BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Seiring dengan peningkatan populasi dunia dan pertumbuhan ekonomi yang cepat di beberapa negara berkembang, permintaan akan energi terus meningkat.
Sementara itu, pasokan energi tidak selalu dapat bertambah secepat permintaan. Ini bisa disebabkan oleh berbagai faktor, seperti penurunan kualitas sumber daya energi, penurunan investasi dalam infrastruktur energi, atau kurangnya inovasi teknologi yang dapat meningkatkan efisiensi energi. Krisis energi di Indonesia terutama berkaitan dengan ketersediaan energi dan ketergantungan yang tinggi terhadap bahan bakar fosil [1]. Indonesia merupakan salah satu produsen minyak bumi dan gas alam terbesar di dunia, namun ketersediaan sumber daya ini semakin menurun akibat produksi yang semakin menurun, kurangnya investasi untuk eksplorasi dan produksi, serta meningkatnya permintaan dalam negeri dan luar negeri. Di kutip dari Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral, adapun realisasi Produksi minyak mentah pada tahun 2020 sebesar 708,32 MBOPD atau turun sebesar 4,94% dari produksi minyak mentah tahun 2019 yaitu sebesar 745,14 MBOPD. Sedangkan produksi gas bumi pada tahun 2020 sebesar 1.180 MBOEPD atau turun sebesar 7,75% dari produksi gas bumi pada tahun 2019 yaitu sebesar 1.279 [2].
Masalah potensi sampah sebagai energi alternatif menjadi semakin penting dalam beberapa tahun terakhir karena peningkatan jumlah sampah di seluruh dunia yang memerlukan solusi yang berkelanjutan. Menurut laporan Bank Dunia jumlah sampah padat di Kota-Kota dunia akan terus naik sebesar 70% tahun ini hingga tahun 2025, dari 1,3 miliar ton pertahun menjadi 2,2 miliar ton pertahun. Mayoritas kenaikan terjadi di Kota-Kota di Negara berkembang [3]. Penggunaan sampah sebagai sumber energi alternatif telah menjadi topik diskusi yang semakin populer di berbagai negara, terutama di negara-negara berkembang yang menghadapi masalah dengan jumlah sampah yang terus meningkat. Beberapa negara seperti Jepang, Swedia, dan Jerman telah berhasil memanfaatkan sampah sebagai sumber energi alternatif dengan cara yang efektif dan efisien.
Air lindi adalah suatu cairan yang dihasilkan dari pemaparan air hujan di timbunan sampah. Cairan ini sangat berbahaya dan beracun karena mengandung konsentrasi senyawa organik maupun senyawa anorganik tinggi, yang terbentuk dalam landfill (sistem pengelolaan sampah dengan cara membuang dan menumpuk sampah di lokasi cekung, memadatkannya, dan kemudian menimbunnya dengan tanah) akibat adanya air hujan yang masuk ke dalamnya. Menurut penelitian bersama yang dilakukan oleh Daryat, umumnya toksisitas cairan ini berasal dari kandungan senyawa organik (hidrokarbon dan sulfat), anorganik (natrium, kalium, kalsium, magnesium, klor, ortofosfat, fenol, dan logam berat beracun), serta sejumlah bakteri patogen yang terkandung di dalamnya. Selain itu, beberapa genus bakteri aerob yang dapat muncul di dalamnya, yaitu streptococcus, escherichia, pseudomonas, dan proteus. [4]
Pembangkit listrik menggunakan air lindi dengan teknologi microbial fuel cell (MFC) adalah cara yang inovatif dan ramah lingkungan untuk menghasilkan listrik dari limbah cair industri. Air lindi adalah limbah cair yang dihasilkan dari proses pengolahan limbah padat, seperti pengolahan kertas, pulp, dan industri tekstil. MFC adalah sistem elektrokimia yang memanfaatkan mikroorganisme untuk menghasilkan listrik dari bahan organik. Dalam MFC, mikroorganisme yang hidup di anoda mengoksidasi bahan organik dalam air lindi, menghasilkan elektron dan proton.
Elektron yang dihasilkan mengalir melalui kawat konduktor listrik dan dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.
Pada laporan ini, tempat yang digunakan untuk pengambilan data bertempat di TPA Supit Urang. Kementerian Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat (PUPR) telah mengembangkan Tempat Pemrosesan Akhir (TPA) Supit Urang, Kota Malang, Provinsi Jawa Timur yang semula menggunakan sistem penimbunan sampah terbuka(open dumping) menjadi sistem sanitary landfill. TPA yang dioperasikan dengan sistem sanitary landfill akan meminimalisir dampak pencemaran, baik air, tanah, maupun udara sehingga lebih ramah lingkungan. Debit air lindi akan dipergunakan dalam menentukan dimensi dari masing-masing unit pengolahan air lindi yang didesain untuk diaplikasikan di TPA Supit Urang. Berdasarkan hasil observasi, perhitungan debit air lindi dihasilkan debit air lindi sebesar 0,147327455 m3/detik. Perhitungan Lindi debit diambil dari kondisi curah hujan maksimum yang telah dilakukan perhitungan sebelumnya dimana debit air yang masuk yakni air hujan
1
akan dikurangi dengan air yang terinfiltrasi, terevaporasi maupun yang menjadi runoff sehingga air yang tersisa akan diasumsikan menjadi air lindi setelah membilas material organik didalam sampah.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut rumusan masalah dari penelitian ini adalah : A. Bagaimanakah cara agar sampah dapat digunakan sebagai energi alternatif
dalam menanggulangi krisis energi yang sedang terjadi?
B. Bagaimana desain rancangan prototype pembangkit listrik air lindi berbasis MFC di TPA Supit Urang?
1.3. Tujuan
Berdasarkan rumusan masalah tersebut tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah :
A. Mengetahui cara agar sampah dapat digunakan sebagai energi alternatif dalam menanggulangi krisis energi yang sedang terjadi.
B. Membuat desain rancangan prototype pembangkit listrik air lindi berbasis MFC di TPA Supit Urang.
1.4. Batasan Masalah
Batasan masalah dari penelitian ini diantaranya adalah sebagai berikut:
A. Air Lindi yang dihasilkan dari TPA Supit Urang tidak dilakukan proses karakterisasi, dan pada penelitian ini tidak dibahas mengenai organisme biologis lokal yang berperan dalam proses pendegradasian bahan pencemar.
B. Tidak membahas detail desain perancangan, hanya desain dimensi secara umum.
1.5. Manfaat
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi diantaranya
A. Memberikan gambaran rancangan desain pembangkit listrik menggunakan air lindi yang sesuai untuk diaplikasikan pada TPA Supit Urang.
2
B. Memberikan arahan yang solutif terhadap permasalahan pengelolaan air lindi yang dihasilkan dari aktifitas TPA Supit Urang, sehingga diharapkan mampu untuk meminimalisir adanya pencemaran di lingkungan.
C. Membantu pemerintah dalam mengambil keputusan pada setiap kebijakan, rencana, dan program pembangunan khususnya di bidang lingkungan yang terkait dengan perencanaan pengembangan sararana pengelolaan lindi.
D. Membantu pengambil keputusan dalam menentukan desain bentuk pembangkit listrik menggunakan air lindi yang sesuai peruntukannya untuk mencegah terjadinya ketidakseimbangan lingkungan.
3
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Pustaka
Penelitian tentang pemanfaatan air lindi sebagai energi alternatif dengan metode MFC pernah dilakukan oleh Badrus Zaman, Purwono, (2017) telah melakukan penelitian dengan judul “Pemanfaatan Sistem Microbial Fuel Cell (MFC) sebagai Sumber Energi Listrik Alternatif pada Pengolahan COD dalam Lindi Menggunakan Rumput Belulang (Eleusine Indica)”, Penelitian ini dilakukan menggunakan tanaman Rumput Belulang untuk mengolah atau mengurangi kandungan COD dalam lindi, tujuannya untuk mengetahui seberapa besar efisiensi penurunan COD yang dapat dilakukan oleh rumput belulang. Proses pengurangan konsentrasi COD oleh tanaman ini, akan dihasilkan bakteri-bakteri yang keluar di akar dan kemudian bakteri ini akan digunakan oleh elektroda untuk menghasilkan listrik.
Dani Permana, Djaenudin, (2019) penelitian ini berjudul “Pemanfaatan Sistem Microbial Fuel Cell Dalam Menghasilkan Listrik Pada Pengolahan Air Limbah Industri Pangan” MFC diamati selama 80 jam. Pengukuran tegangan yang dihasilkan dilakukan setiap 4 jam. Tegangan maksimum yang dihasilkan pada media limbah tahu mencapai 80 mV (pada jam ke-28). Selama 52 jam berikutnya, tegangan sedikit menurun. Sedangkan pada air limbah cucian beras, tegangan maksimum terjadi pada jam ke-60 yaitu 234 mV. Selama proses 80 jam, melalui sistem MFC pada media limbah tahu, COD mampu turun 49,33% dari 6750 mg/L menjadi 3420 mg/L.
Sedangkan pada limbah cucian beras, COD turun dari 18840 mg/L menjadi 10560 mg/L atau sebesar 43,95 % selama 80 jam.
2.2. Landasan Teori A. Air Lindi
Air lindi atau dalam bahasa Inggris disebut leachate, adalah cairan yang terbentuk dari hasil percolation (penyerapan) air melalui sampah atau limbah padat yang terdapat di dalam suatu tempat pembuangan akhir (TPA) atau landfill. Air lindi umumnya mengandung berbagai bahan kimia dan polutan yang dapat mencemari lingkungan jika tidak dikelola dengan baik [5].
4
Air lindi memiliki karakteristik yang berbeda-beda tergantung pada jenis sampah atau limbah padat yang menjadi sumbernya. Beberapa parameter yangdigunakan untuk mengukur karakteristik air lindi antara lain pH, BOD (Biochemical Oxygen Demand), COD (Chemical Oxygen Demand), TDS (Total Dissolved Solids), TSS (Total Suspended Solids), serta konsentrasi logam berat dan zat organik tertentu [6].
Pengelolaan air lindi bertujuan untuk mengurangi dampak negatif air lindi terhadap lingkungan [7]. Beberapa teknologi yang dapat digunakan untuk mengelola air lindi antara lain pengolahan aerobik, pengolahan anaerobik, pengolahan dengan menggunakan tanaman atau sistem fitoremediasi, serta pengolahan dengan menggunakan membran atau sistem membran filtrasi [8].
Air lindi yang tidak dikelola dengan baik dapat menyebabkan pencemaran air tanah, pencemaran air permukaan, dan pencemaran udara.
Selain itu, air lindi juga dapat membahayakan kesehatan manusia dan hewan, serta merusak ekosistem di sekitar TPA [9].
B. Fuel Cell
Fuel cell atau sel bahan bakar adalah sebuah perangkat elektrokimia yang menghasilkan energi listrik dengan menggunakan reaksi kimia antara bahan bakar (seperti hidrogen, methanol, atau propan) dan oksigen [10]. Fuel cell bekerja dengan mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi antara bahan bakar dan oksigen. Sel bahan bakar terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu elektroda anoda, elektroda katoda, dan elektrolit.
Ketika bahan bakar diumpankan ke elektroda anoda, elektron dilepaskan dan melewati rangkaian listrik eksternal untuk mencapai elektroda katoda. Di sisi lain, ion positif (seperti ion hidrogen atau ion proton) bergerak melalui elektrolit ke elektroda katoda. Di elektroda katoda, elektron dan ion positif bereaksi dengan oksigen dari udara dan menghasilkan air dan energi listrik [11].
5
Gambar Sistem Fuel Cell
Ada beberapa jenis fuel cell yang berbeda, tergantung pada jenis bahan bakar, elektrolit, dan temperatur operasinya. Beberapa jenis fuel cell yang umum digunakan antara lain proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), solid oxide fuel cell (SOFC), alkaline fuel cell (AFC), direct methanol fuel cell (DMFC), dan molten carbonate fuel cell (MCFC) [12]. Fuel cell memiliki potensi untuk digunakan sebagai sumber energi bersih dan efisien dalam berbagai aplikasi, termasuk transportasi, pembangkit listrik, dan pemrosesan limbah . Beberapa contoh aplikasi fuel cell antara lain mobil listrik dengan bahan bakar hidrogen, sistem pembangkit listrik skala kecil untuk rumah atau bangunan, dan pengolahan limbah dengan menghasilkan energi listrik [13].
C. Microbial Fuel Cell (MFC)
Microbial fuel cell (MFC) adalah perangkat elektrokimia yang menghasilkan energi listrik melalui aktivitas mikroba dalam mengoksidasi bahan organik [14]. MFC bekerja dengan mengubah energi kimia dari degradasi bahan organik menjadi energi listrik melalui reaksi redoks mikroba.
MFC terdiri dari dua kompartemen terpisah oleh membran atau elektrolit, yaitu anoda dan katoda. Bahan organik dioksidasi di anoda oleh mikroba yang melepaskan elektron dan ion hidrogen. Elektron mengalir melalui sirkuit eksternal ke katoda, sementara ion hidrogen (H+) bergerak melalui elektrolit menuju katoda. Di katoda, oksigen dari udara mengambil elektron dan ion hidrogen untuk menghasilkan air. Arus listrik dihasilkan oleh perbedaan potensial antara elektroda anoda dan katoda [15].
6
Gambar Sistem Microbial Fuel Cell
Mikroba yang digunakan dalam MFC umumnya adalah bakteri anaerob yang mampu mengoksidasi bahan organik dan melepaskan elektron.
Beberapa jenis bakteri yang umum digunakan dalam MFC antara lain Shewanella spp., Geobacter spp., dan Rhodoferax spp. Selain itu, mikroba lain seperti bakteri fotosintetik, arkea, dan jamur juga dapat digunakan dalam MFC [16]. MFC memiliki potensi untuk digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengolahan limbah, pemurnian air, dan penghasilan energi listrik dari limbah organik. Selain itu, MFC juga dapat digunakan dalam sensor biologis dan sistem bioremediasi [17].
7
BAB III METODOLOGI
3.1. Perancangan
Penelitian ini memanfaatkan material organik sederhana (glukosa) pada limbah air lindi untuk digunakan sebagai nutrisi bagi bakteri. Metabolisme bakteri yang hidup pada ruangan anoda pada reaktor Microbial Fuel Cell (MFC) mengubah substrat seperti glukosa, asetat juga limbah cair menjadi CO2, proton, dan elektron.
Elektron kemudian mengalir melalui sirkuit listrik dengan muatan pada katoda. Beda potensial antara anoda dan katoda bersama dengan aliran elektron akan menghasilkan daya listrik.
Teknologi MFC (Microbial Fuel Cell), dengan menggunakan mikroorganisme untuk mengambil elektron yang terkandung pada materi organik limbah cair. Elektron yang dihasilkan digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Sedangkan proton akan digunakan untuk mengubah limbah cair menjadi H2O (air) yang selanjutnya akan dibuang ke sungai-sungai pada keadaan yang lebih ramah terhadap lingkungan.
Pada MFC bakteri melekat pada anoda yang mengoksidasi substrat organik dan melepas elektron dan proton. Proton pada anoda chamber pindah melalui membran ke katoda chamber, ketika elektron lepas dari bakteri ke elektroda (anoda) pada chamber yang sama dan kemudian melalui sirkuit ke katoda dimana mereka menyatu dengan proton dan oksigen untuk membentuk air. Pada cara ini listrik dapat diproduksi. Bahan kimia seperti nitrat, sulfat dan mangan dapat dijadikan akseptor proton.
Secara umum, mekanisme prosesnya adalah substrat dioksidasi oleh bakteri menghasilkan elektron dan proton pada anoda. Elektron ditransfer melalui sirkuit eksternal, sedangkan proton didifusikan melalui separator membran (proton exchange membrane) menuju katoda. Pada katoda, reaksi elektron dan proton terhadap oksigen akan menghasilkan air.
3.2. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya sebagai berikut:
a. Reaktor dual chamber transparan e. Aquades
b. Karbon sebagai elektroda f. Sistem Kelistrikan
8
c. Limbah Air Lindi g. Multitester d. Jembatan garam dan PEM nafion
3.3. Diagram Alir
3.4. Desain Alat
Gambar Reaktor Inti MFC
9 Mulai
Studi Literatur
Perancangan Desain
Uji C oba Alat
Analisis dan Pembahasan
Selesai
Gambar Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air Lindi Dengan Metode MFC
10
BAB IV PENUTUP
Keunggulan dari alat ini adalah (1) Mampu mengurangi Amonia yang ada pada air lindi, (2) Mampu mengurangi BOD, dan (3) Mampu menghasilkan sumber energi alternatif.
Kekurangan dari alat ini adalah pembersihan alat yyang kurang praktis, apabila terdapat satu reaktor yang rusak maka sistem tidak dapat beroperasi, dan maintenance alat yang tidak efetif seperti mengganti elektroda dan jembatan garam yang harus membuka tutup chamber dan melepas seluruh bagian sistem sehingga diperlukan perawatan yang intensif dan memakan banyak waktu. Hasil daya yang dapat dibangkitkan masih belum dapat di tampilkan dikarekan tim penulis hanya melakukan metode secara kajian literatur dan belum melakukan penelitian secara eksperimen. Metode yang digunakan masih berupa kajian pustaka dan hasil refrensi dari penelitian terdahulu. Perlu dilakukan pengkajian ulang terhadap bahan material yang lebih efesien. Desain dari sistem masih perlu dikembangkan lagi dengan model desain yang lebih efesien.
11
DAFTAR PUSTAKA
[1] BAPPENAS (2014). Improving Indonesia's Energy Security : Strategy Recommendations and Analysis. National Development Planning Agency
[2] KESDM (2020). Oil and Gas Statistics 2020. Directorate General of Oil and Gas Ministry of Energy and Mineral Resources. Jakarta
[3] Fitri A., Mega K. P. (2021) Analysis of Inorganic Waste Management in Sukawinatan, Palembang City University PGRI Palembang, Palembang.
[4] Fikri D., Delita Z., Bernadeta L. F., (2017) Analysis of Leachate Water Quality from the Pekanbaru City Garbage Final Disposal Site Based on Biological, Physical and Chemical Parameters. University of Riau, Riau.
[5] Alazba, A. A., Muyibi, S. A., & Hamzah, Z. (2010). Characteristics of leachate and its impacts on water quality in Malaysia: a review. Environmental science and pollution research international, 17(4), 679-689.
[6] Apul, D. S., Gardner, K. H., & Pearce, A. R. (2008). Characterization of leachate from landfills in Florida, USA. Waste management, 28(4), 772-780.
[7] Christensen, T. H., Cossu, R., & Stegmann, R. (2010). Landfilling of waste: Biogas.
Environmental science & technology, 44(22), 8540-8548.
[8] Khan, S., Malik, A., & Ahmad, S. R. (2012). Integrated biological and chemical treatment (IBCT) for leachate from municipal solid waste: a review. Journal of environmental management, 113, 170-183.
[9] Christensen, T. H., Kjeldsen, P., Bjerg, P. L., Jensen, D. L., Christensen, J. B., Baun, A., & Cossu, R. (2011). Biogeochemistry of landfill leachate plumes. Applied geochemistry, 26(4), 571-580.
[10] Vielstich, W., Lamm, A., & Gasteiger, H. A. (Eds.). (2013). Handbook of fuel cells:
fundamentals, technology, and applications. John Wiley & Sons.
[11] Larminie, J., & Dicks, A. (2017). Fuel cell systems explained (3rd ed.). John Wiley &
Sons.
[12] Wang, J., Liang, D. T., & Yi, B. (2013). Solid oxide fuel cell technology: principles, performance and operations. Elsevier.
[13] Zelenay, P., & Stonehart, P. (2013). Fuel cell technology for transportation and stationary power generation. Annual Review of Environment and Resources, 38, 459492.
12
[14] Logan, B. E. (2009). Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells. Nature Reviews Microbiology, 7(5), 375-381.
[15] Rabaey, K., Rodriguez, J., Blackall, L. L., & Keller, J. (2007). Microbial ecology meets electrochemistry: electricity-driven and driving communities. The ISME Journal, 1(1), 9-18.
[16] Lovley, D. R. (2006). Microbial fuel cells: novel microbial physiologies and engineering approaches. Current Opinion in Biotechnology, 17(3), 327-332.
[17] Logan, B. E. (2010). Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems. Applied Microbiology and Biotechnology, 85(6), 1665-1671.
13
