20 jenis lumpur tetapi baik dikonsentrasikan pada air limbah limbah cair dan atau
bagian dari suatu sistem beberapa fase. Waktu tinggal lumpur lebih lama dibanding waktu tinggal hidraulik, karena kotoran tertahan dalam reaktor. Sistem
laju tinggi lebih baik untuk aliran limbah dengan padatan mengendap rendah. Berbagai jenis perombak pengolahan air limbah digunakan di seluruh dunia,
antara lain: • Proses Kontak; System-Biobulk; • Upflow Anaerobic Sludge Blanket
UASB; • Anaerobic Film Fixed Reactor AFFR; • Fixed Film Repair Bed Fluidized System; • Expanded Granule Sludge Blanket EGSB; • Hybrid
System; • Anaerobic Filter AF Reith et al. 2003.
2.2.1. Prinsip-prinsip proses perombakan anaerob
Dekomposisi anaerob mikrobiologis merupakan proses mikroorganisme tumbuh dan menggunakan energi dengan memetabolisis bahan organik dalam
lingkungan anaerob dan menghasilkan metana. Proses perombakan anaerob dapat dibagi menjadi empat tahap berikut, masing-masing menurut karakteristik
kelompok mikroorganisme sendiri. 1. Hidrolisis senyawa polimer organik menjadi senyawa sederhana dapat
diserap membran sel mikroba. Hidrolisis karbohidrat menjadi monomernya, protein menjadi asam-asam amino, dan lemak atau minyak menjadi asam-asam
lemak rantai panjang ataupun alkohol. 2. Fermentasi senyawa sederhana dalam reaksi bertahap. Proses ini
merupakan sumber energi populasi non-metanogenik. Fermentasi hasil hidrolisis tersusun berbagai senyawa organik sederhana terutama asam lemak volatil
VFA gas-gas CO
2
dan H
2
, beberapa asam laktat dan etanol. Tahap ini dikenal sebagai fermentasi asam atau asidogenesis.
3. Banyak hasil reduksi fermentasi asam harus dioksidasi di bawah kondisi anaerob menjadi asam asetat, CO
2
, dan hidrogen yang akan menjadi substrat bakteri metana. Konversi ini terjadi jika tekanan hidrogen parsial tetap
sangat rendah karena asupan hidrogen oleh metanogen. Bakteri pembentuk oksidasi ini adalah bakteri syntrofik atau disebut juga bakteri asetogen atau
mikroba obligat pereduksi proton.
21 4. Tahap akhir pengolahan limbah cair anaerob adalah fermentasi
metana: yakni dua tipe reaksi terjadi, pertama CO
2
dan H
2
diubah menjadi metana dan air, dan tahapan kedua, asetat diubah menjadi metana dan CO
2.
Werner et al. 1989.
2.2.2. Faktor-faktor yang berpengaruh pada perombakan anaerob
Perombakan anaerob merupakan proses biologis, yang dipengaruhi oleh faktor lingkungan. Faktor pengendali utama antara lain, suhu, pH, dan senyawa
beracun de Mez et al. 2003. Proses perombakan anaerob untuk pembentukan biogas dipengaruhi oleh dua faktor yaitu, biotik dan abiotik. Faktor biotik berupa
mikroorganisme dan jasad aktif di dalam proses perombakan sistem anaerob. Faktor abiotik meliputi, pengadukan, suhu, pH, substrat, kadar air substrat, rasio
CN dan P dalam substrat dan kehadiran bahan toksik Wellinger 1999. Bioreaktor perombak fermentasi dibedakan menurut sistem
pengumpanan feeding, penggunaan suhu, tingkat fermentasi, dan proses fermentasi dua fase. Berdasarkan sistem pengumpanan, fermentasi dibedakan
lebih lanjut dalam: tiga macam cara: fermentasi kontinyu, semi kontinyu dan curah. Fermentasi satu tingkat, fermentasi dilakukan dalam satu tangki atau
dapat dilakukan pada dua tingkat atau lebih sehingga terjadi waktu retensi lebih lama tapi dekomposisi bahan organik lebih baik. Fermentasi dua fase dirancang
menjadi 2 periode, periode pembentukan asam dan periode pembentukan metana. Keuntungan proses dua fase selain pengendaliannya lebih mudah
rendeman gas tinggi. Fermentasi kering, sistem filter sering dilakukan dalam penelitian lebih lanjut Loebis dan Tobing 1992, Metcalf dan Eddy 2003.
Perombak pembangkit biogas secara mendasar terdiri dari dua bagian yaitu, bagian perombakan dan penyimpanan gas. Banyak perombak biogas
bersifat curah, limbah organik tinggal dalam tanki selama beberapa waktu dan kemudian dipindahkan setelah produksi gas. Umum perombak kontinyu, lebih
efisien, tempat lumpur baru dihasilkan setiap hari, laju produksi gas lebih tinggi per volume perombak, dan mempunyai bagian tambahan tempat komponen
bermacam gas bercampur dan bagian akhir tempat lumpur ”masak”. Dalam perombak kontinyu, lebih layak karena mendapat umpan setiap hari. Dimensi
22 reaktor dan potensi biogas bergantung pada: jenis substrat yang dirombak,
kuantitas setiap bahan per ton, persentase kandungan bahan organik, dan total padatan Werner et al. 1989.
Suhu merupakan faktor penting mempengaruhi aktifitas mikroorganisme. Suhu optimal proses perombakan anaerob fermentasi dibedakan menjadi tiga
macam yaitu suhu termofil 45-60
o
C untuk penghancuran cepat dan produksi tinggi m
3
gasm
3
bahan per hari serta waktu retensi pendek bebas dari desinfektan, suhu mesofil 27-40
o
C suhu kamar ruanglingkungan, dan suhu kryofil 22
o
C banyak dipengaruhi udara musim sedang, biaya relatif lebih murah Metcalf dan Eddy 2003. Pada kondisi kryofilik, 5-25
o
C, proses perombakan berjalan lambat, kondisi mesofilik, 30-40
o
C, perombakan berlangsung cukup baik dan terjadi percepatan proses perombakan dengan
kenaikan suhu, serta kondisi termofilik, 45-65
o
C untuk bakteri termofil dengan perombakan optimal pada 55
o
C NAS 1981, Bitton 1999. Proses perombakan anaerob sangat peka terhadap perubahan suhu, suhu optimal termofil umum pada
kisaran 52-58
o
C, namun dampak negatif dapat terjadi pada suhu lebih tinggi dari 60
o
C. Hal ini disebabkan oleh toksisitas ammonia meningkat dengan meningkatnya suhu, sementara pengenceran substrat pada suhu tinggi
memudahkan difusi bahan terlarut. Di lain pihak pada suhu di bawah 50
o
C laju pertumbuhan bakteri termofil rendah dan lebih rendah dari pada laju tinggal
hidraulik. sehingga populasi mikroba dapat tercuci washout Wellinger 1999. Waktu tinggal merupakan faktor penting, periode waktu tetap
dipertahankan antara laju beban ke dalam perombak dan potensi penghilangan bahan yang dicerna digestat. Dua faktor ini saling berhubungan dan karena itu
mempertahankan kondisi optimal kedua parameter penting untuk meningkatkan efisiensi proses perombakan. Perombak anaerob efisien adalah reaktor yang
menghasilkan banyak biogas atau jumlah biomas lebih banyak tercernak. Kondisi ini dapat dilakukan dengan mengoperasikan reaktor pada beban input
biomas tinggi atau dengan menurunkan waktu tinggal. Pada kondisi operasi
sama perombak termofil lebih efisien dari pada perombak mesofil Lusk 1997.
23 Keuntungan proses termofil dibandingkan dengan proses mesofil adalah:
• Waktu tinggal organik dalam pembangkit biogas lebih singkat karena laju pertumbuhan bakteri termofil lebih tinggi dibandingkan dengan laju
pertumbuhan bakteri mesofil. • Pembasmian organisme patogen lebih baik, ini merupakan keuntungan
sangat penting • Meningkatkan pemisahan bahan padatan dari fase cair
• Degradasi asam lemak rantai panjang lebih baik • Residu pembentukan biomas rendah
• Meningkatkan kelarutan dan ketersediaan substrat.
Kerugian proses termofil antara lain: o
Derajat ketidakstabilan tinggi o
Jumlah konsumsi energi lebih tinggibesar o
Risiko hambatan ammonia tinggi Wellinger 1999.
Interval pH selama pembentukan biogas adalah 6.8-8.5, nilai pH di luar interval ini dapat menyebabkan proses tidak seimbang. Parameter pH
berpengaruh pada pertumbuhan bakteri dan mempengaruhi disosiasi ammonia, sulfida dan asam-asam organik, yang merupakan senyawa penting untuk proses
perombakan anaerob. Tingkat keasaman perombak anaerob terutama dikendalikan sistem penyangga bikarbonat yang juga dikendalikan oleh tekanan
parsial CO
2
dan konsentrasi alkali maupun komponen asam fase cair. Beberapa senyawa seperti asam organik dan karbon dioksida menyebabkan penurunan
nilai pH, sebaliknya senyawa seperti ammonia akan meningkatkan nilai pH. Nilai pH pada reaktor termofil lebih tinggi dari pada reaktor mesofil Bitton
1999 Pembentukan asetat berlangsung selama degradasi substrat dalam perombak
anaerob, tetapi akumulasi asetat tidak dapat diketahui langsung dari nilai pH yang menurun. Konsentrasi asetat akan melebihi konsentrasi yang dapat dideteksi sebagai
perubahan pH signifikan. Karena itu jika pH dalam reaktor turun menunjukkan konsentrasi asetat tinggi sehingga proses perombakan terhambat. Nilai pH bukan
indikator yang baik untuk ketidak seimbangan fermentasi biomas kotoran hewan. Nilai pH yang umum untuk proses fermentasi LCPMKS berkisar pH 6,7 – 8,5,
24 perubahan pH tiba-tiba merupakan isyarat pemberian pakan melimpah Reith et al.
2003. Bakteri campuran terlibat dalam proses perubahan bentuk tranformasi
senyawa organik kompleks dengan berat molekul tinggi menjadi metana. Interaksi sinergi di antara berbagai kelompok mikroba terjadi pada perombakan anaerob
LCPMKS. Dalam kondisi anaerob asam asetat cuka direduksi menghasilkan gas metana oleh Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacterium, dan
Methanobacillus. Terdapat dua kelompok bakteri metanogen penting pada proses anaerob, yaitu metanogen hidrogenotrofik menggunakan H kemolitotrofik
mengubah hidrogen dan CO
2
menjadi metana, dan metanogen asetotrofik asetoklastik metanogen pemisah asetat, mengubah asetat menjadi metana dan CO
2
Bitton 1999. Aktifitas mikroorganisme
membutuhkan beberapa jenis unsur hara, bergantung pada komposisi kimia bahan sel. Konsentrasi minimum unsur hara yang
dibutuhkan sebaiknya ada dalam substratmedia agar dapat menjadi pakan organisme perombakan anaerob Wellinger 1999. Nutrisi itu adalah: a Hydrogen
H, nitrogen N, oxygen O, dan carbon C sebagai bahan utama penyusun bahan organik b. Sulphur untuk sintesis asam amino c. Phosphor: komponen penting
dalam asam nukleat d. Kalium K, kalsium Ca, magnesium Mg, dan besi Fe: dibutuhkan untuk aktifitas ensim dan komponen-komponen logam kompleks.
Sepuluh unsur di atas sebaiknya terdapat dalam konsentrasi sekitar 10
-4
M. unsur lain yang sebaiknya terdapat dalam konsentrasi lebih kecil, misalnya Nikel Ni penting untuk pertumbuhan bakteri anaerob. Konsentrasi tinggi Ca,
Mg, K dan Na dapat menjadi faktor penghambat. Sementara konsentrasi rendah 0,01-0,005 M kation-kation sel tersebut dapat aktif dan meningkatkan proses
perombakan. Akibatnya terjadi hubungan antar kation-kation berbeda Werner et al. 1989.
Bahan baku substrat dengan rasio CN tinggi dicampur dengan rasio CN rendah akan memberikan rerata rasio komposisi input sesuai kadar optimal
produksi biogas yang diinginkan. Seperti di Cina, rasio CN seimbang diperoleh dari campuran sekam padi pada dasar perombak dengan kotoranlimbah
domestik. Di Nepal dan India pengumpanan perombak dengan kotoran gajah
25 dicampur limbah kotoran manusia memungkinkan keseimbangan rasio CN
mendorong produksi biogas stabil. Jenis limbah substrat peternakan umum
kandungan nitrogen N tinggi dibandingkan kadar karbon C. Rasio karbon terhadap nitrogen limbah yang ditambahkan ke perombak sebaiknya berbanding
20 bagian C dan satu bagian N 16-19:1 untuk memperoleh produksi optimum metana. Residu panen pertanian dan sayuran, biasanya berkadar N rendah tapi
tinggi kadar C, dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kinerja perombak dengan mencampur kadar N tinggi limbah peternakan, dan dapat memberi lebih
baik rasio C:N untuk produksi biogas Wellinger 1999. Konsentrasi substrat
rasio C:N:P terkait kebutuhan nutrisi mikroba, homogenitas dan kandungan air padatan tersuspensi SS; padatan total TS dan asam lemak volatil VFA
Bitton 1999. Senyawa kompleks organik tidak dapat dimanfaatkan secara langsung
oleh bakteri di dalam proses metabolisme karena membran sel bakteri hanya dapat dilewati oleh senyawa organik sederhana seperti glukosa, asam amino dan
asam lemak volatil. Proses penguraian senyawa kompleks organik menjadi senyawa organik sederhana berlangsung pada proses hidrolisis yang dilakukan
oleh kelompok bakteri hidrolitik. Limbah cair mengandung senyawa kompleks organik pengendali proses terletak pada tahap hidrolisis, karena proses
hidrolisisnya lebih lambat dibanding tahap proses lain. Senyawa kompleks organik dihidrolisis mengikuti kinetika reaksi orde satu. Hidrolisis akan
mempengaruhi kinetika proses keseluruhan karena tahap yang berlangsung paling lambat dapat mempengaruhi laju keseluruhan Adrianto et al. 2001
Biomasa yang digunakan pada proses hidrolisis terlebih dulu diadaptasikan pada substrat yang digunakan. Proses hidrolisis karbohidrat
menjadi senyawa terlarut berlangsung atas bantuan ensim ekstraseluler yang dikeluarkan oleh kelompok bakteri hidrolitik. Proses hidrolisis protein dilakukan
oleh ensim protesase menjadi polipeptida dan asam amino Adrianto et al. 2001. Ensim protease terdiri dari peptidase dan proteinase. Ensim yang dihasilkan oleh
satu genus yaitu Clostridium. Laju reaksi hidrolisis susbstrat tunggal lebih cepat dibanding substrat campuran, karena dalam susbstrat tunggal hanya terdapat satu
komponen yang dihidrolisis tanpa gangguan oleh komponen lain, sedang
26 substrat campuran terjadi hidrolisis multi-komponen secara simultan dan
menghambat laju hidrolisis. Senyawa paling lambat dihidrolisis adalah minyak, lemak, karena
konstanta hidrolisis terkecil, berarti minyak atau lemak merupakan faktor pengendali dalam proses hidrolisis campuran maupun tunggal. Hidrolisis protein
pada kondisi anaerob adalah lebih rendah dibanding laju hidrolisis karbohidrat. Adrianto et al. 2001 menyatakan bahwa lipid terhidrolisis dengan sangat
lambat dan lipid menjadi pembatas laju keseluruhan hidrolisis. Pada kondisi termofil degradasi lipid non polar sangat lambat dibanding dengan komponen
polar demikian pula dalam biodegradasi senyawa kompleks organik secara anaerob. Penguraian senyawa komplek mengikuti kinetika reaksi hidrolisis orde
satu. Laju reaksi hidrolisis karbohidrat pada substrat lebih cepat dibandingkan laju reaksi protein..
Senyawa mudah didegradasi misalnya, protein dan lemak dapat menghambat proses perombakan anaerob. Senyawa-senyawa ini mengandung
asam lemak rantai panjang dalam jumlah berlebihan dapat menghambat mikroba dalam pembangkit biogas Penambahan senyawa secara mendadak ke dalam
digester dapat menghambat proses perombakan anaerob. Akan tetapi bergantung pada kecepatan proses hidrolisis, dengan proses fermentasi berikutnya. Umum
lipid memiliki kandungan energi tinggi dan kandungan itu dapat didegradasi sempurna menjadi biogas. Jika pembangkit biogas diadopsi untuk mendegradasi
konsentrasi tinggi lemak, banyak produksi biogas dapat diperoleh Indrayati 2003. Efek sama terhadap protein juga dapat terjadi, biomas dengan kandungan
protein tinggi dapat menghambat proses perombakan. Oleh karena itu diperlukan periode waktu tinggal lebih lama jika input biomas memiliki kandungan protein
tinggi. Periode waktu cukup diperlukan agar supaya pemecahan sempurna protein menjadi satuan yang lebih kecil. Adrianto et al. 2003.
Beberapa unsur dapat menyebabkan kematian bakteri anaerob, misalnya logam berat dan pelarut organik. Tetapi banyak pula senyawa-senyawa racun
dapat diserap oleh bahan netral dalam perombak, dengan demikian proses perombakan dapat terhindar dari efek negatif Adrianto et al. 2003. Senyawa
dan ion tertentu dalam substrat dapat bersifat racun, misalnya senyawa dengan
27 konsentrasi berlebihan ion Na
+
dan Ca
+
8 gl; K
+
12 gl; Mg
++
dan NH
4 +
3 gl, sedangkan Cu, Cr, Ni dan Zn dalam konsentrasi rendah dapat menjadi racun
bagi kehidupan bakteri anaerob Bitton 1999. Substrat dalam perombak biogas pertanian biasanya dicampur sedikit
demi sedikit dalam interval waktu per jam hingga beberapa kali sehari. Tenaga digunakan untuk pencampuran bervariasi menurut fungsi ukuran dan bentuk
perombak serta komposisi substrat. Diperlukan tenaga berkisar 10-100 Wjm
3
hari. Umumnya 30 Wjm
3
.hari tenaga diberikan untuk pencampuran dengan pertimbangan untuk pengumpanan substrat segar juga penyebaran suhu merata
keseluruhan substrat, menghindari pengendapan maupun terjadi buih serta pelepasan gelembung biogas terjerat substrat. Susbtrat sebaiknya diaduk secara
mekanik karena cenderung memisah membentuk endapan dan skum. Terutama skum yang terus menerus dilalui emisi biogas mengering sehingga sulit
dihilangkan. Selama partikel-pertikel masih basah dan lunak bersatu pada fase cair mengapung ke permukaan skum mudah dihilangkan. Dalam digester lebih
besar biasanya digunakan dua-tiga penyampurpemutar stirer dipasang pada berbeda kedalaman perombak. Pada perombak kecil ukuran keluarga 1 x 1 m
3
hanya satu stirer dipasang agar hemat. Oleh karena penting, penyampuran skum
dan pembentukan sedimen sedapat mungkin dihindari.Veziroglu 1987
Biasanya penyampur diputar perlahan sekitar 15-50 rpm, begitu pula tidak semua jenis dapat disesuaikan untuk semua substrat. Stirer pneumatik dan
hidraulik terbatas untuk mengencerkan substrat, misalnya kotoran babi dengan potensi pembentukan skum rendah. Stirer bentuk kapak digunakan untuk kotoran
sapi yang mengandung banyak jerami. Akan tetapi juga dapat digunakan pada substrat yang lebih encer. Stirer yang paling banyak digunakan adalah
penyampur pendorong. Mungkin lebih lentur terhadap komposisi substrat dan bentuk maupun ukuran perombak. Di atas suhu fermentasi 40
o
C stirer tidak cukup untuk pendinginan Wellinger 1999.
2.2.3. Beberapa faktor ketidak seimbangan proses perombakan anaerob
