BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Keberadaan sumber energi fosil yang semakin menipis, sedangkan
kebutuhan energi semakin meningkat menyebabkan adanya pertumbuhan minat terhadap sumber energi alternatif. Seiring dengan hal tersebut, industrialisasi berkembang pesat yang berakibat munculnya permasalahan limbah dalam jumlah besar dengan kandungan organik tinggi. Jika diolah dengan tepat, limbah tersebut dapat menghasilkan sumber energi yang dapat dimanfaatkan, salah satunya melalui pengolahan air limbah secara anaerobic digestion (AD). Proses AD ini sesuai untuk air limbah industri dengan kandungan COD lebih dari 50.000 mg/L (Monnet, 2003). Anaerobic digestion merupakan proses biologis untuk menguraikan material organik dalam kondisi tanpa oksigen. Sedikitnya produksi lumpur dan kebutuhan nutrien, rendahnya biaya operasional, menghasilkan gas metana sebagai produk yang bermanfaat, merupakan keuntungan proses ini. Pertumbuhan bakteri anaerobik yang lambat merupakan kelemahan proses ini. Lambatnya pertumbuhan bakteri menyebabkan waktu tinggal limbah di dalam reaktor dan laju peruraian organik memerlukan waktu yang lama. Kelemahan ini menjadi kendala bagi industri penghasil limbah dengan kandungan organik dan laju alir tinggi, karena dibutuhkan digester dengan volume lebih besar untuk memberikan waktu tinggal yang cukup. Volume digester yang lebih besar tentu akan memberikan dampak pada kebutuhan lahan dan biaya. Masalah lain yang sering terjadi pada laju alir tinggi yaitu biomassa dapat terbawa aliran limbah keluar digester (washout)
1
menyebabkan tidak tercapainya tingkat pengolahan yang memuaskan (Beltrán et al., 1999). Penambahan material padat ke dalam digester sebagai media imobilisasi bakteri menurut Bitton (2005) dapat meningkatkan konsentrasi bakteri di dalam digester dengan menciptakan kondisi yang disukai bakteri. Peningkatan konsentrasi dengan cara imobilisasi bakteri dapat meningkatkan laju peruraian material organik sehingga mengurangi volume digester serta dapat mencegah bakteri terbawa aliran keluar sistem. Dengan demikian penambahan media imobilisasi ke dalam proses AD dapat mengakomodasi limbah dengan laju alir tinggi. Pembuatan media imobilisasi yang disukai bakteri dilakukan dengan memodifikasi media berbasis zeolit. Zeolit telah banyak digunakan sebagai media imobilisasi
pada
memungkinkan
proses
AD
mikroorganisme
karena melekat
merupakan dan
media
berpori
yang
membentuk
biofilm
pada
permukaan padatan. Selain itu, kemampuan penukar ion yang dimiliki zeolit dapat meningkatkan kinerja proses anaerobik untuk substrat dengan kandungan nitrogen tinggi, karena dapat mencegah penghambatan proses oleh amonia (Montalvo et al., 2012). Penambahan kation Fe2+ pada zeolit dilakukan untuk menciptakan ‘lingkungan’ yang lebih disukai bakteri. Kation Fe2+ merupakan mikronutrien bakteri yang diperlukan untuk pertumbuhan sel, sedangkan pada proses peruraian anaerobik berperan dalam meningkatkan aktivitas bakteri metanogen dan pengendapan sulfida sebagai inhibitor (Anderson et al., 2003).
2
Evaluasi pengaruh penambahan kation Fe2+ pada zeolit sebagai media imobilisasi proses pembentukan biogas dari stillage dilakukan dalam penelitian ini. Stillage digunakan sebagai substrat karena karakteristik dan permasalahan yang dihadapi dalam proses pengolahannya. Stillage merupakan hasil samping industri etanol yang dikeluarkan sebanyak 12–15 liter setiap liter etanol yang dihasilkan. Stillage memiliki kandungan organik tinggi yang dinyatakan dalam Biochemical Oxygen Demand (BOD) dan Chemical Oxygen Demand (COD) berturut-turut 40.000–60.000 mg/L dan 60.000–120.000 mg/L (Chavan et al., 2006; Pant dan Adholeya, 2007; Prakash et al., 2014). Meskipun stillage merupakan media yang cocok sebagai substrat biogas, namun terdapat beberapa kendala seperti yang dilaporkan Beltrán et al. (1999) yaitu adanya senyawa fenol yang bersifat toksik bagi bakteri sehingga dapat menghambat proses peruraian. Kendala lain yaitu masa inkubasi yang lama diperlukan pada tahap start up karena jumlah mikroorganisme dalam stillage yang mampu melakukan proses peruraian anaerobik sangat sedikit. Penambahan kation Fe2+ pada zeolit diharapkan dapat meningkatkan afinitas bakteri terhadap media imobilisasi sehingga mampu mengatasi masalah yang terjadi pada proses peruraian anaerobik limbah stillage dengan jumlah organik tinggi dan kandungan senyawa inhibitor yang sering menyebabkan kegagalan proses. Fluktuasi kandungan organik (COD) dalam stillage dapat terjadi sehingga perlu dilakukan penelitian pengaruh penambahan Fe2+ pada zeolit dalam berbagai variasi konsentrasi COD untuk mengetahui kondisi operasi yang sesuai supaya diperoleh efisiensi yang lebih tinggi.
3
1.2
Keaslian Penelitian Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mengatasi masalah dalam proses
AD dengan substrat stillage dan upaya untuk meningkatkan produksi biogas. Seperti yang dilaporkan oleh Espinosa et al. (1995) bahwa penambahan trace element pada substrat molasses stillage (Fe, Ni, Co, dan Mo) mampu menurunkan asam propionat dan asam asetat secara signifikan serta meningkatkan produksi biogas. Penelitian lain dilakukan oleh Milán et al. (2003) dengan menambahkan Mg, Co dan Ni pada serbuk zeolit sebagai media imobilisasi AD limbah kotoran babi, mampu meningkatkan produksi metana berturut-turut sebesar 8,5; 4,4 dan 2,8 kali. Karlsson et al. (2012) melaporkan bahwa penambahan trace element (Fe, Co, Ni) pada AD limbah industri makanan dan domestik mampu mempengaruhi mikroba untuk menurunkan VFA yang pemanfaatannya didominasi oleh synthropic acetate oxidation (SAO). Optimasi produksi biogas dari thin stillage telah dilakukan Moestedt et al. (2013) dengan menambahkan kombinasi HCl, Fe dan Co sehingga mampu mengendapkan sulfida dan mengurangi toksisitas amonia. Berdasarkan penelusuran pustaka yang telah dilakukan, secara umum penambahan nutrien berupa kation pada proses pengolahan limbah dilakukan dengan pemberian langsung ke dalam substrat, baik secara bertahap maupun hanya dilakukan pada awal eksperimen. Keberhasilan tersebut memberikan peluang bagi peneliti untuk melakukan penelitian yang belum pernah dilakukan yaitu penambahan kation Fe2+ pada zeolit
4
sebagai media imobilisasi untuk meningkatkan pembentukan biogas dari stillage. Kebaruan penelitian ini terdapat pada analisis data menggunakan pendekatan matematis untuk mengetahui parameter proses pembentukan biogas yang terpengaruh oleh penambahan kation Fe2+ pada zeolit yang belum pernah dilakukan sebelumnya oleh peneliti lain.
1.3
Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk:
1
Mengetahui pengaruh penambahan Fe2+ pada zeolit sebagai media imobilisasi terhadap parameter kinetika proses produksi biogas dari stillage.
2
Menentukan pengaruh penambahan Fe2+ pada zeolit terhadap efek inhibitor dalam stillage.
1.4
Manfaat Penelitian Penelitian ini menciptakan media baru berbasis zeolit yang diharapkan dapat
meningkatkan kualitas, nilai ekonomi dan nilai guna. Penggunaannya sebagai media imobilisasi dalam proses pengolahan limbah secara anaerobik diharapkan dapat meningkatkan efisiensi pembentukan biogas dan penurunan volume reaktor. Bagi ilmu pengetahuan diharapkan menjadi metode alternatif proses pengolahan limbah, memberikan data berupa parameter-parameter kinetika yang diperlukan untuk perancangan dan optimasi reaktor biogas.
5
