Pengaruh Penambahan Trace Metal (Ni,Co) Terhadap Pembuatan Biogas dari Sampah Organik dan Kotoran Sapi
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Sumber daya energi merupakan salah satu kebutuhan yang sangat penting untuk
kelangsungan kehidupan. Fenomena krisis energi telah terjadi di seluruh dunia,
meliputi krisis energi minyak bumi dan gas alam, energi listrik, serta bahan bakar
fosil. Indonesia terancam krisis energi bila tidak segera memanfaatkan energi baru
yang terbarukan [1].Selama tahun 2000-2011, konsumsi energi meningkat rata-rata
3% per tahun. Konsumsi energi terus meningkat sejalan dengan pertumbuhan
ekonomi, penduduk, dan kebijakan yang ditetapkan oleh pemerintah. Dalam Outlook
Energi Indonesia 2013, pertumbuhan rata-rata kebutuhan energi diperkirakan sebesar
4,7% per tahun selama tahun 2011-2030 [2].Konsumsi energi per jenis sumber
energinya ditunjukkan dalam gambar 1.1.
Gambar 1.1 Diagram Konsumsi Energi per Jenis Sumber Energi
[2]
Untuk mengantisipasi kondisi krisis energi dibutuhkan energi alternatif baru yang
dapat diperbarui dalamwaktu singkat dan dapat dilakukan oleh semua orang [3].
Energi terbarukan yang banyak digunakan salah satunya adalah biogas. Biogas
merupakan energi terbarukan yang dihasilkan dari fermentasi anaerob. Yaitu proses
pemecahan bahan-bahan organik misalnya kotoran hewan, kotoran manusia, sampah
dengan pelarut air dan disimpan di tempat tertutup (dalam kondisi tanpa oksigen)
yang melibatkan bakteri anaerob dimana bahan-bahan organik terdegradasi menjadi
metana dan karbon dioksida[1]. Berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi
1
Universitas Sumatera Utara
saat ini, biogas sudah dikembangkan sebagai energi alternatif yang bisa
memanfaatkan berbagai limbah dari sektor pertanian dan peternakan.
Pada sektor pertanian termasuk sampah organik di Indonesia sangat besar jumlah
limbah yang dihasilkan seperti limbah rumah tangga, jumlah yang dihasilkan pada
tahun 2020 diperkirakan meningkat 5 kali dimana setiap orang memproduksi sekitar
setengah kilogram sampah organik per hari [3]. Sama halnnya pada sektor
peternakan dalam keberadaan sapi di Indonesia, volume kotoran sapi yang dihasilkan
meningkat setiap tahunnya dan sebagian besar dibuang ke tempat pembuangan tanpa
adanya pengolahan. Hal ini menyebabkan masalah lingkungan seperti bau, gas
rumah kaca, dan sebagainya [4]. Pada umumnya, semua jenis bahan organik padat
dan cair homogen dapat digunakan untuk menghasilkan biogas. Sampah organik dan
kotoran sapi yang berasal dari mahluk hidup terdiri dari komponen senyawa organik
seperti protein, lemak, hemiselulosa, selulosa dan lignin yang dapat diuraikan oleh
mikroorganisme dan terdapatnya kandungan nutrien utama pada proses pembuatan
biogas seperti nitrogen, fosfor dan kalium. Ketersediaan sampah organik dan kotoran
sapi yang banyak dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif bahan baku pembuatan
biogas untuk mengurangi masalah lingkungan. Senyawa organik yang dimiliki
sampah organik dan kotoran sapi akan diuraikan dalam fermentasi anaerob untuk
menghasilkan biogas [4]. Oleh karena itu, sampah organik dan kotoran sapi
berpotensi untuk dijadikan sebagai biogas.
Saat ini telah diterapkan teknologi fermentasi yang dapat meningkatkan perolehan
biogas dari limbah organik yaitu dengan menyediakan kebutuhan logam pada
mikroorganisme. Mikronutrien seperti trace metal dibutuhkan oleh mikroorganisme
dalam proses pengolahan limbah secara anerobik karena trace metal diperlukan
mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Namun ketersediaannya secara alami di
dalam limbah yang akan diolah sangat kecil sehingga tidak mencukupi untuk proses
anaerobik yang optimal maka perlu dilakukan penambahan agar proses fermentasi
dapat berlangsung secara optimum [4]. Ketersediaan nutrien yang seimbang untuk
meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme sangat penting dalam membantu kinerja
penguraian substrat. Terlepas dari keseimbangan antara makronutrien (C, N, P),
kebutuhan trace element tentu telah menunjukkan peranannya terhadap dampak
produksi biogas. Trace metal yang telah diketahui sangat penting untuk aktivitas
2
Universitas Sumatera Utara
enzim di dalam sistem metanogenesis adalah kobalt (Co), nikel (Ni), besi (Fe), zinc
(Zn), molybdenum (Mo) dan tungsten (W). Penambahan sejenis atau kombinasi dari
trace metal pada prosesnya dalam skala laboratorium telah meningkatkan kinerja
dengan mempercepat perombakan substrat dan menurunkan penumpukan VFA [5].
Walaupun trace metal bukan merupakan kebutuhan pokok pada proses anerobik
tetapi keberadaannya dapat menstimulasi aktivitas bakteri metanogenik sehingga
dapat meningkatkan produksi biogas [4].
Banyak penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu tentang pembuatan
biogas dari biomassa yang dimuat dalam tabel 1.1.
Tabel 1.1 Penelitian-Penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biogas
Judul
Study
of
Metodologi
Hasil Terbaik
Biogas Dilakukan dalam reaktor batch Hasil
Production with Organic dengan 2 perlakuan selama 30 perlakuan
terbaik
I
pada
dihasilkan
Rubbish as Producing hari pada pH 6-7; T = 28-30 oC
biogas pada hari ke 9
Material[3]
sebesar 470 ml CH4/kg
substrat dan perlakuan II
dihasilkan pada hari ke 9
sebesar 420 ml/kg substrat
Uji Pembentukan Biogas Campuran sampah sayuran dan Diperoleh volume biogas
dari
Substrat
Sampah buah sebagai substrat dan sisa isi terbaik pada digester uji
Sayur dan Buah dengan rumen
sapi
(ko-substrat) sebesar 38,13 liter.
Ko-Substrat Limbah Isi diproses dalam fermentor yang
Rumen Sapi [7]
terdiri dari 2 jenis digester
control dan 2 jenis digester uji
dengan kondisi operasi T=2628,3 oC; pH=6 selama 30 hari.
Effect of Trace Element Sisa
makanan
dicampurkan Diperoleh
perolehan
Supplementation on the dalam reaktor batch dengan biogas terbaikdengan trace
Mesophilic
Anaerobic variasi konsentrasi penambahan metal Mo konsentrasi 3-12
Digestion of Foodwaste trace metal (Co, Ni, Mo, Se); mg/kg berat kering dan Se
in Batch Trials: The dengan kondisi operasi T = 37 konsentrasi 10 mg/kg berat
3
Universitas Sumatera Utara
Influence of Inoculum
o
Origin [8]
hari
C; pH = 7,6 -8,3; HRT = 40 kering
meningkatkan
produksi biogas sebesar 30
-40 %.
Effect of CoCl2, NiCl2 Campuran kotoran segar dan Perolehan biogas terbaik
and FeCl3 Additives On lumpur diproses dalam digester dengan penambahan NiCl2
Biogas
and
Production[9]
Methane anaerobik dengan penambahan sebesar 279,3 mL/g VS
trace metal (Co, Ni dan Fe);
dengan kondisi operasi T = 37 ±
3 oC; pH = 6,8 – 7,2
Mo, Se, Fe, Ni, Co adalah trace metal yang telah digunakan dalam pembuatan
biogas. Penggunaan trace metal ini sangat kecil tetapi essensial bagi pertumbuhan
mikroorganisme. Pada penelitian ini, penulis memilih trace metal Ni, Co dengan
dasar penetapan konsentrasi dari penelitian Abdelsalam et al tahun 2015 dalam
perolehan biogas karena ketersediaannya pada sampah organik tidak banyak namun
memiliki unsur Fe yang tinggi [10].
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Nikel, kobalt dan besi yang umum digunakan mikronutrien dalam pertumbuhan
mikroorganisme. Penelitian ini akan menggunakan sampah organik dan kotoran sapi
dalam pembuatan biogas menggunakan trace metal Ni dan Co. Menurut US
Departement of Health and Human Service, 2005 logam Ni dan Co sangat berperan
penting dalam pertumbuhan biologis mikroorganisme sedangkan trace metal Fe
diyakini sudah tersedia di dalam sampah organik berupa sayuran yang dijadikan
sebagai bahan baku dalam pembuatan biogas. Untuk itu perlu diketahui dengan pasti
jumlah trace metal yang sesuai ditambahkan dalam pembuatan biogas.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Adapun tujuan penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh penambahan trace metal Ni terhadap kinerja
anaerobik digester dalam perolehan biogas.
2. Mengetahui pengaruh penambahan trace metal Co terhadap kinerja
anaerobik digester dalam perolehan biogas.
4
Universitas Sumatera Utara
3. Mengetahui pengaruh penambahan trace metal Ni dan Co terhadap kinerja
anaerobik digester dalam perolehan biogas.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Adapun manfaat penelitian ini adalah:
1. Memberikan pengetahuan mengenai pengaruh penambahantrace metal (Ni,
Co) dalam pembuatan biogas yang berbahan baku sampah organik dan
kotoran sapi.
2. Meningkatkan nilai pemanfaatan sampah organik dan kotoran sapi.
1.5 RUANG LINGKUP
Penelitian ini akan dilaksanakan di Laboratorium Ekologi, Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Penelitian ini
direncanakan memiliki ruang lingkup dan batasan sebagai berikut:
1. Sampel yang digunakan adalah sampah organikyang diperoleh dari Pasar
Tradisional basis basah sebanyak 1000 gr dan kotoran sapi sebanyak 1000 gr
yang dicampur dengan air sebanyak 2000 mL berdasarkan perbandingan
1:1:2(w/w/v) yang memenuhi 80 % dari volume digester 5 L.
2. Proses yang digunakan dalam penelitian ini adalah proses anaerobik dengan
sistem batch pada temperatur lingkungan, pH = 6,5-7,5oC selama 30 hari.
3. Penelitian ini dilakukan dengan variasi sebagai berikut:
a. Tanpa penambahan trace metal sebagai kontrol
b. Penambahan trace metal Ni sebesar 0,245 mg/L
c. Penambahan trace metal Co sebesar 0,245 mg/L
d. Penambahan Ni dan Co masing-masing sebesar 0,25 mg/L
4. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah digester anaerobik
sistem batch 5 L, dengan volume digester terisi sebesar 4 L.
5. Parameter pengamatan adalah volume biogas yang dihasilkan, temperature;
parameter analisa adalah pH, nilai COD, TSS, VSS yang dianalisa sekali
dalam 2 hari; dan parameter uji adalah uji nyala.
5
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Sumber daya energi merupakan salah satu kebutuhan yang sangat penting untuk
kelangsungan kehidupan. Fenomena krisis energi telah terjadi di seluruh dunia,
meliputi krisis energi minyak bumi dan gas alam, energi listrik, serta bahan bakar
fosil. Indonesia terancam krisis energi bila tidak segera memanfaatkan energi baru
yang terbarukan [1].Selama tahun 2000-2011, konsumsi energi meningkat rata-rata
3% per tahun. Konsumsi energi terus meningkat sejalan dengan pertumbuhan
ekonomi, penduduk, dan kebijakan yang ditetapkan oleh pemerintah. Dalam Outlook
Energi Indonesia 2013, pertumbuhan rata-rata kebutuhan energi diperkirakan sebesar
4,7% per tahun selama tahun 2011-2030 [2].Konsumsi energi per jenis sumber
energinya ditunjukkan dalam gambar 1.1.
Gambar 1.1 Diagram Konsumsi Energi per Jenis Sumber Energi
[2]
Untuk mengantisipasi kondisi krisis energi dibutuhkan energi alternatif baru yang
dapat diperbarui dalamwaktu singkat dan dapat dilakukan oleh semua orang [3].
Energi terbarukan yang banyak digunakan salah satunya adalah biogas. Biogas
merupakan energi terbarukan yang dihasilkan dari fermentasi anaerob. Yaitu proses
pemecahan bahan-bahan organik misalnya kotoran hewan, kotoran manusia, sampah
dengan pelarut air dan disimpan di tempat tertutup (dalam kondisi tanpa oksigen)
yang melibatkan bakteri anaerob dimana bahan-bahan organik terdegradasi menjadi
metana dan karbon dioksida[1]. Berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi
1
Universitas Sumatera Utara
saat ini, biogas sudah dikembangkan sebagai energi alternatif yang bisa
memanfaatkan berbagai limbah dari sektor pertanian dan peternakan.
Pada sektor pertanian termasuk sampah organik di Indonesia sangat besar jumlah
limbah yang dihasilkan seperti limbah rumah tangga, jumlah yang dihasilkan pada
tahun 2020 diperkirakan meningkat 5 kali dimana setiap orang memproduksi sekitar
setengah kilogram sampah organik per hari [3]. Sama halnnya pada sektor
peternakan dalam keberadaan sapi di Indonesia, volume kotoran sapi yang dihasilkan
meningkat setiap tahunnya dan sebagian besar dibuang ke tempat pembuangan tanpa
adanya pengolahan. Hal ini menyebabkan masalah lingkungan seperti bau, gas
rumah kaca, dan sebagainya [4]. Pada umumnya, semua jenis bahan organik padat
dan cair homogen dapat digunakan untuk menghasilkan biogas. Sampah organik dan
kotoran sapi yang berasal dari mahluk hidup terdiri dari komponen senyawa organik
seperti protein, lemak, hemiselulosa, selulosa dan lignin yang dapat diuraikan oleh
mikroorganisme dan terdapatnya kandungan nutrien utama pada proses pembuatan
biogas seperti nitrogen, fosfor dan kalium. Ketersediaan sampah organik dan kotoran
sapi yang banyak dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif bahan baku pembuatan
biogas untuk mengurangi masalah lingkungan. Senyawa organik yang dimiliki
sampah organik dan kotoran sapi akan diuraikan dalam fermentasi anaerob untuk
menghasilkan biogas [4]. Oleh karena itu, sampah organik dan kotoran sapi
berpotensi untuk dijadikan sebagai biogas.
Saat ini telah diterapkan teknologi fermentasi yang dapat meningkatkan perolehan
biogas dari limbah organik yaitu dengan menyediakan kebutuhan logam pada
mikroorganisme. Mikronutrien seperti trace metal dibutuhkan oleh mikroorganisme
dalam proses pengolahan limbah secara anerobik karena trace metal diperlukan
mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Namun ketersediaannya secara alami di
dalam limbah yang akan diolah sangat kecil sehingga tidak mencukupi untuk proses
anaerobik yang optimal maka perlu dilakukan penambahan agar proses fermentasi
dapat berlangsung secara optimum [4]. Ketersediaan nutrien yang seimbang untuk
meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme sangat penting dalam membantu kinerja
penguraian substrat. Terlepas dari keseimbangan antara makronutrien (C, N, P),
kebutuhan trace element tentu telah menunjukkan peranannya terhadap dampak
produksi biogas. Trace metal yang telah diketahui sangat penting untuk aktivitas
2
Universitas Sumatera Utara
enzim di dalam sistem metanogenesis adalah kobalt (Co), nikel (Ni), besi (Fe), zinc
(Zn), molybdenum (Mo) dan tungsten (W). Penambahan sejenis atau kombinasi dari
trace metal pada prosesnya dalam skala laboratorium telah meningkatkan kinerja
dengan mempercepat perombakan substrat dan menurunkan penumpukan VFA [5].
Walaupun trace metal bukan merupakan kebutuhan pokok pada proses anerobik
tetapi keberadaannya dapat menstimulasi aktivitas bakteri metanogenik sehingga
dapat meningkatkan produksi biogas [4].
Banyak penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu tentang pembuatan
biogas dari biomassa yang dimuat dalam tabel 1.1.
Tabel 1.1 Penelitian-Penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biogas
Judul
Study
of
Metodologi
Hasil Terbaik
Biogas Dilakukan dalam reaktor batch Hasil
Production with Organic dengan 2 perlakuan selama 30 perlakuan
terbaik
I
pada
dihasilkan
Rubbish as Producing hari pada pH 6-7; T = 28-30 oC
biogas pada hari ke 9
Material[3]
sebesar 470 ml CH4/kg
substrat dan perlakuan II
dihasilkan pada hari ke 9
sebesar 420 ml/kg substrat
Uji Pembentukan Biogas Campuran sampah sayuran dan Diperoleh volume biogas
dari
Substrat
Sampah buah sebagai substrat dan sisa isi terbaik pada digester uji
Sayur dan Buah dengan rumen
sapi
(ko-substrat) sebesar 38,13 liter.
Ko-Substrat Limbah Isi diproses dalam fermentor yang
Rumen Sapi [7]
terdiri dari 2 jenis digester
control dan 2 jenis digester uji
dengan kondisi operasi T=2628,3 oC; pH=6 selama 30 hari.
Effect of Trace Element Sisa
makanan
dicampurkan Diperoleh
perolehan
Supplementation on the dalam reaktor batch dengan biogas terbaikdengan trace
Mesophilic
Anaerobic variasi konsentrasi penambahan metal Mo konsentrasi 3-12
Digestion of Foodwaste trace metal (Co, Ni, Mo, Se); mg/kg berat kering dan Se
in Batch Trials: The dengan kondisi operasi T = 37 konsentrasi 10 mg/kg berat
3
Universitas Sumatera Utara
Influence of Inoculum
o
Origin [8]
hari
C; pH = 7,6 -8,3; HRT = 40 kering
meningkatkan
produksi biogas sebesar 30
-40 %.
Effect of CoCl2, NiCl2 Campuran kotoran segar dan Perolehan biogas terbaik
and FeCl3 Additives On lumpur diproses dalam digester dengan penambahan NiCl2
Biogas
and
Production[9]
Methane anaerobik dengan penambahan sebesar 279,3 mL/g VS
trace metal (Co, Ni dan Fe);
dengan kondisi operasi T = 37 ±
3 oC; pH = 6,8 – 7,2
Mo, Se, Fe, Ni, Co adalah trace metal yang telah digunakan dalam pembuatan
biogas. Penggunaan trace metal ini sangat kecil tetapi essensial bagi pertumbuhan
mikroorganisme. Pada penelitian ini, penulis memilih trace metal Ni, Co dengan
dasar penetapan konsentrasi dari penelitian Abdelsalam et al tahun 2015 dalam
perolehan biogas karena ketersediaannya pada sampah organik tidak banyak namun
memiliki unsur Fe yang tinggi [10].
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Nikel, kobalt dan besi yang umum digunakan mikronutrien dalam pertumbuhan
mikroorganisme. Penelitian ini akan menggunakan sampah organik dan kotoran sapi
dalam pembuatan biogas menggunakan trace metal Ni dan Co. Menurut US
Departement of Health and Human Service, 2005 logam Ni dan Co sangat berperan
penting dalam pertumbuhan biologis mikroorganisme sedangkan trace metal Fe
diyakini sudah tersedia di dalam sampah organik berupa sayuran yang dijadikan
sebagai bahan baku dalam pembuatan biogas. Untuk itu perlu diketahui dengan pasti
jumlah trace metal yang sesuai ditambahkan dalam pembuatan biogas.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Adapun tujuan penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh penambahan trace metal Ni terhadap kinerja
anaerobik digester dalam perolehan biogas.
2. Mengetahui pengaruh penambahan trace metal Co terhadap kinerja
anaerobik digester dalam perolehan biogas.
4
Universitas Sumatera Utara
3. Mengetahui pengaruh penambahan trace metal Ni dan Co terhadap kinerja
anaerobik digester dalam perolehan biogas.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Adapun manfaat penelitian ini adalah:
1. Memberikan pengetahuan mengenai pengaruh penambahantrace metal (Ni,
Co) dalam pembuatan biogas yang berbahan baku sampah organik dan
kotoran sapi.
2. Meningkatkan nilai pemanfaatan sampah organik dan kotoran sapi.
1.5 RUANG LINGKUP
Penelitian ini akan dilaksanakan di Laboratorium Ekologi, Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Penelitian ini
direncanakan memiliki ruang lingkup dan batasan sebagai berikut:
1. Sampel yang digunakan adalah sampah organikyang diperoleh dari Pasar
Tradisional basis basah sebanyak 1000 gr dan kotoran sapi sebanyak 1000 gr
yang dicampur dengan air sebanyak 2000 mL berdasarkan perbandingan
1:1:2(w/w/v) yang memenuhi 80 % dari volume digester 5 L.
2. Proses yang digunakan dalam penelitian ini adalah proses anaerobik dengan
sistem batch pada temperatur lingkungan, pH = 6,5-7,5oC selama 30 hari.
3. Penelitian ini dilakukan dengan variasi sebagai berikut:
a. Tanpa penambahan trace metal sebagai kontrol
b. Penambahan trace metal Ni sebesar 0,245 mg/L
c. Penambahan trace metal Co sebesar 0,245 mg/L
d. Penambahan Ni dan Co masing-masing sebesar 0,25 mg/L
4. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah digester anaerobik
sistem batch 5 L, dengan volume digester terisi sebesar 4 L.
5. Parameter pengamatan adalah volume biogas yang dihasilkan, temperature;
parameter analisa adalah pH, nilai COD, TSS, VSS yang dianalisa sekali
dalam 2 hari; dan parameter uji adalah uji nyala.
5
Universitas Sumatera Utara