Page 1
TUGAS DESAIN TEKNIK LINGKUNGAN (DTL) II
TL-4102
APLIKASI TEKNOLOGI ANAEROBIC DIGESTER TERHADAP LIMBAH
KELAPA SAWIT
KELOMPOK 1
Indah Alvernia (15312002)
Sri Wahyuni (15312004)
Luthfia Armanda (15312006)
Tammya Ayu Purnomo (15312010)
Diga Dwayanuarza Dely (15312012)
Yoanne Maretha Siswaya (15312014)
Noviani Ima Wantoputri (15312016)
Ni Made Dwi Sastriani (15312018)
Zuha'a Millatika (15312020)
Sarasmita Arsita Sutiyanta (15312022)
Dea Amelia (15312024)
Sumayya (15312026)
Kiki Kumala Putri (15312028)
Tania Alpiani (15312030)
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2015
Page 2
i
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ..................................................................................................................... i
DAFTAR GAMBAR........................................................................................................ii
DAFTAR TABEL ............................................................................................................ii
1. Jumlah Limbah Yang Akan Diolah........................................................................... 1
2. Rumus Kimia Limbah Kelapa Sawit......................................................................... 3
3. Proses Yang Terjadi Pada Proses Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit ...................... 3
4. Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas Dari Limbah .................................... 6
4.1. Faktor Yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas ........................................... 6
4.2. Gas Yang Diproduksi......................................................................................... 9
4.3. Penangkapan Gas ............................................................................................. 10
4.4. Waktu yang Dibutuhkan untuk Proses............................................................. 11
5. Perhitungan ............................................................................................................. 12
5.1. Perhitungan jumlah gas yang dihasilkan ......................................................... 12
5.2. Perhitungan Volume Reaktor........................................................................... 14
6. Gambaran Reaktor Yang Akan Digunakan ............................................................. 17
7. Kegunaan Hasil Proses Anaerobic Digester ........................................................... 20
8. Kelebihan dan Kekurangan Anaerobic Digester ..................................................... 21
8.1. Kelebihan ......................................................................................................... 21
8.2. Kekurangan ...................................................................................................... 22
DAFTAR ISI .................................................................................................................. 23
Page 3
ii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Proses yang terjadi pada beo digester .............................................................. 6
Gambar 2 Alat pengaduk stainless ................................................................................. 19
Gambar 3 Gas Analyzer ................................................................................................. 20
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Jumlah Limbah Padat Kelapa Sawit .................................................................... 1
Tabel 2 Tabel Rata- rata berat Limbah Padat Kelapa Sawit dalam Setahun .................... 1
Tabel 3 Karakteristik Limbah Padat Kelapa Sawit .......................................................... 2
Tabel 4 Kandungan hara limbah kelapa sawit .................................................................. 2
Tabel 5 Kandungan Tandan Kosong, Serat dan Cangkang .............................................. 2
Tabel 6 Komposisi kimiawi tandan kosong kelapa sawit ................................................ 3
Tabel 7 Produksi gas ...................................................................................................... 10
Page 4
1
1. Jumlah Limbah Yang Akan Diolah
Limbah padat yang keluar dari PKS (Pabrik Kelapa Sawit) meliputi tandan
kosong (tankos) dengan persentase sekitar 23% terhadap TBS, abu boiler (sekitar 0.5%
terhadap TBS), serat (sekitar 13.5% terhadap TBS) dan cangkang (sekitar 5.5% terhadap
TBS).
Tabel 1 Jumlah Limbah Padat Kelapa Sawit
Jenis Potensi/Ton
TBS (%)
Tandan Kosong 23,0
Wet Decanter Solid 4,0
Cangkang 6,5
Serabut (Fiber) 13,0
Limbah Cair 50,0
Air Kondensat
sumber : Tim PT.SP (2000)
Sebuah PKS dibangun dengan kapasitas 60 ton/ jam maka untuk operasional 20
jam akan menghasilkan 1200 ton x 67% = 804 ton limbah cair dan 1200 ton x 25 % =
300 ton Limbah Padat. Dalam waktu 1 tahun rata- rata PKS dengan kapasitas olah 60 ton
TBS/jam menghasilkan LCPKS 804 ton x 25 x 12= 241.200 ton dan Limbah Padat 300
ton x 25 x 12 = 90.000 ton.
Tabel 2 Tabel Rata- rata berat Limbah Padat Kelapa Sawit dalam Setahun
Sumber : Ma et. al (2004)
Rata-rata caloric value (kJ/kg) Kisaran (kJ/kg)
TKKS 18795 18000-19920
Serat 19055 18800-19580
Cangkang 20093 19500-20750
Batang 17471 17000-17800
Pelepah 15719 15400-15680
Page 5
2
1 ton Tandan Buah Segar (TBS)= 250 kg TKKS (kadar air 65% dalam buah
segar).
Tabel 3 Karakteristik Limbah Padat Kelapa Sawit
No Karakteristik Persetase
1 Kadar air, % 30
2 Kadar abu, % 17.15
3 Kadar zat terbang, % (volatile matter) 29.03
4 Kadar karbon terikat, % (fixed carbon) 53.82
5 Keteguhan tekan, kg/cm2 2.10
6 Nilai kalor, kal/g 2278.00
Kadar Organik pada limbah padat kelapa sawit adalah 45%.
Tabel 4 Kandungan hara limbah kelapa sawit
No Limbah Kelapa Sawit Kandungan atas dasar % berat kering
N P K Mg Ca
1 Batang pohon 0,488 0,047 0,699 0,117 0,194
2 -Pelepah
-Daun
2,38
0,373
0,157
0,066
1,116
0,873
0,287
0,161
0,568
0,295
3 Tandan Kosong 0,350 0,028 2,285 0,175 0,149
4 Serat buah 0,320 0,080 0,470 0,020 0,110
5 Cangkang 0,330 0,010 0,090 0,020 0,020
Sedangkan kandungan hara dalam abu hasil pembakaran tandan kosong dan serat
serta cangkang dapat dilihat pada Tabel 5. berikut ini:
Tabel 5 Kandungan Tandan Kosong, Serat dan Cangkang
Abu hasil pembakaran Kandungan hara (%)
P K Ca
Page 6
3
Tandan kosong 1,25-2,18 24,9-32,3 5,4
Serat dan cangkang 1,74-2,61 16,6-24,9 7,1
2. Rumus Kimia Limbah Kelapa Sawit
Rumus kimia tandan kosong kelapa sawit : C6H10O5N0,3 (kandungan selulosa)
Tabel 6 Komposisi kimiawi tandan kosong kelapa sawit
Parameter Nilai
(%)
Lignin 17-20
Alfa-selulosa 43-44
Pentosan 27
Hemiselulosa 34
Abu 0.7- 4.0
Silika 0.2
Lignin 17-20
Sumber: Dian Anggraini & Han Roliadi, 2011
3. Proses Yang Terjadi Pada Proses Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit
Biogas merupakan bahan bakar gas (biofuel) dan bahan bakar yang dapat
diperbaharui (renewable fuel) yang dihasilkan secara anaerobic digestion atau fermentasi
anaerob dari bahan organik dengan bantuan bakteri metana seperti Methanobacterium sp
Proses pembuatan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses terbentuknya
gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob di dalam suatu
digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) yang
volumenya lebih besar dari gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2) dan gas hydrogen sulfida
(H2S). Proses fermentasi memerlukan waktu 7 sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas
dengan suhu optimum 35oC dan pH optimum pada rentang 6,4 – 7,9. Bakteri pembentuk
biogas dibagi menjad 3 kelompok, yaitu :
1. Kelompok bakteri fermentatif : Steptococci, bacteriodes dan Enterobactericeae.
2. Kelompok bakteri asetogenik : Desulfovibrio. 3.
Page 7
4
3. Kelompok bakteri metana : Methanobacterium, Methanobacellus dan
Methanococcus.
Biogas yang dibuat dari kotoran ternak sapi mengandung gas CH4 sebesar 55 –
65%, gas CO2 sebesar 30 – 35% dan sedikit gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2) dan gas
– gas lain. Panas yang dihasilkan sebesar 600 BTU/cuft. Sedangkan, biogas yang dibuat
dari gas alam mengandung gas CH4 sebesar 80 % dengan panas sebesar 1000 BTU/cuft.
Kandungan gas CH4 dari biogas dapat ditingkatkan dengan memisahkan gas CO2 dan gas
H2S yang bersifat korosif.
Reaksi pembentukan metana (Price and Paul, 1981) dari bahan – bahan organik
yang dapat terdegradasi dengan bantuan enzim maupun bakteri dapat dilihat sebagai
berikut:
Sebagai contoh, pada pembuatan biogas dari bahan baku kotoran sapi atau kerbau
yang banyak mengandung selulosa. Bahan baku dalam bentuk selulosa akan lebih mudah
dicerna oleh bakteri anaerob. Reaksi pembentukan CH4 adalah :
Kondisi operasi pada pembuatan biogas (http://digilib.petra.ac.id, 2003), antara
lain :
Temperatur = 20 – 40 oC (paling optimum pada T = 35oC)
Tekanan gas = 20 - 25 cmH2O atau 0,02 – 0,024 atm
Rasio C/N = 30
pH = 6,8 – 8,0
Rasio bahan baku/air = 2 : 3
Page 8
5
Reaksi kimia pembuatan biogas (gas metana) ada 3 tahap, yaitu :
1. Reaksi Hidrolisa / Tahap pelarutan
Pada tahap ini bahan yang tidak larut seperti selulosa, polisakarida dan lemak
diubah menjadi bahan yang larut dalam air seperti karbohidrat dan asam lemak.
Tahap pelarutan berlangsung pada suhu 25o C di digester
(http://digilib.petra.ac.id, 2003). Reaksi:
2. Reaksi Asidogenik dan Asetogenesis
Pada tahap ini, bakteri asam menghasilkan asam asetat dalam suasana anaerob.
Tahap ini berlangsung pada suhu 25o C di digester (http://digilib.petra.ac.id,
2003). Reaksi:
3. Reaksi Metanogenik / Tahap pasifikasi
Pada tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana secara perlahan secara
anaerob. Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 25o C di dalam
digester. Pada proses ini akan dihasilkan 70% CH4, 30 % CO2, sedikit H2 dan
H2S (http://digilib.petra.ac.id, 2003). Reaksi:
Secara keseluruhan proses yang terjadi pada bio-digester digambarkan pada
Gambar 1.
Page 9
6
Gambar 1 Proses yang terjadi pada beo digester
Sehingga, reaksi keseluruhan
𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑥 + (𝑥 +1
4𝑦−
1
2𝑧) 𝐻2𝑂(
1
2𝑥−
1
8𝑦+
1
4𝑧)𝐶𝑂2 + (
1
2𝑥−
1
8𝑦+
1
4𝑧)𝐶𝐻4
Senyawa Kompleks CH4 + CO2
Metana dan karbon dioksida merupakan produk utama dari proses anaerobik.
Gas-gas ini berjumlah 75-80% dari gas yang dihasilkan sedangkan sisanya adalah
hidrogen sulfida, nitrogen, dan hidrogen.
4. Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas Dari Limbah
4.1. Faktor Yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas
Dalam operasi biologis dengan Anaerobic Digester, terdapat banyak faktor yang
akan memperngaruhi pembentukkan biogas dari limbah yang diproses, diantaranya
adalah Hydraulic Retention Time (HRT), Solid Retention Time (SRT) atau dikenal juga
dengan waktu tinggal sel, organic loading rate, pencampuran, pH, alkalinitas,
temperatur, dan konfigurasi reaktor.
1. Hydraulic Retention Time (HRT)
Page 10
7
HRT, 𝜃 (hari) merupakan waktu rata-rata dari suatu reaktor untuk memproses
sludge di dalam reaktor. HRT merupakan rasio dari volume reaktor dengan debit
influen. Nilai HRT penting untuk desain dan operasi reaktor karena merupakan
lamanya substrat dan senyawa yang ingin disisihkan untuk berkontak dengan
biomassa di dalam reaktor. Dalam mendesain reaktor penting untuk
menyesuaikan waktu retensi agar destruksi volatile solids dapat berjalan.
2. Solids Retention Time (SRT)
SRT atau waktu tinggal sel didefinisikan sebagai jumlah organisme di dalam
reaktor dibagi dengan jumlah organisme yang dikeluarkan dari sistem setiap
harinya. SRT dinotasikan sebagai 𝜃𝑐. Penentuan SRT penting karena apabila SRT
terlalu rendah, maka organisme yang bekerja akan tersisihkan. Sebaliknya,
apabila SRT terlalu tinggi maka akan terjadi keterbatasan nutrien dalam sistem.
SRT mempengaruhi kondisi pertumbuhan optimal dari organisme dalam reaktor,
dan akan mengubah ekologi mikroba. SRT sama dengan HRT pada kondisi tidak
ada daur ulang solid. SRT yang lebih panjang akan menstabilkan proses,
menurunkan jumlah sludge yang diproduksi, dan meningkatkan biogas yang
terbentuk. Menurut Rittmann & McCarty (2001), minimum SRT untuk anaerobic
CSTR pada 35oC adalah 10 hari.
3. Organic Loading Rate
Organic Loading Rate (OLR) diartikan sebagai jumlah volatile solids yang
ditambahkan setiap harinya per volume reaktor (Vesiling, 1998) atau jumlah
BOD atau COD yang dikondisikan pada setiap volume reaktor per hari
(Tchobanoglous et al.,2003). OLR berkaitan dengan HRT dengan persamaan
berikut:
𝑂𝐿𝑅 =(𝑄)(𝐶𝑉𝑆)
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟=
𝐶𝑉𝑆
𝐻𝑅𝑇
Dimana:
OLR = Organic Loading Rate (Beban laju organik) (m3/hari)
CVS = Konsentrasi volatile solids (kg VS/m3)
Vreactor = Volume reaktor (m3)
HRT = Hydraulic Retention Time
Apabila tidak dilakukan daur ulang, maka HRT=SRT, maka:
Page 11
8
𝑂𝐿𝑅 =𝐶𝑉𝑆
𝑆𝑅𝑇
Volatile Solids (VS) terdiri dari biomassa aktif dengan konsentrasi X, sel yang
meluruh, dan VS yang non-biodegradable (Tchobanoglous et al., 2003). Menurut
Rittmann & McCarty (2001), OLR yang direkomendasikan untuk Anaerobic
Digestion dengan debit besar adalah 1,6-4,8 kg VSS/(m3.hari), dan untuk debit
yang kecil (tanpa panas dan pencampuran) adalah 0,5-1.6 kg VSS/(m3.hari).
Apabila laju beban pada anaerobic digestion terlalu tinggi untuk kondisi sistem,
dua perjalanan metanogenesis akan terhambat, dimana akan menghasilkan
akumulasi dari asam lemak volatil dalam reaktor. Kehadiran asam lemak volatil
dalam reaktor dapat menurunkan pH dan membuat kondisi reaktor asam, atau
gagal.
4. Pengadukan (Mixing)
Pengadukan adalah parameter lainnya yang penting untuk dipertimbangkan
dalam desain anaerobic digester. Pengadukan meningkatkan laju kinetis dari
proses anaerobic digestion, mempercepat proses konversi biologis.Selain itu,
pengadukan membuat pemanasan yang seragam pada reaktor (Tchobanoglous,
2003). Pengadukan dapat dilakukan dengan cara mekanis menggunakan impeller
atau turbin yang digerakkan atau dengan injeksi gas menggunakan sparger.
5. pH
pH dalam proses anaerobic digestion harus dijaga antara 6,6-7,6 (Rittmann &
McCarty, 2001). Selama penjalanan digester, overloading, atau instabilitas, asam
organik adalah produk intermediate yang diproduksi mikroorganisme. Kehadiran
asam organik menurunkan pH, menurunkan produksi metana, dan menyebabkan
kegagalan reaktor.
6. Alkalinitas
Alkalinitas adalah kapasitas air dapat menetralkan asam. Pada anaerobic
digestion, persentase normal dari CO2 pada fase gas adalah 25 – 45%. Alkalinitas
antara 500-900 mg/L CaCO3 diperlukan untuk pH lebih dari 6,5. Penambahan
kapur, NaOH, dan ammonia dapat dipilih untuk meningkatkan alkalinitas.
Hubungan pH dengan alkalinitas dapat dilihat pada persamaan berikut
𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎1 + log (𝑎𝑙𝑘.
𝑏𝑖𝑘𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡50000
([𝐶𝑂2(𝑔)]
𝐾𝐻 ))
Page 12
9
7. Temperatur
Pertumbuhan bakteri dipengaruhi reaksi kimia yang kompleks dan laju reaksi dari
seluruh reaksi kimia sangat tergantung pada temperatur. Umumnya, laju bakteri
baertambah dua kali setiap kenaikan 10oC, dan beragam untuk setiap spesiesnya.
Diatas temperatur normal, untuk beberapa jenis bakteri akan mengalami
denaturasi enzim sehingga kehilangan fungsi dan strukturnya dan
mikroorganisme akan mati. Untuk anaerob digestion mesofilik, rentang
temperaturnya adalah 10 – 300C. Diatas 400C, akan terjadi denaturasi enzim. Pad
termofilik, temepratur berentang pada 55 – 650C. Laju produksi metana akan 50-
100% lebih tinggi pada termofilik daripada mesofilik.
8. Rasio C:N
Hubungan jumlah karbon dan nitrogen yang hadir dalam material organik
direpresentasikan sebagai rasio C:N. Rasio C:N yang optimal untuk anaerobic
digester adalah antara 20 – 30. Tingginya rasio C:N adalah indikasi dari cepatnya
konsumsi nitrogen oleh metanogen dan menghasilkan rendahnya gas yang
diproduksi. Di sisi lain, rasio C:N yang rendah menyebabkan akumulasi ammonia
dan nilai pH dapat melebihi 8,5, dan menjadi toksik bagi bakteri metanogen.
Untuk membuat rasio C:N optimal, dapat dilakukan dengan mencampurkan
limbah yang rendah dan tinggi akan rasio C:N nya, seperti limbah padat organik
yang dicampur dengan kotoran hewan.
9. Produksi Gas
Aklaku et al. (2006) menggunakan portable gas analyzer untuk menganalisa
komposisi gas dari anaerobic digester. Setelah dianalisa, diketahui bahwa
ammonia tidak ada dalam gas dan H2S 0,002% berat. Apabila H2S diabaikan,
perhitungan CO2 dan CH4 dapat menggunakan persamaan : CH4 = 100 – CO2
4.2. Gas Yang Diproduksi
Komposisi biogas berbeda dari gas alami, namun cukup mirip dengan gas landfill.
Gas landfill memiliki jumlah senyawa halogen yang signifikan dan terkadang kandungan
oksigen tinggi saat ada oksigen yang terserap ketika pengumpulan landfill. Nilai kalor
gas alami adalah 36,14 MJ/m3 sementara 21,48 MJ/m3 untuk biogas. Komposisi biogas
akan bervariasi tergantung komposisi limbahnya.
Page 13
10
Biogas yang dihasilkan dari proses anaerobic digestion umumnya terdiri dari
metana, karbon dioksida, dengan hidrogen sulfida dalam jumlah sedikit dan ammonia.
Selain itu terdapat juga jejak dari hidrogen, nitrogen, karbon monoksida, dan oksigen
terkadang muncul dalam biogas, seperti pada tabel berikut
Tabel 7 Produksi gas
Senyawa gas Unit Jumlah
Metana CH4 %Volume 55-70
Etana C2H6 %Volume 0
Propana C3H8 %Volume 0
Butana C4H10 %Volume 0
Pentana %Volume 0
CO2 %Volume 30-45
Nitrogen (N2) %Volume 0-2
VOC %Volume 0
Hidrogen (H2) %Volume 0
Hidrogen Sulfida (H2S) Ppm ~500
Ammonia (NH3) Ppm ~100
Karbon monoksida (CO) ppm 0
http://uk.dgc.dk/pdf/Sevilla2000.pdf
Menurut Saleh et al. (2010) tipikal biogas yang dihasilkan dari proses anaerobic
digestion mengandung metana 60%, karbon dioksida 35%, hidrogen sulfida 3%,
hidrogen 1%, dan ammonia beserta gas lainnya 5%. Sisa yang lainnya disebut digestate
yang kaya akan nutrien yang baik untuk memperbaiki struktur tanag atau pupuk cair.
4.3. Penangkapan Gas
Gas yang dihasilkan dari proses dekomposisi dalam anaerobic digester umumnya
adalah gas metan yang mudah meledak. Gas ini relatif tidak berbau sehingga sulit untuk
mendeteksi jika terjadi kebocoran. Oleh karena itu, penangkapan dan penyimpanan gas
hasil anaerobic digester ditampung dalam wadah penyimpanan khusus yang disimpan
pada area yang tertutup dan selanjutnya gas dapat dialirkan menuju alat yang akan
menggunakan gas tersebut. Wadah penyimpanan juga berfungsi sebagai penjaga tekanan
Page 14
11
gas sehingga dapat menyediakan tekanan yang cukup untuk pemakaian gas selanjutnya.
Wadah harus terbuat dari material yang bersifat innert dan tahan korosi. Gas selanjutnya
dapat dipakai untuk memproduksi listrik ataupun sebagai bahan bakar.
Sebelum menuju wadah penyimpanan, dipasang juga saluran gas yang berfungsi
mengalirkan gas menuju wadah. Saluran harus terbuat dari bahan yang anti karat, seperti
polimer. Selanjutnya, gas dialirkan menuju wadah penyimpanan. Terdapat dua jenis
wadah penyimpan gas, yaitu :
1. Floating dome
Wadah menyatu dengan komponen utama anaerobic digester
2. Fixed dome
Wadah terpisah dengan komponen utama anaerobic digester
Volume wadah penyimpanan untuk gas sebaiknya sebesar 1/5 dari volume padatan dan
cairan dari reaktor.
4.4. Waktu yang Dibutuhkan untuk Proses
Waktu yang diperlukan selama proses anerobik dapat disebut juga Hydraulic
Retention Time (HRT), 𝜃 (hari), didefinisikan sebagai rata-rata jumlah waktu yang
diperlukan suatu reaktor untuk mendigesti sejumlah volume lumpur organik yang berada
di dalamnya secara aktif. Dapat dihitung dengan formula:
𝜃 =𝑣
𝑞
dimana,
𝜃 = HRT (hari)
𝑉 = Volume Reaktor (m3)
𝑄 = Influent Flow Rate (m3/hari) (Rittmann & McCarty, 2001)
Waktu retensi hidrolik sangat penting untuk operasi dan desain reaktor karena
factor ini menentukan berapa lama substrat dan zat target yang ingin dihilangkan akan
berkontak dengan biomassa di dalam reaktor. Reaksi kinetic dari proses metanogenesis
dan fermentasi adalah rate pembatas dalam digesti anaerobic (Khanal, 2009).
Metanogenesis merupakan yang paling sering menjadi langkah rate-limiting. Garfi et al.
(2011) meneliti bahwa untuk digesti anaerobik psychrophilic pada temperature 10oC
untuk polyethylene pada digester anaerobic berbentuk tabung tanpa proses mixing
direkomendasikan Solid Retention Time (SRT) selama 70 hari. Pada temperature 30oC
Page 15
12
direkomendasikan SRT selama 20 sampai 30 hari. Sangat penting untuk mendesain
waktu retensi yang cukup untuk membiarkan pendestruksian zat padat tervolatilisasi
(Vesilind, 1998).
Solid Retention Time atau waktu tinggal sel dapat didefinisikan sebagai “massa
organisme di dalam reaktor dibagi dengan massa organisme yang dihilangkan dari sistem
setiap harinya” (Rittmann&McCarty, 2001). Dapat dihitung dengan:
𝜃𝑐 =𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓 𝑑𝑖 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚
𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓=
𝑉 × 𝑋
𝑄𝑤 × 𝑋𝑤
Dimana,
𝜃𝑐 = Solid Retention Time (hari)
𝑉 = Volume Reaktor (m3)
𝑋 = Konsentrasi Sel dalam Reaktor
𝑄𝑤 = Laju Aliran yang keluar dari reaktor
𝑋𝑤 = Konsentrasi sel yangterdapat pada aliran yang keluar dari reaktor
Penentuan SRT sangat penting karena jika tidak cukup maka akan ada washout
organisme. Jika SRT terlalu lama maka sistem akan kekurangan nutrient. SRT
mempengaruhi organisme manna yang memiliki kondisi pertumbuhan optimal di dalam
reaktor dan mengubah ekologi mikroba dalam sistem. SRT akan sama dengan HRT jika
tidak ada pemakaian ulang padatan (Vesilind, 1998). Peningkatan SRT akan
meningkatkan luasnya reaksi yang terlibat dalam proses lengkap digesti anaerobik
(Vesilind, 1998) SRT yang lebih panjang akan menstabilkan proses, menurunkan
produksi lumpur dan meningkatkan produksi biogas (Rittmann&McCarty, 2001)
Menurut Rittmann&McCarty (2001), SRT minimum untuk CSTR anaerobik pada suhu
35oC adalah 10 hari. Sedangkan menurut Polprasert (1989) untuk temperature 25-40oC
diperlukan SRT 10-60 hari.
Waktu retensi juga dipengaruhi oleh komposisi limbah. Untuk rasio COD:N:P
sebesar 100:5:1, rasio C/N sebesar 20-30 dan total solid 5-10% dibutuhkan HRT sebesar
30-40 hari (Polprasert, 1989).
5. Perhitungan
5.1. Perhitungan jumlah gas yang dihasilkan
Data Perencenaan
Page 16
13
Jumlah limbah padat yang diolah : 300 ton = 300000 kg per 20 jam
Rumus kimia tandan kosong kelapa sawit : C6H10O5N0,3 (kandungan selulosa)
Kadar air sampah : 30%
Jumlah materi organik : 45% dari berat kering
Berat jenis CO2 : 1,981 kg/m3
Berat jenis CH4 : 0,719 kg/m3
Reaksi kimia
CaHbOcNd + (4𝑎−𝑏−2𝑐+3𝑑
4)H2O (
4𝑎+ 𝑏−2𝑐−3𝑑
8) 𝐶𝐻4 + (
4𝑎−𝑏+2𝑐+3𝑑
8) 𝐶𝑂2 +
dNH3 + ΔE
Dengan rumus kimia C6H10O5N0,3, maka :
a = 6 ; b = 10 ; c = 5 ; d = 0,3
Sehingga diperoleh reaksi kimia sebagai berikut.
C6H10O5N0,3 + ((4𝑥6)−10−(2𝑥5)+(3𝑥0,3)
4)H2O (
(4𝑥6)+ 10−(2𝑥5)+(3𝑥0,3)
8) 𝐶𝐻4 +
((4𝑥6)−10+(2𝑥5)+(3𝑥0,3)
8) 𝐶𝑂2 + dNH3 + ΔE
C6H10O5N0,3 + 1,225 H2O 2,8875 𝐶𝐻4 + 3,1125 𝐶𝑂2 + 0,3 NH3 + ΔE
Perhitungan
Berat kering sampah = kadar kering sampah x jumlah sampah
= 0,7 x 300.000 = 210.000 kg
Jumlah materi organik = 0,45 x berat kering sampah = 0,45 x 210.000 = 94.500 kg
1 mol C6H10O5N0,3 = 166,2 gr
Nilai 166,2 gr diperoleh dari nilai Mr C6H10O5N0,3 = (12x6) + 10 + (16x5) + (14x0,3)
= 166,2 gr
Dari persamaan reaksi :
CH4 = 2,8875 mol 𝑥 94.500 kg
166,2 gr x 16 gr/mol = 9097,473 kg
CO2 = 3,1125 mol 𝑥 94.500 kg
166,2 gr x 44 gr/mol = 25018,05 kg
Page 17
14
Volume CH4 = 𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡
𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑗𝑒𝑛𝑖𝑠 =
9097,473𝑘𝑔
0,719 𝑘𝑔/𝑚3 = 12.652,95 m3
atau setara dengan 12.652,95
12.652,95+12.629𝑥 100% = 51%
Volume CO2 = 𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡
𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑗𝑒𝑛𝑖𝑠 =
25018,05 𝑘𝑔
1,981 𝑘𝑔/𝑚3 = 12.629 m3 atau setara dengan
atau setara dengan 12.629
12.652,95+12.629𝑥 100% = 49%
Total gas yang terbentuk = Volume total gas
𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑎ℎ =
12.652,95 +12.6295𝑚3
300.000 𝑘𝑔 = 0,0845 m3/kg
5.2. Perhitungan Volume Reaktor
Rumus-Rumus yang Digunakan :
Jumlah bakan baku (Q) = Jumlah sampah organik + air
Vc = volume ruangan penampung gas
Vgs = volume ruangan penyimpanan gas
Vf = volume ruangan fermentasi
Vh = volume ruangan hidrolik
Vs = volume lapisan penampungan lumpur
Total volume digester (V) = Vc + Vgs + Vf + Vs
Berdasarkan jumlah volume bahan baku (Q), maka dapat ditentukan volume kerja
digerster yang merupakan volume ruangan penyimpanan (Vgs) dan volume ruangan
fermentasi (Vs).
Volume kerja digester = Vgs + Vf
Dimana :
Vgs + Vf = Q x HRT (waktu digestifikasi)
Kriteria desain dari ruangan-ruangan digester adalah sebagai berikut:
Vgs + Vf = 80%V
D = 1.3078 x V 1/3
V1 = Vc + Vgs = 0.0827 D3
V2 = Vs = 0.05011 D3
Page 18
15
V3 = Vf = 0.3142 D3
R1 = 0.725 D
R2 = 1.0625 D
F1 = D/5
F2 = D/8
Perhitungan
Berdasarkan literatur, total limbah yang dihasilkan oleh pabrik kelapa sawit
(PKS) adalah sebesar 60 ton/jam. Apabila diasumsikan PKS ini beroperasi selama 20 jam
dalam setiap harinya (Development Alternatives Inc, 2009), maka:
Jumlah Total Limbah = 60 ton
jamx20
jam
hari= 1200
ton
hari
Berdasarkan literatur yang sama, diketahui pula bahwa persentase limbah padat
yang dihasilkan PKS adalah 25% dari limbah total. Sehingga:
Jumlah Limbah Padat = 25% x 1200 ton
hari= 300
ton
hari
Berdasarkan karakteristik limbah padat kelapa sawit sebelumnya, ditemukan
bahwa tandan kosong kelapa sawit berkontribusi terbesar dalam timbulan limbah padat
kelapa sawit. Menurut Wirjosentono et al (2004), tandan kosong kelapa sawit tersebut
berpotensi untuk menghasilkan 73% serat. Dan rata-rata densitas serat dari kelapa sawit
menurut Manohar (2012) adalah 797,27 kg/m3 (24oC). Sehingga, volume limbah padat
yang ditimbulkan adalah
Volume Limbah Padat = 300 ton
hari: 797,27
kg
m3x 1000
kg
ton= 376,28
m3
hari
Menurut Prasetyo, 2010, produksi biogas dalam digester yang terbentuk
umumnya terjadi pada 30-35 hari, kemudian produksinya akan menurun jika digester
tidak diisi kembali. Sedangkan yang dimaksud dengan HRT (hydraulic retention time)
adalah lama waktu penguraian yang mencakup 70%-80% dari keseluruhan waktu proses
pembentukan biogas. Menurut literatur, kriteria desain untuk waktu retensi adalah 30 –
40 hari, sehingga diasumsikan pada perhitungan ini HRT adalah 35 hari.
Page 19
16
Berdasarkan kriteria untuk biogas, jumlah air yang perlu ditambahkan kedalam tangki
adalah 2:1 dari jumlah limbah padat. Sehingga, jumlah air yang perlu ditambahkan
adalah:
Jumlah Air yang Ditambahkan = 300ton
harix 2 = 600
ton
hari
Densitas air pada suhu 24oC adalah 997,6 kg/m3, sehingga:
Volume Air yang Ditambahkan = 600 ton
hari: 997,6
kg
m3x1000
kg
ton= 601,44
m3
hari
Sehingga, total jumlah bahan baku dalam biodigester adalah:
Q= 376,28 m3/hari + 601,44 m3/hari
Q= 977,72 m3/hari
Vgs + Vf = 977,72 x 35 = 34.220,2 m3
Dimana Vgs + Vf = 80%V, sehingga:
V = 100/80 x 34.220,2 m3 = 42.775,25 m3
Diameter silinder reaktor:
D = 1,3078 x V1/3
D = 45,56 m
Menurut literatur (extension.psu.edu), kriteria desain untuk diameter tangki
adalah 30 feet atau sekitar 9 meter. Berdasarkan diameter hasil perhitungan, agar kriteria
desain dapat terpenuhi maka anaerobic digester yang dibutuhkan adalah 6 buah, sehingga
diameter untuk masing-masing tangki adalah 7,6 m.
V1 = 0,0827 x D3= 0,0827 x 7,63 = 36,3 m3
V2 = 0,05011 x D3= 0,05011 x 7,63 = 21,99 m3
V3 = 0,3142 x D3= 0,3142 x 7,63 = 137,93 m3
R1 = 0,725D = 0,725 x 7,6 = 5,51 m
Page 20
17
R2 = 1,0625D = 1,0625 x 7,6 = 7,84 m
F1 = D/5 = 7,6/5 = 1,52 m
F2 = D/8 = 7,6/8 = 0,95 m
𝐻 =𝑉3
𝜋(𝑅1 + 𝑅2
2 )2=
137,93
𝜋(5,51 + 7,84
2 )2= 0,98 𝑚
6. Gambaran Reaktor Yang Akan Digunakan
Sistem anaerobik digester yang digunakan adalah sebagai berikut :
A. Tabung Penampung (Reaktor)
Tabung reaktor merupakan tempat terjadinya proses pencernaan bahan baku
secara anaerob. Dimana dalam pembuatan skala laboratorium menggunakan
beberapa kriteria, yaitu :
Page 21
18
Bagian atas datar dan ditutup dengan menggunakan pencekam yang
dikunci dengan baut.
Kapasitasnya sesuai dengan kapasitas bahan baku dengan prosentase 20%
volume gas dan 80% volume bahan baku.
Tidak bersifat korosif dan dapat menyimpan kalor, sehingga
menggunakan drum plastik.
Bagian luar diisolasi untuk menghindari perpindahan kalor dari dalam
tabung ke luar lingkungan.
B. Masukan dan keluarkan slurry
Inlet adalah tempat untuk memasukan bahan baku. Konstruksi inlet pada alat ini
adalah sangat sederhana yaitu langsung melalui mulut drum plastik, tutup dibuka
lalu kita masukkan bubur ke dalam reaktor. Outlet berfungsi untuk mengeluarkan
bahan baku yang sudah tidak terpakai lagi. Outlet ini terletak di bawah tabung
reaktor.
C. Pengaduk
Sedangkan sistem agitation (pengaduk) terdiri dari motor DC, As stainless, dan
plat pengaduk. Pengadukan ini bertujuan untuk mengaduk bubur yang ada dalam
tabung reaktor sehingga terjadi homogenitas pada bubur dan terjadi sirkulasi gas
dalam tabung reaktor.
Motor listrik berfungsi sebagai penggerak As dan plat pengaduk stainless yang
terdapat pada tabung penampung (Reaktor). As dan plat pengaduk stainless
berfungsi sebagai alat untuk mensirkulasikan gas yang dihasilkan dan juga
sebagai pencampur bubur dalam tabung reaktor agar kondisi homogen dapat
tercapai.
Page 22
19
Gambar 2 Alat pengaduk stainless
D. Sistem Pemanas
Sistem pemanas sendiri terdiri dari beberapa komponen diantaranya perpipaan,
heater. Sistem pemanas ini memanfaatkan perpindahan kalor dari air panas
melalui koil pemanas yang ada dalam tabung reaktor. Material yang digunakan
dalam sistem perpipaan air panas harus mempunyai daya konduksi yang tinggi
dan tidak bersifat korosif. Tujuan dari pemanasan ini yaitu menjaga temperatur
dalam tabung reaktor sehingga dapat mengoptimalkan kerja dari bakteri. Heater
berfungsi untuk memanaskan air yang terdapat pada bak penampung .
E. Termokontrol
Termokontrol merupakan alat kontrol temperatur dalam proses anaerobik
digester dengan menggunakan sumber daya listrik DC 20 A, selain itu
diperlengkapi dengan termokopel untuk pengukur suhu didalam digester.
Termokopel berfungsi sebagai sensor suhu yang dipasang dalam tabung reaktor
untuk mengetahui suhu bubur dalam tabung reaktor. Termokopel inilah yang
akan mengatur sistem kontrol. Pada anaerobik digester. Pompa dan heater akan
bekerja pada temperatur yang telah disetting.
F. Penutup atas tabung reaktor dan mur baut
Fungsi penutup tabung reaktor adalah untuk:
Dapat menutupi tabung reaktor secara sempurna
Dapat meminimalisir kebocoran
Mudah dalam pemasangan dan pembongkaran
Page 23
20
Selanjutnya mur-baut berfungsi sebagai pengencang dan penyambung antara
beberapa komponen yang akan diasembling sehingga dapat dibongkar pasang
dengan mudah.
G. pH meter
Sebelum masuk dan keluar, pH dari slurry sebaiknya diukur menggunakan pH
meter. Ini dimaksudkan karena proses pembentukan methana dipengaruhi oleh
harga pH.
H. Gas Analizer
Alat yang digunakan untuk menganalisa kandungan gas dari proses anaerobik
digester pada digester sistem (Gambar 4).
Gambar 3 Gas Analyzer
7. Kegunaan Hasil Proses Anaerobic Digester
Salah satu produk yang dihasilkan dalam proses pengolahan limbah padat dengan
metode anaerobic digester yaitu biogas. Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh
aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya
limbah organik biodegradable seperti limbah padat tandan kosong kelapa sawit.
Kandungan utama dalam biogas yaitu gas metana (CH4) dan karbondiokasida (CO2),
sedangkan sebagian kecil diantaranya hidrogen sulfida (H2S), ammonia (NH3),
hydrogen (H2), dan nitrogen. Beberapa manfaat atau kegunaan dari biogas ini yaitu
Page 24
21
1. merupakan energi yang dapat berfungsi sebagai energi pengganti bahan bakar
fosil sehingga dapat menurunkan konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer dan
emisi lainnya.
2. meningkatkan nilai manfaat limbah dari sampah padat tandan kosong kelapa
sawit dan juga mengurangi jumlah limbah hasil kegiatan kelapa sawit.
3. dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar kendaraan berbasis gas.
4. dapat dimanfaatkan sebagai pengganti kayu bakar dan gas LPG.
5. dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik dimana kira-kira 1 meter kubik
biogas dapat menghasilkan 6000 watt listrik per jam nya.
6. Dapat meningkatkan kualitas udara karena komposisi karbon dan asap yang dapat
merusak kualitas udara dapat dikurangi secara signifikan, sehingga akan sangat
berpengaruh bagi kualitas udara yang kita hirup sehari – harinya.
7. Merupakan bahan bakar yang dapat diperbarui sehingga dapat dimanfaatkan
untuk mencegah kehabisan cadangan energi.
Produk samping yang dihasilkan dari proses pengolahan limbah padat
menggunakan anaerobic digester yaitu lumpur (sludge). Lumpur ini dapat dimanfaatkan
sebagai pupuk organik yang memiliki lebih banyak kelebihan karena tidak mengandung
bahan kimia berbahaya yang kemungkinan akan menempel pada hasil produksi pertanian
nantinya. Hasil pertanian yang menggunakan pupuk organik biasanya memiliki rasa dan
penampilan yang lebih baik dan segar, memiliki kandungan gizi yang lebih baik dan tidak
meninggalkan residu kimiawi yang dapat membahayakan tubuh.
8. Kelebihan dan Kekurangan Anaerobic Digester
8.1. Kelebihan
Kelebihan dari anaerobic digester antara lain :
1. Proses pengolahan limbah padat kelapa sawit menggunakan anaerobic digester
akan menghasilkan produk berupa biogas. Metana dalam biogas dapat dibakar
untuk menghasilkan listrik.
2. Gas yang dihasilkan pada proses pengolahan tidak akan langsung dibuang ke
atmosfer sehingga dapat mengurangi emisi gas rumah kaca karena tidak
memberikan kontribusi untuk meningkatkan konsentrasi metana dan
karbondioksida di atmosfer.
3. Mengurangi limbah padat organik yang dihasilkan oleh pabrik kelapa sawit
Page 25
22
4. Reaktor yang digunakan menggunakan sitem tertutup sehingga akan mengurangi
dampak pencemaran lingkungan.
5. Biaya investasi untuk reaktor anaerobic digester tergolong rendah apabila
dibandingkan dengan keuntungan yang akan diperoleh dari produk biogas yang
dihasilkan .
6. Anaerobic digester juga menghasilkan digestate yang merupakan residu padat
dan cair. Masing-masing dapat digunakan sebagai pupuk cair dan pupuk padat
sebagai vitamin tanah.
7. Dapat memberikan kontribusi pada limbah yang bisa didaur ulang dengan tujuan
pemulihan. Mengolah limbah padat menggunakan anaerobic digester akan
meningkatkan nilai manfaat dari limbah.
8.2. Kekurangan
Kekurangan dari anaerobic digester antara lain :
1. Anaerobic Digester dari pengolahan limbah padat memerlukan pre-treatment
terlebih dahulu, seperti pemisahan plastik dari sumber limbah. Karena adanya
plastik akan mengganggu pada saat sistem beroperasi.
2. Timbulnya bau selama proses pengolahan
Selama proses pengolahan limbah menggunakan anaerobic digester, bahan
organik yang terdegradasi secara anaerobik akan menjadi gas metana,
karbondioksida dan sedikit mengandung hidrogen sulfida sehingga akan
menimbulkan bau yang tidak sedap.
3. Biaya operasional penggunaan anaerobic digester lebih tinggi daibandingkan
melakukan proses pengolahan dengan menggunakan kompos. Perlu biaya
pemeliharaan untuk penanganan gas buang dari proses pengolahan serta biaya
pembersihan maupun perawatan alat.
4. Proses pengolahan menggunakan anaerobic digester masih akan menghaillkan
limbah cair. Limbah cair tersebut dihasilkan selama reaksi mikroba dalam sistem
digester. Limbah cair yang dihasilkan masih mengandung BOD dan COD yang
tinggi sehingga memerlukan pengolahan lebih lanjut sebelum dibuang ke
lingkungan.
Page 26
23
DAFTAR ISI
Khanal, S. (2009). Anaerobic biotechnology for bioenergy production. Published online:
March 27, 2009. DOI: 10.1002/9780813804545.
Polprasert, C.1989. Organic Waste Recycling. John Wiley& Son, Chichester, Inggris
Rittmann, B. E., & McCarty, P. L. (2001). Environmental biotechnology: Principles and
applications (International ed.). Singapore: McGraw Hill.
Vesilind, P. A. (Ed.). (1998). Wastewater treatment plant design (4th ed.). London, UK and
Alexandria, VA, USA: IWA Publishing and the Water Environment Federation
Rittmann, B. E., & McCarty, P. L. (2001). Environmental biotechnology: Principles and
applications (International ed.). Singapore: McGraw Hill.
Saleh, A. F. Et al, 2010, Optimazion of biomethane production by anaerobic digestion of Palm
Oil Mill Effluent Using Surface Methodology, Malaysia
Tchobanoglous, G., Burton, F. L., & Stensel, H. D. (Eds.). (2003). Wastewater engineering:
Treatment and reuse. New York, NY: McGraw Hill.
https://www.academia.edu/7540942/PENERAPAN_DAN_PENGUJIAN_MODEL_TEKNO
LOGI_ANAEROB_DIGESTER_UNTUK_PENGOLAHAN_SAMPAH_BUAH-
BUAHAN_DARI_PASAR_TRADISIONAL (diakses pada tanggal 13 September 2015,
pukul 11.15 WIB)
http://majalahenergi.com/forum/energi-baru-dan-terbarukan/bioenergy/biogas (diakses pada
tanggal 13 September 2015, pukul 11.15 WIB)
http://digilib.unimed.ac.id/public/UNIMED-Undergraduate-22531-5.%20BAB%20II.pdf
(diakses pada Sabtu, 12 September 2015 pukul 15.49)
http://digilib.unimed.ac.id/public/UNIMED-Undergraduate-22531-5.%20BAB%20II.pdf
(diakses pada Sabtu, 12 September 2015 pukul 15.49)
http://www.academia.edu/8312484/Biodigester (diakses pada Minggu, 13 September 2015
pukul 23.50)
Page 27
24
http://c.ymcdn.com/sites/members.echocommunity.org/resource/collection/B7F86DC3-
439D-4486-A7B4-1057664DB7E0/Methane_Digesters.pdf (diakses 13 September 2015
pukul 8.12 WIB)
http://www.epa.gov/outreach/agstar/anaerobic/ad101/ (diakses 13 September 8.21 WIB)
http://www.biogasmax.co.uk/media/introanaerobicdigestion__073323000_1011_24042007.p
df (diakses 12 September 2015 19.00)
http://uk.dgc.dk/pdf/Sevilla2000.pdf (diakses pada 12 September 2015 20.00)