BIOKONVERSI LIMBAH DOMESTIKOleh : Novi Anitra
Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Brawijaya
Limbah domestik adalah limbah yang berasal dari pembuangan rumah
tangga seperti sisa pembuangan sisa makanan, air bekas cucian,
sampah/sisa bahan yang sudah tidak terpakai dan kotoran yang
berasal dari tubuh manusia (feses dan urin) yang perlu dikelola
sehingga memiliki nilai ekonomi, bermanfaat dan tidak menimbulkan
pencemaran lingkungan. Keberadaan mikroorganisme di alam memegang
peranan penting terhadap pencemaran lingkungan di mana
mikroorganisme mempunyai kemampuan untuk mendegradasi limbah dan
polutan sehingga mampu menjaga kualitas lingkungan. Kemampuan
mikroorganisme tersebut menyebabkan bahan-bahan sisa di lingkungan
dapat menghilang atau berubah bentuk. Berdasarkan kemampuan
degradatif terhadap bahan organik, beberapa jenis bakteri telah
dikomersialisasikan sebagai pupuk biologi atau konsorsia bakteri
dimana dapat digunakan sebagai inokulan dalam penanganan limbah
secara aerobik maupun anaerobik (Myrold & Nason dalam
Sutariningsih,2002) misalnya EM4 sebagai bakteri untuk pembuatan
pupuk kompos , Clostridium, asetogenik, asetotropik,
hidrogenotropik dan metanogen sebagai agensia penanganan limbah
secara anaerobik dalam pembuatan biogas.
Tumpukkan sampah menjadi permasalahan yang sangat penting di
berbagai wilayah baik kota besar maupun kecil maka perlu dipikirkan
solusi penanganannya, seperti dapat menjadikan sampah memiliki
nilai tambah yang bermanfaat. Pengolahan sampah organik menjadi
pupuk kompos dan bahan dasar pembuatan biogas melalui proses
biokonversi energi. Biogas dapat digunakan untuk menggantikan bahan
bakar konvensional seperti minyak tanah (kerosene) atau kayu bakar
serta penggunaan biogas juga meyelamatkan lingkungan dari
pencemaran dan mengurangi kerusakan lingkungan hidup. Pemanfaatan
feses(kotoran manusia) pun dapat menjadi bahan baku alternatif
energi terbarukan yang bersih dan ramah lingkungan misalnya energi
hidrogen. Hidrogen adalah salah satu sumber energi yang berpotensi
sebagai pengganti bahan bakar mesin kendaraan bermotor. Hidrogen
menghasilkan energi yang lebih besar daripada bahan bakar lainnya,
dimana dalam basis massa, energi yang dihasilkan hidrogen hampir
mendekati tiga kali energi yang dihasilkan oleh bensin (120 mJ/kg
hidrogen sebanding dengan 44 mJ/kg bensin).A. Pembuatan Biogas dari
Sampah OrganikBiogas merupakan campuran beberapa gas dengan
komposisi 40 - 75% metana (CH4), 25 - 60% karbondioksida (CO2), dan
2 % gas lain (hidrogen, hidrogen sulfida dan karbon monoksida).
Proses fermentation/digestion anaerob (methanization) diuraikan
secara sederhana melalui tiga tahap, yaitu: hidrolisis
(liquefaction), asidifikasi (acyd production), dan metanogenesis
(biogas production) seperti gambar 1.
Gambar.1. Tiga Tahapan Proses Fermentasi Anaerob Limbah
OrganikProses Pembuatan Biogas dari Sampah OrganikMenurut Lettinga
(1994) terdapat tiga tahap proses transformasi bahan organik pada
sistem anaerobik, yaitu :a. Hidrolisis
Proses hidrolisis membutuhkan mediasi exo-enzim yang disekresi
oleh bakteri fermentatif. Hidrolisis molekul kompleks dikatalisasi
oleh enzim ekstra seluler seperti sellulase, protease, dan lipase
(Said, 2006). Sejumlah besar mikroorganisme anaerob dan fakultatif
yang terlibat dalam proses hidrolisis dan fermentasi senyawa
organik antara lain adalah Clostridium.b. Asidogenesis.
Monomer-monomer hasil hidrolisis dikonversi menjadi senyawa
organik sederhana. Tahap ini dilakukan oleh berbagai kelompok
bakteri, mayoritasnya adalah bakteri obligat anaerob dan sebagian
yang lain bakteri anaerob fakultatif. Contoh bakteri asetogenik
(pembentuk asam) (Said,2006).
Asetogenesis/asidogenesisHasil asidogenesis dikonversi menjadi
hasil akhir bagi produksi metana berupa asam asetat yang
kadang-kadang disertai dengan pembentukan karbondioksida atau
hidrogen. Etanol, asam propionat, dan asam butirat diubah menjadi
asam asetat oleh bakteri asetogenik (bakteri yang memproduksi
asetat dan H2) seperti Syntrobacter wolinii dan Syntrophomas wolfei
(Said,2006). Etanol, asam propionat, dan asam butirat diubah
menjadi asam asetat oleh bakteri asetogenik dengan reaksi seperti
berikut (Said, 2006) :CH3CH2OH +CO2 ( CH3COOH + 2H2Etanol
Asam Asetat
CH3CH2COOH + 2H2O( CH3COOH + CO2 + 3H2Asam Propionat Asam
Asetat
CH3CH2CH2COOH + 2H2O ( 2CH3COOH + 3H2Asam Butirat Asam Asetatc.
Metanogenesis.Pada tahap metanogenesis, terbentuk metana dan
karbondioksida. Metana dihasilkan dari asetat atau dari reduksi
karbondioksida oleh bakteri asetotropik dan hidrogenotropik dengan
menggunakan hidrogen. Acetoclastic metanogen mengubah asam asetat
menjadi gas metana seperti reaksi berikut :CH3COOH ( CH4 +
CO2Hidrogenotropik metanogen mensintesa sisa hidrogen dan
karbondioksida menjadi :
2H2 + CO2 ( CH4 + 2H2O
Gambar.2. Reaktor Biogas Skala Rumah TanggaB. Pembuatan Biogas
dan Energi Hidrogen dari Limbah Manusia ( Feses )
Feses sebagai sumber energi dalam bentuk biogas dapat
menghasilkan gas metana melalui proses fermentasi, dimana gas
metana yang dihasilkan tersebut dapat dijadikan sebagai bahan baku
dalam memproduksi hidrogen dengan proses reforming, sehingga limbah
manusia (feses) tersebut yang tadinya merupakan suatu bahan yang
tidak berharga dapat dijadikan sebagai bahan bakar yang ramah
lingkungan dan tentu saja penggunaannya akan mengurangi
ketergantungan akan pemakaian minyak bumi.Tabel 1. Hasil analisis
komposisi kimia biogas dari fesesNo.KomponenKandungan (%)
1.
2.
3.
4.
5.
6.CH4CO2N2CO
O2H2S70
27
2,75
0,1
0,1
0,05
Dalam proses pemanfaatan feses sebagai bahan baku pembuatan gas
hidrogen, ada 3 tahapan yang harus dilalui yaitu :
a. Unit persiapan bahan baku
Limbah manusia ( feses ) dari hasil pengambilan dikumpulkan
dalam bak penampung bahan baku sebelum memasuki tangki berpengaduk.
Untuk mendapatkan rasio C/N yang optimum yaitu 25-30 : 1 (United
Nation, 1996), maka ditambahkan jerami kedalam tangki berpengaduk.
Air dialirkan pada tangki berpengaduk dengan perbandingan 1 : 1
antara bahan baku (feses + jerami) dengan air (United Nation,
1996). Pada tahap hidrolisis, penambahan air berfungsi untuk
melarutkan bahan organik dan komponen terlarut lainnya.
b. Unit fermentasiCampuran yang dihasilkan dari tahap persiapan
bahan baku dialirkan ke dalam digester. Pencampuran bahan baku
dengan air mempunyai pH 4-5, sehingga perlu ditambahkan larutan
Ca(OH)2 10% (Petrus, 1998), untuk mendapatkan pH 7-8. Penambahan
Ca(OH)2 dilakukan diawal fermentasi, Bakteri yang digunakan untuk
proses fermentasi adalah bakteri Acidogenic dan bakteri
Metanogenic. Bakteri Acidogenic dimasukkan ke dalam digester dengan
waktu tinggal 4 hari. Setelah 4 hari, selanjutnya bakteri
Metanogenic dialirkan kedalam digester. Bakteri Metanogenic
tersebut berada didalam digester selama 6 hari, sehingga total
retention time dari proses fermentasi di dalam digester adalah 10
hari. Metana diproduksi melalui pemutusan ikatan langsung dari
CH3COOH, dengan gugus metil dikonversikan menjadi metana dan gugus
karbonil menjadi karbondioksida. Pada unit ini terjadi reaksi
:C6H10O5 + N2 ( CH3COOH ( CO2 + CH4Gas bio yang dihasilkan tersebut
kemudian dialirkan ke sistem pemanas (heater) dengan bantuan blower
menuju adsorber H2S.c. Unit produksi gas hidrogenGas H2S yang
terdapat di dalam gas bio merupakan racun bagi katalis, sehingga
perlu dilakukan pengurangan kadar gas H2S. Adsorber H2S yang
menggunakan Zinc Oxide (ZnO) sebagai adsorban dapat mengurangi
kadar sulfur hingga 0,2 ppm. H2S akan di adsorpsi melalui sebuah
reaksi. Reaksi yang terjadi adalah eksotermis, tetapi karena panas
yang dihasilkan sedikit, sehingga panas tersebut dapat diabaikan.
Reaksi yang terjadi pada sulfur adsorber yaitu : Zn + H2S ( ZnS +
H2OProduk gas hasil reaksi didalam Adsorber kemudian dialirkan ke
dalam Reformer , dimana jenis Reformer yang digunakan pada proses
ini adalah Fixed bed multi tube reactor. Di dalam Reformer, gas
tersebut dikontakkan dengan CeO2 yang merupakan autokatalis untuk
mengkonversi CH4 menjadi H2 dan CO dengan rasio 2:1. Pada unit ini,
reaksi yang terjadi adalah:CeO2 + 0,5 CH4 ( CeO 1,5 + 0,5 CO +
H22CeO2 + CH4 ( 2 CeO 1,5 +CO + 2H2Pada reformer tidak hanya
terjadi reaksi pembentukan H2 tetapi juga terjadi regenerasi dari
katalis CeO1,5 pada kondisi operasi yang sama. Reaksi yang
terjadi,yaitu :2 CeO 1,5 +CO2 ( 2CeO2 + COProduk dari Reformer yang
berupa gas H2, CO, O2, N2, H2S dan CH4 sisa dimasukkan ke dalam
membran CH4 yang sebelumnya didinginkan. Membran CH4 digunakan
untuk memisahkan gas CH4 dengan gas lainnya. Hal ini dilakukan
untuk memanfaatkan gas CH4 sebagai bahan bakar. Untuk selanjutnya
gas campuran (H2, CO, O2, N2, H2S dan CH4 sisa) keluaran membran
CH4 akan di campurkan dengan steam di dalam reaktor HTM (Hydrogen
Transport Membrane) untuk mereaksikan CO dengan H2O pada suhu 400
oC dan tekanan 150 psi. Dengan reaksi sebagai berikut :CO + H2O (
CO2 + H2Didalam reaktor HTM terdapat membran hidrogen yang dapat
langsung memisahkan produk H2 yang dihasilkan dari Reformer dan
reaktor HTM. Hidrogen yang dihasilkan setelah didinginkan, kemudian
di salurkan ke pengguna (user).
Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar dan sebagai sumber
energy alternatif untuk penggerak generator pembangkit tenaga
listrik serta menghasilkan energi panas. Pembakaran 1 kaki kubik
(0,028 meter kubik) biogas menghasilkan energy panas sebesar 10 Btu
(2,25 kcal) yang setara dengan 6 kWh/m3 energi listrik atau 0,61 L
bensin, 0,58 L minyak tanah, 0,55 L diesel, 0,45 L LPG (Natural
Gas), 1,50 Kg kayu bakar, 0,79 L bioethanol.C. Pembuatan Kompos
dari Sampah OrganikKompos didefinisikan sejenis pupuk organik,
dimana kandungan unsur N, P dan K yang tidak terlalu tinggi , hal
ini membedakan kompos dengan pupuk buatan. Kompos sangat banyak
mengandung unsur hara mikro yang berfungsi membantu memperbaiki
struktur tanah dengan meningkatkan porositas tanah sehingga tanah
menjadi gembur dan lebih mampu menyimpan air (Tchobanoglous et
al.,1993). Cara atau metoda untuk membuat kompos adalah proses
composting.
Proses composting adalah proses biologi yang mendekomposisi
sampah (terutama sampah organik basah) menjadi kompos karena adanya
interaksi kompleks dari organisme yang terdapat secara alami.
Sampah yang dapat dikomposkan adalah sayuran, buah, daging, ikan,
nasi, ampas perasan kelapa, dan potongan rumput /daun/ ranting dari
kebun.
Gambar 3. Sampah yang dapat dikomposkan Pembuatan kompos secara
sederhanaa. Pembuatan starter
Nasi (baru maupun basi) dibentuk bulat sebesar bola ping-pong
sebanyak 4 buah. Diamkan selama tiga hari sampai keluar jamur yang
berwarna kuning, jingga, dan abu-abu. Bola nasi jamuran kemudian
dimasukkan ke dalam botol/wadah plastik. Tuang air satu gayung yang
sudah dicampur gula sebanyak empat sendok makan ke dalam
botol/wadah yang berisi nasi jamuran. Diamkan selama satu minggu.
Campuran nasi dan air gula tersebut akan berbau asam seperti
tape.Starter sudah bisa digunakan untuk membuat kompos, dengan cara
dicampur air. Perbandingan stater dengan air sebesar 1: 5.b.
Pembuatan kompos
1. Memasukkan sekam kedalam suatu wadah dan tempatkan pada
bagian bawah keranjang, berfungsi untuk menyerap air, mengurangi
bau dan mengontrol udara agar mikroba berkembang dengan baik.
2. Memasukkan kardus bekas kedalam keranjang di atas bantalan
sekam
3. Mengisi wadah mikroorganisme pengurai sebagai aktivator
/Stater/EM4 (effective microorganism)4. Memasukkan bahan yang akan
dikomposkan yang sebelumnya harus dipotong kecil-kecil ukuran 2 cm
x 2 cm. Bila sampah berupa sisa nasi atau sampah lain yang berkuah,
tiriskan terlebih dahulu. Jika terlalu basah, tambahkan sekam atau
serbuk kayu gergajian. Aduk-aduk setiap selesai memasukkan bahan
yang dikomposkan. Agar kompos beraroma jeruk, anda bisa menambahkan
kulit jeruk ke dalam keranjang.
5. Memastikan proses pengomposan berjalan, letakkan tangan kita
2 cm dari kompos. Bila terasa hangat, dapat dipastikan proses
pengomposan bekerja dengan baik. Jika tidak, percikkan sedikit air
u/ memicu mikroorganisme bekerja. Lakukan kegiatan tersebut
berulang-ulang selama 40 60 hari. Bahan yang telah menjadi kompos
akan berwarna hitam, tidak berbau dan tidak becek.
(Takakura, 2011)Gambar.4 Kegiatan pengomposan & tumpukan
komposDAFTAR PUSTAKASutariningsih Soetarto,E. 2002. Penggunaan
Mikroorganisme sebagai Agensia Bioremedasi, Sanitasi dan Perombak
Limbah. Makalah seminar sosialisasi Fakultas Biologi UGM ke
beberapa SMU di Surakarta. Surakarta, 3 Agustus 2002
Sulistyo Putro,H.,.2003 Menuai Biogas dari Limbah.
http://www.pikiran-rakyat.com/cetak/2005/0405/07/
cakrawala/penelitian03.htm diakses 10 maret 2015
Anonim, Studi Biokonversi Sampah Organik Biogas http://www.fnr
server.de/ cms35/ Biogas.399.0.html. diakses 10 maret 2015
Said, E.G. 2006. Bioindustri: Penerapan Teknologi Fermentasi.
Jakarta: PT Mediyatama Sarana PerkasaUnited Nations. 1996.
Guidebook On Biogas Development. Economic and Social Commission for
Asia and The Pacific. Bangkok, Thailand Miller,1977