Pengolahan Limbah Kotoran Sapi Dan Kotoran Bebek Menjadi Biogas Kontinyu Dengan Skala Rumah Tangga [PDF]

Citation preview

LAPORAN “Pengolahan Limbah Kotoran Sapi dan Kotoran Ternak Unggas menjadi Biogas dengan Sistem Kontinyu Skala Rumah Tangga”



DIAJUKAN UNTUK MEMENUHI SYARAT KELULUSAN MATA KULIAH REKAYASA LINGKUNGAN BERBASIS MASYARAKAT (TKL-6316) OLEH HANIF ANDRYANNUR



( D1051161031 )



YOSIE NOVITA PUTRI



( D1051161059 )



IQMA PRIYANTI



( D1051161077 )



DOSEN PEMBIMBING DIAN RAHAYU JATI , S.T,M.Si ISNA APRIANI , S.T.M.Si Dr. ARIFIN , S.T,M.Eng.Sc



PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN JURUSAN SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSTAS TANJUNGPURA PONTIANAK 2019



KATA PENGANTAR



Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena telah melimpahkan rahmat dan karunianya, sehinngga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Laporan Rekayasa Lingkungan Berbasis Masyarakat yang berjudul Pengolahan Limbah Kotoran Sapi dan Kotoran Ternak Unggas menjadi Biogas dengan Sistem Kontinyu Skala Rumah Tangga. Penulis mengucapkan terima kasih ibu Dian Rahayu Jati S.T, M.Si., bapak Dr. Arifin S.T, M.Eng.Sc., ibu Isna Apriani S.T., M.Si. dan semua pihak yang telah memberi masukan, motivasi, ilmu dan dukungan, sehingga rancangan alat ini dapat diselesaikan dengan baik. Penulis menyadari bahwa rancangan alat ini masih memiliki banyak kekurangan, sehingga saran dan kritik yang membangun. Akhir kata, penulis berharap semoga rancangan alat ini dapat menjadi sumbangan inspirasi dalam upaya mendukung kemandirian pada masyarakat dalam bidang lingkungan dan energi terbarukan berkelanjutan.



Pontianak, 21 Maret 2019



Tim Penulis



i



DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................................ i DAFTAR ISI ......................................................................................................... ii DAFTAR TABEL ............................................................................................. iv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. v BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang........................................................................................ 1 1.2 Rumusan Masalah....................................................................................... 2 1.3 Tujuan......................................................................................................... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biogas ......................................................................................................... 3 2.2 Pembentukan Biogas .................................................................................. 5 2.2.1 Tahap Hidrolisis.................................................................................... 6 2.2.2 Tahap Asidifikasi (Pengasaman) ........................................................... 6 2.2.3 Tahap Pembentukan Gas Metana .......................................................... 7 2.3 Proses Pemurnian Biogas ........................................................................... 7 2.3.1 Absorbsi ................................................................................................ 7 2.3.2 Adsorpsi pada Permukaan Zat Padat ..................................................... 8 2.3.3 Pemisahan Secara Kriogenik.................................................................. 8 2.3.4 Pemisahan dengan Membran ................................................................. 8 2.4 Pupuk .......................................................................................................... 9 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat ................................................................................... 12 3.2 Alat dan Bahan ......................................................................................... 12 3.3 Prosedur Kerja .......................................................................................... 13 3.3.1 Tahap Awal ......................................................................................... 13 3.3.2 Pengukuran Awal ................................................................................ 13 3.3.3 Pengukuran Parameter yang Diukur ................................................... 13 3.2.4 Uji Akhir ............................................................................................. 13 3.4 Diagram Alir............................................................................................. 14 3.5 Desain Alat ............................................................................................... 14 3.6 Hipotesa Awal .......................................................................................... 15



ii



3.7 Rancangan Anggaran Biaya (RAB) ................................................................... 15 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil.................................................................................................................... 17 4.2 Pembahasan ........................................................................................................ 17 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan dan Saran ........................................................................................ 19 DAFTAR PUSTAKA



iii



DAFTAR TABEL



Tabel 2.1 Komposisi Biogas....................................................................................4 Tabel 2.2 Kondisi Optimum Produksi Biogas .........................................................4 Tabel 2.3 Standar Mutu Pupuk Organik Cair (POC) ............................................11 Tabel 3.1 Time Schedull ........................................................................................12 Tabel 3.2 Rancangan Anggaran Biaya (RAB) .....................................................15



iv



DAFTAR GAMBAR



Gambar 2.1 Proses Pembuatan Biogas ...................................................................6 Gambar 3.1 Desain Reaktor Biogas .....................................................................14 Gambar 4.1 Reaktor Biogas..................................................................................18



v



vi



BAB I PENDAHULUAN



1.1



Latar Belakang Pemanfaatan energi yang tidak dapat diperbaharui secara berlebihan dapat



menimbulkan masalah krisis energi. Salah satu gejala krisis energi yang terjadi akhir-akhir ini yaitu kelangkaan bahan bakar minyak (BBM), seperti minyak tanah, bensin, dan solar. Kelangkaan terjadi karena tingkat kebutuhan BBM sangat tinggi dan selalu meningkat setiap tahunnya, sementara itu minyak bumi sebagai bahan baku pembuatan BBM sangatlah terbatas dan membutuhkan waktu berjuta-juta tahun untuk proses pembentukannya (Wahyuni, 2011). Salah satu teknologi yang akan digunakan ialah teknologi biogas. Biogas dapat dihasilkan dari pengolahan limbah rumah tangga dan buangan dari sisa kotoran ternak, dengan demikian biogas memiliki peluang yang besar dalam pengembangannya karena bahannya dapat diperoleh dari sekitar tempat tinggal masyarakat (Wahyono dan Sudarno, 2012). Reaksi yang terjadi dalam pembentukan biogas meliputi tiga tahap, yaitu tahap hidrolisis, tahap pengasaman, dan tahap metanogenik. Teknologi ini menggunakan campuran kotoran ternak dimana terdapat banyak kandungan gas metan. Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob). Komponen biogas CH4 (metana), CO2 (karbon dioksida), N2, O2, H2, dan H2S. Sumber energi biogas yang utama adalah kotoran ternak. Biogas yang dihasilkan dari kotoran hewan sampai dengan saat ini tiap tahun Kementerian Pertanian Badan Penyuluhan dan pengembangan sumber daya manusia pertanian, meluncurkan aspirasi terhadap pihak peternak hewan sapi untuk di bangun sebuah rangkaian pemanfaatan kotoran hewan tersebut menjadi biogas sebagai pengganti LPG. Energi biogas adalah salah satu dari banyak macam sumber energi terbarukan, karena energi biogas dapat diperoleh dari air buangan rumah tangga, kotoran cair dari peternakan ayam, sapi, babi, sampah organik dari pasar, industri makanan dan limbah



buangan lainnya. Produksi biogas memungkinkan pertanian



1



berkelanjutan dengan sistem proses terbarukan dan ramah lingkungan. Menurut Widodo dan Asari (2006) kotoran ternak mengandung nitrogen, fosfor dan kalium yang merupakan kandungan nutrient utama untuk bahan pengisi biogas. Menurut Omed dkk., (2000) Kotoran ternak merupakan pilihan yang tepat sebagai bahan baku pembuatan biogas, karena di dalam kotoran ternak telah mengandung bakteri metanogenik yang dapat menghasilkan gas metan. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa sistem produksi biogas mempunyai beberapa keuntungan, yaitu (a) mengurangi pengaruh gas rumah kaca, (b) mengurangi polusi bau yang tidak sedap, (c) sebagai pupuk, (d) produksi daya dan panas serta kotoran sapi memiliki kandungan bahan organik yang cukup tinggi, teknologi pembuatan biogas dari kotoran ternak, merupakan teknologi yang sudah banyak dikenal di masyarakat.



1.2



Rumusan Masalah 1. Bagaimana cara mengelola campuran kotoran ternak menjadi sumber energi? 2. Bagaimana cara membuat reaktor biogas? 3. Bagaimana cara membuat biogas dari kotoran ternak?



1.3



Tujuan 1. Memanfaatkan hasil gas metan pada kotoran ternak untuk pengolahan biogas 2. Mengetahui bentuk dari reaktor biogas 3. Mengetahui cara membuat biogas dari kotoran ternak



2



BAB II TINJAUAN PUSTAKA



2.1. Biogas Biogas merupakan gas campuran metana (CH4) karbondioksida (CO2) dan gas lainnya yang didapat dari hasil penguraian bahan organik (seperti kotoran hewan, kotoran manusia, dan tumbuhan) oleh bakteri metanogen. Untuk menghasilkan biogas, bahan organik yang dibutuhkan, ditampung dalam biodigester. Proses penguraian bahan organik terjadi secara anaerob (tanpa oksigen). Biogas terbentuk pada hari ke-4~5 sesudah biodigester terisi penuh dan mencapai puncak pada hari ke-20~25. Biogas yang dihasilkan sebagian besar terdiri dari 50-70% metana (CH4), 30-40% karbondioksida (CO2) dan gas lainnya dalam jumlah kecil (Fitria B, 2009 dalam Harsono, 2013). Biogas dihasilkan apabila bahan-bahan organik terurai menjadi senyawasenyawa pembentuknya dalam keadaan tanpa oksigen (anaerob). Fermentasi anaerob ini biasa terjadi secara alami di tanah yang basah, seperti dasar danau dan di dalam tanah pada kedalaman tertentu. Proses fermentasi adalah penguraian bahan-bahan organik dengan bantuan mikroorganisme. Fermentasi anaerob dapat menghasilkan gas yang mengandung sedikitnya 50% metana. Gas inilah yang biasa disebut dengan biogas. Biogas dapat dihasilkan dari fermentasi sampah organik seperti sampah pasar, daun daunan, dan kotoran hewan yang berasal dari sapi, babi, kambing, kuda, atau yang lainnya, bahkan kotoran manusia sekalipun. Gas yang dihasilkan memiliki komposisi yang berbeda tergantung dari jenis hewan yang menghasilkannya (Firdaus, U.I, 2009 dalam Harsono, 2013). Biogas merupakan bahan bakar gas dan bahan bakar yang dapat diperbaharui (renewable fuel) yang dihasilkan secara anaerobic digestion atau fermenrasi anaerob dari bahan organik dengan bantuan bakteri metanogenesis. Bahan yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan biogas yaitu bahan biodegradable seperti bahan organik (Price dan Cheremisinoff, 1981). Komposisi biogas yang dihasilkan tergantung pada jenis bahan baku yang akan digunakan. Komposisi biogas yang utama adalah gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan sedikit hidrogen sulfida (H2S). Komponen lainnya



3



yang ditemukan dalam kisaran konsentrasi kecil antara lain senyawa sulfur organik, senyawa hidrokarbon terhalogenasi, gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas oksigen (O2). Tabel 2.1 Komposisi Biogas



Kondisi operasi harus dikontrol dengan cermat supaya proses pencernaan anaerobik dapat berlangsung secara optimal. Sebagai contoh pada derajat keasaman (pH), pH harus dijaga pada kondisi optimum yaitu antara 7 – 7,2. Hal ini disebabkan apabila pH turun akan menyebabkan pengubahan substrat menjadi biogas terhambat sehingga mengakibatkan penurunan kuantitas biogas. Nilai pH yang terlalu tinggi pun harus dihindari, karena akan menyebabkan produk akhir yang dihasilkan adalah CO2 sebagai produk utama. Begitu pula dengan nutrien, apabila rasio C/N tidak dikontrol dengan cermat, maka terdapat kemungkinan adanya nitrogen berlebih (terutama dalam bentuk amonia) yang dapat menghambat pertumbuhan dan aktivitas bakteri. (Beni Hermawan, 2007) Tabel 2.2 Kondisi Optimum Produksi Biogas



4



2.2. Pembentukan Biogas Prinsipnya teknologi biogas adalah teknologi yang memanfaatkan proses fermentasi (pembusukan) dari sampah organik secara anaerobik (tanpa udara) oleh bakteri metan sehingga dihasilkan gas metan. Gas metan adalah gas yang mengandung satu atom C dan 4 atom H yang memiliki sifat mudah terbakar (Nandiyanto, 2007 dalam Harsono, 2013). Menurut (Haryati, 2006 dalam Harsono, 2013), proses pencernaan anaerobik merupakan dasar dari reaktor biogas yaitu proses pemecahan bahan organik oleh aktivitas bakteri metanogenik dan bakteri asidogenik pada kondisi tanpa udara. Bakteri ini secara alami terdapat dalam limbah yang mengandung bahan organik, seperti kotoran binatang, feses manusia, dan sampah organik rumah tangga. Bahan organik yang bisa digunakan sebagai bahan baku industri ini adalah sampah organik, limbah yang sebagian besar terdiri dari kotoran dan potonganpotongan kecil sisa-sisa tanaman, seperti jerami dan sebagainya serta air yang cukup banyak. Teknologi biogas pada dasarnya memanfaatkan proses pencernaan yang dilakukan oleh bakteri methanogen yang produknya berupa gas methan (CH4). Gas metan hasil pencernaan bakteri tersebut dapat mencapai 60% dari keseluruhan



gas



hasil



reaktor



biogas



sedangkan



sisanya



didominasi



karbondioksida (CO2). Produksi biogas sudah terbentuk sekitar 10 hari. Setelah 10 hari fermentasi sudah terbentuk lebih kurang 0,1-0,2 m3/kg dari berat bahan kering. Peningkatan penambahan waktu fermentasi dari 10 hingga 30 hari meningkatkan produksi biogas sebesar 50%. Biogas yang dihasilkan oleh biodigester sebagian besar terdiri dari 50-70% metana (CH4), 30-40% karbondioksida (CO2), dan gas lainnya dalam jumlah kecil (Hadi, 1981 dalam Harsono, 2013). Ada tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas, yaitu: 1. Kelompok bakteri fermentative: Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa jenis Enterobactericeae 2. Kelompok bakteri asetogenik: Desulfovibrio 3. Kelompok bakteri metana: Mathanobacterium, Mathanobacillus, Methanosacaria, dan Methanococcus



5



Bakteri methanogen secara alami dapat diperoleh dari berbagai sumber seperti air bersih, endapan air laut, sapi, kambing, lumpur (sludge) kotoran anaerob ataupun TPA (Tempat Pembuangan Akhir) (Kamase Care, 2009, Harsono, 2013). Secara garis besar proses pembentukan biogas dapat dilihat pada Gambar 2.1 dan dibagi dalam tiga tahap yaitu: hidrolisis, asidifikasi (pengasaman) dan pembentukan gas metana.



Gambar 2.1 Proses Pembuatan Biogas 2.2.1. Tahap Hidrolisis Tahap hidrolisis, bahan organik dienzimatik secara eksternal oleh enzim



ekstraselular



mikroorganisme.



(selulose,



Bakteri



amilase,



memutuskan



protease



rantai



panjang



dan



lipase)



karbohidrat



komplek, protein dan lipida menjadi senyawa rantai pendek. Sebagai contoh polisakarida diubah menjadi monosakarida sedangkan protein diubah menjadi peptida dan asam amino. 2.2.2. Tahap Asidifikasi (Pengasaman) Tahap ini bakteri menghasilkan asam, mengubah senyawa rantai pendek hasil proses pada tahap hidrolisis menjadi asam asetat, hidrogen (H2) dan karbondioksida. Bakteri tersebut merupakan bakteri anaerobik yang dapat tumbuh dan berkembang pada keadaan asam. Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam larutan. 6



Pembentukan asam pada kondisi anaerobik tersebut penting untuk pembentuk gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya. Selain itu bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alkohol, asam organik, asam amino, karbondioksida, H2S, dan sedikit gas metana. 2.2.3. Tahap Pembentukan Gas Metana Tahap ini bakteri metanogenik mendekomposisikan senyawa dengan berat molekul rendah menjadi senyawa dengan berat molekul tinggi. Sebagai contoh bakteri ini menggunakan hidrogen, CO2 dan asam asetat untuk membentuk metana dan CO2. Bakteri penghasil asam dan gas metana bekerjasama secara simbiosis. Bakteri penghasil asam membentuk keadaan atmosfir yang ideal untuk bakteri penghasil metana. Sedangkan bakteri pembentuk gas metana menggunakan asam yang dihasilkan bakteri penghasil



asam.



Tanpa



adanya proses



simbiotik tersebut,



akan



menciptakan kondisi toksik bagi mikroorganisme penghasil asam (Kharistya Amaru, 2004). 2.3.



Proses Permurnian Biogas Kemurnian biogas menjadi pertimbangan yang sangat penting karena



berpengaruh terhadap nilai kalor atau panas yang dihasilkan, sehingga biogas yang dihasilkan perlu dilakukan pemurnian terhadap impuritas-impuritas yang lain. Impuritas yang berpengaruh terhadap nilai kalor/panas adalah CO2, keberadaan CO2 dalam biogas sangat tidak diinginkan karena semakin tinggi kadar CO2 dalam CH4 maka semakin rendah nilai kalor biogas dan akan mengganggu proses pembakaran (Hamidi, 2011, Harsono, 2013). Dalam pemisahan CO2 dari biogas terdapat berbagai metode yang telah dikembangkan, yaitu: 2.3.1.



Absorbsi Metode absorbsi biogas adalah pemisahan suatu gas tertentu dari



campuran gas-gas dengan cara pemindahan massa ke dalam suatu liquid. Hal ini dilakukan dengan cara mengantarkan aliran gas dengan liquid yang mempunyai selektivitas pelarut yang berbeda dari gas yang akan dipisahkannya baik secara fisika maupun kimia efektif untuk laju alir gas



7



yang rendah dimana biogas dioperasikan pada kondisi normal. Salah satu metode yang sederhana dan murah yaitu menggunakan air bertekanan sebagai absorben (Shannon et al., 2006, dalam Harsono, 2013). 2.3.2. Adsorpsi pada Permukaan Zat Padat Proses adsorpsi permukaan zat padat melibatkan transfer zat terlarut dalam gas menuju ke permukaan zat padat, dimana proses transfer digerakkan oleh gaya Van der wall. Adsorben yang digunakan biasanya berbentuk granular yang mempunyai luas permukaan besar tiap satuan volume. Pemurnian gas dapat menggunakan padatan yang berupa silika, alumina, karbon aktif atau silikat yang kemudian dikenal dengan nama molecular sieve (Wellinger dan Lindeberg, 2000, dalam Harsono, 2013). 2.3.3. Pemisahan Secara Kriogenik Kriogenik merupakan salah satu metode pemurnian yang melibatkan campuran gas dengan kondensasi fraksional dan destilasi pada temperatur rendah. Proses kriogenik diawali dengan crude biogas ditekan hingga mencapai 80 bar. Proses kompresi ini berjalan secara multistage dengan intercooler. Biogas bertekanan kemudian dikeringkan untuk menghindari



terjadinya



pembekuan



selama



proses



pendinginan



berlangsung. Kemudian biogas didinginkan oleh chiller dan heat exchanger hingga -45oC, CO2 yang terkondensasi dihilangkan di dalam separator. Kemudian CO2 diproses lebih lanjut untuk menemukan kembali CH4 yang terlarut, hasil dari proses recovery CH4 kemudian dimanfaakan kembali menuju inlet gas. Melalui proses ini gas metana yang dihasilkan mencapai kemurnian 97 % (Huang, 2005, dalam Harsono, 2013). 2.3.4. Pemisahan dengan Membran Metode ini beberapa komponen atau campuran dari gas ditransportasikan melalui lapisan tipis membran (