DEKOMPOSISI LIMBAH PADAT SECARA ANAEROB

DEKOMPOSISI LIMBAH PADAT
SECARA ANAEROB
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
1
Dekomposisi Secara Anaerob
•
•
proses pengolahan secara biologi yang terjadi tanpa kehadiran oksigen
dilakukan oleh mikroorganisme fakultatif dan obligat anaerob, yang akan
mengubah senyawa organik menjadi gas CO2 dan CH4 sebagai hasil
akhir
Beberapa keuntungan dari pengolahan anaerob :
• Kurangnya biomassa yang dihasilkan per unit substrat (senyawa organik)
yang digunakan, yang juga berarti kurangnya kebutuhan terhadap
nitrogen dan phosphor.
• Diperolehnya nilai ekonomi dari metan yang terbentuk dalam proses
pengolahan tersebut.
• Potensi organic loading yang lebih tinggi karena proses tidak dibatasi
oleh kemampuan transfer oksigen pada kecepatan penggunaan oksigen
yang tinggi.
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
2
Materi Organik (a)
1
1
Hidrolisa
2
Asidogenesa
3
Asetogenesa
4
Metanogenesa
Monomer (b)
BIO
Aseton
Butanol
H2
Propanol
Etanol
CO2
Butirat
Propionat
2
Format
Laktat
Asetat
3
BIO
4
CH4
++ BIO
a
: polyside, protein, lemak.
b
: gula sederhana, asam amino, asam lemak.
BIO : biomassa, mikroba.
Degradasi Materi Organik Secara Anaerob
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
3
Penguraian materi organik dalam kondisi anaerob
Proses Hidrolisa
• adalah proses pelarutan organik tak larut dan pemecahan senyawasenyawa organik rantai panjang (kompleks) seperti protein, karbohidrat,
lemak, selulosa, dan hemiseluloasa menjadi materi bermolekul lebih
kecil atau menjadi senyawa mudah larut dan berantai lebih sederhana,
seperti glukosa, asam lemak, alkohol, dan asam amino. Reaksi ini
dikatalisa oleh enzim ekstraseluler yang dilepaskan oleh bakteri ke
dalam media. Bakteri yang bertanggunjawab pada tahap ini adalah jenis
bakteri fermentasi [35].
Proses Asidogenesa
• Senyawa hasil proses hidrolisa akan difermentasikan oleh
mikroorganisme penghasil asam menjadi asam-asam organik terutama
asam volatil rantai pendek (asetat, propionat, dan butirat), hidrogen (H2),
karbondioksida (CO2), dan senyawa dengan berat molekul lebih rendah
lainnya [35].
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
4
Proses Asetogenesa
•
Pada tahap ini asam-asam lemak berantai pendek, butirat, dan propionat
kemudian akan digunakan oleh jenis mikroorganisme asetogen untuk
menghasilkan asam asetat, karbondioksida (CO2), dan hidrogen (H2).
Proses Metanogenesa
•
Semua hasil dari tahap sebelumnya digunakan oleh bakteri metan untuk
diubah jadi gas CH4 dan CO2. Jalur reaksi pembentukkan metan terdiri
atas 2 (dua) kemungkinan : sekitar 70% metan yang dihasilkan dibentuk
dari substrat asetat
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
5
Pathway biokimia selama proses dekomposisi materi organik oleh
bakterisecara anaerob untuk membentuk metan adalah menggunakan
substrat H2 + CO2, format, asetat, metanol, methylamin dan CO2
menurut reaksi :
4H2 + CO2
4HCOOH
CH3COOH
CH3OH
4(CH3) 3N + 6 H2O
4H2O + 4 CO
CH4 + 2H2O
CH4 + 2H2O + 2H2O
CH4 + CO2
3CH4 + CO2 + 2H2O
9CH4 + 3CO2 + 4 NH3
CH4 + 3CO2
2 pathway utama dalam proses anaerob :
(1) konversi karbon dioksida dan hidrogen menjadi metan dan air
(2) konversi format dan asetat menjadi metan, karbon dioksida dan air.
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
6
4 kelompok bakteri yang bekerja dalam proses anaerob :
• Kelompok pertama adalah bakteri penghidrolisa yang akan
menghidrolisa karbohidrat, protein, lemak dan komponen minor
lainnya dari biomassa menjadi asam lemak, H2, dan CO2.
• Kelompok kedua adalah bakteri asidoogenik pembentuk hidrogen
yang akan mengkatabolisa asam lemak menjadi asetat, CO2, dan
H2.
• Kelompok ketiga adalah bakteri asetogenik yang mensintesa
asetat menggunakan H2, CO2, dan format, atau menghidroslisa
komponen multikarbon menjadi asam asetat.
• Kelompok keempat adalah bakteri metanogenik yang
menggunakan asetat, CO2, dan H2 untuk memproduksi gas metana
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
7
Faktor lingkungan yang penting :
• Ketersediaan oksigen
• Kadar Air
• Ukuran dan Densitas
• Potensial Redoks
• pH
• Asam lemak volatil
• Alkalinitas
• Temperatur
• Nutrien
• Materi toksik
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
8
Degradasi limbah padat Pada Lahan Urug
• Di dalam timbunan sampah di landfill, sampah yang ditimbun akan
mengalami proses degradasi secara aerob.
•
TRI PADMI
Pada sampah yang ditimbun lapis perlapis dan setiap periode
tertentu ditutup dengan tanah penutup, maka kondisi aerob tidak
dapat lama bertahan dalam sebuah lahan-urug dan kemudian
berubah menjadi kondisi anaerob
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
9
pH
-7
Max. 50% CH4
Komposisi Gas
(%)
CO2
-20%
O2
Asam volatil
(ppm)
Max. ~18.000 ppm asam asetat
Daya Hantar Listrik/
Conductivities
(umhos/cm)
Garam-garam terlarut
pada pH rendah
Potensial Reduksi
Oksidasi
(mV)
Terlarut karena
dekomposisi
0
Fasa
Aerobik
Tahap Pertama
Fase Anaerobik
Tahap Kedua
Degradasi Anaerobik
• Fasa Aerob, ditandai oleh hidrolisa materi
organik, yang mengakibatkan turunnya pH dan
larutnya mineral-mineral.
• Fasa Anaerob, dibagi menjadi 2 (dua) tahap,
yaitu :
Tahap 1 :
bakteri anaerob fakultatif menjadi dominan,
hidrolisa dan pelarutan terus berlangsung,
sejumlah besar asam-asam volatil serta CO2
akan dihasilkan , materi anorganik akan lebih
banyak larutkarena turunnya pH.
Tahap 2 :
meningkatnya alkalinitas sehingga pH naik,
dan memungkinkan bakteri-bakteri metan
dapat hidup, asam-asam volatil akan
dikonversikan menjadi menjadi metan dan
CO2, materi organik terlarut berkurang karena
kelarutannya menjadi berkurang akibat pH
yang naik.
- Waktu -
Pola Degradasi Limbah Dalam Lahan-Urug [Stanforth et al]
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
10
Komposisi Gas Dalam Fermentasi
Anaerobik Dengan Fungsi Waktu
[Visilind & Rimer, 1981]
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
11
Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Produktivitas Gasbio [Farquhar et al]
Biogas
TRI PADMI
Temperatur
Tinggi landfill
Oksigen tersedia
Temperatur udara
Kadar air
Tanah penutup
Potensial reduksi
Hujan
pH
Infiltrasi
Air permukaan
Nutrien
Komposisi sampah
Ukuran sampah
Perlakuan awal
Kepadatan sampah
Pengoperasian
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
12
Faktor Lingkungan Yang Mempengaruhi
Proses Anaerob dalam lahan urug
•
•
Ketersediaan Oksigen
Bakteri metanogen adalah bakteri Strict Anaerob, maka kehadiran O2
akan mengganggu proses dan merupakan inhibitor.
Kadar Air/Kelembaban
Gas (cm3.kg-1 sampah.hari-1)
103
102
10
0
TRI PADMI
20
60
40
% Kelembaban
80
Kadar air berpengaruh untuk :
• Menjamin proses dekomposisi secara
biologis.
• Menjamin pencampuran dan ketersediaan
nutrien.
• Melarutkan faktor-faktor penghambat
pertumbuhan dan metabolisme.
• Menstimulasi pertumbuhan bakteri dan
proses metanogenesis.
• Menjaga temperatur tetap konstan
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
13
•
•
Ukuran dan Densitas
Temperatur
• Temperatur dalam proses
dekomposisi materi organik secara
anaerob di dalam landfill dipengaruhi
oleh tingkat dan jenis aktivitas
mikroba, temperatur udara dan
kedalaman landfill, kandungan air
serta komposisi sampah.
• Makin tinggi temperatur, makin
banyak produksi gasbio
• Temperatur mempengaruhi sistem
biologi dalam 2 (dua) cara, yaitu ] :
- Mempengaruhi kecepatan reaksi
enzimatik.
- Mempengaruhi kecepatan reaksi
difusi substrat ke dalam sel.
• pH, Potensial Redoks, dan Alkalinitas
- pH dijaga di antara 6,6-7,6 dengan range optimum
antara 7,0-7,2
- lindi yang diresirkulasi ke dalam timbunan sel akan
menjaga pH pada kondisi netral
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
14
•
•
Ratio C/N
Nitrogen dalam substrat memiliki 2 (dua) keuntungan :
– Menyediakan elemen penting untuk sintesa asam amino dan protoplasma.
– Diubah menjadi ammonia yang sebagai basa kuat, menetralkan asam volatile
yang dihasilkan oleh bakteri fermentasi dan juga membantu mencapai kondisi pH
netral penting untuk pertumbuhan sel. Jumlah nitrogen yang cukup dalam
substrat untuk mencegah pembatasan nutrisi (nitrogen terlalu kecil) atau toksisitas
ammonia (terlalu banyak nitrogen) [.
Rasio C/N optimum adalah 30 ( antara 20-35), sedangkan rasio C/P ideal
adalah 150
•
Nutrien
C/P yang ideal terletak sekitar 150.
- resirkulasi lindi dapat mendistribusikan nutrisi siap pakai dan sekaligus
merupakan seeding mikroorganisme ke seluruh sel-sel sampah dalam
timbunan.
- resirkulasi bersasaran memasok air dan sekaligus mendistribusikan
secara baik ke seluruh lapisan sel-sel timbunan sampah.
Mikronutrien lain yang penting untuk bakteri metanogenesis adalah Co, Mo,
dan Se yang merupakan trace mineral
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
15
• Toksisitas
Akan menghambat proses pembentukan gas metana.
Senyawa yang dapat menghambat produksi metan :asam volatile,
ammonia, hydrogen, sulfid a, logam berat, dan salinitas.
• Ammonia pada pH yang tinggi dapat mengganggu fermentasi metan
pada konsentrasi 1500-3000 mg/l dan menjadi toksik pada
konsentrasi di atas 3000 mg/l
• Sulfida terlarut bersifat toksik pada konsentrasi > 100 mg/l
• Asam volatile merupakan produk antara pengolahan anaerob yang
dapat mempengaruhi pH. Akumulasi asam-asam volatile yang
berlebihan akan menurunkan pH sehingga merupakan inhibitor bagi
bakteri metanogen.
• asam propionat dapat bersifat toksik pada konsentrasi > 1000 mg/l
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
16
Gasbio dari sampah :
Taksiran : 5500 kkal/m3 kalor yang bisa diharapkan dengan metan 50% metan
atau 1 M3 gasbio ekuivalen dengan :
–
0,58 liter bensin.
–
1,07 liter alkohol.
–
0,53 M3 gas alam.
–
2,24 kg kayu bakar
–
5,80 kWH listrik.
Perhitungan teoritis :
–
Bila dianggap seluruh materi volatil adalah sellulosa.
–
CO2 dan CH4 seimbang (50% : 50%)
–
Maka secara teoritis produksi gasbio menurut Pfeffer adalah = 829
L/kg MV dengan kandungan 414,5 L metan/kg MV.
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
17
Jika didasarkan pada komposisi yang ada (L/kg MS) :
Glukosa C6H12O6 akan dihasilkan :
• Substrat murni : 350 CH4 dan 350 CO2.
• Sampah
: 160 CH4 dan 160 CO2.
Protein C6H6OH akan dihasilkan :
• Substrat murni : 580 CH4 dan 590 CO2.
• Sampah
: 10 CH4 dan 10 CO2.
Lipida C15H31 COOH akan dihasilkan :
• Substrat murni : 1010 CH4 dan 390 CO2.
• Sampah
: 40 CH4 dan 20 CO2.
Sehingga maksimum potensi menurut Rees adalah = 400 L biogas/kg MS atau atau 210
L metan/kg MS.
Menurut perhitungan Pfeffer dengan sampah yang mengandung lebih banyak kertas
akan dihasilkan 547 L biogas/kg MS.
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
18
Digester skala laboratorium
• Reaktor kecil dengan kontrol temperatur 35-37ºC.
Diaz
: 45-295 L biogas/kg MV = 27-177 L/kg MS.
Stenstrom
: 440-560 L biogas/kg MV = 270-264 L/kg MS.
Cooney & Wis : 467 L biogas/kg MV = 280 L/kg MS.
Pada beberapa lisimeter sampah kota, yang dioperasikan tanpa kontrol temperatur
= 2,6-183 L/kg MV.
Pada lisimeter sampah kota yang dioperasikan dengan resirkulasi lindi = 0,137 L/kg
MV/hari = 0,026 L metan/kg MV/hari.
• Digester Skala Komersial
Valorga (Perancis) : pilot metanisasi sampah kota skala industri, dengan
kondisi : Konsentrasi solid = 30-40% (air = 60-70%).
Reaktor komersil = 500 m3.
Prapengolahan = pemilahan dan pemotongan.
Resirkulasi cairan dari reaktor kembali ke reaktor diperoleh produksi = 140
L biogas/materi solid dengan 65% metan.
Cetom Methane (Perancis) : reaktor anaerobik skala komersil menghasilkan
produksi = 240 L/kg MV dengan konsentrasi metan = 60%.
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
19
Produksi gas bio pada landfill secara teoritis :
– Estimasi Frerote adalah bahwa hanya 20-25% yang dapat
dimanfaatkan (ditangkap) dengan produksi taksiran = 30-40 L
biogas/kg MS.
– Taksiran Mouton = 30-40 L biogas/kg MS.
– Perkiraan kasar di landfill (USA) = 20-25 mL/kg MS/hari.
– Produksi nyata biogas di lapangan di luar negeri (berskala
komersial) :
• Landfill Palas Verde (USA) = 0,030-0,056 L/kg MV/hari
atau sekitar 11,5-13 m3/ton sampah per tahun.
• Landfill Sheldon Arletta (USA) = 0,022 L/kg MV/hari.
• Landfill Mountain View (USA) = 0,045 L/kg MV/hari.
• Uji coba di Perancis pada beberapa landfill = 0,064
L/kg MS/hari.
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
20
Beberapa contoh pemasangan pipa penangkap gas di TPA Indonesia
TRI PADMI
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
21
Contoh penangkap gas :
Penangkap Gas Miring Model TPA
Grenjeng Cirebon
TRI PADMI
Penangkap Gas Vertikal di TPA Pilot
Surabaya
PENGOLAHAN LIMBAH PADAT
22