anaerobic digestion

BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Peruraian anaerobik (anaerobic digestion) merupakan salah satu metode
pengolahan limbah secara
biologis
yang
memiliki
keunggulan
berupa
dihasilkannya energi lewat pembentukan gas metana. Peruraian anaerobik juga
memberikan keuntungan dari segi konsumsi energi karena tidak memerlukan
oksigen sehingga dapat menekan konsumsi energi untuk aerasi serta menurunkan
biaya penanganan sludge karena menghasilkan sludge 3-20 kali lebih rendah
dibandingkan proses pengolahan aerobik (Lew dkk., 2004). Keunggulan peruraian
anaerobik serta kenaikan biaya energi yang terjadi 10-15 tahun terakhir membuat
proses anaerobik mulai menarik perhatian para pelaku industri.
Kelemahan dari penerapan peruraian anaerobik di industri adalah
pertumbuhan bakteri yang berperan dalam peruraian anaerobik lebih lambat
sehingga pengolahan limbah memerlukan waktu tinggal yang lebih lama.
Kelemahan ini menimbulkan batasan bagi industri dengan jumlah limbah organik
yang besar. Banyaknya jumlah limbah atau tingginya laju alir limbah ke dalam
digester menyebabkan kebutuhan volume digester lebih besar untuk memberikan
waktu tinggal yang cukup. Volume digester yang lebih besar tentunya berdampak
pada kebutuhan ruang dan biaya.
Speece (2008) menyebutkan bahwa
bakteri
yang secara sengaja
dikonsentrasikan di dalam sistem, atau disebut imobilisasi, akan meningkatkan
1
2
laju penguraian senyawa organik dan mengurangi volume digester. Hal ini
dimungkinkan karena imobilisasi menyebabkan konsentrasi bakteri di dalam
sistem lebih tinggi dan mencegah bakteri terbawa keluar digester (washout)
sekaligus meningkatkan stabilitas sistem. Peningkatan konsentrasi sel tanpa ada
batasan washout menyebabkan digester dapat mengakomodasi laju alir limbah
yang tinggi dan pada akhirnya mengurangi kebutuhan volume digester.
Pengurangan kebutuhan volume digester ini juga didukung oleh ketahanan
konsorsium bakteri terhadap zat-zat yang bersifat toksik sehingga tidak
dibutuhkan perlakuan awal pada limbah, misalnya pengenceran limbah.
Penelitian ini mengevaluasi jenis dan jumlah media imobilisasi bakteri
anaerobik dalam dua tahapan eksperimen. Tahapan pertama bertujuan melakukan
evaluasi tiga jenis media imobilisasi, yaitu: zeolit, karbon, dan campuran zeolit
dan karbon, terhadap kinerja digester anaerobik. Penggunaan zeolit sebagai media
imobilisasi dalam pengolahan anaerobik dimungkinkan karena kemampuannya
sebagai penukar ion dan adsorben. Karbon juga dapat dimanfaatkan sebagai media
imobilisasi bakteri karena memiliki struktur berpori dengan luas area yang besar
dan kemampuan menjerap senyawa organik. Pencampuran kedua jenis media ini
diharapkan dapat menggabungkan keunggulan zeolit dan karbon sebagai media
imobilisasi bakteri anaerobik.
Tahapan kedua dalam penelitian ini dilakukan untuk menentukan jumlah
optimum media imobilisasi untuk peruraian limbah cair yang memiliki efek
inhibisi terhadap bakteri anaerobik, yaitu limbah cair industri etanol yang dikenal
sebagai stillage. Pemilihan stillage sebagai substrat didasarkan pada pertimbangan
3
karakteristik stillage dan permasalahan yang dihadapi dalam pengolahan stillage.
Stillage
merupakan hasil bawah dari menara distilasi etanol di mana dalam
produksi satu liter etanol dapat dihasilkan 20 liter stillage. Kandungan organik
yang tinggi dan senyawa inhibitor yang terkandung dalam stillage membuat
peruraian anaerobik stillage dinilai kurang ekonomis karena untuk menurunkan
kandungan organik di dalam stillage dibutuhkan waktu tinggal yang lama dan
volume digester yang besar (Willington dan Marten, 1982). Penambahan media
imobilisasi diharapkan dapat mengatasi masalah dalam pengolahan stillage secara
anaerobik yang menjadi representasi masalah bagi industri dengan jumlah limbah
organik yang besar dan mengandung senyawa inhibitor yang sering menyebabkan
kegagalan proses anaerobik. Hal ini dimungkinkan karena media imobilisasi dapat
menjerap inhibitor yang terkandung di dalam stillage ataupun yang terbentukdari
peruraian stillage dan berperan sebagai tempat melekatnya bakteri anaerobik.
Peran ganda media imobilisasi ini menyebabkan perlunya dilakukan penentuan
jumlah
media
imobilisasi
optimum
yang
ditambahkan
sehingga
akan
mengoptimalkan pengolahan stillage secara anaerobik.
1.2. Keaslian Penelitian
Penggunaan media berupa zeolit atau karbon dalam imobilisasi bakteri
anaerobik telah diteliti oleh beberapa peneliti sebelumnya. Borja dkk. (1994)
melakukan studi kinetika penguraian kotoran sapi secara anaerobik dengan zeolit
sebagai media imobilisasi. Parameter biokinetik, misalnya laju pertumbuhan
bakteri maksimum dan konstanta kinetika, dievaluasi pada digester anaerobik
4
kontinu. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan adanya media zeolit
diperoleh peningkatan senilai 59% pada laju pertumbuhan bakteri maksimum dan
35% pada konstanta kinetika.
Penelitian mengenai pemanfaatan zeolit sebagai media imobilisasi juga
dilakukan oleh Weiß dkk. (2011). Fokus penelitian ini adalah investigasi populasi
mikroorganisme anaerob pada zeolit aktif selama proses penguraian grass silage
secara anaerobik. Populasi mikroorganisme bervariasi mulai dari sel tunggal
hingga koloni yang membentuk biofilm pada permukaan zeolit. Untuk sel tunggal,
morfologi yang dominan adalah sel long-rod dan shorter bacillus-like, sedangkan
koloni yang membentuk biofilm terdiri dari bakteri dengan aktivitas hemiselulotis
dan kelompok metanogenis.
Penelitian lain dilakukan oleh Bertin dkk. (2004) mengenai pengolahan air
limbah pengolahan zaitun dengan menggunakan granul karbon aktif. Penggunaan
karbon aktif memberikan ketahanan terhadap beban organik yang tinggi dan
bervariasi. Digester dengan granul karbon aktif juga memberikan produktivitas
volumetris yang lebih tinggi dibandingkan dengan digester dengan media lainnya
(macro-reticulated polyurethane foam, serpihan kayu, polietilen) dari berbagai
referensi, baik dari segi penurunan COD (100%), penurunan konsentrasi senyawa
fenol (300%), maupun produksi gas metana (70%).
Bertin dkk. (2004) juga melakukan perbandingan antara granul karbon aktif
dengan butiran silika “Manville” dalam peruraian anaerobik limbah pengolahan
zaitun pada kondisi batch. Penggunaan kedua jenis media ini meningkatkan
efisiensi penurunan COD dan senyawa fenol yang cukup tinggi, yaitu berkisar
5
antara 60-250%, dibandingkan dengan digester paralel tanpa media. Digester
granul karbon aktif memiliki yield penurunan COD dan senyawa fenol lebih
tinggi dibandingkan dengan digester butiran silika “Manville” serta lebih efektif
dalam remediasi limbah pada kondisi operasi kontinu.
Penelusuran pustaka yang telah dilakukan meyakinkan bahwa tidak
ditemukan penelitian serupa yang mengevaluasi media imobilisasi bakteri
berbasis zeolit, karbon, dan campuran zeolit-karbon dalam pengolahan stillage.
Perbedaan lain dalam penelitian ini terletak pada analisis data di mana data akan
dibahas dengan membandingkan parameter-parameter pada model matematis
yang disusun untuk merepresentasikan fenomena imobilisasi terhadap kelompok
bakteri anaerobik, yaitu bakteri asidogen dan bakteri metanogen serta
menganalisis
kedua
tahapan
asidogenesis
dan
metanogenesis
secara
terpisah.Analisis ini berbeda dengan sebagian besar penelitian-penelitian
terdahulu yang melakukan analisis data secara grafis untuk hasil biogas total atau
menggunakan model matematis yang menghasilkan konstanta-konstanta kinetika
gabungan bakteri anaerobik. Analisis mikrobiologi secara kualitatif juga
dilakukan dalam penelitian ini untuk mengevaluasi bakteri yang terimobilisasi
pada tiap jenis media.
1.3. Manfaat Penelitian
Diharapkan penelitian ini dapat memberikan manfaat secara khusus menjadi
masukan berupa jenis dan jumlah media imobilisasi serta parameter kinetika
pertumbuhan bakteri asidogen dan metanogen bagi penelitian sejenis. Manfaat
6
lain yang dapat diperoleh dari penelitian ini bagi pelaku industri adalah
meningkatkan efisiensi dalam produksi biogas dan pengolahan limbah berupa
penurunan
volume
reaktor
dibandingkan
dengan
pengolahan
limbah
menggunakan sistem bakteri tersuspensi, terutama limbah yang kaya protein dan
mengandung inhibitor. Parameter-parameter kinetika yang dihasilkan oleh
penelitian ini juga dapat menjadi acuan untuk melakukan simulasi proses sebagai
bagian dari perancangan dan optimasi digester.
1.4. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Membandingkan pengaruh penambahan media imobilisasi berbasis
zeolit, karbon, dan campuran zeolit dan karbon terhadap kinerja digester
anaerobik, terutama terhadap produksi biogas harian.
2. Menentukan rasio massa media imobilisasi terhadap cairan umpan
digester yang dapat direkomendasikan untuk perancangan digester
dengan mengevaluasi konstanta kinetika pertumbuhan bakteri anaerobik.