PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME

PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK SKRIPSI Oleh JONATHAN DENGGAN MANURUNG 120405041 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2017

PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK SKRIPSI Oleh JONATHAN DENGGAN MANURUNG 120405041 SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2017

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul: PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK Dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku. Medan, Januari 2017 Jonathan Denggan Manurung NIM 120405041 i

PENGESAHAN SKRIPSI Skripsi dengan judul: PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK Dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 25 Januari 2017 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Mengetahui, Medan, Januari 2017 Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing Ir. Renita Manurung, M.T Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si NIP.19681214 199702 2 002 NIP. 19680820 199501 1 001 Dosen Penguji I Dosen Penguji II Dr. Amir Husin, S.T., M.T. Ir. Bambang Trisakti, M.Si. NIP.19690215 199512 1 001 NIP. 19660925 199103 1 003 ii

PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia-nyalah skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul Pengaruh Hydraulic Retention Time (HRT) Dan Laju Pengadukan Tahap Metanogenesis Dari Digestasi Anaerob VFA Dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) Untuk Memproduksi Biogas Pada Temperatur Atmosferik, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Adapun hal kebaruan dari hasil penelitian ini adalah kajian bagaimana pengaruh variasi HRT dan laju pengadukan terhadap digestasi anaerob tahap metanogenesis dari VFA hasil effluent dari tahap asidogenesis dalam memproduksi biogas pada temperatur atmosferik. Hasil dari penelitian ini menunjukkan potensi ekonomi yang tinggi terutama dalam penanggulangan limbah cair pabrik kelapa sawit menjadi sumber energy alternatif yaitu biogas. Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1. Dr.Eng. Ir. Irvan, MSi selaku dosen pembimbing dan selaku Ketua Departemen Teknik Kimia 2. Ir. Renita Manurung, M.T selaku dosen koordinator skripsi 3. Dr. Amir Husin, S.T., M.T selaku dosen penguji I atas kritik dan saran yang telah diberikan 4. Dr.Ir. Fatimah, M.T selaku dosen penguji II atas kritik dan saran yang telah diberikan 5. Staf Pengajar dan Staf Administrasi Fakultas Teknik Departemen Teknik Kimia Medan 6. Reguel, Oby, Yosua, Aulia, Reza, Vero, Dera, Christin, Eka, Wici, Florentina dan teman sejawat 2012 serta abang, kakak senior dan adik-adik stambuk 2015. iii

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, 25 Januari 2017 Penulis Jonathan Denggan Manurung iv

DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada: 1. Kedua orang tua penulis yang tercinta, B.F. Manurung dan S.D. Hutabarat, atas doa dan dukungan yang tidak pernah henti diberikan kepada penulis hingga terselesainya skripsi ini. 2. Seluruh anggota keluarga penulis terutama untuk abang dan kakak penulis, Hendra Manurung, Juli Manurung, Lilian Manurung dan Lidya Ivone Manurung atas doa dan dukungan yang telah diberikan. 3. Anggota tim penelitian penulis, Reguel Nababan, Oby Vijay Sitorus, Yosua Agust Sinaga, Aulia Fitri, M.Reza Rahmadhan, atas kerjasama dan motivasi selama pengerjaan hingga terselesainya skripsi ini. 4. Seluruh sahabat serta teman sejawat penulis angkatan 2012, angkatan 2015 dan teman-teman di LPPM USU (Bang Juliadi). 5. Para dosen dan staf pegawai Departemen Teknik Kimia atas masukan dan dukungan yang diberikan kepada penulis. v

RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Jonathan Denggan Manurung NIM : 120405041 Tempat, tanggal lahir : Jakarta, 2 September 1994 Nama Orang Tua : B.F. Manurung dan S.D.Hutabarat Alamat Orang Tua: Jalan juang 45, Ujung Bandar, Kota Rantau Prapat, Kabupaten Labuhn Batu Asal Sekolah: SD Negeri 112148 Rantau Prapat tahun 2000 2006 SMP Negeri 1 Rantau Selatan tahun 2006 2009 SMA Negeri 3 Rantau Utara tahun 2009 2012 Pengalaman Organisasi/Kerja: 1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2015/2016 sebagai anggota Penelitian dan Pengembangan 2. Asisten Laboratorium Kimia Fisika, Departemen Teknik Kimia, tahun 2014/2016 modul Berat Molekul Volatil, Kurva Kelarutan dan Kesetimbangan Cair-cair vi

ABSTRAK Proses metanogenesis merupakan proses akhir dari digestasi anaerobik tahap kedua yang menghasilkan biogas sebagai produk akhir. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan pengaruh variasi Hydraulic Retention Time (HRT) dan laju pengadukan serta mendapatkan kondisi laju pengadukan terbaik dalam proses metanogenesis dengan bahan baku VFA hasil effluent dari tahap sebelumnya yaitu proses asidogenesis pada keadaan atmosferik. Proses loadingup dilakukan dengan memvariasikan HRT kemudian operasi target dilakukan dengan memvariasikan laju pengadukan fermentor Continous Stirred Tank Reactor (CSTR), yaitu laju pengadukan 250; 200; 150 dan 100 rpm dengan ph dijaga konstan pada rentang 6,8 7,6. Analisis padatan (TS, VS, TSS, dan VSS), dan COD dilakukan untuk mengkaji perubahan senyawa organik yang didegradasi menjadi biogas. Yield biogas tertinggi dicapai pada variasi laju pengadukan 200 rpm yaitu sebesar 172,05 L/Kg ΔCOD.hari dengan konsentrasi metana (CH 4 ), Karbon dioksida (CO 2 ) dan trace Hidrogen Sulfida (H 2 S) masing-masing sebesar 88,3%, 11,7% dan 0,0013%. Degradasi VS dan COD removal masing-masing sebesar 50,62% dan 49,10%. Kata kunci : VFA, metanogenesis, asidogenesis, atmosferik, Hydraulic Retention Time, laju pengadukan vii

ABSTRACT Methanogenesis process is the final process of anaerobic digestion second stage to produce biogas as the final product. This study aimed to obtain the effect of variation Hydraulic Retention Time (HRT) and the stirring rate and to get the best conditions in the process of methanogenesis with raw materials VFA effluent results of the previous stage in the process asidogenesis atmospheric circumstances. The process of loading-up is done by varying HRT then the target operating performed by varying the stirring rate fermenter Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), the rate of stirring 250; 200; 150 and 100 rpm with ph kept constant in the range of 6.8 to 7.6. Analysis solids (TS, VS, TSS and VSS), and COD conducted to assess changes in organic compounds degraded into biogas. The highest biogas yield achieved on stirring rate of 200 rpm variations in the amount of 172.05 L / Kg ΔCOD.day with concentration of methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ) and trace hydrogen sulfide (H 2 S) respectively by 88.3%, 11, 7% and 0.0013%. VS degradation and COD removal respectively by 50.62% and 49.10% Keywords : VFA, methanogenesis, acidogenesis, atmospheric, Hydraulic Retention Time, stirring rate viii

DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN UNTUK UJIAN SKRIPSI ii PRAKATA iii DEDIKASI v DAFTAR RIWAYAT HIDUP vi ABSTRAK vii ABSTRACT DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR SINGKATAN DAFTAR SIMBOL viii ix xii xiv xvi xvii xviii BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Perumusan Masalah 4 1.3 Tujuan Penelitian 4 1.4 Manfaat Penelitian 4 1.5 Ruang Lingkup Penelitian 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7 2.1 Perkembangan Kelapa Sawit Di Indonesia 7 2.2 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit atau Palm Oil Mill Effluent (POME) 9 2.3 Digestasi Anaerob 11 2.4 Tahapan Digestasi Anaerob 12 2.4.1 Hidrolisis 13 2.4.2 Asidogenesis 14 2.4.3 Asetogenesis 16 2.4.4 Metanogenesis 18 ix

2.5 Biogas 18 2.6 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Peforma Digestasi Anaerob 19 2.6.1 Temperatur 19 2.6.2 Derajat Keasaman / Power of Hydrogen (ph) 20 2.6.3 Alkalinitas 21 2.6.4 Hydraulic Retention Time (HRT) 22 2.6.5 Organic Loading Rate (OLR) 23 2.6.6 Pengadukan 24 2.6.7 Zat Racun (Toxic) 24 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 26 3.1 Lokasi Penelitian 26 3.2 Bahan Dan Peralatan 26 3.1.1 Bahan-Bahan 26 3.1.2 Peralatan 26 3.3 Tahapan Penelitian 27 3.3.1 Analisis Bahan Baku 27 3.3.2 Variasi HRT 27 3.3.3 Variasi Laju Pengadukan 27 3.4 Analisis Data 28 3.4.1 Analisis ph 28 3.4.2 Analisis M-Alkalinity 28 3.4.3 Analisis Total Solids (TS) 28 3.4.4 Analisis Volatile Solids (VS) 29 3.4.5 Analisis Total Suspended Solids (TSS) 29 3.4.6 Analisis Volatie Suspended Solids (VSS) 30 3.4.7 Analisis Chemical Oxygen Demand (COD) 30 3.5 Loading Up dan Operasi Target 31 3.6 Analisis Gas 32 3.7 Flowchart Penelitian 33 3.7.1 Flowchart Prosedur Analisis Data 33 3.7.1.1 Flowchart Prosedur Analisis ph 33 3.7.1.2 Flowchart Prosedur Analisis M-Alkalinity 34 x

3.7.1.3 Flowchart Prosedur Analisis Total Solids (TS) 35 3.7.1.4 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Solids (VS) 36 3.7.1.5 Flowchart Prosedur Analisis Total Suspended Solids (TSS) 36 3.7.1.6 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Suspended Solids (VSS) 37 3.7.2 Flowchart Prosedur Loading Up dan Operasi Target 38 3.8 Jadwal Penelitian 39 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 40 4.1 Karakteristik Limbah Cair Kelapa Sawit (LCPKS) 40 4.2 Profil ph dan Alkalinitas Selama Proses Metanogenesis 41 4.3 Pertumbuhan Mikroba Selama Proses Metanogenesis 42 4.4 Degradasi Bahan-bahan Organik Selama Proses Metanogenesis 45 4.5 Produksi Biogas Selama Proses Metanogenesis 50 4.6 Pengaruh Pengadukan Terhadap Komposisi Biogas 53 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 56 5.1 Kesimpulan 56 5.2 Saran 56 DAFTAR PUSTAKA 58 xi

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Diagram Tahapan Digestasi Anaerobik 13 Gambar 2.2 Reaksi Hidrolisis 14 Gambar 2.3 Reaksi Asetogenesis 15 Gambar 2.4 Reaksi Metanogenesis 16 Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan 26 Gambar 3.2 Flowchart Prosedur Analisis ph 33 Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Analisis M-Alkalinity 34 Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisis Total Solids (TS) 35 Gambar 3.5 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Solids (VS) 36 Gambar 3.6 Flowchart Prosedur Analisis Total Suspended Solids (TSS) 37 Gambar 3.7 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Suspended Solids (VSS) 37 Gambar 3.8 Flowchart Prosedur Loading Up dan Operasi Target 38 Gambar 4.1 Profil ph dan Alkalinitas selama Proses Metanogenesis 42 Gambar 4.2 Pertumbuhan Mikroba selama Proses Metanogenesis 43 Gambar 4.3 Pengaruh Laju Pengadukan pada Pertumbuhan Mikroba selama Proses Metanogenesis Pada HRT 4 Hari 44 Gambar 4.4 Profil VS Selama Proses Metanogenesis 47 Gambar 4.5 VS Rata-rata Selama Proses Metanogenesis 48 Gambar 4.6 Profil COD Selama Proses Metanogenesis 49 Gambar 4.7 COD Rata-rata Selama Proses Metanogenesis 50 Gambar 4.8 Degradasi Bahan-bahan Organik selama Metanogenesis 50 Gambar 4.9 Profil Laju Produksi Biogas Pada Laju Pengadukan 250 rpm dengan Variasi HRT (Loading Up) 51 Gambar 4.10 Profil Laju Produksi Biogas Pada HRT 4 dengan Laju Laju Pengadukan Bervariasi 52 Gambar 4.11 Yield Biogas Rata-rata per COD removal Selama Proses Metanogenesis 53 xii

Gambar 4.12 Pengaruh Laju Pengadukan terhadap Komposisi Biogas 55 Gambar C.1 Tangki Umpan LC-1 Gambar C.2 Fermentor LC-1 Gambar C.3 Tangki Keluaran Fermentor (Discharge) LC-2 Gambar C.4 Botol Penangkap Air (Water Trap) LC-2 Gambar C.5 Gas Meter LC-2 Gambar C.6 Rangkaian Peralatan LC-3 Gambar C.7 Peralatan Analisis M-Alkalinity LC-3 Gambar C.8 Detecting Tube Hasil Analisis Gas H 2 S dan CO 2 LC-3 Gambar C.9 Peralatan Analisis Padatan Tersuspensi LC-4 Gambar C.10 Peralatan Analisis Chemical Oxygen Demand (COD) LC-4 Gambar C.11 Timbangan Analitik LC-4 Gambar C.12 Desikator LC-5 Gambar C.13 Oven LC-5 Gambar C.14 Furnace LC-5 xiii

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1 Berbagai Penelitian Digestasi Anaerob Dua Tahap dengan Pengaruh HRT dan Laju Pengadukan 3 Tabel 2.1 Produksi Minyak Kelapa Sawit di Indonesia 8 Tabel 2.2 Impor Minyak Kelapa Sawit di Berbagai Negara (Seribu Metrik Ton) 8 Tabel 2.3 Ekspor Minyak Kelapa Sawit di Berbagai Negara (Seribu Metrik Ton) 9 Tabel 2.4 Pengolahan POME 10 Tabel 2.5 Karakteristi POME 11 Tabel 2.6 Baku Mutu Limbah Cair Pabrik Minyak Kelapa Sawit Menurut Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup 11 Tabel 2.7 Klasifikasi Bakteri Hidrolisis Berdasarkan Substrat yang Diolah 14 Tabel 2.8 Bakteri Metanogen 17 Tabel 2.9 Pengaruh Komponen-komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya 18 Tabel 2.10 Hubungan antara Temperatur Operasi dan Hydraulic Retention Time (HRT) 20 Tabel 3.1 Jadwal Analisis Influent dan Effluent 32 Tabel 3.2 Jenis Kegiatan dan Jadwal Pelaksanaan Penelitian 39 Tabel 4.1 Karakteristik Effluent Reaktor Asidogenesis 40 Tabel A.1 Hasil Analisis Karakteristik LCPKS dari PTPN IV PKS Adolina LA-1 Tabel A.2 Hasil Analisis Karakteristik VFA LA-1 Tabel A.3 Data Hasil Analisis ph, Alkalinitas, TS, VS, TSS dan VSS pada Variasi Hydraulic Retention Time (HRT) LA-2 Tabel A.4 Data Hasil Analisis Chemical Oxygen Demand (COD) pada Variasi Hydraulic Retention Time (HRT) LA-3 xiv

Tabel A.5 Data Hasil Analisis ph, Alkalinitas, TS, VS, TSS dan VSS pada Pengaruh Pengadukan Tabel A.6 Data Hasil Analisis Chemical Oxygen Demand (COD) pada Pengaruh Pengadukan Tabel A.7 Data Hasil Analisis Komposisi Biogas pada Pengaruh Pengadukan Tabel A.8 Data Produksi Biogas pada Variasi Laju Pengadukan LA-4 LA-5 LA-6 LA-6 xv

DAFTAR LAMPIRAN L.A.1 Karakteristik Limbah Cair Kelapa Sawit L.A.2 Data Hasil Penelitian L.A.2.1 Data Hasil Penelitian Pada Proses Loading Up L.A.2.2 Data Hasil Penelitian Pada Variasi Pengadukan L.B.1 Perhitungan Nilai Alkalinitas L.B.2 Perhitungan Nilai Volatile Solid (VS) L.B.3 Perhitungan Nilai Volatile Solid (VS) L.B.4 Perhitungan Reduksi COD L.B.5 Perhitungan Persentase VS yang Terdegradasi L.B.6 Perhitungan Yield Biogas / COD Removal Halaman LA-1 LA-1 LA-1 LA-3 LB-1 LB-1 LB-1 LB-2 LB-2 LB-3 xvi

DAFTAR SINGKATAN BOD COD CPO CPKO CSTR HRT LCPKS MBR MSM PKS POME SBR SCAR TS TSS UASB VFA VS VSS Biological Oxygen Demand Chemical Oxygen Demand Crude Palm Oil Crude Palm Kernel Oil Continous Stirred Tank Reactor Hydraulic Retention Time Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Membrane Bioreactor Minyak Sawit Mentah Pabrik Kelapa Sawit Palm Oil Mill Effluent Sequencing Batch Reactor Suspended Closed Anaerobic Reactor Total Solids Total Suspended Solids Up-flow Anaerobic Sludge Bioreactor Volatile Fatty Acid Volatile Solids Volatile Suspended Solids xvii

DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Dimensi B R c m HRT V V R Beban organik Massa substrat umpan per satuan waktu Konsentrasi bahan organik Waktu tinggal Volume substrat umpan per satuan waktu Volume digester kg/hari.m 3 % kg/hari hari m 3 /hari m 3 xviii