PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK SKRIPSI
Oleh
JONATHAN DENGGAN MANURUNG 120405041
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2017
Universitas Sumatera Utara
PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK SKRIPSI Oleh
JONATHAN DENGGAN MANURUNG 120405041
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2017
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:
PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK Dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.
Medan,
Januari 2017
Jonathan Denggan Manurung NIM 120405041
i Universitas Sumatera Utara
PENGESAHAN SKRIPSI Skripsi dengan judul:
PENGARUH HYDRAULIC RETENTION TIME (HRT) DAN LAJU PENGADUKAN TAHAP METANOGENESIS DARI DIGESTASI ANAEROB VFA DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) UNTUK MEMPRODUKSI BIOGAS PADA TEMPERATUR ATMOSFERIK Dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 25 Januari 2017 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Mengetahui,
Medan,
Januari 2017
Koordinator Skripsi
Dosen Pembimbing
Ir. Renita Manurung, M.T NIP.19681214 199702 2 002
Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si NIP. 19680820 199501 1 001
Dosen Penguji I
Dosen Penguji II
Dr. Amir Husin, S.T., M.T. NIP.19690215 199512 1 001
Ir. Bambang Trisakti, M.Si. NIP. 19660925 199103 1 003
ii Universitas Sumatera Utara
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia-Nyalah skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul “Pengaruh Hydraulic Retention Time (HRT) Dan Laju Pengadukan Tahap Metanogenesis Dari Digestasi Anaerob VFA Dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) Untuk Memproduksi Biogas Pada Temperatur Atmosferik”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Adapun hal kebaruan dari hasil penelitian ini adalah kajian bagaimana pengaruh variasi HRT dan laju pengadukan terhadap digestasi anaerob tahap metanogenesis dari VFA hasil effluent dari tahap asidogenesis dalam memproduksi biogas pada temperatur atmosferik. Hasil dari penelitian ini menunjukkan potensi ekonomi yang tinggi terutama dalam penanggulangan limbah cair pabrik kelapa sawit menjadi sumber energy alternatif yaitu biogas. Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1. Dr.Eng. Ir. Irvan, MSi selaku dosen pembimbing dan selaku Ketua Departemen Teknik Kimia 2. Ir. Renita Manurung, M.T selaku dosen koordinator skripsi 3. Dr. Amir Husin, S.T., M.T selaku dosen penguji I atas kritik dan saran yang telah diberikan 4. Dr.Ir. Fatimah, M.T selaku dosen penguji II atas kritik dan saran yang telah diberikan 5. Staf Pengajar dan Staf Administrasi Fakultas Teknik Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara Medan 6. Reguel, Oby, Yosua, Aulia, Reza, Vero, Dera, Christin, Eka, Wici, Florentina dan teman sejawat 2012 serta abang, kakak senior dan adik-adik stambuk 2015.
iii Universitas Sumatera Utara
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan, 25 Januari 2017 Penulis
Jonathan Denggan Manurung
iv Universitas Sumatera Utara
DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada: 1. Kedua orang tua penulis yang tercinta, B.F. Manurung dan S.D. Hutabarat, atas doa dan dukungan yang tidak pernah henti diberikan kepada penulis hingga terselesainya skripsi ini. 2. Seluruh anggota keluarga penulis terutama untuk abang dan kakak penulis, Hendra Manurung, Juli Manurung, Lilian Manurung dan Lidya Ivone Manurung atas doa dan dukungan yang telah diberikan. 3. Anggota tim penelitian penulis, Reguel Nababan, Oby Vijay Sitorus, Yosua Agust Sinaga, Aulia Fitri, M.Reza Rahmadhan, atas kerjasama dan motivasi selama pengerjaan hingga terselesainya skripsi ini. 4. Seluruh sahabat serta teman sejawat penulis angkatan 2012, angkatan 2015 dan teman-teman di LPPM USU (Bang Juliadi). 5. Para dosen dan staf pegawai Departemen Teknik Kimia atas masukan dan dukungan yang diberikan kepada penulis.
v Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama NIM Tempat, tanggal lahir Nama Orang Tua
: Jonathan Denggan Manurung : 120405041 : Jakarta, 2 September 1994 : B.F. Manurung dan S.D.Hutabarat
Alamat Orang Tua: Jalan juang 45, Ujung Bandar, Kota Rantau Prapat, Kabupaten Labuhn Batu Asal Sekolah: SD Negeri 112148 Rantau Prapat tahun 2000–2006 SMP Negeri 1 Rantau Selatan tahun 2006–2009 SMA Negeri 3 Rantau Utara tahun 2009–2012 Pengalaman Organisasi/Kerja: 1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2015/2016 sebagai anggota Penelitian dan Pengembangan 2. Asisten Laboratorium Kimia Fisika, Departemen Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara tahun 2014/2016 modul Berat Molekul Volatil, Kurva Kelarutan dan Kesetimbangan Cair-cair
vi Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Proses metanogenesis merupakan proses akhir dari digestasi anaerobik tahap kedua yang menghasilkan biogas sebagai produk akhir. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan pengaruh variasi Hydraulic Retention Time (HRT) dan laju pengadukan serta mendapatkan kondisi laju pengadukan terbaik dalam proses metanogenesis dengan bahan baku VFA hasil effluent dari tahap sebelumnya yaitu proses asidogenesis pada keadaan atmosferik. Proses loadingup dilakukan dengan memvariasikan HRT kemudian operasi target dilakukan dengan memvariasikan laju pengadukan fermentor Continous Stirred Tank Reactor (CSTR), yaitu laju pengadukan 250; 200; 150 dan 100 rpm dengan pH dijaga konstan pada rentang 6,8 – 7,6. Analisis padatan (TS, VS, TSS, dan VSS), dan COD dilakukan untuk mengkaji perubahan senyawa organik yang didegradasi menjadi biogas. Yield biogas tertinggi dicapai pada variasi laju pengadukan 200 rpm yaitu sebesar 172,05 L/Kg ΔCOD.hari dengan konsentrasi metana (CH4) , Karbon dioksida (CO2) dan trace Hidrogen Sulfida (H2S) masing-masing sebesar 88,3%, 11,7% dan 0,0013%. Degradasi VS dan COD removal masing-masing sebesar 50,62% dan 49,10%.
Kata kunci : VFA, metanogenesis, asidogenesis, atmosferik, Hydraulic Retention Time, laju pengadukan
vii Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT Methanogenesis process is the final process of anaerobic digestion second stage to produce biogas as the final product. This study aimed to obtain the effect of variation Hydraulic Retention Time (HRT) and the stirring rate and to get the best conditions in the process of methanogenesis with raw materials VFA effluent results of the previous stage in the process asidogenesis atmospheric circumstances. The process of loading-up is done by varying HRT then the target operating performed by varying the stirring rate fermenter Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), the rate of stirring 250; 200; 150 and 100 rpm with pH kept constant in the range of 6.8 to 7.6. Analysis solids (TS, VS, TSS and VSS), and COD conducted to assess changes in organic compounds degraded into biogas. The highest biogas yield achieved on stirring rate of 200 rpm variations in the amount of 172.05 L / Kg ΔCOD.day with concentration of methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and trace hydrogen sulfide (H2S) respectively by 88.3%, 11 , 7% and 0.0013%. VS degradation and COD removal respectively by 50.62% and 49.10% Keywords : VFA, methanogenesis, acidogenesis, Retention Time, stirring rate
atmospheric,
Hydraulic
viii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
i
PENGESAHAN UNTUK UJIAN SKRIPSI
ii
PRAKATA
iii
DEDIKASI
v
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
vi
ABSTRAK
vii
ABSTRACT
viii
DAFTAR ISI
ix
DAFTAR GAMBAR
xii
DAFTAR TABEL
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
xvi
DAFTAR SINGKATAN
xvii
DAFTAR SIMBOL
xviii
BAB I PENDAHULUAN
1
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Perumusan Masalah
4
1.3 Tujuan Penelitian
4
1.4 Manfaat Penelitian
4
1.5 Ruang Lingkup Penelitian
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
7
2.1 Perkembangan Kelapa Sawit Di Indonesia
7
2.2 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit atau Palm Oil Mill Effluent (POME)
9
2.3 Digestasi Anaerob
11
2.4 Tahapan Digestasi Anaerob
12
2.4.1 Hidrolisis
13
2.4.2 Asidogenesis
14
2.4.3 Asetogenesis
16
2.4.4 Metanogenesis
18
ix Universitas Sumatera Utara
2.5 Biogas
18
2.6 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Peforma Digestasi Anaerob
19
2.6.1 Temperatur
19
2.6.2 Derajat Keasaman / Power of Hydrogen (pH)
20
2.6.3 Alkalinitas
21
2.6.4 Hydraulic Retention Time (HRT)
22
2.6.5 Organic Loading Rate (OLR)
23
2.6.6 Pengadukan
24
2.6.7 Zat Racun (Toxic)
24
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
26
3.1 Lokasi Penelitian
26
3.2 Bahan Dan Peralatan
26
3.1.1 Bahan-Bahan
26
3.1.2 Peralatan
26
3.3 Tahapan Penelitian
27
3.3.1 Analisis Bahan Baku
27
3.3.2 Variasi HRT
27
3.3.3 Variasi Laju Pengadukan
27
3.4 Analisis Data
28
3.4.1 Analisis pH
28
3.4.2 Analisis M-Alkalinity
28
3.4.3 Analisis Total Solids (TS)
28
3.4.4 Analisis Volatile Solids (VS)
29
3.4.5 Analisis Total Suspended Solids (TSS)
29
3.4.6 Analisis Volatie Suspended Solids (VSS)
30
3.4.7 Analisis Chemical Oxygen Demand (COD)
30
3.5 Loading Up dan Operasi Target
31
3.6 Analisis Gas
32
3.7 Flowchart Penelitian
33
3.7.1 Flowchart Prosedur Analisis Data
33
3.7.1.1 Flowchart Prosedur Analisis pH
33
3.7.1.2 Flowchart Prosedur Analisis M-Alkalinity
34
x Universitas Sumatera Utara
3.7.1.3 Flowchart Prosedur Analisis Total Solids
(TS)
35
3.7.1.4 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Solids (VS)
36
3.7.1.5 Flowchart Prosedur Analisis Total Suspended Solids (TSS)
36
3.7.1.6 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Suspended Solids (VSS)
37
3.7.2 Flowchart Prosedur Loading Up dan Operasi Target
38
3.8 Jadwal Penelitian
39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
40
4.1 Karakteristik Limbah Cair Kelapa Sawit (LCPKS)
40
4.2 Profil pH dan Alkalinitas Selama Proses Metanogenesis
41
4.3 Pertumbuhan Mikroba Selama Proses Metanogenesis
42
4.4 Degradasi Bahan-bahan Organik Selama Proses Metanogenesis
45
4.5 Produksi Biogas Selama Proses Metanogenesis
50
4.6 Pengaruh Pengadukan Terhadap Komposisi Biogas
53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
56
5.1 Kesimpulan
56
5.2 Saran
56
DAFTAR PUSTAKA
58
xi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Diagram Tahapan Digestasi Anaerobik
13
Gambar 2.2 Reaksi Hidrolisis
14
Gambar 2.3 Reaksi Asetogenesis
15
Gambar 2.4 Reaksi Metanogenesis
16
Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan
26
Gambar 3.2 Flowchart Prosedur Analisis pH
33
Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Analisis M-Alkalinity
34
Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisis Total Solids (TS)
35
Gambar 3.5 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Solids (VS)
36
Gambar 3.6 Flowchart Prosedur Analisis Total Suspended Solids (TSS)
37
Gambar 3.7 Flowchart Prosedur Analisis Volatile Suspended Solids (VSS)
37
Gambar 3.8 Flowchart Prosedur Loading Up dan Operasi Target
38
Gambar 4.1 Profil pH dan Alkalinitas selama Proses Metanogenesis
42
Gambar 4.2 Pertumbuhan Mikroba selama Proses Metanogenesis
43
Gambar 4.3 Pengaruh Laju Pengadukan pada Pertumbuhan Mikroba selama Proses Metanogenesis Pada HRT 4 Hari
44
Gambar 4.4 Profil VS Selama Proses Metanogenesis
47
Gambar 4.5 VS Rata-rata Selama Proses Metanogenesis
48
Gambar 4.6 Profil COD Selama Proses Metanogenesis
49
Gambar 4.7 COD Rata-rata Selama Proses Metanogenesis
50
Gambar 4.8 Degradasi Bahan-bahan Organik selama Metanogenesis
50
Gambar 4.9 Profil Laju Produksi Biogas Pada Laju Pengadukan 250 rpm dengan Variasi HRT (Loading Up)
51
Gambar 4.10 Profil Laju Produksi Biogas Pada HRT 4 dengan Laju Laju Pengadukan Bervariasi
52
Gambar 4.11 Yield Biogas Rata-rata per COD removal Selama Proses Metanogenesis
53
xii Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.12 Pengaruh Laju Pengadukan terhadap Komposisi Biogas
55
Gambar C.1 Tangki Umpan
LC-1
Gambar C.2 Fermentor
LC-1
Gambar C.3 Tangki Keluaran Fermentor (Discharge)
LC-2
Gambar C.4 Botol Penangkap Air (Water Trap)
LC-2
Gambar C.5 Gas Meter
LC-2
Gambar C.6 Rangkaian Peralatan
LC-3
Gambar C.7 Peralatan Analisis M-Alkalinity
LC-3
Gambar C.8 Detecting Tube Hasil Analisis Gas H2S dan CO2
LC-3
Gambar C.9 Peralatan Analisis Padatan Tersuspensi
LC-4
Gambar C.10 Peralatan Analisis Chemical Oxygen Demand (COD)
LC-4
Gambar C.11
Timbangan Analitik
LC-4
Gambar C.12
Desikator
LC-5
Gambar C.13
Oven
LC-5
Gambar C.14
Furnace
LC-5
xiii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1.1 Berbagai Penelitian Digestasi Anaerob Dua Tahap dengan Pengaruh HRT dan Laju Pengadukan
3
Tabel 2.1 Produksi Minyak Kelapa Sawit di Indonesia
8
Tabel 2.2 Impor Minyak Kelapa Sawit di Berbagai Negara (Seribu Metrik Ton)
8
Tabel 2.3 Ekspor Minyak Kelapa Sawit di Berbagai Negara (Seribu Metrik Ton)
9
Tabel 2.4 Pengolahan POME
10
Tabel 2.5 Karakteristi POME
11
Tabel 2.6 Baku Mutu Limbah Cair Pabrik Minyak Kelapa Sawit Menurut Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup
11
Tabel 2.7 Klasifikasi Bakteri Hidrolisis Berdasarkan Substrat yang Diolah
14
Tabel 2.8 Bakteri Metanogen
17
Tabel 2.9 Pengaruh Komponen-komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya Tabel 2.10 Hubungan antara Temperatur Operasi dan Hydraulic Retention Time (HRT)
18
20
Tabel 3.1 Jadwal Analisis Influent dan Effluent
32
Tabel 3.2 Jenis Kegiatan dan Jadwal Pelaksanaan Penelitian
39
Tabel 4.1 Karakteristik Effluent Reaktor Asidogenesis
40
Tabel A.1 Hasil Analisis Karakteristik LCPKS dari PTPN IV PKS Adolina Tabel A.2 Hasil Analisis Karakteristik VFA
LA-1 LA-1
Tabel A.3 Data Hasil Analisis pH, Alkalinitas, TS, VS, TSS dan VSS pada Variasi Hydraulic Retention Time (HRT)
LA-2
Tabel A.4 Data Hasil Analisis Chemical Oxygen Demand (COD) pada Variasi Hydraulic Retention Time (HRT)
LA-3
xiv Universitas Sumatera Utara
Tabel A.5 Data Hasil Analisis pH, Alkalinitas, TS, VS, TSS dan VSS pada Pengaruh Pengadukan
LA-4
Tabel A.6 Data Hasil Analisis Chemical Oxygen Demand (COD) pada Pengaruh Pengadukan
LA-5
Tabel A.7 Data Hasil Analisis Komposisi Biogas pada Pengaruh Pengadukan
LA-6
Tabel A.8 Data Produksi Biogas pada Variasi Laju Pengadukan
LA-6
xv Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN Halaman L.A.1 Karakteristik Limbah Cair Kelapa Sawit
LA-1
L.A.2 Data Hasil Penelitian
LA-1
L.A.2.1 Data Hasil Penelitian Pada Proses Loading Up
LA-1
L.A.2.2 Data Hasil Penelitian Pada Variasi Pengadukan
LA-3
L.B.1 Perhitungan Nilai Alkalinitas
LB-1
L.B.2 Perhitungan Nilai Volatile Solid (VS)
LB-1
L.B.3 Perhitungan Nilai Volatile Solid (VS)
LB-1
L.B.4 Perhitungan Reduksi COD
LB-2
L.B.5 Perhitungan Persentase VS yang Terdegradasi
LB-2
L.B.6 Perhitungan Yield Biogas / COD Removal
LB-3
xvi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN BOD
Biological Oxygen Demand
COD
Chemical Oxygen Demand
CPO
Crude Palm Oil
CPKO
Crude Palm Kernel Oil
CSTR
Continous Stirred Tank Reactor
HRT
Hydraulic Retention Time
LCPKS
Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit
MBR
Membrane Bioreactor
MSM
Minyak Sawit Mentah
PKS
Pabrik Kelapa Sawit
POME
Palm Oil Mill Effluent
SBR
Sequencing Batch Reactor
SCAR
Suspended Closed Anaerobic Reactor
TS
Total Solids
TSS
Total Suspended Solids
UASB
Up-flow Anaerobic Sludge Bioreactor
VFA
Volatile Fatty Acid
VS
Volatile Solids
VSS
Volatile Suspended Solids
xvii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Keterangan
Dimensi kg/hari.m3
BR
Beban organik
c
Massa substrat umpan per satuan waktu
m
Konsentrasi bahan organik
HRT
Waktu tinggal
V
Volume substrat umpan per satuan waktu
VR
Volume digester
% kg/hari hari m3/hari m3
xviii Universitas Sumatera Utara
