TINJAUAN PUSTAKA
2.4 PEMILIHAN PROSES DIGESTASI ANAEROBIK DUA TAHAP
Proses dekomposisi bahan organik dengan sistem anaerobik akan dihasilkan biogas yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi substitusi (bukan sumber energi alternatif) dan dapat digunakan untuk menunjang energi dari sistem pengolahan limbah
15
itu sendiri. Pada sistem anaerobik ini terdapat dua kelompok besar mikroorganisme yang bekerja yaitu bakteri pembentuk asam dan bakteri pembentuk metan. Kedua bakteri ini
memiliki kemampuan duplikasi yang sangat berbeda dan sangat kontradiksi. Dengan
menggunakan sistem anaerobik, permasalahan ini dapat diatasi karena sistem ini mempunyai kemampuan penyangga pH (buffer) terhadap tingkat keasaman dengan adanya alkalinitas sebagai reaksi adanya komponen bikarbonat dan hidroksida dalam reaktor [32].
Pembentukan biogas lebih besar pada proses fermentasi 2 tahap disebabkan karena adanya proses hidrolisa terlebih dahulu yang merupakan proses degradasi senyawa kompleks yaitu polisakarida menjadi senyawa yang lebih sederhana yaitu disakarida dan monosakarida sehingga akan mempermudah proses pembentukan asam oleh bakteri asetogenik dan juga proses pembentukan metan oleh bakteri metanogenesis. Proses tersebut tidak akan dijumpai pada fermentasi 1 tahap, sehingga akan terjadi pembentukan asam yang terlalu cepat. Pembentukan asam yang terlalu cepat ini menyebabkan banyaknya bakteri metanogenesis yang mati karena tidak tahan dengan suasana asam [36]. Proses digestasi anaerobik dua tahap dapat digambarkan sebagai berikut:
16
Pengembangan reaktor tingkat tinggi didasarkan pada imobilisasi dari biomassa dalam sistem pengolahan air limbah yang meningkatkan tingkat degradasi sistem pengolahan anaerobik dengan mengurangi waktu retensi. Kelemahan dari sistem ini adalah bahwa sistem biasanya cocok untuk aliran air limbah encer, yang mengandung sekitar 3% total suspensi padatan dengan ukuran partikel kurang dari 0,75 mm. Ini berarti bahwa substrat dengan kandungan padatan tinggi harus dilarutkan sebelum dapat diperkenalkan ke sistem tingkat tinggi ini. Oleh karena itu, sistem dua fasa yang diperlukan dalam rangka untuk mencapai pencernaan yang cepat dan operasi lebih stabil dan kapasitas beban organik yang lebih tinggi. Namun, hanya ada pemeriksaan yang sangat sedikit pada penerapan substrat dengan kandungan total padatan yang tinggi dalam proses dua tahap [22].
2.4.1 Parameter Digestasi Anaerobik
Keberhasilan dari proses digestasi anaerobik tergantung dari beberapa parameter. Pertumbuhan dan aktivitas mikroorganisme anaerobik sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan seperti :
a) Temperatur b) Nilai pH c) Nutrisi
d) Kecepatan pengadukan
e) Hydraulic Retention Time (HRT) f) Alkalinitas
2.4.1.1 Temperatur
Bagian yang dominan dari bakteri metana yaitu memiliki suhu optimum dalam berbagai temperatur mesofilik sekitar 30°C hingga 40°C. Sebagian besar (85%) dari pabrik biogas di Jerman dioperasikan pada rentang suhu ini yang dapat mengatasi temperatur variasi ± 3 K tanpa efek negatif yang besar. Pengoperasian pabrik pada dasarnya lebih sensitif dalam kisaran termofilik (50°C hingga 57°C). Di sini, variasi suhu harus dibatasi sampai ± 1 K seperti dalam kasus variasi beberapa derajat penurunan
17
drastis dari tingkat konversi dan dengan demikian diharapkan produksi biogas dapat terbentuk.
Jika tingkat aliran tinggi yang digunakan dan substrat yang digunakan adalah biowastes, maka proses termofilik akan menjadi keuntungan. Proses termofilik mencapai kecepatan dekomposisi lebih tinggi, produksi gas lebih tinggi dan lebih stabil untuk sejumlah beban. Operasi mesofilik dan operasi termofilik berbeda dalam hal adaptasi bakteri untuk suhu lingkungan dan tidak boleh cepat berubah [25].
2.4.1.2 Nilai pH
Pada pH dikendalikan, biogas yang terbentuk adalah lebih besar daripada pH yang tidak terkendali. Pengaruh perubahan pH sangat sensitif terhadap proses fermentasi yang dilakukan oleh aktivitas bakteri. Oleh karena itu, kontrol pH adalah parameter penting untuk aplikasi produksi biogas. Penurunan pH disebabkan oleh bakteri asidogenesis yang menghasilkan asetat, gas hidrogen, karbon dioksida, dan beberapa lainnya VFA seperti asam propionat dan butirat. Nilai pH yang rendah menghambat aktivitas mikroorganisme yang terlibat dalam produksi biogas terutama bakteri metanogen.
Kondisi pH rendah disebabkan oleh dua sumber keasaman (H2CO3 dan VFA),
yang dihasilkan oleh aktivitas bakteri. Asam ini diperlukan alkalinitas untuk netralisasi sehingga aktivitas bakteri tidak terganggu dengan penurunan pH. Natrium karbonat (Na2CO3) dapat meningkatkan alkalinitas atau penyangga kapasitas fermentasi untuk
mengontrol pH substrat. Hubungan yang sempurna antara tahap asidogenesis dan metanogenesis adalah saat pH tetap pada 7,0 dan tidak ada peningkatan drastis dalam keasaman atau alkalinitas [37].
2.4.1.3 Nutrisi
Substrat untuk produksi bisa berupa kotoran cair dari sapi, babi dan unggas digunakan sebagai substrat dasar untuk banyak pabrik biogas karena mereka mudah untuk ditangani dan dapat dipompa. Selain itu, pupuk cair merupakan substrat yang ideal karena zat biokimia. Pupuk cair memiliki kapasitas buffer yang tinggi, mengandung
18
mikronutrien yang cukup dan tersedia populasi bakteri yang diperlukan untuk fermentasi anaerobik [25]. Tabel 2.5 berikut merupakan kebutuhan nutrisi mikroba dalam fermentasi.
Tabel 2.5 Kebutuhan Nutrisi Mikroba [38].
Bahan Jumlah Kebutuhan
(mg/gr asetat) NH4-N 3.3 PO4-P 0.1 S 0.33 Ca 0.13 Mg 0.018 Fe 0.023 Ni 0.004 Co 0.003 Zn 0.02 2.4.1.4 Kecepatan pengadukan
Kecepatan upflow yang lebih tinggi berpengaruh terhadap pengadukan dalam reaktor sehingga mikroorganisme dan substrat dapat bercampur dengan lebih baik dan memudahkan mikroorganisme dalam mendegradasi zat organik. Kecepatan upflow yang tinggi memberikan kontak yang baik antara substrat dan biomassa yang menyebabkan peningkatan efisiensi penyisihan dalam reaktor. Menurunkan kecepatan upflow dapat mengurangi pencampuran dalam reaktor dan karenanya yang mengganggu kontak antara substrat dan biomassa [39].
2.4.1.5 Hydraulic Retention Time (HRT)
Kebanyakan sistem anaerob dirancang untuk mempertahankan limbah agar tetap jumlahnya setiap harinya. Jumlah hari bahan tetap dalam tangki disebut Hydraulic Retention Time (HRT). HRT sama dengan volume tangki dibagi dengan aliran harian (HRT = V / Q). HRT penting karena menetapkan jumlah waktu yang tersedia untuk pertumbuhan bakteri dan konversi berikutnya dari bahan organik ke gas [40].
Waktu retensi hidrolik (HRT) adalah parameter penting untuk digestasi anaerobik. Untuk reaktor (CSTR), HRT tidak hanya parameter operasional yang baik
19
yang mudah untuk mengontrol, tetapi juga waktu makro-konseptual untuk bahan organik untuk tinggal di reaktor. Dalam rekayasa bio-reaksi, kebalikan dari HRT didefinisikan sebagai tingkat pengenceran, yang jika lebih besar dari laju pertumbuhan sel-sel mikroba dalam reaktor, mikroba akan dicuci, dan sebaliknya mikroba akan terakumulasi dalam reaktor. Salah satu dari situasi ini dapat mengakibatkan kerusakan biologis dalam reaktor [41].
2.4.1.6 Alkalinitas
Alkalinitas dalam air limbah dapat dihasilkan dari keberadaan senyawa hidroksida dan karbonat dari kalsium, magnesium, natrium, kalium atau ammonia memegang peranan penting dalam proses pengkontrolan pH. Tingginya nilai alkalinitas cairan dalam sistem digestasi anaerobik diperlukan untuk meningkatkan kemampuan netralisasi terhadap asam lemak volatil yang dihasilkan untuk mencegah terjadinya penurunan pH drastis yang dapat bersifat menghambat aktivitas metanogen. Jika alkalinitas tidak tersedia cukup dalam substrat, maka dapat dilakukan pengurangan laju pembebanan organik atau penambahan bahan kimia. Penambahan senyawa kimia seperti Ca(OH)2 dan Na2CO3 dapat dilakukan untuk meningkatkan nilai pH dan alkalinitas
larutan perlu dilakukan pada substrat dengan kadar alkalinitas di bawah 1000 mg/L CaCO3. Peningkatan nilai alkalinitas akan menghasilkan peningkatan laju metanogenesis
yang selanjutnya berakibat pada perbaikan dalam reduksi COD [42].