SEMINAR TUGAS AKHIR KAJIAN PEMAKAIAN SAMPAH ORGANIK RUMAH TANGGA UNTUK MASYARAKAT BERPENGHASILAN RENDAH SEBAGAI BAHAN BAKU PEMBUATAN BIOGAS Oleh : Selly Meidiansari 3308.100.076
Dosen Pembimbing : Ir. Eddy S. Soedjono Dipl.SE., MSc., PhD
JURUSAN TEKNIK LINGKUNGAN –FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER – SURABAYA 2012
Latar Belakang Indonesia sebanyak lebih dari 31 juta jiwa berpenghasilan rendah Sebagian besar penduduk di Indonesia masih mengandalkan sektor pertanian dan peternakan untuk menggerakkan roda perekonomian Selama ini kotoran sapi dan sampah organik rumah tangga belum dimanfaatkan secara maksimal Pembuatan biodigester merupakan salah satu solusi untuk mengatasi kesulitan masyarakat di bidang ekonomi Penggunaan sistem reaktor biogas memiliki keuntungan yaitu mengurangi efek gas rumah kaca Pemanfaatan limbah dengan cara seperti ini secara ekonomi akan sangat kompetitif seiring naiknya harga bahan bakar minyak dan pupuk anorganik
Rumusan Masalah Kondisi optimum reaktor biogas dengan variasi perbandingan komposisi dan variasi penambahan EM 4 Banyaknya volume biogas yang dihasilkan dari sampah organik rumah tangga yang dapat menghasilkan biogas Berapa COD removal yang terjadi saat dalam reaktor
Tujuan Menganalisis potensi biogas yang berasal dari sampah oganik rumah tangga Menentukan kondisi optimum proses pembentukan biogas dengan perbandingan komposisi sampah sisa makanan dengan kotoran sapi dan variasi penambahan EM 4 Menentukan COD removal dalam reaktor
Ruang Lingkup Penelitian dilakukan di laboratorium jurusan Teknik Lingkungan ITS Surabaya dengan sistem batch Sampel sampah yang digunakan adalah sampah organik rumah tangga berupa sampah sisa makanan yang berasal dari depotdepot makan daerah Gebang dan Keputih, Surabaya
Manfaat Memberi pengetahuan kepada masyarakat tentang potensi dari sampah organik rumah tangga dan kotoran sapi sebagai penghasil biogas Memberikan alternatif pemenuhan kebutuhan energi untuk kegiatan memasak sehari-hari
Tinjauan Pustaka • Komposisi biogas • Faktor-faktor yang mempengaruhi biogas • Perhitungan produksi biogas
Karakteristik & Komposisi Biogas Komposisi utama biogas : Unsur
Komposisi
Metan (CH4)
55-75 %
Karbon dioksida (CO2)
30-45 %
Hidrogen Sulfida (H2S)
1-2 %
Nitrogen (N2)
0-1 %
Hidrogen (H2)
0-1 %
(Igoni, et al, 2008)
Faktor yang mempengaruhi pembentukan biogas • • • • • • • •
Bahan baku Rasio karbon dan nitrogen (C/N) Temperatur pH Kebutuhan nutrisi NH4 Pengadukan Zat racun (toxic) Starter
(Lazuardy, 2008)
Perhitungan Produksi Biogas • Perhitungan roduksi biogas dengan penurunan COD selama proses fermentasi Penurunan COD = produksi metana COD metana : jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi metana menjadi karbon dioksida dan air CH4 + 2O2 CO2 + H2O Dari reaksi tersebut, COD per mol metana : 2x32 g O2/mol = 64 g O2/mol CH4 Volume metana per mol pada kondisi standar (1 atm) = 22,414 L didapat dengan rumus sebagai berikut :
Con’t P x V = nRT Keterangan :P = tekanan (atm) R = 0,082057 mol*L/mol*K V = volume gas (liter) T = suhu (kelvin) n = berat molekul (mol) Jadi volume CH4 berdasarkan konversi COD dalam reaktor sebesar 22,414/64 = 0,35 liter CH4/gCOD
Mikroorganisme EM 4 • Bioaktivator merupakan mikroorganisme pengurai sampah materi organik yang telah diisolasi dan dioptimasi dan dikemas dalam berbagai bentuk dan terdapat pada keadaan inaktif seperti Effective Microorganism (EM 4) • Mikroorganisme yang terdapat dalam EM 4 terdiri dari beberapa mikroba seperti mikroba selulotik, lubricus (asam laktat) serta sedikit bakteri fotosintesis, Acanomytes, Streptomyces sp. • EM 4 dapat meningkatkan fermentasi limbah dan sampah organik (Sumber : Sulistyawati, dkk. 2008)
Gas Chromatography Mass Spectrometry (GCMS) • GCMS merupakan metode pemisahan senyawa organik yang menggunakan metode analisis senyawa yaitu kromatografi gas (GC) untuk menganalisis jumlah senyawa secara kuantitatif dan spektrometri massa (MS) untuk menganalisis struktur molekul senyawa analit. • Pada metode analisis GCMS adalah dengan membaca spektra yang terdapat pada kedua metode yang digabung tersebut • Pada spektra GC jika terdapat bahwa dari sampel mengandung banyak senyawa, terlihat dari banyaknya puncak (peak) dalm spektra tersebut. • Berdasarkan data waktu retensi yang sudah diketahui dari literatur bisa diketahui senyawa apa saja yang ada didalam sampel
Metode Penelitian
Persiapan Penelitian
Tahapan Penelitian Sampah makanan : kotoran sapi 70 : 30
Batch 1
Sampah makanan : kotoran sapi 50 : 50
Sampah makanan : kotoran sapi 30 : 70
Batch 2 (30 : 70) + EM 4 7 ml
Gambar Reaktor
Keterangan : 1. Ember 2. Jerigen+feed 3. Gelas Ukur 4. Selang
Karakteristik Awal Sampah Sisa Makanan Parameter
Nilai
COD (mg/l)
201.600
pH
5,95
TS (gr)
2,52
VS (gr)
2,47
Karakteristik Awal Kotoran sapi Parameter
Nilai
COD (mg/l)
134.400
pH
6,23
TS (gr)
1,80
VS (gr)
1,11
Grafik Laju Pembentukan Biogas • Laju Pembentukan biogas maksimum terjadi di Reaktor A3 dengan perbandingan komposisi sampah makanan dan kotoran sapi 30 : 70 dengan pencapaian volume biogas rata-rata 1074,28 L/hari • Reaktor A2 dengan perbandingan komposisi sampah makanan dan kotoran sapi memiliki laju pembentukan biogas paling sedikit dengan rata-rata 638,57 L • Pada Hari ke-21 mayoritas reaktor berhenti menghasilkan biogas.
Grafik Laju Pembentukan Biogas Reaktor A1 • Biogas mulai terbentuk pada hari ke-1 dan mencapai laju pembentukan biogas tertinggi pada hari ke-10 yaitu 1630 ml/hari • Setelah hari ke-3, produksi biogas mulai menurun lalu mengalami peningkatan lagi pada hari ke-10 dengan laju 1630 ml
Grafik Laju Pembentukan Biogas Reaktor A2 • Biogas mulai terbentuk di hari pertama dan puncak laju pembentukan biogas terjadi di hari ke-3 yaitu 2100 ml • Setelah hari ke-4, mulai mengalami penurunan dan mulai menunjukkan fase steady state hingga hari ke-21.
Grafik Laju Pembentukan Biogas Reaktor A3 • Biogas mulai terbentuk pada hari pertama dan mencapai puncak laju pembentukan biogas pada hari ke-3 yaitu 3060 ml. • Setelah hari ke-4, produksi biogas mengalami penurunan kemudian naik turun dan mencapai keadaan steady state pada hari ke-17 yaitu 500 ml.
Grafik Laju Pembentukan Biogas Reaktor KSM • Volume gas tertinggi terletak di minggu pertama yaitu pada hari ke-1 sebesar 2350 ml • Volume gas mengalami penurunan yang cukup drastis pada hari ke-6 dan mengalami kenaikan hingga hari ke-9 . Produksi gas berhenti pada hari ke- 20
Grafik Laju Pembentukan Biogas Reaktor KKS • Volume gas tertinggi pada reaktor KKS terletak di minggu pertama yaitu hari ke-1 sebesar 810 ml dan mengalami penurunan produksi gas yang cukup drastis pada hari ke-8.
Analisa Kadar COD Awal dan Akhir Tiap Reaktor Reaktor
COD Awal (mg/l)
COD Akhir (mg/l)
Selisih
% Removal
A1
268.800
134.400
134.400
50
A2
313.600
179.200
134.400
42,86
A3
403.200
112.000
291.200
72,22
KSM
201.600
89.600
112.000
55,56
KKS
134.400
98.560
35.840
26,67
% removal COD terbesar terjadi pada Reaktor A3 (30:70) sebesar 72,22%. Sedangkan yang terkecil terjadi pada reaktor KKS (kontrol kotoran sapi) sebesar 26,67%. Perbedaan besarnya nilai penurunan bahan organik pada tiap reaktor dipengaruhi oleh kondisi mikroorganisme pengurai pada tiap reaktor dan kondisi lingkungan yang mempengaruhi proses
Analisa Parameter pH Reaktor
pH awal
pH akhir
A1
5,28
4,96
A2
5,12
4,66
A3
6,01
4,93
KSM
5,95
3,57
KKS
6,23
5,41
• pH awal pada masing-masing perbandingan komposisi masih dibawah pH optimum. Kondisi seperti ini berpengaruh terhadap rendahnya kandungan metana didalam biogas yang dihasilkan. • Penambahan alkali NaOH sampai pH mendekati netral. • Peningkatan pH optimal akan memacu proses pembusukan sehingga meningkatkan efektifitas kerja mikroba dan berdampak pada peningkatan produksi biogas.
Analisa Parameter Temperatur Reaktor
Temperatur Awal
Temperatur Akhir
A1
27
33
A2
26
33
A3
26
33
KSM
27
32
KTS
27
33
• Temperatur awal di kelima reaktor berada di rentang 250C-270C, sedangkan temperatur di akhir penelitian berkisar antara 32-330C. • Temperatur ini masih kurang dibandingkan dengan temperatur kerja optimum untuk proses biogas yaitu 350C • Suhu dalam substrat berpengaruh meningkatkan produksi biogas.
Analisa Parameter TS Reaktor
TS awal (gram)
TS akhir (gram)
selisih
% removal
A1
1,61
0,86
0,76
46,95
A2
3,15
0,51
2,65
83,97
A3
2,16
0,57
1,59
73,44
KSM
2,52
0,79
1,73
68,78
KTS
1,80
0,82
0,98
54,58
• Terjadi penurunan TS di semua reaktor. Rata-rata penurunan TS sebesar 65,54%. Penurunan terbesar terjadi pada Reaktor A2 (50:50) sebesar 83,97%. Sedangkan penurunan terkecil terjadi pada Reaktor A1 (70:30) sebesar 46,95%. • Semakin besar penurunan nilai TS menunjukkan bahwa proses degradasi yang semakin besar terjadi pada reaktor.
Analisa Parameter VS Reaktor
VS awal (gram)
VS akhir (gram)
A1
1,24
0,99
0,26
20,65
A2
2,14
0,38
1,76
82,18
A3
1,93
1,28
0,65
33,74
KSM
2,47
1,22
1,25
50,66
KKS
1,11
0,55
0,56
50,46
selisih
% removal
• Terjadi penurunan nilai VS di semua reaktor. Rata-rata penurunan nilai VS sebesar 47,54%. Penurunan terbesar terjadi pada Reaktor A2 (50 : 50) yaitu 82,18%. Sedangkan penurunan terkecil terjadi pada Reaktor A1 (70 : 30) yaitu 20,65%. • Penurunan nilai VS terjadi akibat adanya proses biodegradasi sampah organik oleh mikroorganisme, baik yang berasal dari sampah itu sendiri maupun yang berasal dari kotoran sapi (biostarter).
Perhitungan Produksi Gas Secara Teoritis Reaktor
Nilai CH4 (L CH4/g COD)
A1
0,388
A2
0,387
A3
0,387
KSM
0,387
KKS
0,388
• Volume total biogas bila dihitung secara teoritis nilainya sangat jauh bila dibandingkan dengan volume total biogas dari hasil reaktor yang ada di lapangan. • Hal ini disebabkan karena selama proses anaerobik, suhu dalam reaktor tidak berada pada kisaran suhu optimum untuk pembentukan biogas. Suhu dalam reaktor berkisar antara 25-300C, sedangkan suhu optimum pembentukan biogas adalah antara 35370C.
Analisa Gas dengan Gas Chromatography Mass Spectrometry (GCMS) Metana Ammonia Gas-gas lain
: 82,85% : 4,10% : 13,05%
Laju Produksi Biogas (Batch II)
Pada hari pertama produksi gas sudah mulai terlihat yaitu sebesar 1800 ml hingga hari kelima Reaktor B1 memproduksi gas paling tinggi yaitu sebesar 2250 ml. Namun pada hari ke-15 hingga hari ke-21 reaktor B1 tidak memproduksi gas.
Analisa Parameter COD & pH pada Batch II COD Reaktor B1
COD Awal (mg/l)
COD Akhir (mg/l)
448.000
120.960
Selisih
% Removal
327.040
73
pH Reaktor
pH awal
pH akhir
B1
6,10
4,58
Analisa Parameter Temperatur, TS & VS Total Solid (TS) Reaktor
TS awal (gram)
TS akhir (gram)
selisih
% removal
B1
2,02
0,66
1,36
67,29
Temperatur Reaktor
Temperatur Awal
Temperatur Akhir
B1
27
34
Volatile Solid (VS) Reaktor
VS awal (gram)
VS akhir (gram)
selisih
% removal
B1
1,79
0,97
0,82
45,73
Perhitungan Produksi Gas Secara Teoritis • • • • • •
COD awal = 448.000 mg/l COD akhir = 120.960 mg/l Removal = 327.040 mg/l Suhu rata-rata = 30,50C Volume gas per mol pada Reaktor A1 : V = (1 mol) x (0,082057 L/molK) x (273,15+30,5) / 1 atm = 24,92 liter • CH4 berdasar konversi COD dalam reaktor anaerobik A1 sebesar 24,92/64 = 0,389 L CH4/g COD.
Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Volume biogas optimal terjadi pada reaktor A3 dengan perbandingan komposisi 30 : 70 yaitu menghasilkan biogas sebesar 21,170 L Penambahan kotoran sapi sebagai starter mempengaruhi pembentukan biogas Waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan biogas antara 10-21 hari % COD removal teerbesar terjadi pada Reaktor A3 yaitu 72,22% Biogas yang dihasilkan masih sedikit dikarenakan penelitian ini menggunakan sistem batch • Hasil penelitian batch II yaitu dengan penambahan EM4 pada reaktor A3 yaitu dengan perbandingan komposisi antara sampah sisa makanan dan tinja sapi 30:70 kurang berpotensi dalam memproduksi biogas
Con’t Saran • Sampah sisa makanan cukup berpotensi menghasilkan biogas namun perlu penelitian lebih lanjut sampah sisa makanan jenis apa yang bisa menghasilkan banyak gas metan. • Penambahan EM4 kurang efektif sebagai substrat dalam biogas. Sebaiknya menggunakan kotoran sapi sebagai starter
SEKIAN & TERIMA KASIH
