36
PENGARUH PENAMBAHAN SLUDGE PADA KONVERSI
JERAMI PADI MENJADI BIOGAS
SKRIPSI
NUR ZAKIYAH
F34070117
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
37 INFLUENCE OF SLUDGE ADDITION ON RICE STRAW CONVERSION TO BIOGAS
Nurzakiyah, Muhammad Romli, and Suprihatin
Departement of Agroindustrial Technology, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Dramaga Bogor, PO Box 220, Bogor, West Java, Indonesia
Phone +62 857 191 464 06, e-mail: nurzakiyah28@yahoo.com
ABSTRACT
The principal problems which have become the main focus of society are environmental problem and energy scarce. The main cause of the problems is the high consumption of fossil fuels. The purpose of this research is to find out effect of sludge composition on rice straw convertion to biogas. The fermentation were conducted with 1.5 L reactors and fermentation during 30 days. This aims to determine the effect of the use of sludge on the conversion of rice straw into biogas. Activated sludge were use as additional substrate with two composition, 225 g on the composition rice straw:sludge 5:3 and 375 g in composition rice straw:sludge 3:5. The maximum gas production was reached 18.382 L/kg TS in 1st running and 11.602 L/kg TS in 2nd running or 27.67816 L/g VS (1st running) and 18.93871 L/g VS (2nd running) by composition rice straw:sludge 3:5. The highest phosphate levels produced by rice straw:sludge 5:3 was 0.60 %, the carbon highest in rice straw:sludge 3:5 was 38.40 %, and nitrogen in rice straw:sludge 5:3 was 1.80 %.
38 Nurzakiyah. F34070117. Pengaruh Penambahan Sludge pada Konversi Jerami Padi
Menjadi Biogas. Dibawah bimbingan Muhammad Romli dan Suprihatin. 2011.
RINGKASAN
Salah satu limbah pertanian adalah jerami. Jerami merupakan bagian vegetatif dari tanaman padi (batang, daun, dan tangkai malai). Jumlah produksi jerami padi cukup banyak, bergantung pada luas tanam padi. Di Indonesia pada umumnya, jerami belum dinilai sebagai produk yang memiliki nilai ekonomi. Peningkatan nilai manfaat jerami perlu dilakukan, mengingat potensi yang sangat besar dan tidak akan habis-habisnya selama padi (beras) masih menjadi salah satu makanan pokok manusia.
Salah satu peningkatan yang dilakukan adalah dengan mengkonversi jerami menjadi sumber energi alternatif biogas. Pengkonversian ini dilakukan sehubungan dengan permasalahan yang kini menjadi fokus bersama yaitu lingkungan hidup dan kelangkaan energi. Ketersediaan bahan bakar fosil yang irrenewable menjadi faktor utama kelangkaan energi. Biogas menjadi jawaban sebagai altenatif pilihan sumber energi.
Biogas memberikan solusi alternatif sumber energi terbarukan. Biogas merupakan gas yang dilepaskan oleh bahan-bahan organik (kotoran ternak, kotoran manusia, jerami, sekam, dan daun-daun hasil sortiran kayu) yang mengalami proses metanisasi (Hambali, et al. 2007). Biogas tidak hanya menjawab permasalahan krisis energi tetapi juga menjawab permasalahan lingkungan hidup. Berdasarkan IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) diketahui secara molekuler efek rumah kaca metana 20 kali lebih kuat daripada karbondioksida. Namun dengan pemakaian biogas sebagai bahan bakar berarti mengkonversi metana menjadi karbondioksida yang lebih rendah efeknya terhadap pemanasan global.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan sludge pada konversi jerami padi menjadi biogas. Activated sludge digunakan sebagai substrat tambahan dengan dua komposisi yaitu 225 g pada jerami:sludge komposisi 5:3 dan 375 g pada jerami:sludge komposisi 3:5. Penelitian dilakukan secara batch selama 30 hari di dalam botol AMDK 600 ml dan dibuat terendam dalam aquarium dengan suhu terkontrol (32 °C). Parameter harian yaitu volume gas, 3 hari sekali (TS-TVS, COD, pH digestat dan lindi), dan berkala (Kadar C, N, dan P di awal dan akhir proses). Rancangan penelitian yang digunakan yaitu RAL dengan satu faktorial (komposisi) serta dua kali ulangan.
Berdasarkan hasil penelitian terhadap fermentasi anaerobik jerami dengan starter sludge yang berasal dari instalasi pengolahan limbah cair (IPAL) industri dengan dua komposisi starter yang berbeda terhadap parameter volume, TS-TVS, COD, pH, kadar C, kadar N, dan kadar P didapatkan hasil sebagai berikut:
Gas terbesar dihasilkan oleh jerami:sludge komposisi 3:5 yaitu sebesar 3.29714 L/kg Biomassa pada proses 1 dan 1.608 L/kg Biomassa pada proses 2. Adapun gas yang dihasilkan oleh penelitian Prajayana (2011) dengan bahan yang sama yaitu jerami padi menghasilkan gas sebesar 1.60 L/kg biomassa. Pada penelitian ini ternyata menghasilkan gas yang melebihi hasil tersebut. Hal ini bisa jadi disebabkan oleh kondisi sludge yang telah mengalami berbagai proses
39 di dalam unit pengelolaan limbah. Sama halnya dengan kotoran yang telah mengalami pemasakan di dalam perut ruminansia. Sludge banyak mengandung zat pengurai yang baik untuk menghidrolisis bahan yang masih baru serta kondisi bahan yang lebih berair berpengaruh pada peningkatan produksi gas. Kondisi jerami yang hampir busuk juga berdampak pada peningkatan produksi gas ditambah lagi dengan adanya pengecilan ukuran karena berarti mengurangi kerja mikroorganisme dalam fase aklimatisasi (penyesuaian).
Pupuk organik dengan kadar fosfat tertinggi dihasilkan oleh digestat jerami:sludge komposisi 5:3 yaitu sebesar 0.60%, karbon tertingi dihasilkan pada digestat jerami:sludge komposisi 3:5 yaitu sebesar 38.4%, dan nitrogen tertinggi pada digestat jerami:sludge komposisi 5:3 yaitu sebesar 1.8%. Hal ini masih jauh dari syarat mutu pupuk organik yang dianjurkan. Oleh karena itu diperlukan sistem composting lanjutan untuk mendapatkan mutu pupuk organik yang sesuai. Dengan begitu sludge bisa dijadikan alternatif substrat dalam fermentasi anaerob dimana perlakuan terbaik terdapat pada jerami:sludge komposisi 3:5.
40
PENGARUH PENAMBAHAN SLUDGE PADA KONVERSI
JERAMI PADI MENJADI BIOGAS
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada Departeman Teknologi Industri Pertanian,
Fakultas Teknologi Pertanian,
Institut Pertanian Bogor
Oleh
NURZAKIYAH
F34070117
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
41
2011
INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
PENGARUH PENAMBAHAN SLUDGE PADA KONVERSI JERAMI PADI MENJADI BIOGAS
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada Departeman Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian,
Institut Pertanian Bogor
Oleh NURZAKIYAH
F34070117
Dilahirkan di Jakarta, 28 Februari 1989 Tanggal Lulus :
30 Oktober 2011
Disetujui, Bogor, 20 Desember 2011
Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, MSc.St Dosen Pembimbing I
Prof. Dr-Ing. Ir. Suprihatin Dosen Pembimbing II
42 Judul Skripsi : Pengaruh Penambahan Sludge pada Konversi Jerami Padi Menjadi Biogas
Nama : Nurzakiyah
NIM : F34070117
Menyetujui,
Pembimbing I, Pembimbing II,
Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, M.Sc. St. Prof. Dr. -Ing. Ir. Suprihatin
NIP 19601205 1986091 1 001 NIP 19631221 199003 1 002
Mengetahui : Ketua Departemen,
Prof. Dr. Ir. Nastiti Siswi Indrasti NIP 19621009 198903 2 001
Tanggal lulus : 30 Oktober 2011
43
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Pengaruh
Penambahan Sludge pada Konversi Jerami Padi Menjadi Biogas adalah hasil karya saya
sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang telah diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Bogor, 20 Desember 2011 Yang membuat pernyataan
Nurzakiyah F34070117
44 © Hak cipta milik Nurzakiyah, tahun 2011
Hak cipta dilindungi
Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari
Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotokopi, microfilm, dan sebagainya
45
BIODATA PENULIS
Penulis bernama Nur zakiyah, dilahirkan di Jakarta, 28 Februari 1989. Ayah bernama Rafles Ma’as dan Ibu bernama Haryati. Penulis merupakan putri kedua dari tujuh (7) bersaudara. Pendidikan dasar hingga menengah penulis selesaikan di Jakarta, SDN Cijantung 07, SLTPN 49 Jakarta, dan SMAN 14 Jakarta. Penulis diterima di IPB melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) pada tahun 2007 dan bergabung dengan Departemen Teknologi Industri Pertanian IPB (TIN). Selama menempuh pendidikan menengah pertama (SMP) dan menengah atas (SMA) penulis aktif di Organisasi Intra Sekolah (OSIS) sebagai sekretaris (2005-2006) dan berbagai kegiatan ekstra sekolah seperti PRAMUKA dan Bulutangkis. Selama kuliah penulis aktif di Himpunan Mahasiswa Teknologi Industri Pertanian (HIMALOGIN) Departemen Teknologi Industri Pertanian periode 2009-2010 sebagai staf departemen Pengabdian Masyarakat dan aktif di berbagai kepanitian pada kegiatan yang diselengarakan di Fakultas Teknologi Pertanian. Pada bulan Juli 2010 penulis melakukan kegiatan praktek lapang di PT. Dua Kelinci, Pati, Jawa Tengah, dengan tema “Mempelajari Aspek Teknologi Proses Produksi dan Pengawasan Mutu Produk Kacang Garing di PT Dua Kelinci Pati”. Pada tahun 2011, penulis melakukan penelitian sebagai tugas akhir dengan judul “Pengaruh Penambahan Sludge Pada Proses Konversi Jerami Padi Menjadi Biogas” di Laboratorium Teknologi dan manajemen Lingkungan Departemen TINIPB.
46
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT senantiasa dipanjatkan tak terbatas atas karunia dan limpahan rahmat iman, islam, serta sehat wal‘afiat sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir skripsi dengan judul “Pengaruh Penambahan Sludge pada Konversi Jerami Padi Menjadi Biogas.” Shalawat teriring salam akan selalu tercurah kepada Sang lentera zaman, Rasulullah SAW, beserta keluarga, sahabat, dan umatnya yang setia mengikuti syariatnya hingga zaman menemui akhir.
Penulis sangat menyadari bahwa dalam penyelesaian Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan semua pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang setinggi-tingginya kepada :
1. Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, MSc. St, selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan waktu, tenaga, dan pikiran dalam mengarahkan tugas akhir ini. 2. Prof. Dr-Ing. Ir. Suprihatin selaku pembimbing II yang telah bersedia meluangkan
waktu, pikiran, petunjuk, serta arahan kepada penulis.
3. Seluruh staff dan laboran Departemen TIN yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
4. Bapak Rafles Maas.Bba selaku ayah yang telah memberikan banyak masukan pada penelitian ini.
5. Ibu Haryati, ibu tercinta serta kakak dan adik tercinta yang selalu menyuntikkan semangat dan doa yang tiada putus untuk kebaikan dan kelancaran penelitian ini. 6. Ian Mulyadi yang telah banyak memberikan kontribusi pada penelitian ini. 7. Yumiyati selaku teman satu bimbingan atas bantuannya selama penelitian.
8. Ayu, Dede, Niken, Gita serta teman-teman TIN 44 yang tidak bisa disebutkan satu per satu atas bantuan, kritik, dukungan, informasi, dan kebersamaannya selama ini.
Bogor, Oktober 2011
47
DAFTAR ISI
Halaman KATA PENGANTAR ... ... vi DAFTAR TABEL ... ... viii DAFTAR GAMBAR ... ... ix DAFTAR LAMPIRAN ... x I. ... PEN DAHULUAN ... 1 1.1. ... LATAR BELAKANG ... 1 1.2. ... TUJUAN ... 2 2. ... TIN JAUAN PUSTAKA ... 3 2.1. ... BIOGAS ... 3 2.2. ... KOMPOSISI BIOGAS ... 3 2.3. ...BAHAN BAKU BIOGAS ... 5 2.4. ...
FERMENTASI ANAEROBIK ... 5 2.5. ...
BAKTERI METANOGEN ... 6 2.6. ...
MEKANISME PEMBENTUKAN BIOGAS ... 7 2.7. ...
FAKTOR-FAKTOR YANG MEMENGARUHI ... 8 2.8. ... JERAMIPADI ... ... 11 2.9. ... SLUDGE ... ... 12 2.10. PUPUK ORGANIK ... ... 14 3. ... ME TODE PENELITIAN ... ... 17 3.1. ...
WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN ... ... 17 3.2. ...
ALAT DAN BAHAN ... ... 17
48 3.3. ... TAHAPAN PENELITIAN ... ... 17 3.3.1. ... Kara kterisasi Bahan……… ... ... 17 3.3.2. ... Fer mentasi Anaerob……… ... ... 17 4. ... HAS IL DAN PEMBAHASAN ... ... 20 4.1. ...
KARAKTERISTIK BAHAN AWAL ... ... 20 4.2. ...
PENGARUH KOMPOSISI SLUDGE ... ... 22
4.2.1. ... Prod uksi Biogas ... ... 22 4.2.2. ... Penu
runan Padatan Organik TVS (db) ... ... 25 4.2.3. ... Peru
bahan COD ... ... 27 4.3. ...
KARAKTERISTIK DIGESTAT DAN LINDI ... ... 30
5. ... KES IMPULAN DAN SARAN ...
... 32
DAFTAR PUSTAKA ...
49
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Komposisi biogas ... 4
Tabel 2. Kesetaraan biogas dengan energi lain ... 4
Tabel 3. Aplikasi energi biogas ... 4
Tabel 4. Produksi biogas dan waktu tinggal dari berbagai bahan ... 5
Tabel 5. Keuntungan dan kerugian fermentasi anaerobik ... 6
Tabel 6. Species bakteri metanogen ... 6
Tabel 7. Kandungan C dan N beberapa jenis bahan ... 9
Tabel 8. Kondisi pengoperasian proses anaerobik ... ... 10
Tabel 9 Data perkiraan produksi jerami diberbagai Negara ... ... 12
Tabel 10. Syarat mutu pupuk organik cair dan padat ... ... 15
Tabel 11. Karakteristik sludge ... ... 20
Tabel 12. Karakteristik jerami ... ... 20
Tabel 13. Kondisi sludge biogas ... ... 31
Tabel 14. Karakteristik digestat hasil fermentasi ... ... 31
Tabel 15. Karakteristik air lindi hasil fermentasi ... ... 31
Tabel 16. Standar kualitas kompos ... ... 32
50
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1. Bioreaktor terendam ... ... 18 Gambar 2. Diagram alir penelitian ... ... 19 Gambar 3. Produksi gas ... ... 23 Gambar 4. Produksi gas ... ... 26 Gambar 5. Perubahan COD digestat ... ... 28 Gambar 6. Perubahan COD Lindi ... ... 29
51
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1. Prosedur analisis kimia ... ... 36 Lampiran 2. Produksi gas komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 38 Lampiran 3. Produksi gas komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 43 Lampiran 4. Produksi gas komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 48 Lampiran 5. Produksi gas komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 53 Lampiran 6. Nilai TS komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 58 Lampiran 7. Nilai TVS komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 59 Lampiran 8. Nilai COD komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 60 Lampiran 9. Nilai pH komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 61 Lampiran 10. Nilai TS komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 62 Lampiran 11. Nilai TVS komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 63 Lampiran 12. Nilai pH komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 64 Lampiran 13. Nilai COD komposisi 3:5 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 65 Lampiran 14. Nilai TS komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 66 Lampiran 15. Nilai TVS komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 67 Lampiran 16. Nilai pH komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 68 Lampiran 17. Nilai COD komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (1st running) ... ... 69 Lampiran 18. Nilai TS komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 70 Lampiran 19. Nilai TVS komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 71 Lampiran 20. Nilai pH komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 72 Lampiran 21. Nilai COD komposisi 5:3 ukuran 0.1-0.5 cm (2nd running) ... ... 73
52
I.
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Limbah pertanian dan perindustrian memiliki dua potensi yang bertolak belakang, yaitu potensi yang merugikan dan potensi yang menguntungkan bagi manusia. Limbah tersebut berpotensi untuk memberi nilai tambah ekonomi bagi masyarakat petani jika dikelola dengan baik. Namun limbah tersebut juga akan menjadi masalah bagi masyarakat sekitar area pertanian khususnya dan manusia pada umumnya, jika pengelolaannya dilakukan dengan serampangan atau bahkan tidak.
Salah satu limbah pertanian adalah jerami. Jerami merupakan bagian vegetatif dari tanaman padi (batang, daun, dan tangkai malai). Jumlah produksi jerami padi cukup banyak, bergantung pada luas tanam padi. Perbandingan antara bobot gabah yang dipanen dengan jerami padi (grain straw ratio) pada saat panen pada umumnya 2:3. Pada saat produksi gabah nasional 54 juta ton pada tahun 2005, berarti terdapat 81 juta ton jerami yang dihasilkan pada tahun tersebut, pada tahun 2010 diperkirakan produksi jerami padi sampai 84 juta ton (Makarim 2007).
Salah satu peningkatan yang dilakukan adalah dengan mengkonversi jerami menjadi sumber energi alternatif biogas. Pengkonversian ini dilakukan sehubungan dengan permasalahan yang kini menjadi fokus bersama yaitu lingkungan hidup dan kelangkaan energi. Perubahan iklim yang tidak menentu (global warming) menyebabkan penurunan kualitas lingkungan. Seperti disimpulkan oleh kelompok peneliti di bawah naungan Badan Perserikatan Bangsa Bangsa (PBB), Panel Antar Pemerintah tentang Perubahan Iklim atau disebut International Panel on Climate Change (IPCC), emisi 6 gas rumah kaca yang menjadi penyebab pemanasan global (global warming) yaitu karbondioksida, metan, nitrous oxide, sulfur heksa fluorida, HFC, dan PFC. Emisi gas tersebut disebabkan oleh tingginya ketergantungan manusia terhadap bahan bakar fosil, hanya saja tidak diimbangi dengan ketersediaannya. Ketersediaan bahan bakar fosil yang irrenewable menjadi faktor utama kelangkaan energi. Biogas menjadi jawaban sebagai altenatif pilihan sumber energi.
Biogas itu sendiri merupakan fase gas dari peristiwa degradasi bahan organik secara biologi yang berlangsung anaerobik. Polprassert (1989) mengatakan bahwa gas terbesar yang dihasilkan teknologi biogas yaitu metan dengan nilai kalor sebesar 1,012 BTU/ft3 (9005 kcal/m3) pada suhu 15.5 °C dan tekanan 1 atm. Nilai kalor biogas rata-rata 500-700 BTU/ft3 (4450-6230 kcal/m3). Ketersediaan bahan serta kemudahan untuk mendapatkannya menjadi keunggulan biogas lainnya. Pada dasarnya, tiga komponen yamg diperlukan untuk dapat memproduksi biogas yaitu enclosed reaction tank (reaktor), naturally occurring bacteria (biakan starter), dan organic material/sludge (limbah).
53 Sampah organik, limbah pertanian, dan limbah peternakan merupakan material yang umum digunakan untuk menghasilkan biogas.
Revolusi industri pada kenyataannya berkontribusi pada permasalahan lingkungan. Limbah (buangan) industri yang tidak dikelola dengan baik, berpotensi mengurangi kemampuan lingkungan. Limbah industri berupa sludge merupakan lumpur aktif yang berasal dari lubang pengeluaran unit pengelolaan limbah pada suatu industri. Tidak banyak industri yang memanfaatkan limbahnya menjadi produk-produk potensial, melainkan diserahkan kepada pihak lain. Sejauh ini telah dilakukan penelitian untuk memanfaatkan lumpur industri sebagai bahan bangunan seperti batako. Alternatif lain terhadap pemanfaatan sludge dengan mengelolanya menjadi biogas mengingat limbah tersebut adalah limbah organik.
Pada umumnya, pembuatan biogas dari jerami maupun sludge telah dilakukan. Nilai konversi jerami menjadi biogas mencapai 250-350 liter/kg berat kering (Arati 2009). Pada penelitian ini, akan dilakukan pencampuran kedua bahan untuk mendapatkan volume gas yang optimum.
Lebih jauh pemanfaatan jerami dan sludge dapat tidak hanya sebatas konversi menjadi biogas, namun juga terdapat potensi perolehan kembali unsur hara melalui daur ulang bahan pasca terkonversi menjadi biogas dalam bentuk pupuk padat organik dan air lindi (pupuk cair) hasil proses anaerobik. Melalui fermentasi media padat pada fermentasi limbah padat jerami padi dengan campuran sludge diharapkan bisa menghasilkan biogas dan pupuk organik.
1.2 TUJUAN
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mengetahui pengaruh penambahan sludge pada proses konversi jerami padi menjadi biogas.
2. Mendapatkan rasio pencampuran terbaik dalam kinerja fermentasi limbah padat jerami padi dan sludge menjadi biogas.
54
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 BIOGAS
Biogas didefinisikan sebagai gas yang dilepaskan jika bahan-bahan organik (seperti kotoran ternak, kotoran manusia, jerami, sekam, dan daun-daun hasil sortiran sayur) difermentasi atau mengalami proses metanisasi (Hambali et al. 2007). Menurut Wahyuni (2009) biogas merupakan campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang terjadi pada material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerobik.
Menurut Widodo et al (2006), teknologi biogas di Indonesia telah berkembang sejak lama namun aplikasi penggunaannya sebagai sumber energi alternatif belum berkembang secara luas. Beberapa kendalanya yaitu kekurangan technical expertise, reaktor biogas tidak berfungsi akibat bocor atau kesalahan konstruksi, desain tidak user friendly, penanganan masih secara manual, dan biaya konstruksi yang mahal. Kendala tersebut dapat disikapi dengan cara merawat unit instalasi biogas, diantaranya:
1. Mengaduk campuran kotoran dan air yang terdapat pada digester setiap hari dengan menggunakan bambu panjang agar kerak yang terdapat pada permukaan campuran tidak menghambat produksi gas.
2.
Agar digester dapat terus menghasilkan gas secara optimal, maka secara periodik digester perlu dikuras/dibersihkan. Pembersihan digester dapat dilakukan setiap 5 atau 6 tahun sekali. Pembersihan digester dilakukan dengan terlebih dahulu membuang gas metan dalam digester. Setelah tutup bagian atas dibuka, digester dikuras, kemudian ditutup kembali dan kotoran dapat dimasukkan kembali (Anonim 2009).2.2 KOMPOSISI BIOGAS
Teknologi biogas menghasilkan gas yang sebagian besar mengandung gas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) serta beberapa kandungan gas lain yang jumlahnya kecil diantaranya hidrogen sulfida (H2S), ammonia (NH3), hidrogen (H2), dan nitrogen (N2). Pambudi (2008) menyebutkan bahwa energi yang terkandung dalam biogas tergantung dari konsentrasi metana (CH4). Kandungan metana yang tinggi mempunyai energi (nilai kalor) yang besar, sedangkan kandungan metana yang rendah mempunyai energi (nilai kalor) yang rendah. Pembentukan gas metana biasanya terjadi pada hari ke 10-14 sebesar 54 % dan karbondioksida (CO2) sebesar 27%. Selanjutnya biogas dapat dimanfaatkan untuk menyalakan kompor (Wahyuni 2009). Penjelasan mengenai
55 Tabel 1. Komposisi biogas
Sumber : Karellas et.al (2010)
Pemanfatan gas metan sebagai sumber energi berperan positif dalam upaya mengatasi masalah global (efek rumah kaca) yang berakibat pada perubahan iklim global. Kesetaraan energi dan pemanfaatannya yang dihasilkan oleh teknologi biogas dalam 1 m3 digambarkan oleh tabel 2 berikut:
Tabel 2. Kesetaraan biogas dengan energi lain
Sumber energi Kapasitas
Elpiji 0.46 kg
Minyak tanah 0.62 liter
Minyak solar 0.52 liter
Bensin 0.80 liter
Gas kota 1.50 m³
Kayu bakar 3.50 kg
Sumber : Wahyuni (2009) Tabel 3. Aplikasi energi biogas
Aplikasi 1m3 biogas setara dengan
Penerangan 60-100 watt lampu bohlam selama 6 jam Memasak dapat memasak 3 jenis masakan untuk
keluarga (5-6 orang) Pengganti bahan bakar
tenaga
0.7 kg minyak tanah dapat menjalankan satu motor tenaga kuda selama 2 jam
Pembangkit tenaga listrik Dapat menghasilkan 1.25 kWh listrik Sumber: Kristoferson dan Bakalders 1991 dalam Hambali (2007)
Peningkatan kualitas biogas dapat dilakukan dengan beberapa parameter yaitu menghilangkan hidrogen sulfur, kandungan air, dan karbon dioksida. Hidrogen sulfur mengandung racun dan zat yang menyebabkan korosi. Apabila gas ini dibakar, maka akan
Komponen Jumlah
Metana (CH4) 55-75%
Karbon dioksida (CO2) 25-45%
Karbon Monoksida (CO) 0-0,3%
Nitrogen (N2) 1-5%
Hidrogen (H2) 0-3%
Hidrogen sulfida (H2S) 0,1-0,5%
56 membentuk senyawa baru bersama oksigen yaitu sulfur dioksida (SO2) atau sulfur trioksida (SO3) dan pada saat yang sama akan membentuk sulfur acid (H2SO3) yaitu senyawa yang lebih korosif. Konsentrasi hidrogen sulfur yang masih ditoleransi yaitu 5 ppm. Penghilangan karbondioksida bertujuan untuk meningkatkan kualitas biogas sehingga gas tersebut dapat juga digunakan untuk bahan bakar kendaraan, sedangkan kandungan air berpotensi pada menurunnya titik penyalaan biogas serta dapat menimbulkan korosif (Switenia, dkk 2008).
2.3 BAHAN BAKU BIOGAS
Pada umumnya semua bahan organik yang mudah membusuk seperti jerami padi yang memiliki rasio C/N 68, kotoran hewan, serta kotoran manusia dapat dijadikan biogas. Hanya saja biogas kotoran manusia terkendala pada aspek kepantasan (sosial). Kotoran unggas maupun hewan ternak dipilih karena ketersediaannya yang melimpah, memiliki keseimbangan nutrisi, mudah dicerna, dan relatif dapat diproses secara biologi.
Hardyanti (2007) menyebutkan bahwa biogas dengan zat penyusun yang berbeda (variasi bahan baku) akan menghasilkan nilai kalor yang berbeda pula, tergantung pada mutu substrat. Potensi biogas berbagai jenis bahan diperlihatkan oleh Tabel 4. Tabel 4. Produksi biogas dan waktu tinggal dari berbagai bahan
Bahan Produksi Biogas (L/kg TS)
Kadar Metana (%)
Waktu Tinggal (hari)
Pisang (Buah dan daun) 940 53 15
Rumput 450-530 55-57 20
Jagung (batang secara keseluruhan) 350-500 50 20 Jerami (dicacah) 250-350 58 30 Tanaman rawa 380 56 20 Kotoran ayam 300-450 57-70 20 Kotoran sapi 190-220 68 20
Sampah (fraksi organik) 380 56 25
Sumber : Arati (2009), modifikasi. *)TS= total solids/ bahan kering
2.4 FERMENTASI ANAEROBIK
Fermentasi anaerob berarti selama proses fermentasi tidak ada udara yang masuk di dalam reaktor. Analognya, proses ini meniru mekanisme proses yang terjadi pada perut ruminansia yaitu proses pencernaan secara anaerobik. Produk akhir dari proses fermentasi ini adalah gas metana (CH4). Beberapa alasan yang dipakai untuk penggunaan proses anaerobik dalam penanganan limbah antara lain tingginya laju reaksi dibandingkan dengan proses aerobik, kegunaan dari produk akhirnya, stabilisasi dari komponen organik dan memberikan karakteristik tertentu pada daya ikat air produk yang menyebabkan produk dapat dikeringkan dengan mudah (Jenie 1993). Hal ini diperkuat oleh pernyataan Metcalf dan Eddy (2003) mengenai keuntungan dan kerugian fermentasi anaerob yaitu:
57 Tabel 5. Keuntungan dan kerugian fermentasi anaerobik
Keuntungan Kerugian
Energi yang dibutuhkan sedikit Membutuhkan waktu pembiakan yang lama Manfaat produk yang dihasilkan Membutuhkan penambahan senyawa alkalinity Nutrisi yang dibutuhkan sedikit Tidak mendegradasi senyawa nitrogen dan
fosfor Dapat menghasilkan senyawa metana
sebagai sumber energi potensial
Sangat sensitif terhadap efek perubahan temperature
Hanya membutuhkan reaktor dengan volume yang kecil
Menghasilkan senyawa yang beracun seperti H2S
2.5 BAKTERI METANOGEN
Jenie (1993) mengatakan bahwa saat ini telah dikenal berbagai jenis bakteri metana di alam. Namun pengetahuan mengenai mekanisme bakteri metana tersebut dalam proses metabolismenya masih belum terungkap secara rinci. Kesulitannya adalah melakukan pengisolasian dan mengidentifikasi karena karakteristik yang dimilikinya beragam. Bakteri metana yang telah berhasil diidentifikasi terdiri dari empat genus yaitu : 1. Methanobacterium, bakteri bentuk batang dan tidak berspora 2. Methanobacillus, bakteri bentuk batang dan berspora
3. Methanococcus, bakteri bentuk kokus atau kelompok koki yang membagi diri
4. Methanoosarcina, bakteri bentuk sarcina pada sudut 90° dan tumbuh dalam kotak yang terdiri dari 9 sel.
Bakteri metanogenik berkembang lambat dan sensitif terhadap perubahan mendadak pada kondisi-kondisi fisik dan kimiawi. Penurunan 2 oC secara mendadak pada slurry mungkin secara signifikan berpengaruh pada pertumbuhannya dan laju produksi gas. Tidak hanya itu, tingginya materi pereduksi seperti nitrit atau nitrat dapat menghambat pertumbuhan bakteri metanogen.
Yani dan Darwis (1990) menerangkan bahwa bakteri metanogen sangat restriktif terhadap alkohol dan asam organik, yang dijadikan sumber karbon. Oksidasi substrat secara tunggal oleh salah satu species bakteri seringkali tidak sempurna, oleh karena itu produk degradasi parsial dapat dijadikan sumber substrat oleh species lainnya untuk pembentukan gas metana. Sejumlah species dan senyawa organik yang dapat berperan sebagai substrat serta produk (senyawa-senyawa) yang dihasilkan terdapat pada Tabel 6.
Tabel 6. Species bakteri metanogen
Bakteri Substrat Produk
Metanobacterium formicum CO2 CH4
M. mobilis Format CH4
58
M. sohngenii Propionat CH4
M. suboxydans Kaproat, Butirat CH4 + CO2
Metanococcus mazei Asetat, Butirat Asetat, Propionat M. vanielii H20 + CO2, Format CH4 + CO2
Metanosarcina bakteri H2O + CO2, Metanol, Asetat CH4, CH4, CH4 + CO2
M. metanica Butirat CH4 + CO2 Sumber: Price dan Cheremisinoff (1981)
2.6 MEKANISME PEMBENTUKAN BIOGAS
Secara umum proses pembentukan biogas yaitu fermentasi bahan organik kompleks menjadi gas oleh mikroorganisme anaerob. Berdasarkan aliran bahan baku, reaktor biogas (biodigester) dibedakan menjadi:
1. Bak (batch) – Pada tipe ini, bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah (ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses digesti. Umumnya digunakan pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik.
2. Mengalir (continuous) – Untuk tipe ini, aliran bahan baku masuk dan residu keluar pada selang waktu tertentu. Lama bahan baku selama dalam reaktor disebut waktu retensi hidrolik (hydraulic retention time/HRT).
Bapat et al. (2006) di dalam Prasetio (2010) menambahkan satu jenis fermentasi yaitu feed batch. Fermentasi feed batch merupakan proses fermentasi dengan penambahan nutrien pada interval waktu tertentu dan tak ada media yang dipindahkan, berbeda dengan fermentasi kontinyu yang dilakukan penambahan feed secara terus-menerus serta produknya dipindahkan secara bersamaan.
Menurut Haq dan Soedjono (2009) penguraian bahan-bahan organik menjadi biogas dibagi menjadi 4 tahap yaitu hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis yang berlangsung terus secara berantai sampai pada suatu keadaan dimana tidak ada lagi bahan organik yang dapat dihidrolisa.
1. Hidrolisis
Grup mikroorganisme hydrolytic mengurai senyawa organik kompleks menjadi molekul-molekul sederhana dengan rantai pendek. Senyawa tersebut diantaranya adalah glukosa, asam amino, asam organik, etanol, karbon dioksida, dan hidrokarbon yang dimanfaatkan sebagai sumber karbon dan energi bagi bakteri untuk melakukan fermentasi. Proses hidrolisis dikatalis oleh enzim yang dikeluarkan bakteri seperti selullase, protease, dan lipase.
Bakteri selulotik memecah atau memotong molekul selulosa yang merupakan molekul dengan berat yang tinggi menjadi selulobiose (glukosa-glukosa) dan menjadi glukosa bebas (free glucose). Glukosa kemudian difermentasi secara anaerob menghasilkan bermacam-macam produk fermentasi seperti asetat, propionat, butirat, H2, dan CO2.
Protein dan lemak juga dapat mengalami proses fermentasi anaerob yang menghasilkan metana. Meskipun kandungan protein dan lemak lebih sedikit daripada karbohidrat, tetapi metana yang dihasilkan dari fermentasi protein dan lemak dapat menambah jumlah metana yang digunakan untuk biogas. Semakin banyak kandungan
59 bahan organik yang terdapat dalam slurry maka mikroorganisme dapat tumbuh dan berkembang dengan baik serta semakin banyak bahan organik yang dapat diubah menjadi metana.
2. Asidogenesis
Tahap hidrolisis segera dilanjutkan oleh pembentukan asam pada proses asidogenesis. Pada proses ini bakteri acidogenesis mengubah hasil dari tahap hidrolisis menjadi bahan organik sederhana (kebanyakan dari rantai pendek, keton, dan alkohol). 3. Asetogenesis (Tahap Pembentukan Asam)
Pada tahap ini terjadi pembentukan senyawa asetat, CO2, dan hidrogen dari molekul-molekul sederhana yang tersedia oleh bakteri aseton penghasil hidrogen. Bakteri pembentuk asam antara lain Pseudomonas, Escherichia, Flavobacterium, dan Alcaligenes yang mendegradasi bahan organik menjadi asam-asam lemak (Radar Tarakan online 2008). Asam lemak yang teruapkan dari hasil asidogenesis akan digunakan sebagai energi oleh beberapa bakteri obligat anaerobik. Tetapi bakteri-bakteri tersebut hanya mampu mendegradasi asam lemak menjadi asam asetat. Salah satunya adalah degradasi asam propionate oleh Synthophobacter wolinii (Weismann 1991).
4. Metanogenesis (Tahap Pembentukan Metan)
Tahapan metanogenesis merupakan tahapan konversi anaerobik terakhir dan paling menentukan, yaitu dilakukan penguraian dan sintesis produk tahap sebelumnya untuk menghasilkan gas methana (CH4). Hasil lain dari proses ini berupa karbon dioksida, air, dan sejumlah kecil senyawa gas lainnya. Bakteri yang terlibat pada proses ini yaitu bakteri metanogenik dari sub divisi acetocalstic methane bacteria yang terdiri atas Methanobacterium, Methanosarcina, dan Methanococcus (Radar Tarakan online 2008). Pada proses di dalam reaktor, pertumbuhan bakteri ini bergantung pada temperatur, keasaman, serta jumlah material organik yang akan dicerna. Pada tahap awal pertumbuhannya, bakteri metanogenik bergantung pada ketersediaan nitrogen dalam bentuk ammonia dan jumlah substrat yang digunakan. Bakteri metanogenik mensintesis senyawa dengan berat molekul rendah menjadi senyawa dengan berat molekul tinggi, misalnya bakteri ini menggunakan hidrogen, CO2, dan asam asetat untuk membentuk metana dan CO2 (Amaru 2004). Haq dan Soedjono (2009) menyebutkan bahwa bakteri ini memiliki pertumbuhan yang lebih lambat dibandingkan dengan bakteri yang ada pada tahap satu dan dua. Bakteri methanogen sangat tergantung pada bakteri lainnya yang terdapat pada tahap sebelumnya untuk menghasilkan nutrien dalam bentuk yang sesuai. Bakteri methanogen secara alami dapat diperoleh dari berbagai sumber seperti: air bersih, endapan air laut, sapi, kambing, lumpur (sludge) kotoran anaerob ataupun TPA (Tempat Pembuangan Akhir).
2.7 FAKTOR–FAKTOR YANG MEMENGARUHI TEKNOLOGI
PROSES BIOGAS
Menurut Wahyuni (2009), proses fermentasi mengacu pada berbagai reaksi dan interaksi yang terjadi diantara bakteri metanogen dan non-metanogen serta bahan yang
60 diumpankan ke dalam digester sebagai input. Hal ini adalah phisiko-kimia yang kompleks dan proses biologis yang melibatkan berbagai faktor dan tahapan bentuk dan dinamakan sebagai faktor abiotis. Faktor-faktor yang memengaruhi proses fermentasi bahan organik menjadi biogas meliputi:
1. Starter
Starter yang mengandung bakteri metana diperlukan untuk mempercepat proses fermentasi anaerob. Beberapa jenis starter antara lain:
• Starter alami, yaitu lumpur aktif sebagai lumpur kolam ikan, air comberan atau cairan septic tank, sludge, timbunan kotoran, dan timbunan sampah organik. • Starter semi buatan, yaitu dari fasilitas biodigester dalam stadium aktif.
• Starter buatan, yaitu bakteri yang dibiakkan secara laboratoriun dengan media buatan.
2. Komposisi nutrien
Menurut Hartono (2009), parameter penting pada proses anaerobik adalah total bahan organik yang merupakan ukuran suatu material seperti karbohidrat, protein, dan lemak. Seluruh substrat itu dapat dikonversi menjadi asam-asam teruapkan dan metan. Ketersediaan nutrisi yang cukup berpengaruh pada gas metan yang akan dihasilkan.
3. Ukuran Bahan
Laju produksi biogas dapat ditingkatkan melalui pemberian pretreatment substrat. Maksudnya yaitu menghancurkan struktur organik kompleks menjadi molekul sederhana sehingga mikroorganisme lebih mudah mendegradasi bahan tersebut. Bahan dengan ukuran lebih kecil akan lebih cepat terdekomposisi daripada bahan dengan ukuran yang lebih besar. Hal tersebut dikarenakan bahan dengan ukuran lebih kecil memiliki luas kontak permukaan yang lebih besar dibandingkan bahan berukuran besar (Sulaeman 2007). Wahyuni (2009) menguatkan bahwa degradasi dan potensi produksi biogas dari limbah berserat dapat secara signifikan meningkat dengan perlakuan awal yaitu memperkecil ukuran partikel.
4. Rasio C/N
Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen yang terdapat pada bahan organik dinyatakan dalam rasio karbon/nitrogen (C/N). Apabila rasio C/N sangat tinggi, nitrogen akan dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metan sampai batas persyaratan protein dan tidak lama bereaksi ke arah kiri pada kandungan karbon pada bahan. Sebagai akibatnya produksi metan akan menjadi rendah, sebaliknya apabila rasio C/N sangat rendah, nitrogen akan bebas dan akan terakumulasi dalam bentuk amonia (NH4) yang berdampak pada meningkatnya pH pada digester (Wahyuni 2009).
Syarat ideal C/N untuk proses digesti sebesar 25–30. Oleh karena itu, untuk mendapatkan produksi biogas yang tinggi, maka penambangan bahan yang
61 mengandung karbon (C) seperti jerami atau N (misalnya urea) perlu dilakukan untuk mencapai rasio C/N tersebut. Berikut tabel 7 yang menunjukkan kadar N dan rasio C/N dari beberapa jenis bahan organik:
Tabel 7. Kandungan C dan N beberapa jenis bahan
Bahan organik Rasio C/N Kadar N (%) Kekeringan bahan (%)
Kotoran ayam 15 6.3 25
Kotoran kuda 25 2.8 -
Kotoran sapi, kerbau 18 1.7 18
Tinja manusia 6-10 5.5-6.5 11 Buangan BPH 2 7-10 - Sampah kota 54 1.05 - Jerami jelai 68 1.05 - Sayuran 12 3.6 - Rumput muda 12 4 - Sumber : Care (2011)
Dalam sistem biodigesti yang bekerja dengan baik, karbon adalah satu-satunya unsur yang hilang dalam jumlah besar. Nitrogen dan fosfor akan tersisa dalam jumlah yang sama tapi dalam konsentrasi yang lebih tinggi karena bahan lain sudah terdigesti.
5. Temperatur
Hampir seluruh aktivitas biologi dipengaruhi oleh temperatur. Temperatur dapat menghambat atau mempercepat pertumbuhan mikroba, penguraian bahan organik, produksi gas, penggunaan substrat, dan banyak aktivitas biologi lainnya. Salah satu alasannya adalah karena berbagai aktivitas biologi melibatkan reaksi-reaksi berbantuan enzim, sedangkan enzim sangat sensitif terhadap perubahan temperatur (Hartono 2009).
Hartono (2009) menyatakan bahwa berdasarkan temperatur operasinya, proses anaerob secara garis besar diklasifikasikan menjadi tiga yaitu psycrofil, mesofil, dan termofil. Pada umumnya digester anaerob beroperasi pada temperatur mesofil yaitu 20-45°C. Kondisi ini dipilih karena mikroba-mikroba di alam lebih banyak yang bersifat mesofil daripada psychrofil dan termofil. Selain itu, sludge retention time (SRT) dalam digester mesofil (4-6 minggu) juga lebih pendek daripada dalam digester psychrofil (12 minggu) dengan suhu 5-25°C, sedangkan temperatur termofil yaitu 50-70°C. Laju degradasi bahan organik pada temperatur termofil lebih cepat daripada sistem psychrofil dan mesofil. Oleh karena itu SRT termofil juga sangat singkat, namun pengendalian temperatur termofil lebih sulit dan mahal daripada mesofil dan psycrhofil. Kondisi pengoperasian proses anaerobik tersebut diperlihatkan oleh Tabel 8.
Tabel 8. Kondisi pengoperasian proses anaerobik
62 Suhu
Mesofilik 35 °C
Termofilik 54 °C
pH 7-8
Waktu retensi 10-30 hari
Laju pembebanan 0.15-0.35 kg VS/m3/hari
Hasil biogas 4.5-11 m3/kg VS
Kandungan metana 60-70 %
Sumber : Engler et al. (2000)
Dalam seluruh jenis temperatur anaerob, sangat penting untuk menjaga konsistensi temperatur di seluruh bagian tangki. Jika terjadi variasi temperatur, maka akan menghambat atau menonaktifkan bakteri anaerob tertentu termasuk bakteri metanogen yang memiliki rentang adaptasi temperatur sangat sempit.
7. Nilai pH
Perubahan pH akan membawa perubahan pada sistem biologis. Hal ini karena aktivitas enzim sangat dipengaruhi oleh pH. Pada umumnya mikroba anaerob beraktivitas pada pH optimum antara 6-7.5. Rentang pH ini dapat dikontrol oleh buffer alami berupa amonium (NH+4) dan bikarbonat (HCO-3). Ion amonium diperoleh dari deaminasi asam-asam amino dan material yang mengandung nitrogen dan amino lainnya seperti DNA, RNA, Adenosin Tri Phosphat (ATP), dan enzim. Ion bikarbonat diperoleh dari karbondiokasida yang diproduksi selama hidrolisis, pembentukan asam dan metanogenesis (Hartono 2009).
Wahyuni (2009) menyebutkan bahwa derajat keasaman (pH) di dalam digester merupakan fungsi waktu di dalam digester tersebut. Pada tahap awal proses fermentasi, asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, sehingga pH di dalam digester bisa mencapai di bawah 5. Kemudian proses pencernaan berlangsung dan nilai pH berangsur normal seiring dengan pembentukan NH4 hasil dari penguraian nitrogen.
8. Kadar Air
Menurut Haq dan Soedjono (2009), dekomposisi bahan organik oleh mikroorganisme tergantung kadar air. Kelembaban 36-99 % akan menaikkan produksi gas 67 %. Kenaikan tersebut dicatat pada rentang kelembaban 60-78 % dan cenderung sama pada kelembaban yang lebih tinggi. Sisa kelembaban dapat menghambat aktivitas methanogen. Menurut Triyanto (1992), bahan umpan yang baik mempunyai kandungan padatan 7 %-9 %.
Rahman (2007) mengatakan bahwa mikroorganisme pembusuk akan tumbuh subur pada bahan yang memiliki kadar air sekitar 90%. Hal ini menunjukkan bahwa bahan sangat mudah mengalami proses pembusukkan atau pendegradasian secara mikrobiologi.
9. Inhibitor
Menurut Wahyuni (2009), ion mineral, logam berat, dan detergen merupakan beberapa material racun yang memengaruhi pertumbuhan bakteri. Bakteri metanogen
63 lebih sensitif terhadap racun daripada bakteri penghasil asam. Amonia (NH4) pada konsentrasi 50-200 mg/l dapat merangsang pertumbuhan mikroba. Namun apabila konsentrasinya diatas 1500 mg/l akan mengakibatkan keracunan.
10. Pengadukan
Proses pengadukan ditujukan untuk mendapatkan campuran substrat dan bakteri fermentasi yang homogen dengan ukuran partikel yang kecil. Pengadukan selama proses dekomposisi untuk mencegah terjadinya benda-benda mengapung pada permukaan cairan. Di samping itu, pengadukan akan memberikan kondisi temperatur yang seragam untuk proses tersebut.
11. Waktu tinggal di dalam digester
Waktu tinggal di dalam digester adalah rata-rata periode waktu saat input masih berada dalam digester dan proses fermentasi oleh bakteri metanogen. Waktu tinggal juga dipengaruhi oleh suhu. Suhu di atas 35 °C mengakibatkan produksi gas menjadi rendah (Wahyuni 2009). Anonim (2006) menyebutkan bahwa pada umumnya biogas masing-masing variasi mulai terbentuk pada hari pertama setelah pengisian dan terus meningkat secara signifikan hingga akhirnya mencapai kondisi statis. Pengetahuan mengenai waktu pencapaian kondisi statis berimplikasi pada pengetahuan waktu tinggalnya (HRT). Hal ini berguna untuk jadwal pengisian substrat jika akan diaplikasikan di lapangan.
2.8 JERAMI PADI
Jerami merupakan bagian vegetatif dari tanaman padi (batang, daun, dan tangkai malai). Pada waktu tanaman dipanen, jerami adalah bagian tanaman yang tidak diambil. Bobot Jerami padi merupakan fungsi dari ketersediaan air, varietas, nisbah gabah/jerami, cara budidaya, kesuburan tanah, musim, iklim dan ketinggian tempat. Jerami terdiri atas daun, pelepah daun, ruas atau buku. Ketiga unsur ini relatif kuat karena mengandung silika dan selulosa yang tinggi sehingga pelapukanya memerlukan waktu. Namun jika diberi perlakuan tertentu akan mempercepat terjadi perubahan strukturnya (Makarim 2007).
Produksi jerami padi di Indonesia juga merupakan salah satu yang terbesar. Pada Tabel 9 berikut dapat dilihat data produksi jerami padi diberbagai negara.
Tabel 9. Data perkiraan produksi jerami diberbagai negara
Negara Luas Panen (‘000 ha) Produksi (‘000 Ton) Prakiraan Produksi Jerami (‘000 Ton)’) Cina 30.503 190.168 285.252 India 44.600 161.500 242.250 Indonesia 11.523 51.000 76.500 Bangladesh 10.700 35.821 53.732 Vietnam 7.655 32.554 48.831 Thailand 10.048 23.403 35.105 Myanmar 6.211 20.125 30.188 Filipina 4.037 12.415 18.623
64 Jepang 1.770 11.863 17.796 Brasil 3.672 11.168 16.752 Amerika Serikat 1.232 8.669 13.004 Korea Selatan 1.072 7.067 10.600 Pakistan 2.312 7.000 10.500 Nepal 1.550 4.030 6.045 Nigeria 2.061 3.277 4.916
‘) angka perkiraan, berdasarkan grain ratio 2:3
Sumber : Maclean et al. (2002) didalam Makarim (2007)
Di Indonesia rata-rata kadar hara jerami padi adalah 0.4% N, 0.02%P, 1.4%K dan 5.6% Si (Makarim 2007). Jerami padi mengandung 40-43% C (Makarim 2007).
Fermentasi biogas dapat dibuat dari berbagai residu tanaman dan sumber bahan organik, termasuk jerami padii. Setiap kilogram jerami dihasilkan 0,25 m3 gas metan dan residunya mengandung 38% C (Makarim 2007). Jerami relatif sulit terdekomposisi. Hanya 9-16% dari produksi total, sehingga untuk mempercepat produksi gas jerami perlu dikomposkan terlebih dahulu (Makarim 2007). Makarim (2007) juga menyatakan bahwa dari sisi kuantitas, jerami padi merupakan salah satu limbah pertanian yang belum banyak dimanfaatkan di Indonesia. Jerami padi harganya sangat murah dan memiliki kandungan selulosa yang cukup tinggi yaitu mencapai 39%. Komposisi kimia lainnya yaitu hemiselulosa 27.5%, lignin 23.5% dan abu 10%. Potensi jerami kurang lebih 1.4 kali dari hasil panen.
2.9 SLUDGE
Limbah adalah buangan yang kehadirannya pada suatu saat dan tempat tertentu tidak dikehendaki lingkungan karena tidak memiliki nilai ekonomi. Namun berdasarkan nilai ekonomisnya, limbah dibedakan menjadi limbah yang mempunyai nilai ekonomis dan limbah yang tidak memiliki nilai ekonomis. Limbah yang memiliki nilai ekonomis yaitu limbah yang melalui suatu proses lanjut sehingga memberikan suatu nilai tambah, sedangkan limbah non-ekonomis adalah suatu limbah walaupun telah dilakukan proses lanjut dengan cara apapun tidak akan memberikan nilai tambah kecuali sekedar untuk mempermudah sistem pembuangan. Limbah yang mengandung bahan polutan yang memiliki sifat racun dan berbahaya dikenal dengan limbah B-3 yang dinyatakan sebagai bahan yang dalam jumlah relatif sedikit tetapi berpotensi untuk merusak lingkungan hidup dan sumber daya (Kristanto 2002).
Limbah padat industri pangan terutama terdiri dari bahan-bahan organik seperti karbohidrat, protein, lemak, serat kasar, dan air merupakan bahan-bahan yang mudah terdegradasi secara biologis dalam sebuah bioreaktor baik secara aerob maupun anaerob serta menyebabkan pencemaran lingkungan, terutama menimbulkan bau busuk.
Limbah organik yang akan diterima pada umumnya berupa lumpur endapan dari proses pengolahan air limbah industri. Lumpur banyak mengandung zat pengurai sehingga sangat baik untuk memakan bahan organik yang masih baru (Kristanto, 2002).
65
Sludge merupakan endapan padat yang secara alami berada di dalam air dan air limbah, atau benda yang bukan endapan padat tetapi secara pengentalan kimia dan flokulasi biologi dapat mengendap dan dialirkan dari tangki pembuangan limbah. Sementara menurut Sugiharto (1987), lumpur (sludge) yang dihasilkan dari pengolahan limbah cair perlu dilakukan pengolahan secara khusus agar lumpur tersebut dapat dimanfaatkan kembali untuk keperluan kehidupan manusia.
Sistem pengolahan air limbah aerobik secara konvensional dengan menggunakan lumpur aktif merupakan pengolahan air limbah yang paling populer dilakukan baik pada instalasi pengolahan air limbah domestik atau pada industri. Namun proses pengolahan ini kurang begitu menguntungkan karena menghasilkan banyak lumpur aktif dan hingga saat ini belum ada penyelesaian secara terintegrasi. Biasanya lumpur dikeringkan dan selanjutnya dibuat sebagai tanah urukan atau dibakar. Sehingga pembuangan lumpur aktif dari tahun ke tahun semakin meningkat, padahal lahan yang dipergunakan untuk menampung buangan lumpur aktif (landfill) sangat terbatas. Pengolahan lumpur aktif dengan pembakaran biasanya menggunakan alat incinerator yang membutuhkan biaya mahal. Disamping itu proses aerobik memerlukan lahan yang luas, capital cost tinggi (sistem mekanik atau aerasi dilakukan dengan sistem difusi), dan biaya operasional tinggi (kebutuhan nutrien dan kebutuhan energi selama aerasi adalah tinggi). Pengolahan limbah secara anaerobik dapat menghasilkan gas yang terdiri atas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) yang dikenal sebagai biogas.
Di samping limbah cair, industri juga menghasilkan limbah padat. Berdasarkan sifatnya, pengolahan limbah padat industri terbagi menjadi dua yaitu limbah padat dengan pengolahan dan limbah padat tanpa pengolahan. Limbah padat tanpa pengolahan dapat dibuang ke tempat tertentu yang difungsikan sebagai tempat pembuangan akhir karena limbah tersebut tidak mengandung unsur kimia yang beracun dan berbahaya. Berbeda dengan limbah padat yang mengandung senyawa kimia berbahaya dan beracun atau yang setidak-tidaknya menimbulkan reaksi baru, limbah semacam ini harus diolah terlebih dahulu sebelum dibuang ke tempat pembuangan akhir. Selain itu, secara garis besar limbah padat dapat diklasifikasikan sebagai berikut: limbah padat yang mudah terbakar, limbah padat yang sukar terbakar, limbah padat yang mudah membusuk, debu, lumpur (sludge), dan limbah yang dapat di daur ulang (Kristanto 2002).
Lumpur aktif (activated sludge) adalah proses pertumbuhan mikroba tersuspensi. Proses ini pada dasarnya merupakan pengolahan aerobik yang mengoksidasi material organik menjadi CO2 dan H2O, NH4, serta sel biomassa baru. Proses ini menggunakan udara yang disalurkan melalui pompa blower (diffused) atau melalui aerasi mekanik. Sel mikroba membentuk flok yang akan mengendap di tangki penjernihan. Kemampuan bakteri dalam membentuk flok menentukan keberhasilan pengolahan limbah secara biologi, karena akan memudahkan pemisahan partikel dan air limbah. Semua air buangan yang biodegradable dapat diolah secara biologi. Pengolahan secara biologi (pengolahan sekunder) dipandang sebagai pengolahan yang paling murah dan efisien (Anonim 2011).
Lebih dari 300 jenis bakteri yang dapat ditemukan dalam lumpur aktif. Bakteri tersebut bertanggung jawab terhadap oksidasi material organik dan tranformasi nutrient.
66 Bakteri juga menghasilkan polisakarida dan material polimer yang membantu flokulasi biomassa mikrobiologi. Genus yang umum dijumpai adalah Zooglea, Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Achromobacter, Corynebacterium, Comomonas, Brevibacterium, dan Acinetobacter. Di samping itu ada pula mikroorganisme berfilamen yaitu Sphaerotilus dan Beggiatoa, Vitreoscilla. Jumlah bakteri aktif aerobik menurun karena ukuran flok meningkat yang disebabkan oleh tingkat oksigen dalam difusi. Bagian dalam flok yang relatif besar membuat kondisi berkembangnya bakteri anaerobik seperti metanogen. Kehadiran metanogen dapat dijelaskan dengan pembentukan beberapa kantong anaerobik didalam flok atau dengan metanogen tertentu terhadap oksigen (Wu et al., 1987). Oleh karena itu lumpur aktif cukup baik dan cocok untuk material bibit bagi pengoperasian awal reaktor anaerobik.
Sludge memiliki manfaat yang sama dengan pupuk kandang terutama dalam memperbaiki struktur tanah dan memberikan kandungan unsur hara yang diperlukan oleh tanaman. Sludge memiliki kelebihan lain yaitu setelah keluar dari digester biasanya sludge telah matang karena telah mengalami proses penguraian di dalam alat (Setiawan 1996).
2.10 PUPUK ORGANIK
Jerami Padi dapat digunakan langsung pada tanah karena mengandung nutrient organik. Namun, nutrien tersebut tidak langsung memberikan hasil yang optimal pada tanah dalam bentuk inorganik seperti nitrat (NO3-) dan fosfat (PO3-) melainkan perlu aktivitas bakteri untuk memecah nutrient organik kompleks menjadi sederhana dan akhirnya menjadi nutrient inorganik (Polprasert, 1989). Fermentasi anaerobik tidak menghilangkan banyak nutrien dari jerami maupun peternakan tetapi menyediakan nutrien yang dibutuhkan. Menurut Kristanto (2002), bahan kimia yang terdapat di dalam limbah diuraikan secara biokimia, sehingga menghasilkan bahan organik baru yang lebih bermanfaat.
Menurut Murbandono (2002), pupuk merupakan bahan-bahan yang diperlukan tanah baik langsung maupun tidak langsung. Hasil pengomposan dapat digunakan untuk pupuk tanaman yang dikenal sebagai pupuk organik. Secara umum, pupuk organik adalah pupuk yang terbuat dari bahan-bahan organik yang didegradasi secara organik. Pengomposan banyak dilakukan terhadap limbah yang mudah membusuk, limbah padat perkotaan, buangan industri, lumpur pabrik, dan sebagainya. Sludge yang berasal dari biogas sangat baik untuk dijadikan pupuk karena mengandung berbagai mineral yang dibutuhkan oleh tumbuhan seperti fosfor (P), magnesium (Mg), kalsium (Ca), kalium (K), tembaga (Cu), dan seng (Zn).
Berdasarkan bentuknya pupuk organik dibedakan menjadi dua yaitu pupuk organik padat dan pupuk organik cair. Pupuk organik cair yang merupakan keluaran (effluent) dari instalasi biogas baik digunakan untuk tanaman darat maupun tanaman air (Capah 2006). Pupuk organik yang baik memiliki beberapa ciri yaitu N harus berada dalam bentuk persenyawaan organik, tidak meninggalkan sisa asam organik di dalam tanah, dan mempunyai persenyawaan C yang tinggi. Syarat mutu pupuk organik padat dan cair yang direkomendasikan oleh Direktorat Jenderal Bina Sarana Pertanian, Departemen Pertanian RI, diperlihatkan pada tabel berikut.
67 Tabel 10. Syarat mutu pupuk organik padat dan cair
No Parameter Satuan Kandungan Pupuk Organik
Padat Cair
1 C-Organik % Min 15 ≥ 4.5
2 C/N ratio 12-25 -
3 Bahan ikutan (karikil, beling, plastik) % Maks 2 -
4 Kadar air % 20 ≤ x ≤ 35 - 5 Logam berat : Pb Cd Hg As ppm ppm ppm ppm ≤ 100 ≤ 20 ≤ 2 ≤ 20 ≤ 100 ≤ 20 ≤ 2 ≤ 20 6 pH ≥ 4 - ≤ 8 ≥ 4 - ≤ 8
7 Kadar total (N + P2O5 + K2O) % Dicantumkan Dicantumkan
8 Mikroba pathogen (E. coli,
Salmonella)
cell/ml Dicantumkan Dicantumkan 9 Unsur mikro (Zn, Cu, Mn, Co, Fe) ppm Dicantumkan Dicantumkan Sumber: Soekiman (2005)
Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk meningkatkan kandungan unsur hara, baik pada pupuk padat melalui ekskresi metabolisme cacing tanah, ataupun pada pupuk organik cair melalui penambahan kandungan nitrogen dengan penggunaan urin ternak. Polprassert (1980) menyebutkan bahwa di dalam sludge gas bio terdapat 50% nitrogen (N) berada dalam bentuk ammonia, dan unsur hara fosfor serta kalium tidak mengalami perubahan.
68
III. METODE PENELITIAN
3.1 WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN
Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknologi dan Manajemen Lingkungan, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Bogor dan dimulai pada bulan April 2011 sampai Juli 2011.
3.2 ALAT DAN BAHAN
Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah padat pertanian berupa jerami padi dari persawahan di Desa Cikarawang wilayah lingkar kampus IPB Dramaga, serta sludge (lumpur aktif) yang diambil dari unit pengolahan limbah (effluent tank) PT. Sinar Meadow International Indonesia, Jakarta. Kotoran sapi yang digunakan berasal dari Fakultas Peternakan IPB.
Bahan kimia untuk analisis yang digunakan adalah H2SO4 0,02N, NaOH 6N, Asam Borat 2%, CuSO4.5H2O, K2SO4, H2SO4 pekat, larutan amonium molibdat, larutan SnCl2, larutan K2Cr2O7 0.0167 M, reagen H2SO4, larutan FAS 0.1 M, indikator ferroin, larutan buffer 4, larutan buffer 7, dan aquades.
Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini meliputi reaktor biogas kapasitas 1.5 liter (botol AMDK), akuarium, selang akuarium, tali rafia, pemberat, dan thermostat. Peralatan uji yang digunakan pH meter, gelas ukur, gelas piala, erlenmeyer, buret, pipet, alat destilasi, labu ukur, labu kjeldhal, oven, tanur, cawan, desikator, gegep, dan timbangan digital.
3.3 TAHAPAN PENELITIAN
3.3.1 KARAKTERISASI BAHAN
Analisis awal dilakukan untuk mengetahui karakteristik bahan yang digunakan yaitu sludge dan jerami. Karakterisasi yang dilakukan terdiri atas kadar air, kadar abu, TS (Total Solids), TVS (Total Volatile Solids) dan rasio C/N yang ditujukan untuk menentukan variasi komposisi bahan. Setelah didapat formula bahan yang tepat, dilanjutkan dengan persiapan campuran kedua bahan tersebut.
3.3.2 FERMENTASI ANAEROB
Bahan jerami yang digunakan adalah jerami yang didapatkan dari persawahan disekitar Kampus IPB Darmaga, dengan jarak dua minggu setelah dipanen. Bahan jerami padi dicacah terlebih dahulu dengan ukuran 0.1-0.5 cm. Selanjutnya jerami dicampur dengan lumpur aktif (activated sludge) dengan perbandingan jerami: sludge 5:3 dan jerami:sludge 3:5 dan berat total 500 gram berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Anonim (2011) dengan basis limbah cair dan lumpur aktif sebanyak 15 liter : 9 liter
69 menghasilkan penurunan COD terbesar yaitu 15.83 %. Inokulum yang digunakan adalah kotoran sapi fresh sebanyak 200 g yang didapat dari peternakan sapi Fakultas Peternakan IPB. Penambahan kotoran sapi dimaksudkan untuk starter pada proses fermentasi. Campuran jerami padi, lumpur aktif, dan kotoran sapi bertujuan agar bakteri dapat tumbuh dan hidup sehingga dapat menguraikan senyawa organik yang nantinya menghasilkan metana. Banyaknya kotoran sapi yang ditambahkan didasarkan pada penelitian Hardyanti (2007).
Proses berlangsung secara anaerob pada botol 1,5 liter dan suhu operasi diatur konstan yaitu 32 oC dengan menggunakan thermostat yang diletakkan di dalam akuarium. Botol dibuat terendam di dalam akuarium. Gas yang terbentuk dialirkan ke dalam gelas ukur yang diletakkan terbalik berisi air penuh, sehingga jumlah gas yang terbentuk adalah jumlah ruang udara yang terdapat di dalam gelas ukur tersebut. Setiap harinya dilakukan pengukuran volume gas yang terbentuk. Pengukuran produksi biogas harian dilakukan untuk mengetahui perlakuan komposisi sludge yang dapat menghasilkan gas terbanyak atau optimum. Rancangan bioreaktor akan diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Bioreaktor
Setiap 3 hari sekali dilakukan pengukuran pH lindi dan bahan padat, COD (Chemical Oxygen Demand) lindi dan bahan padat, serta TS (Total Solids)-TVS (Total Volatile Solids) untuk mengetahui tingkat degradasi bahan organik. Analisis kadar karbon, nitrogen, dan fosfat dilakukan pada awal dan akhir proses. Proses akan berlangsung secara batch selama 30 hari. Asumsi substrat yang digunakan dianggap substrat tunggal dan pertumbuhan biomassa yang teramati merupakan pertumbuhan neto (net growth) total untuk semua jenis bakteri. Diagram alir penelitian dijelaskan pada Gambar 2.
70
71 Gambar 2. Diagram alir penelitian
Jerami Padi
Jerami 0.1-0.5 cm perbandingan 3:5 (225 gr)
dan 5:3 (375 gr)
Fermentasi anaerobik pada suhu 32oC selama 30 hari Pengecilan ukuran : 0.1-0.5 cm
Biogas
Pengukuran volume biogas yang terbentuk setiap hari
Pengukuran TS-TVS, COD, pH bahan padat dan lindi setiap 3
hari sekali
Kompos
Pengukuran kadar karbon, nitrogen, dan fosfat
(awal dan akhir) Kotoran sapi
200 gr
Sludge perbandingan 3:5 (225 gr) dan 5:3
72
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. KARAKTERISTIK BAHAN AWAL
Bahan utama yang digunakan pada penelitian ini terdiri atas jerami padi dan sludge. Pertimbangan atas penggunaan bahan tersebut yaitu jumlahnya yang melimpah serta kemudahan dalam mendapatkannya. Romli (2010) menerangkan bahwa sludge merupakan produk samping yang dihasilkan dari proses penanganan limbah cair, berupa suspensi padatan anorganik dan organik (antara 1-5%), yang bercampur dalam cairan (efluen) yang mengandung berbagai jenis padatan terlarut. Hasil yang diperoleh dari analisis sludge dan jerami ditunjukkan pada tabel 11 dan table 12 di bawah ini:
Tabel 11. Karakteristik sludge Kadar air (%) Kadar abu (%) pH % TS %TVS (wet) % TVS (dry) C (%) N (%) Rasio C/N 96.66 1.05 6.23 3.34 2.29 68.55 45.8 2.4 19.08
Tabel 12. Karakteristik jerami
Bahan Baku Karakteristik Nilai Jerami Kering Kadar Air (%) 17.41
Kadar Abu (%) C (%) N (%) Rasio C/N 28.31 38 0.5 76 Total Solid (%)
Total Volatile Solid (wb) (%)
82.59 54.28 Total Volatile Solid (db) (%) 65.72
Campuran Jerami dan sludge (bahan yang digunakan), dengan komposisi 3:5 Kadar Air (%) 81.36 Kadar Abu (%) C (%) N (%) Rasio C/N 6.28 32.15 0.90 35.7 Total Solid (%)
Total Volatile Solid (wb) (%)
18.64 12.36 Total Volatile Solid (db) (%) 66.32
Campuran Jerami dan sludge (bahan yang digunakan), dengan
komposisi 5:3 Kadar Air (%) 78.10 Kadar Abu (%) C (%) N (%) Rasio C/N 6.97 40.64 1.26 32.17
73
Total Solid (%) 21.90 Total Volatile Solid (wb) (%) 14.93 Total Volatile Solid (db) (%) 68.18 Dari hasil analisis pada tabel di atas menunjukkan bahwa jerami kering yang digunakan memiliki kadar air yang rendah, sedangkan pada campuran jerami dan sludge dengan komposisi 3:5 kadar air cukup tinggi yaitu sebesar 81.36% dan pada jerami:sludge komposisi 5:3 sebesar 78.10%. Berkaitan dengan produksi biogas, Price (1981) menjelaskan bahwa perbedaan kadar air 36-99% akan meningkatkan produksi biogas sebesar 67%. Kandungan air dalam substrat dan homogenitas sistem memengaruhi proses kerja mikroorganisme. Kandungan air yang tinggi akan memudahkan proses penguraian, sedangkan homogenitas sistem menbuat kontak antar mikroorganisme dengan substrat menjadi lebih intim.
Van Buren (1979) juga menguatkan bahwa agar dapat beraktivitas normal, bakteri penghasil biogas memerlukan substrat dengan kadar air 90% dan kadar padatan 8-10%. Jika bahan yang digunakan merupakan bahan berjenis kering, maka perlu ditambah air, tetapi jika substratnya berbentuk lumpur, maka tidak perlu banyak penambahan air. Penambahan air akan meningkatkan konsentrasi oksigen yang bersifat racun bagi bakteri anaerob, sedangkan kadar air yang rendah mengakibatkan terjadinya akumulasi asam asetat yang bersifat menghambat pertumbuhan bakteri metanogen. Kandungan air akan berkaitan langsung dengan ketersediaan oksigen untuk aktivitas mikroorganisme aerobik. Bila kadar bahan berada kisaran 40-60% maka mikroorganisme pengurai aerobik akan bekerja secara optimal dan menyebabkan dekomposisi bahan berjalan cepat. Namun jika di atas 60%, yang berperan adalah bakteri anaerobik. Hasil analisis menunjukkan padatan total hasil karakterisasi bahan awal pada jerami kering sebesar 82.59% sedangkan pada jerami:sludge komposisi 3:5 sebesar 18.64% dan pada jerami:sludge komposisi 5:3 sebesar 21.90%. Nilai ini sesuai dengan kondisi kadar padatan optimum fermentasi biogas.
Kriteria lain yang juga sering digunakan pada proses fermentasi anaerobik adalah kandungan Volatile Solid atau padatan organik. Siregar (2005) menerangkan bahwa padatan-padatan (TS, SS, DS, serta fraksi volatile dan fixed) dapat digunakan untuk menetukan kepekatan air limbah, efisiensi proses, dan beban unit proses. Nilai tersebut menunjukkan seberapa besar proses degradasi atau penguraian suatu bahan oleh mikroorganisme. Padatan organik atau volatile solid dari hasil analisis menunjukkan nilai yang cukup besar yaitu 65.72% pada bahan jerami kering. Padatan organik mengalami kenaikan setelah dicampurkan dengan sludge yaitu 66.32% pada jerami:sludge komposisi 3:5 dan 68.18% pada jerami:sludge komposisi 5:3. Kenaikan tersebut menunjukkan peluang yang cukup besar untuk dikonversikan menjadi sejumlah biogas hasil proses fermentasi anaerobik karena persentase teruapkannya padatan organik yang besar.
Di samping karakterisasi jerami, juga dilakukan karakterisasi sludge yang digunakan dalam proses ini. Menurut Boopathy (1986) dalam Rohim (1991), sumber inokulum mempunyai pengaruh yang nyata terhadap persen reduksi selulosa, kadar asam lemak menguap, persen reduksi padatan total, padatan menguap total, padatan organik, dan produksi biogas. Berdasarkan hasil analisis, sludge yang akan digunakan memiliki
74 kadar air yang tinggi yaitu 96.66%, kadar abu 1.05%, padatan total 3.34%, serta padatan organik (db) sebesar 68.55% dan 2.29% (wb). Selain itu, sludge juga memiliki nilai COD yang besar yaitu 71200 mg/l. Penambahan air pada campuran jerami dan sludge tetap diperlukan walaupun sludge mengandung kadar air yang tinggi karena jerami yang digunakan memiliki kadar air yang rendah. Selanjutnya dilakukan penambahan kotoran sapi sebagai inokulum awal. Selain untuk mendapatkan padatan total yang sesuai, juga rasio C/N yang tepat sehingga pertumbuhan mikroorganisme pada proses ini dapat maksimal.
Sulaeman (2007) menyebutkan bahwa unsur C/N merupakan karakteristik terpenting dalam bahan organik dan berguna untuk mendukung proses pengomposan. Unsur N banyak terbentuk dari protein sedangkan unsur C banyak dibentuk oleh karbohidrat, selulosa, lemak, asam-asam organik, dan alkohol (Susanto,dkk 1988). Dalam hal ini jerami berperan sebagai penyedia karbon dan sludge sebagai penyedia nitrogen. .
Di Indonesia rata-rata kadar hara jerami padi adalah 0.4% N, 0.02 %P, 1.4 %K dan 5.6% Si dan jerami padi mengandung 40-43% C (Makarim 2007). Dari hasil karakterisasi awal diperoleh rasio C/N sebesar 76 untuk jerami kering. Rasio C/N jerami mengalami penurunan setelah dicampur sludge. Penurunan pada jerami:sludge komposisi 3:5 menjadi 35.7 dan pada jerami:sludge komposisi 5:3 menjadi 32.17. Nilai tersebut masih terlalu tinggi dan tidak sesuai dengan rasio yang ditetapkan untuk proses anaerobik (digesti) yaitu 25-30.
Selain sebagai sumber nitrogen bagi mikroorganisme, kotoran sapi digunakan sebagai sumber inokulum bagi bakteri metanogen yang akan merombak asam asetat, CO2, dan H2 menjadi metana. Keberadaan bakteri di dalam usus besar ruminansia membantu proses fermentasi sehingga proses pembentukan biogas dapat dilakukan lebih cepat (Sufyandi 2001).
4.2. PENGARUH KOMPOSISI SUBSTRAT
4.2.1 PRODUKSI BIOGAS
Biogas yang dihasilkan dari masing-masing perlakuan dapat dilihat di lampiran. Adapun produksi gas disajikan oleh Gambar 3. Berdasarkan gambar tersebut, terlihat bahwa jerami:sludge komposisi 3:5 memiliki produksi gas yang lebih banyak baik pada proses 1 maupun proses 2. Banyaknya gas yag dihasilkan sebesar 3.29714 L/kg Biomassa pada proses 1 dan 1.608 L/kg Biomassa pada proses 2. Perbedaan ini bisa jadi disebabkan oleh kondisi lingkungan yang berbeda, karena tidak dilakukan kontrol apapun terhadap faktor lingkungan, hanya saja suhu dijaga stabil pada rentang mesofilik. Menurut penelitian Hartono dan Kurniawan (2009), laju produksi biogas yang terbuat dari komposisi bahan jerami (75%) dan kotoran kerbau (25%) menghasilkan gas 6,5 ml/jam atau 0,156 liter/hari dengan waktu fermentasi selama 60 hari. Menurut Arati (2009) produksi biogas dengan bahan jerami berkisar antara 250-350 liter/kg TS dengan waktu fermentasi 30 hari.
Adapun gas yang dihasilkan oleh penelitian Prajayana (2011) dengan bahan yang sama yaitu jerami menghasilkan gas sebesar 1.60 L/kg biomassa. Pada penelitian ini
75 ternyata menghasilkan gas yang melebihi hasil tersebut. Hal ini bisa jadi disebabkan oleh kondisi sludge yang telah mengalami berbagai proses di dalam unit pengelolaan limbah. Sama halnya dengan kotoran yang telah mengalami pemasakan di dalam perut ruminansia. Sludge banyak mengandung zat pengurai yang baik untuk menghidrolisis bahan yang masih baru. Selain itu, kondisi bahan yang lebih berair berpengaruh pada peningkatan produksi gas seperi yang telah dibahas sebelumnya. Adanya pengecilan ukuran juga berdampak pada peningkatan produksi gas ditambah karena berarti mengurangi kerja mikroorganisme dalam fase aklimatisasi (penyesuaian).
Menurut Sulaeman (2007), bahan dengan ukuran lebih kecil akan lebih cepat terdekomposisi daripada bahan dengan ukuran yang lebih besar. Hal tersebut dikarenakan bahan dengan ukuran lebih kecil memiliki luas kontak permukaan yang lebih besar dibandingkan bahan berukuran besar. Pengecilan ukuran sebagai perlakuan awal berpotensi menghasilkan biogas yang secara signifikan meningkat. Agar didapat keseragaman kecepatan penguraian, maka ukuran bahan dapat dibuat menjadi lebih kecil dengan cara dicacah manual atau mekanis (menggunakan mesin). Dengan begitu akses bagi substrat terhadap enzim akan lebih baik (Romli 2010).
Yadvika et al. (2004) menyatakan bahwa untuk meningkatkan hasil biogas dalam proses fermentasi anaerobik, maka bahan baku substrat perlu dilakukan pre-treatment. Pre-treatment ini dimaksudkan untuk menghancurkan struktur organik kompleks menjadi molekul sederhana, sehingga mikroba lebih mudah mendegradasinya. Salah satu pre-treatment adalah pre-digestion bahan baku. Semakin kecil ukuran suatu bahan maka bidang sentuh bahan akan semakin luas sehingga akan mempercepat laju reaksi karena banyak bagian bahan yang saling bertumbukan secara efektif (intim) yang menyebabkan proses degradasi bahan organik menjadi optimum. Berdasarkan literature tersebut, maka jerami yang digunakan diberikan pre-treatment berupa pencacahan dengan ukuran 0.1-0.5 cm.
