PENGARUH HRT DAN BEBAN COD TERHADAP PEMBENTUKAN
GAS METHAN PADA PROSES ANAEROBIC DIGESTION
MENGGUNAKAN LIMBAH PADAT TEPUNG TAPIOKA
Tri Widjaja, Ali Altway
Pritha Prameswarhi, dan Freshnny Sabrina Wattimena
Laboratorium Teknologi Biokimia
Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Telp. (031) 5924448; Fax. : (031) 5999282
e-mail : [email protected]
Abstrak
Penelitian tentang pengolahan anaerobik limbah padat tepung tapioka industri akan dilakukan dengan proses semi batch skala laboratorium pada temperatur mesofilik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh HRT dan beban COD influent terhadap reduksi bahan organik serta pembentukan gas metan.
Digester dioperasikan secara semi batch dengan influent dimasukkan secara bertahap setiap 6 jam sekali dengan flow rate umpan sesuai variabel, HRT 7, 10, dan 14 hari dengan beban COD = 10.000 mg lt-1 Sampel setiap hari diambil dan dianalisa kandungan bahan organik COD dan MLSS serta pada keadaan tertentu apabila sudah terjadi proses metanasi diambil sampel gas disertai dengan nilai Heating Value. Dimana nilai steady state dari setiap variabel diambil sebagai nilai rata-rata dengan deviasi antara nilai yang teramati kurang dari 5%.
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, diperoleh hasil bahwa % reduksi maksimum pada HRT 7, 10, dan 14 adalah 74.87%, 76.03%, dan 82.84%. Sedangkan untuk flow rate Biogas masing – masing sebesar 3179.25 cm3/hari, 3885.75 cm3/hari, dan 3143.93 cm3/hari.
Kata kunci: anaerobic digestion, limbah padat tepung tapioka, biogas, dan semi batch.
PENDAHULUAN
Limbah tepung tapioka yang dihasilkan dari unit pengolahan limbah industri secara biologis masih banyak mengandung bahan padatan tersuspensi, bahan organik yang tinggi yang tidak mudah diasidifikasi, serta mempunyai kandungan heterogen. Limbah padat tapioka diolah secara anaerob menggunakan anaerobic digestion, karena limbah padat tapioka memiliki kandungan COD diatas 3500 mg lt-1. Dalam proses pengolahan anaeobik ini kondisi pH satu dengan lainnya tidak saling mendukung, dan sebagai kondisi yang kritis terjadi pada proses asidifikasi dan proses metanasi, karena proses asidifikasi menghasilkan asam-asam mudah menguap (TVA) yang menyebabkan pH menurun, sedangkan pada proses metanasi bakteri-bakteri metanogen sangat peka terhadap kondisi pH rendah.
Beberapa manfaat yang diperoleh dari penelitian ini antara lain, memberikan alternatif pemecahan masalah buangan limbah padat dari proses pengolahan limbah padat dengan menggunakan proses anaerob sekaligus akan dihasilkan biogas untuk substitusi kebutuhan energi di industri. Selain itu untuk mengevaluasi kinerja bioreaktor anaerobik pengolah limbah padat tapioka terhadap berbagai laju alir influent serta pengaruh beban organik untuk memahami mekanisme reaksi proses hidrolisis, asidifikasi dan metanasi.
Beberapa penelitian tentang proses anaerobik baik secara eksperimen maupun permodelan diantaranya; Maryati dkk, 2003 meneliti tentang kinerja bioreaktor anaerobik dengan inokulum lumpur kolam dalam mengolah limbah cair industri tapioka didapatkan hasil sebagai berikut : nilai pH berkisar antara 6.7 sampai 7.5; penurunan nilai T-COD yaitu 36.9 g/L air limbah perhari; penurunan Suspended Solid dari 11,286 g/L menjadi 4,684 g/L (58.5%) dan VSS dari 5,092 g/L menjadi 1,638 g/L (67.8%). Penelitian lain tentang proses pengolahan limbah tapioka secara anaerobik menggunakan UASB bioreaktor yang dilakukan oleh Annachatre dkk (1996) menghasilkan bahwa setelah startup, kandungan COD air limbah tapioka tercapai sebesar 12,000 sampai 24,000 mg/L dan OLR nya mencapai 10 sampai 16 kg COD/m3/hari, dengan hasil COD yang terkonversi menjadi Biogas adalah lebih 95% dan produktivitas gas adalah 5-8 m3/m3day. Dimana VSS/TSS sludge akan naik dari 0,42 pada awal kondisi start dan 0,86 pada akhir percobaan.
Untuk itu, perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh HRT dan beban COD influent terhadap reduksi bahan organik serta pembentukan gas metan pada pengolahan limbah padat tepung tapioka secara anaerobik menggunakan anaerobik digester tipe mixed flow reactor.
METODOLOGI PENELITIAN
Aklimatisasi Bakteri dan Start Up Reaktor
• Membuat starter yang terdiri dari cairan kotoran sapi yang diencerkan dengan perbandingan 1 : 2 sebanyak 10 liter, dan sludge yang diencerkan dengan perbandingan 1 : 20 hingga volume starter 41 liter.
• Volume digester yang digunakan adalah 51 liter, sedangkan total starter yang dimasukkan 41 liter (80% dari volume total digester).
• Reaktor dioperasikan secara batch (tanpa pemasukan umpan dan pengeluaran cairan) dan pompa sirkulasi dijalankan setiap dua kali sehari.
• Reaktor dioperasikan sampai terbentuk gas metan. Diuji dengan membuka valve gas pada gas holder dan menyalakan bunsen, jika nyala bunsen berwarna biru (menunjukkan adanya gas metan), maka dianggap proses aklimatisasi telah selesai dan dapat dilanjutkan ke tahap operasi dengan memberikan influent secara semi batch ke biorektor dari loading rendah ke loading tinggi.
Pemasukan Activated Sludge ke dalam Digester (Operasi Semi batch) • Menjalankan pompa sirkulasi selama ± 5 menit.
• Mengambil sampel dari valve effluent yang terletak di bawah digester sebesar volume sludge yang akan dimasukkan (sesuai dengan variabel) menggunakan beaker glass.
• Mengukur sludge sesuai dengan variabel dan memasukkannya ke dalam corong influent yang terletak di atas digester.
• Pada saat memasukkan sludge dalam corong, kondisi valve yang menuju reaktor pada corong harus tertutup, sludge dimasukkan, kemudian valve dibuka secara perlahan-lahan dan dijaga jangan sampai sludge habis. Cara ini bertujuan untuk menjaga kondisi anaerobik dalam reaktor.
FERM ENTER (ANAERO BIC DIG ESTER) m anom eter Biogas Wa te r l Wa te r G as H older P om pa Sirkulasi Influent Valve Effluent
Gambar 1. Skema Peralatan Penelitian yang Direncanakan
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil analisa limbah padat Tapioka diperoleh TCOD sludge sebesar 13700 mg lt-1. Oleh karena konsentrasi TCOD lebih dari 3500 mg lt-1, maka penanganannya dilakukan secara anaerob. Sedangkan jumlah SCOD sebesar 685 mg lt-1, berarti jumlah bahan organik yang larut dalam limbah lebih sedikit daripada bahan organik yang tidak larut. Dari data ini dapat diestimasi bahwa proses penguraian (degradasi)
limbah membutuhkan waktu yang cukup lama, karena bakteri terlebih dahulu mendegradasi bahan organik yang tidak larut menjadi bahan organik yang larut.
Konsentrasi Total Solid (TS) dalam limbah padat Tapioka sebesar 6060 mg lt-1. TS mengandung nonfiltrable residue (suspended) dan filtrable residue (dissolved). Konsentrasi TVS yang terkandung dalam limbah padat tapioka sebesar 5710 mg lt-1.
Tabel I. Komposisi Limbah Tapioka
No. Komponen Kadar (%)
1. Protein 5,72
2. Pati 11,8
3.1. Pengaruh Variasi HRT • HRT 7 hari
Kondisi awal sebelum dilakukan variabel HRT 7 hari menunjukkan bahwa kandungan bahan organik COD = 3976,35 mg lt-1. 0 20 40 60 80 1 2 3 4 5 6 7 8 Hari % Re duk s i CO D
Gambar 2. Profil COD terhadap Hari Gambar 3. Profil % Reduksi COD terhadap Hari
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1 2 3 4 5 6 7 8 Hari CO D 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 Hari Ra te Bi o g a s ( c m 3/h a ri)
Gambar 4. Profil Rate Biogas terhadap hari
Gambar 2 menunjukkan bahwa pada hari ke 1 hingga hari ke 3 harga COD pada HRT 7 hari mengalami penurunan yang sangat sedikit, hal ini dapat dijelaskan bahwa fase hidrolisis dan asidifikasi berlangsung, sehingga bahan yang didegradasi masih sedikit dan menyebabkan penurunan COD tidak terlalu signifikan. Setelah hari ke 4 telah dimulai lanjutan proses asidifikasi dan dilanjutkan proses metanasi ditandai dengan pengurangan COD secara signifikan pada hari ke 9 dan proses selanjutnya menuju steady operation.
Semakin besar reduksi COD, berarti bahan organik yang terdegradasi menjadi asam-asam organik/TVA juga semakin besar. Asam-asam organik inilah yang kemudian terkonversi menjadi gas metan. Maka jika reduksi COD semakin besar maka rate pembentukan gas metan juga semakin besar. Gambar 3 menunjukkan bahwa hari ke 4 hingga hari ke 5 terjadi kenaikan %reduksi COD, menunjukkan banyaknya bahan-bahan organik yang sudah terdegradasi. Rata-rata produksi rate biogas sebesar 2053.266 cm3/hari.
• HRT 10 hari Nilai COD 3385,41 mg lt-1. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Hari CO D 0 20 40 60 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Hari % Re d u k s i CO D
Gambar 5. Profil COD terhadap hari Gambar 6. Profil %Reduksi COD terhadap hari
0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 3500,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Hari Ra te Bio g a s ( c m 3/h a ri)
Gambar 7. Profil Rate Biogas terhadap hari
Gambar 5 menunjukkan bahwa pada hari ke 1 hingga hari ke 3 harga COD effluent pada HRT 10 hari mengalami sedikit penurunan. Setelah hari ke 4 telah dimulai lanjutan proses asidifikasi dan telah terjadinya proses metanasi ditandai dengan pengurangan COD effluent secara signifikan dan proses selanjutnya menuju steady operation.
Gambar 5 menunjukkan bahwa hari ke 4 hingga hari ke 7 terjadi kenaikan %reduksi COD yang cukup signifikan, menunjukkan banyaknya bahan-bahan organik yang sudah terdegradasi. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada saat tersebut solid telah banyak yang didegradasi oleh mikroorganisme menjadi bahan terlarut. Semakin besar reduksi COD, berarti bahan organik yang terdegradasi menjadi asam-asam organik/TVA juga semakin besar. Asam-asam organik inilah yang kemudian terkonversi menjadi gas metan. Pada hari ke 8 terjadi penurunan %reduksi, dimana asam-asam organik sudah tidak ada lagi yang terurai menjadi gas metan. Maka jika reduksi COD semakin besar maka rate pembentukan gas metane juga semakin besar, hal ini sesuai dengan profil rate biogas yang ditunjukkan pada gambar 7. Rata-rata produksi rate biogas sebesar 2324,657 cm3/hari.
• HRT 14 hari
Beban organik yang diketahui dari nilai COD yaitu sebesar 2361,5 mg lt-1.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1 3 5 7 9 11 13 15 Hari CO D 0 20 40 60 80 100 1 3 5 7 9 11 13 15 Hari % R e duk s i CO D
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 3 5 7 9 11 13 15 Hari Rat e Bi o g a s ( c m 3/h a ri)
Gambar 10. Profil Rate Biogas terhadap hari
Gambar 8 menunjukkan bahwa setelah hari ke 5 telah dimulai lanjutan proses asidifikasi dan telah terjadinya proses metanasi ditandai dengan pengurangan COD effluent pada hari ke 11 dan proses selanjutnya menuju steady operation.
Gambar 9 menunjukkan bahwa hari ke 6 terjadi kenaikan %reduksi COD, menunjukkan banyaknya bahan-bahan organik yang sudah terdegradasi. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada saat tersebut solid telah banyak yang didegradasi oleh mikroorganisme menjadi bahan terlarut. Semakin besar reduksi COD, berarti bahan organik yang terdegradasi menjadi asam-asam organik/TVA juga semakin besar. Asam-asam organik inilah yang kemudian terkonversi menjadi gas metan. Pada hari ke 13, %reduksi cenderung konstan dimana asam-asam organik sudah tidak ada lagi yang terurai menjadi gas metan. Maka jika reduksi COD semakin besar maka rate pembentukan gas metane juga semakin besar, hal ini sesuai dengan profil rate biogas yang ditunjukkan pada gambar 10. Rata-rata produksi rate biogas sebesar 2324,657 cm3/hari.
3.2. Biogas
Komposisi biogas yang dihasilkan selama proses anaerob diambil sampel, kemudian dianalisa. Adapun hasil analisa biogas adalah sebagai berikut :
Tabel II. Komposisi Biogas
No. Komponen Kadar (%)
1. CH4 68,85
2. H2S 1,68
3. CO2 5,80
Pada umumnya kandungan H2S yang terdapat pada biogas sebesar 1 – 2%. Adanya kandungan H2S
dalam biogas ini terjadi karena proses metabolic yang mereduksi sulfur dalam sludge oleh bakteri di dalam digester. Dari hasil analisa sludge, diketahui bahwa sulfur yang terkandung dalam sludge sebesar 23 ppm (mglt-1). Berarti Sulfur inilah yang direduksi oleh bakteri menjadi H2S. H2S yang terkandung di dalam biogas
harus dihilangkan seminimal mungkin, karena bersifat racun dan dapat mempercepat korosi terhadap peralatan handling maupun pembangkit energi. Dari data di atas diketahui bahwa kadar H2S dalam biogas
kurang dari 0,02%, ini berarti biogas yang diperoleh tidak berbahaya bagi lingkungan karena masih di bawah ambang batas yang diijinkan sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar.
KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai pengolahan limbah padat Tapioka secara anaerobic digestion menjadi biogas (gas metan) dengan variabel COD dan HRT, diperoleh hasil sebagai berikut:
1. Variabel HRT :
HRT 7 hari, % reduksi COD maksimum mencapai 74.87% dan produksi biogas sebesar 19570.05 cm3/hari.
HRT 10 hari, % reduksi COD maksimum mencapai 73.09% dan produksi biogas sebesar 36843.98 cm3/hari.
HRT 14 hari, % reduksi COD maksimum mencapai 82.84% dan produksi biogas sebesar 37462.16 cm3/hari.
DAFTAR PUSTAKA
1. Amelia K. Kivaisi and M.S.T. 1996. The Potential of Agro-Industrial Residues for Production of Biogas and Electricity in Tanzania. Rubindamayugi Applied Microbiology Unit. Dar es salaam Tanzania : Botany Department P.O. Box 35060.
2. Annachate, A, Soo Yang, B, Kamei, T. Anaerobic Treatment of Tapioca Strach Industry Wastewater by Bench Scale UASB Reactor. Master Thesis-AIT Bangkok, Thailand, 1996.
3. Borja R, Rincon B, Raposo F, Alba J, Martin A. 2002. A Study of Anaerobic Digestibility of Two-phases Olive Mill Solid Waste (OMSW) at Mesophilic Temperature. Process Biochem ; 38:733-42.
