3. 1. KERANGKA PEMIKIRAN
Ide dasar penelitian ini adalah untuk mengembangkan suatu teknik pengolahan limbah pertanian, yaitu suatu sistem pengolahan limbah pertanian yang sederhana, mudah dan murah dalam konstruksi dan operasinya, tetapi tetap dapat digunakan untuk mencapai tujuan pengolahan limbah pertanian. Adanya permasalahan pertanian dan permasalahan energi diperlukan suatu teknik pengolahan limbah pertanian yang dapat menghasilkan ketahanan pangan dan energi. Pertimbangan pemilihan sistem fermentasi media padat adalah melimpahnya limbah biomassa pertanian, kandungan bahan organik yang tinggi dan kandungan unsur hara esensial bagi tanaman.
Fermentasi media padat merupakan suatu teknologi pengolahan limbah pertanian yang dapat memenuhi tuntutan tersebut. Akan tetapi, untuk dapat menerapkan sistem fermentasi media padat secara efektif dan efisien masih diperlukan adanya desain dan operasi yang disesuaikan dengan karakteristik limbah pertanian yang akan diolah. Desain dan operasi diarahkan untuk merombak bahan organik dan untuk menghasilkan biogas, kompos serta pupuk cair, oleh karena itu faktor- faktor berikut akan dikaji dalam penelitian ini: sumber bahan organik, perlakuan pendahuluan (aerasi dan non aerasi) serta rasio penambahan umpan.
3. 2. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik dan Manajemen Lingkungan Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Bogor. Penelitian ini dilakukan pada bulan Maret 2010 sampai Januari 2011.
3. 3. ALAT DAN BAHAN
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu reaktor anaerobik skala laboratorium volume 1.5 (bahan botol plastik) dan 10 l yang berbahan flexiglass dengan pirantinya, kompressor, dan peralatan untuk analisis parameter yang diuji seperti COD analyzer, kjeldahl apparatus, pH meter, spektrofotometer, pompa peristaltik, dan alat-alat gelas lainnya.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah jerami dan sampah organik yang diambil dari salah satu pasar tradisional di kota Bogor. Jerami dikecilkan ukuranya (dicacah) hingga ± 2 cm. Sampah yang digunakan adalah sampah buatan dengan komposisi sebagai berikut : daun pisang 7.5%, kulit jagung 24.2%, pare 14.8%, kol 19.9%, saisin 6.2%, kangkung 8.0%, sawi 8.0%, dan wortel 11.5% (b/b). Selain itu jenis sampah kulit pisang, kulit nanas, dan kol juga digunakan dalam penelitian pendahuluan. Kotoran sapi segar digunakan sebagai bahan inokulum fermentasi anaerobik yang diambil dari Fakultas Peternakan IPB. Bahan- bahan kimia untuk analisis yang digunakan adalah H2SO4 0.02N, NaOH 6N, Asam Borat 2%, CuSO4.5H2O, K2SO4, H2SO4 pekat, larutan PO4 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mg/l, larutan amonium molibdat, larutan SnCl2, larutan kalium dikromat (K2Cr2O7) 0.0167 M, reagen H2SO4, larutan FAS (ferro ammonium sulfat) 0.1 M, indikator ferroin, dan aquades.
3. 4. TAHAPAN PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan melalui tujuh tahapan.
3.4.1. Karakterisasi Jerami Padi dan Sampah Pasar
Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui nilai rata-rata dan variasi komposisi bahan, meliputi parameter: kadar air, padatan total, padatan bahan organik, makronutrien, dan mikronutrien untuk setiap jenis biomasa. Prosedur analisis disajikan pada Lampiran 1.
3.4.2. Uji Potensi Produksi Biogas
Uji potensi biogas merupakan proses pengecekan produksi biogas sampah pasar organik dan jerami dengan fermentasi media padat dalam skala kecil. Uji ini dilakukan di dalam botol bekas kemasan air mineral 1.5 l, sedangkan bobot bahan yang digunakan 500 g (jerami) dan 600 g (sampah) dengan kadar air mencapai ± 70%. Bahan yang digunakan dalam uji potensi biogas ini adalah beberapa macam sampah yang berbeda, diantaranya kulit pisang, kulit nanas, kol, dan sampah organik dari 2 pasar yang berbeda serta jerami (segar dan busuk). Pada awalnya bahan dirajang sampai ukuran 2-5 cm, kemudian di masukan kedalam botol bekas kemasan air mineral dan dikondisikan dalam keadaan anaerob. Reaktor untuk uji potensi biogas dan uji pengaruh suhu reaktor disajikan pada Gambar 8.
Gambar 8. Reaktor uji potensi biogas dan pengaruh suhu reaktor
3.4.3. Kajian Pengaruh Suhu Reaktor
Hasil dari uji potensi biogas dilanjutkan dengan uji pengaruh suhu reaktor. Proses ini dilakukan pada suhu konstan 32oC. Biogas yang terbentuk disalurkan ke dalam gelas ukur yang diletakkan terbalik berisi air penuh, sehingga jumlah biogas yang terbentuk adalah jumlah ruang udara yang terdapat di dalam gelas ukur tersebut. Proses ini dihentikan sampai bahan tidak menghasilkan biogas lagi. Analisis yang dilakukan
meliputi perhitungan jumlah biogas yang terbentuk, karakterisasi bahan awal, karakterisasi kompos dan lindi. Diagram alir uji pengaruh suhu reaktor disajikan pada Gambar 9.
Gambar 9. Diagram alir uji pengaruh suhu reaktor
3.4.4. Desain dan Konstruksi Reaktor
Reaktor fermentasi skala laboratorium dibuat dari bahan flexi glass (10 l). Reaktor ini dilengkapi dengan asesoris yang meliputi termostat, aerator, penampung lindi dan pengukur volume biogas. Desain reaktor dapat dilihat pada Gambar 10. Adapun spesifikasi reaktor yang digunakan adalah volume 10 l, suhu 35oC, dan resirkulasi air lindi dilakukan tiap hari secara manual.
Bahan organik
Bahan baku 500-600 g
Biogas Kompos dan
pupuk cair Fermentasi media padat
suhu 32oC, selama 17 hari Pengecilan ukuran
sampai 2-5 cm
Pengukuran jumlah biogas yang terbentuk
Analisis : kadar air, kadar abu, TS, TVS, pH, COD, N, P
Gambar 10. Desain reaktor skala 10 l (Modifikasi : Kusch et al, 2008)
Gambar 10 memperlihatkan bahwa reaktor biogas yang digunakan terdiri atas tiga bagian yaitu: Bagian penampung biogas (A), Reaktor anaerobik (B), dan Bagian penampung cairan lindi (C). Bahan baku (limbah jerami padi dan sampah) akan difermentasikan di dalam bagian reaktor anaerobik (B) yang dilengkapi dengan pemanas (heater) dan pengatur suhu (thermostat), guna menjaga suhu pada kisaran 35-40 0C (mesofilik). Pada proses fermentasi bahan akan dihasilkan biogas yang akan mengalir ke atas melalui pipa menuju tempat penampungan biogas (bagian A). Lindi yang dihasilkan dari proses fermentasi akan dikumpulkan di bagian C dan akan disirkulasi kembali ke bagian B secara manual melalui pipa sirkulasi lindi. Pada bagian B ditambahkan blower untuk uji pengaruh aerasi.
3.4.5. Kajian Perlakuan Pendahuluan Aerasi
Pada tahapan ini dilakukan kajian untuk mengetahui pengaruh aerasi terhadap kinerja fermentasi untuk menghasilkan biogas. Laju oksigen yang digunakan adalah 160 l/jam selama 48 jam. Pada kajian ini akan diketahui pengaruh penambahan udara terhadap penurunan kandungan bahan organik dan peningkatan laju pembentukan biogas.
3.4.6. Pengaruh Bahan Organik dan Rasio Penambahan Umpan
Pada reaktor dilakukan proses fermentasi dengan bahan baku jerami dan sampah pasar. Setelah mencapai kondisi yang stabil dalam volume biogas, dilakukan penambahan umpan bahan organik dengan dua rasio, yaitu 50 dan 75 persen tambahan bahan organik. Pada proses fermentasi terjadi proses perombakan bahan organik. Pada tahapan ini akan dianalisis beberapa parameter penting yaitu analisis bahan organik sebagai COD, TS, VS, pH, suhu, dan TKN. Semua analisis laboratorium dilakukan sesuai dengan Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2005) dan Official Methods of Analysis of The Association of Analytical Chemist (AOAC, 1995). Kinerja proses fermentasi diukur juga dari kuantitas produk maupun kualitas hasil samping yang diperoleh.
Karakterisasi kompos dan pupuk cair yang dihasilkan mencakup parameter Total N, Nisbah C/N, P2O5, K2O, pH, kadar air dan padatan volatil.
Prosedur analisis disajikan pada Lampiran 1. Dari hasil fermentasi akan dilakukan uji kinetika pembentukan biogas dengan membandingkan hasil eksperimen dengan persamaan model yang ada pada persamaan 2.
Diagram alir penelitian utama disajikan pada Gambar 11.
Pengecilan ukuran ± 2-5 cm BAHAN BAKU (Sampah pasar &
Jerami)
Penimbangan (2.5 kg Sampah
& 1 kg Jerami)
Fermentasi Media Padat pada suhu 35-40oC selama
30-40 hari Sampah (+Kotoran sapi
277 g, Jerami (+kotoran sapi 350 g & air 3000 g)
Pengukuran TS-VS bahan, COD bahan &
lindi, pH bahan&lindi setiap 2 hari sekali
BIOGAS KOMPOS &
PUPUK CAIR
Pengukuran volume gas yang terbentuk
Kompos yang terbentuk dijadikan starter dengan penambahan umpan baru dengan perbandingan 50:50
dan 25:75
Fermentasi Media Padat pada suhu 35-40oC selama
30-40 hari
Pengukuran TS-VS bahan, COD bahan &
lindi, pH bahan&lindi setiap 2 hari sekali
BIOGAS KOMPOS &
PUPUK CAIR
Pengukuran volume gas yang terbentuk
Analisis : kadar air, kadar abu, TS, VS,
pH, COD, N, P
Analisis : kadar air, kadar abu, TS, VS,
pH, COD, N, P
Gambar 11. Diagram alir penelitian utama
3.4.7. Analisis Data
Analisis data dilakukan dengan analisis statistik dengan dua kali ulangan untuk parameter laju pembentukan biogas dan laju perombakan bahan organik. Data yang diperoleh adalah mean, standar deviasi, laju pembentukan dan perombakan bahan organik. Data yang diperoleh digunakan untuk menentukan kinerja proses fermentasi terbaik dalam pembentukan biogas dan perombakan bahan organik. Analisis data dilakukan dengan analisis deskriptif untuk parameter laju pembentukan biogas dan laju perombakan bahan organik. Data yang diperoleh digunakan untuk menentukan kinerja fermentasi terbaik dalam pembentukan biogas.
Pada penelitian pengaruh aerasi dilakukan analisis dengan menggunakan Anova. Untuk mengetahui perbedaan pengaruh faktor yang dicobakan maka dilakukan uji Jarak Berganda menurut Duncan pada taraf nyata 5%. Model matematika dalam percobaan ini sebagai berikut :
Yij = µ + Ai + ɛij Keterangan :
Yij = Variabel respon/hasil pengamatan
µ = Pengaruh rata-rata sebenarnya (rata-rata umum) A = Pengaruh faktor A taraf ke-i
ɛij = Pengaruh galat faktor A taraf ke-i, dan ulangan ke-j
