J. Sains MIPA, Agustus 2010, Vol. 16, No. 2, Hal.: 99-104 ISSN 1978-1873
REAKTOR BIOGAS SAMPAH ORGANIK UNTUK MENGHASILKAN GAS METANA (CH4) Paulus L. Gareso1,*, S. Dewang1, S.P. Paembonan1 dan Abd Wahid Wahab2 1Laboratorium
Material dan Konversi Energi, Jurusan Fisika FMIPA Universitas Hasanudin, Makassar 90245 2Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Hasanudin, Makassar 90245 *E-mail:
[email protected]
Diterima 17 November 2009, disetujui untuk diterbitkan 21 Maret 2010
ABSTRACT A simple desing of organic waste reactor has been done. Beside to design the biogas reactor, this research also aims to identify the gas content as well as to find the optimum temperature and pH in the production of methane. The result showed that the reactor was able to produce the methane with a concentration of 55% while the other gases found were H2S and CO. The flame test showed that the methane produced can be used for 28 min. with the volume burnt was 0.032 m3. Keywords: biogas reactor, organic waste, methane
ABSTRAK Telah dilakukan penelitian tentang disain sederhana reaktor biogas sampah organik. Dalam penelitian ini, selain mendisain reaktor biogas, juga untuk mengidentifikasi kandungan gas serta mencari suhu dan pH optimal yang dapat menghasilkan gas metana yang baik. Hasil penelitian menunjukkan, bahwa reaktor biogas dapat menghasilkan gas metana dengan konsentrasi sebesar 55% dan gas sisanya adalah H2S dan CO. Uji nyala menunjukkan bahwa gas metana dapat dibakar selama 28 menit dengan volume pembakaran gas sebanyak 0,032 m3. Kata kunci : reaktor biogas, sampah organik, gas metana (CH4)
1. PENDAHULUAN Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi dewasa ini telah mengarahkan kehidupan untuk dapat memanfaatkan sumber daya alam yang terdapat di alam semesta untuk dapat dikelolah demi untuk kepentingan umat manusia1,2). Bukan hanya potensi sumber alam yang dapat dikelolah oleh manusia, tetapi juga termasuk sampah dapat dikelolah dan dimanfaatkan untuk menyediakan sumber energi bagi kelangsungan kehidupan manusia1,2). Dengan bertambahnya jumlah penduduk, maka kebutuhan energi juga akan semakin meningkat. Penyediaan sumber energi selama ini hanya bergantung pada minyak bumi yang dari tahun ketahun semakin berkurang. Ditambah dengan bahaya yang dapat ditimbulkan oleh bahan bakar ini yakni meningkatnya kandungan CO2 di atmosfir hasil ini emisi karbon dari hasil pembakaran bahan bakar ini, sehingga dapat membahayakan kelangsungan kehidupan makhluk hidup yang ada di bumiBerbagai upaya telah digunakan manusia dalam mencari energi pengganti (alternatif) untuk menghindari manusia akan kebergantungannya terhadap minyak bumi. Salah satunya adalah Biogas. Biogas adalah salah satu energi yang dapat dikembangkan mengingat bahan bakunya sangat banyak tersedia1-8). Umumnya bahan baku biogas adalah berupa kotoran ternak dan sampah organik yang dihasilkan dari kegiatan manusia seperti makanan sisa, sayur-sayuran, buah-buahan, jerami padi dan lain lain1,2,7,8). Karena biogas tidak membakar BBM atau kayu, maka sumber daya alam terutama hutan dapat diselamatkan. ini berarti, aspek hidrologi, iklim mikro, penyelamatan sumber daya alam dan komponen-komponen lingkungan lainnya yang dibutuhkan
2010 FMIPA Universitas Lampung
99
P. L. Gareso dkk… Reaktor Biogas Sampah Organik
manusia dapat lebih dijamin. Selain itu, pemanfaatan biogas dapat mengurangi emisi gas karbon yang dihasilkan dari kegiatan manusia. Umumnya biogas yang dihasilkan dari proses pembusukan ini terdiri dari : CH4 (metana) sebesar 6070%, CO2 (karbon dioksida) sebesar 20-30%, O2 (oksigen) sebesar 1-4%, N2 sebesar 0,5-3%, CO (karbon monoksida) sebanyak 1%, dan H2S (kurang dari 1%)3,5). Campuran biogas ini menjadi mudah terbakar jika memiliki kandungan gas metana lebih dari 50%3). Apabila gas ini dibakar maka akan berwarna biru dan menghasil banyak energi panas. Satu meter kubik biogas setara dengan 5.200-5.900 Kcal atau apabila dipakai untuk memanaskan air dapat meningkatkan 130 Kg air dari 20 derajat sampai mendidih atau menyalakan lampu 50-100 watt selama 6 jam5). Pada penelitian ini bahan baku yang dipakai untuk menghasilkan biogas adalah sampah organik seperti sayur-sayur dan jerami padi. Bahan baku ini masih sangat sedikit yang diteliti oleh para peneliti bila dibandingkan dengan bahan kotoran ternak. Sekalipun proses pembentukan biogas yang dihasilkan dari bahan sampah organik relatif lebih lama dibandingkan dengan kotoran ternak, akan tetapi bahan baku ini sangat penting untuk diolah menjadi biogas mengingat sampah perkotaan banyak yang berasal dari sampah organik. Dengan demikian pengelolahan sampah ini akan sangat berguna bagi kehidupan kota terutama lingkungan kota semakin bersih, bebas dari bau yang tidak sedap serta dapat membunuh berbagai macam penyakit yang terdapat pada sampah. Juga pada penelitian ini akan dilakukan identifikasi gas dari hasil biogas, mencari temperatur dan pH yang optimum untuk menghasilkan gas metana yang baik. Selain itu akan dilakukan uji nyala.
2. METODE PENELITIAN Disain reaktor biogas yang digunakan dalam penelitian ini dibuat dari dari air gallon dengan volume 20 L. Galon ini diperlengkapi dengan pipa paralon (d = 20 mm), termometer, selang, kran air dan bola plastik sebagai gas storage. Untuk penyiapan bahan, sebelum dimasukkan ke dalam reaktor, sampah organik harus dipotong kecil-kecil, dengan ukuran ± 3 cm. Bila sampah organik yang digunakan masih dalam keadaan segar, bahan ini dimasukkan ke dalam plastik selama kurang lebih 48 jam. Hal itu bertujuan agar proses pembusukan bisa lebih cepat sehingga proses penguraian sampah bisa lebih cepat. Sampah yang sudah disiapkan tersebut, kemudian dicampur dengan air. Ada 5 komposisi campuran bahan dengan air adalah berturut-turut 12:0, 12:1, 12:2, 9:3 dan 6:12. Agar campurannya homo-gen, maka campuran ini kemudian diaduk dan berikutnya dimasukkan ke dalam reaktor dan pada inlet rekator ditutup agar tidak terjadi interaksi dengan udara luar (anaerob environment)3,4). Bahan yang sudah dimasukkan ke dalam reaktor/digester kemudian diamati temperaturnya setiap hari. Hal ini sangat penting mengingat temperatur sangat menentukan dalam pembentukan gas metana. Oleh karena itu, pengamatan temperatur juga dilakukan pada malam hari. Seperti diketahui bahwa malam hari temperatur reaktor menurun secara signifikan, sehingga perlu dilakukan pemanasan pada reaktor untuk menjaga kestabilan suhu dalam reaktor. Bila dalam beberapa hari (7 hari) belum nampak gas bio, maka perlu untuk dimasukkan stater (lumpur) yang berfungsi sebagai bakteri yang membantu proses pembentukan gas bio dalam reaktor. Setelah beberapa hari (9-10 hari) sudah nampak adanya kandungan gas dalam tempat penyimpanan gas. Hasil gas ini kemudian dilakukan uji kandungan gas. Selain itu sampel diambil untuk diukur kadar pHnya.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Bahan yang dimasukkan kedalam reaktor setelah beberapa hari dilakukan pemanasan, penampung gas (gas storage)3,4). Beberapa hari berikut plastik penampung semakin besar. Hal ini menandakan bahwa gas yang dihasilkan semakin banyak. Bahan yang ada dalam reaktor akan terdorong ke atas akibat tekanan gas lebih besar pada bagian bawah dibandingkan dengan diatas. Dengan demikian proses pencampuran bahan dengan air tidak lagi homogen, sehingga perlu diaduk lagi agar sampah dan air bisa bercampur homogen. Tujuan dari pengadukan adalah untuk menyeragamkan suhu dalam reaktor. Penyeragaman suhu dalam reaktor sangat penting agar pertumbuhan bakteri bisa lebih merata dan cepat. Semakin cepat bekteri anaerob berkembang akan menyebabkan produksi gas metana juga akan semakin cepat. Selain berfungsi untuk menyeragamkan suhu dalam reaktor, pencampuran tersebut bertujuan untuk mencegah agar air tidak
100
2010 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2010, Vol. 16, No. 2
mengalir ke penampungan gas. Bila itu tidak dilakukan, gas yang tercampur dengan air tidak dapat menyalah secara maksimal. Proses pembentukan gas sudah mulai terjadi pada hari keempat hingga hari ketujuh akan tetapi gas yang dihasilkan masih mengandung lebih banyak CO2. Hal ini dapat diketahui dengan cara melakukan uji nyala4). Apabila dalam uji nyala, gas yang dihasilkan belum bisa terbakar, maka ini menunjukkan kadar CO2 masih lebih besar dari CH4. Pada hari ke – 8 dan ke – 9 kandungan CO2 mulai lebih kecil dari CH4. Hal itu dapat diketahui karena pada saat dilakukan uji nyala dimana gas yang dikeluarkan masing – masing ± 30% hanya terjadi semburan. Pada hari ke-10 kandungan CH4 sudah lebih banyak dari CO2. Pembentukan gas metana menjadi maksimum pada hari ke-11 sampai ke-13. Setelah itu pembentukan gas akan berkurang pada hari ke-14 sampai ke-16 hingga akhirnya reaktor tidak lagi menghasilkan gas pada hari ke-17 dimana pada saat itu bahan sudah tidak dapat lagi digunakan. Pada hari terakhir, sampah yang ada dalam reaktor telah berubah warna menjadi agak hitam dan telah hancur. Bahan sudah tidak mengandung zat – zat yang dapat diurai oleh bakteri metanaogen. Dengan demikian dapat diketahui bahwa wakrtu yang diperlukan mulai dari penyediaan bahan sampai terbentuknya gas adalah sekitar 16 hari. Berarti waktu tersebut lebih cepat dibandingkan waktu pembentukan gas secara teori. Ada beberapa faktor yang menyebabkan hal diantaranya adalah komposisi bahan, suhu, keasaman (pH) dan jenis bahan organik yang digunakan. Tabel 1. Kandungan gas dalam reaktor biogas yang didisain
No.
Parameter
1.
(CO)
2.
(H2S)
3.
(CH4)
Perbandingan Konsentrasi Vol sampah (%) dan air 12 : 0 12 : 1 12 : 2 9:3 6 : 12 12 : 0 12 : 1 12 : 2 9:3 6 : 12 12 : 0 12 : 1 12 : 2 9:3 6 : 12
31,8 15,2 11,4 9,1 2,5 1,44 0,6 0,35 0,3 0,2 < 55 < 55 < 55 < 55 60
Dari hasil pengukuran yang ditunjukkan pada Tabel 1, dapat dilihat bahwa perbedaan perbandingan komposisi bahan menyebabkan perbedaan komposisi gas yang dihasilkan. Pada komposisi 12 : 0 (liter) diperoleh kandungan CO dan H2S adalah masing-masing sebesar 31,8 % dan 1,44 %. Pada komposisi 12 : 1 diperoleh kandungan CO sebesar 15,2 % dan H2S sebesar 0,6 %. Pada Komposisi 6 : 12 diperoleh kandungan CO sebesar 2,5 % dan H2S sebesar 0,2 %. Dengan demikian dapat diketahui bahwa kandungan gas CO dan H2S dapat dikurangi dengan pengelolaan sampah secara tepat untuk menghasilkan metana. Selain, suhu dan pH, perbandingan bahan baku dengan air juga sangat berpengaruh pada pembentukan gas dan kandungan gas yang dihasilkan. Dari data diatas dapat diketahui bahwa pada keadaan dimana komposisi bahan lebih besar dari air, tidak terbentuk gas metana. Dan dilain pihak dengan komposisi air lebih besar dari bahan maka terbentuk gas. Kemungkinan penjelasan dari hasil ini adalah dengan relatif banyaknya air, maka
2010 FMIPA Universitas Lampung
101
P. L. Gareso dkk… Reaktor Biogas Sampah Organik
proses perkembang biakan bakteri lebih mudah karena air yang berfungsi sebagai medium dapat membantu terbentuknya gas metana. Gambar 1 memperlihatkan grafik konsentrasi (%) kandungan gas terhadap komposisi bahan yang diperoleh berdasarkan pada Tabel 1. Seperti yang diamati pada grafik ini, nampak sangat jelas bahwa untuk kandungan gas CO mengalami penurunan yang relatif signifikan dalam konsentrasi dari 33% pada komposisi 12:0 menjadi 0,6 % pada komposisi 6:12. Sebaliknya pada gas metana hal ini memperlihatkan trend peningkatan dari 0% menjadi 55%. Hasil ini menunjukkan bahwa pembentukan gas CO lebih optimal pada komposisi tersebut dibandingkan dengan metana sehingga pada uji nyala tidak nampak terbentuknya pembakaran saat gas bio dinyalakan.
Gambar 1. Grafik perbandingan komposisi bahan (liter) terhadap konsentrasi gas CH4, CO dan H2S. Ada beberapa faktor yang dapat menyebabkan proses pembentukan gas metana dalam reaktor tidak terbentuk. pH, suhu dalam reaktor, ratio C/N dan nutrisi, merupakan faktor yang cukup menentukan untuk pembentukan gas metana. Studi sebelum-nya telah melaporkan bahwa nilai pH dan suhu yang optimal berkisar pada 7,2-7,5 dan 35-40oC. Pada kisaran ini bakteri anaerob dapat hidup dan berkembang dengan optimal. Bila nilai ini dibandingkan dengan hasil yang diperoleh pada penelitian sebelumnya9) terlihat bahwa pH optimal yang diperoleh sedikit lebih besar dengan studi tersebut yakni berkisar 1, sedangkan untuk suhu optimal berada pada range yang telah ditetapkan, yakni pada suhu 36oC. Nilai perbedan pH (sekitar 1) yang diperoleh dari penelitian ini, tidak mempengaruhi secara signifikan pembentukan gas metana. Tabel 2. pH dan suhu yang terukur untuk masing-masing komposisi bahan dan air.
No. 1 2 3 4 5
Perbandingan Volume sampah dan air (ltr) 12 : 0 12 : 1 12 : 2 9:3 6 : 12
pH
Suhu (°C)
6,2 5,8 5,4 6,3 7,5
29 30 32 33 36
Selanjutnya apabila ditelaah lebih jauh lagi mengenai hasil yang didapat (lihat Tabel 2) untuk keempat komposisi, nilai pH dan suhu reaktor lebih rendah bila dibandingkan dengan hasil studi sebelumnya.
102
2010 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2010, Vol. 16, No. 2
Kondisi dari keempat komposisi ini tidak mendukung sebagai syarat terbentuknya gas metana. Hasil yang diperoleh ini juga sesuai dengan uji nyala yang dilakukan. Dalam uji ini, terlihat bahwa empat komposisi yang diperlihatkan dalam tabel yang pH dan suhu tidak berada dalam nilai optimal, tidak terbakar saat dilakukan test. Akan tetapi, untuk komposisi 6:12 dengan dengan pH =7.5 dan suhu 36oC, gas bio yang dihasilkan dapat dengan mudah terbakar (lihat Tabel 3). Tabel 3. Hasil uji nyala
No.
Vol sampah : air (ltr)
1
12 : 0
√
0
2 3 4 5
12 : 1 12 : 2 9:3 6 : 12
√ √ √
0 0 0 28
Terbakar Tidak
Ya
√
Durasi (menit)
Untuk pengujian nisbah C/N, dalam penelitian ini tidak dilakukan penghitungan dikarenakan keterbatasan peralatan yang digunakan untuk identifikasi gas lainnya seperti Oksigen dan Nitrogen. Akan tetapi hasil yang diperoleh sudah menunjukkan adanya konfirmasi tentang nilai optimal untuk pH dan suhu reaktor yang sesuai dengan hasil penelitian sebelumnya.
4. KESIMPULAN Disain sederhana reaktor biogas sampah organik untuk menghasilkan gas metana (CH4) telah dilakukan. Hasil identifikasi gas menunjukkan bahwa komposisi bahan sampah organik dan air (6:12) menghasilkan gas metana (CH4) sekitar 55%. Sedangkan untuk 4 komposisi lainnya hanya memproduksi gas H2S dan CO. Suhu dan pH optimal dalam reaktor berada pada 36oC dan 7.6. Berdasarkan uji nyala, gas metana dapat dibakar selama 28 menit dengan volume 0,032 m3.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan rasa penghargaan yang tinggi kepada Pendidikan Tinggi (DIKTI)-DP2M yang atas dukungan dana pada penelitian Biogas dengan bahan baku sampah-organik
DAFTAR PUSTAKA 1.
Demirbas, A. 2006. Biogas production from the organic fraction of municipal solid waste. Energ. Sourc. Part A: Recov., Utiliz., Environmen. Effects, 28 (12), 1127 – 1134.
2.
Lastella, G., Testa, C., Cornacchia, G., Notornicola, M., Voltasio, F. and Sharma, V.K. 2002. Anaerobic digestion of semi-solid organic waste: biogas production and its purification. Energy Conv. Manage., 43 (1), 63-75.
3.
Forst, C. 2002, Biogas digester horizontal, Echo Appropriate Technologi, USA.
4.
Gerardy, M.H. 2003. The microbiology of anaerobic digesters, John Wiley and Sons, Inc, New Jersey.
5.
Hermawan, B., Qadariah, L., Candrarini, P. dan Putra, S.E. 2008. Sampah organik sebagai bahan baku
2010 FMIPA Universitas Lampung
103
P. L. Gareso dkk… Reaktor Biogas Sampah Organik
biogas. Available from:http://www.chem-is-try.org/?sect=fokus&ext=31. Diakses 4 Februari 2008. 6.
Wahyuni, S. 2009. Biogas. Penebar Swadaya, 96 hal.
7.
Sahlström, L. 2003. A review of survival of pathogenic bacteria in organic waste used in biogas plants. Bioresour. Technol., 87 (2), 161-166.
8.
Van Herle, J., Membres, Y. and Bucheli, O. 2004. Biogas as a fuel source for SOFC co-generators. J. Power Sourc., 127 (1-2), 300-312.
9.
Hanton, S.L., Chatre, L., Renna, L., Matheson, L.A. and Brandizzi, F. 2007. De novo formation of plant endoplasmic reticulum export sites is membrane cargo-induced and signal-mediated. Plant Physiol., 143, 1640–1650.
104
2010 FMIPA Universitas Lampung
