal yang cukup. Volume digester yang lebih besar tentunya berdampak pada kebutuhan ruang dan biaya. Speece (2008) menyebutkan bahwa bakteri yang secara sengaja dikonsentrasikan di dalam sistem, atau disebut imobilisasi, akan meningkatkan 1
2 laju penguraian senyawa organik dan mengurangi volume digester. Hal ini dimungkinkan karena imobilisasi menyebabkan konsentrasi bakteri di dalam sistem lebih tinggi dan mencegah bakteri terbawa keluar digester (washout) sekaligus meningkatkan stabilitas sistem. Peningkatan konsentrasi sel tanpa ada batasan washout menyebabkan digester dapat mengakomodasi laju alir limbah yang tinggi dan pada akhirnya mengurangi kebutuhan volume digester. Pengurangan kebutuhan volume digester ini juga didukung oleh ketahanan konsorsium bakteri terhadap zat-zat yang bersifat toksik sehingga tidak dibutuhkan perlakuan awal pada limbah, misalnya pengenceran limbah. Penelitian ini mengevaluasi jenis dan jumlah media imobilisasi bakteri anaerobik dalam dua tahapan eksperimen. Tahapan pertama bertujuan melakukan evaluasi tiga jenis media imobilisasi, yaitu: zeolit, karbon, dan campuran zeolit dan karbon, terhadap kinerja digester anaerobik. Penggunaan zeolit sebagai media imobilisasi dalam pengolahan anaerobik dimungkinkan karena kemampuannya sebagai penukar ion dan adsorben. Karbon juga dapat dimanfaatkan sebagai media imobilisasi bakteri karena memiliki struktur berpori dengan luas area yang besar dan kemampuan menjerap senyawa organik. Pencampuran kedua jenis media ini diharapkan dapat menggabungkan keunggulan zeolit dan karbon sebagai media imobilisasi bakteri anaerobik. Tahapan kedua dalam penelitian ini dilakukan untuk menentukan jumlah optimum media imobilisasi untuk peruraian limbah cair yang memiliki efek inhibisi terhadap bakteri anaerobik, yaitu limbah cair industri etanol yang dikenal sebagai stillage. Pemilihan stillage sebagai substrat didasarkan pada pertimbangan
3 karakteristik stillage dan permasalahan yang dihadapi dalam pengolahan stillage. Stillage merupakan hasil bawah dari menara distilasi etanol di mana dalam produksi satu liter etanol dapat dihasilkan 20 liter stillage. Kandungan organik yang tinggi dan senyawa inhibitor yang terkandung dalam stillage membuat peruraian anaerobik stillage dinilai kurang ekonomis karena untuk menurunkan kandungan organik di dalam stillage dibutuhkan waktu tinggal yang lama dan volume digester yang besar (Willington dan Marten, 1982). Penambahan media imobilisasi diharapkan dapat mengatasi masalah dalam pengolahan stillage secara anaerobik yang menjadi representasi masalah bagi industri dengan jumlah limbah organik yang besar dan mengandung senyawa inhibitor yang sering menyebabkan kegagalan proses anaerobik. Hal ini dimungkinkan karena media imobilisasi dapat menjerap inhibitor yang terkandung di dalam stillage ataupun yang terbentukdari peruraian stillage dan berperan sebagai tempat melekatnya bakteri anaerobik. Peran ganda media imobilisasi ini menyebabkan perlunya dilakukan penentuan jumlah media imobilisasi optimum yang ditambahkan sehingga akan mengoptimalkan pengolahan stillage secara anaerobik. 1.2. Keaslian Penelitian Penggunaan media berupa zeolit atau karbon dalam imobilisasi bakteri anaerobik telah diteliti oleh beberapa peneliti sebelumnya. Borja dkk. (1994) melakukan studi kinetika penguraian kotoran sapi secara anaerobik dengan zeolit sebagai media imobilisasi. Parameter biokinetik, misalnya laju pertumbuhan bakteri maksimum dan konstanta kinetika, dievaluasi pada digester anaerobik
4 kontinu. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan adanya media zeolit diperoleh peningkatan senilai 59% pada laju pertumbuhan bakteri maksimum dan 35% pada konstanta kinetika. Penelitian mengenai pemanfaatan zeolit sebagai media imobilisasi juga dilakukan oleh Weiß dkk. (2011). Fokus penelitian ini adalah investigasi populasi mikroorganisme anaerob pada zeolit aktif selama proses penguraian grass silage secara anaerobik. Populasi mikroorganisme bervariasi mulai dari sel tunggal hingga koloni yang membentuk biofilm pada permukaan zeolit. Untuk sel tunggal, morfologi yang dominan adalah sel long-rod dan shorter bacillus-like, sedangkan koloni yang membentuk biofilm terdiri dari bakteri dengan aktivitas hemiselulotis dan kelompok metanogenis. Penelitian lain dilakukan oleh Bertin dkk. (2004) mengenai pengolahan air limbah pengolahan zaitun dengan menggunakan granul karbon aktif. Penggunaan karbon aktif memberikan ketahanan terhadap beban organik yang tinggi dan bervariasi. Digester dengan granul karbon aktif juga memberikan produktivitas volumetris yang lebih tinggi dibandingkan dengan digester dengan media lainnya (macro-reticulated polyurethane foam, serpihan kayu, polietilen) dari berbagai referensi, baik dari segi penurunan COD (100%), penurunan konsentrasi senyawa fenol (300%), maupun produksi gas metana (70%). Bertin dkk. (2004) juga melakukan perbandingan antara granul karbon aktif dengan butiran silika Manville dalam peruraian anaerobik limbah pengolahan zaitun pada kondisi batch. Penggunaan kedua jenis media ini meningkatkan efisiensi penurunan COD dan senyawa fenol yang cukup tinggi, yaitu berkisar
5 antara 60-250%, dibandingkan dengan digester paralel tanpa media. Digester granul karbon aktif memiliki yield penurunan COD dan senyawa fenol lebih tinggi dibandingkan dengan digester butiran silika Manville serta lebih efektif dalam remediasi limbah pada kondisi operasi kontinu. Penelusuran pustaka yang telah dilakukan meyakinkan bahwa tidak ditemukan penelitian serupa yang mengevaluasi media imobilisasi bakteri berbasis zeolit, karbon, dan campuran zeolit-karbon dalam pengolahan stillage. Perbedaan lain dalam penelitian ini terletak pada analisis data di mana data akan dibahas dengan membandingkan parameter-parameter pada model matematis yang disusun untuk merepresentasikan fenomena imobilisasi terhadap kelompok bakteri anaerobik, yaitu bakteri asidogen dan bakteri metanogen serta menganalisis kedua tahapan asidogenesis dan metanogenesis secara terpisah.analisis ini berbeda dengan sebagian besar penelitian-penelitian terdahulu yang melakukan analisis data secara grafis untuk hasil biogas total atau menggunakan model matematis yang menghasilkan konstanta-konstanta kinetika gabungan bakteri anaerobik. Analisis mikrobiologi secara kualitatif juga dilakukan dalam penelitian ini untuk mengevaluasi bakteri yang terimobilisasi pada tiap jenis media. 1.3. Manfaat Penelitian Diharapkan penelitian ini dapat memberikan manfaat secara khusus menjadi masukan berupa jenis dan jumlah media imobilisasi serta parameter kinetika pertumbuhan bakteri asidogen dan metanogen bagi penelitian sejenis. Manfaat
6 lain yang dapat diperoleh dari penelitian ini bagi pelaku industri adalah meningkatkan efisiensi dalam produksi biogas dan pengolahan limbah berupa penurunan volume reaktor dibandingkan dengan pengolahan limbah menggunakan sistem bakteri tersuspensi, terutama limbah yang kaya protein dan mengandung inhibitor. Parameter-parameter kinetika yang dihasilkan oleh penelitian ini juga dapat menjadi acuan untuk melakukan simulasi proses sebagai bagian dari perancangan dan optimasi digester. 1.4. Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut: 1. Membandingkan pengaruh penambahan media imobilisasi berbasis zeolit, karbon, dan campuran zeolit dan karbon terhadap kinerja digester anaerobik, terutama terhadap produksi biogas harian. 2. Menentukan rasio massa media imobilisasi terhadap cairan umpan digester yang dapat direkomendasikan untuk perancangan digester dengan mengevaluasi konstanta kinetika pertumbuhan bakteri anaerobik.