PENGEMBANGAN MODEL SIMULASI PROSES PENGOMPOSAN SAMPAH ORGANIK PERKOTAAN DALAM BIOREAKTOR
YOHANES SETIYO
SEKOLAH PASCASARJANA LNS'rITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
PENGEMBANGAN MODEL SIMULASI PROSES PENGOMPOSAN SAMPAH ORGANIK PERKOTAAN DAEAM BIOREAKTOR
YOHANES SETIYO
Disertasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor Pada Departemen Teknik Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
.
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya rnenyatakan Pengembangan Model Sirnulasi Proses Pengornposan Sarnpah Organik Perkotaan Dalarn Bioreaktor adalah karya saya sendiri dengan arahan Komisi Pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi rnanapun. Surnber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disecutkan dalarn teks dan dicantumkan dalam Dafiar Pustaka di bagian akhir disertasi ini. Bogor, Maret 2007
Yohanes Setiyo NIM. F161030091
ABSTRAK YOHANES SETIYO. Pengembangan Model Simulasi Proses Pengomposan Sampah Organik Perkotaan Dalam Bioreaktor, di bawah bimbingan HAD1 K. PURWADARIA sebagai ketua, MUHAMMAD AHKAM SUBROTO, dan ARIEF SABDO YUWONO berturut-turut sebagai anggota. Sampah padat dari perkotaan atau Municipal Solid Waste berpotensi untuk didekomposisi oleh mikroorganisme menjadi kompos, karena 60% sampai 75% terdiri dari bahan organik. Tujuan umum penelitian adalah optimasi sistim pengomposan. Tujuan khusus penelitian adalah menyusun model simulasi dari persamaan matematik fenomena proses pengomposan, melakukan uji validasi dan uji kepekaan model simulasi, melakukan uji kualitas kompos, melakukan aplikasi model simulasi untuk memprediksi lama pengomposan, dan melakukan aplikasi model simulasi untuk memprediksi kebutuhan bioreaktor pada suatu wilayah pemukiman. laju produksi C02, laju Populasi mikroorganisme 0,laju konsumsi produksi uap air, ratio karbon nitrogen (Chi), dan suhu (T) adalah variabel-variabel yang diteliti dalam proses pengomposan sarnpah organik. Validasi dilakukan dengan membandingkan data setiap variabel hasil percobaan dengan data hasil model simulasi. Uji kepekaan pada model simulasi dengan cam membandingkan nilai perubahan variabel terikat dengan nilai pembahan variabel bebas. Uji kepekaan dilakukan pada variabel-variabel bebas kerapatan massa, populasi mikroorganisme awal, porositas, jari-jari tumpukan, dan rasio karbon nitrogen awal pengoinposan. Pengomposan sampah organik pada bioreaktor berbentuk setengah silinder optimum pada jari-jari bioreaktor antara 1.5- 2.1 m, panjang bioreaktor lebih dari 3 m, kerapatan massa sampah organik 180-230 kg/m3, dengan pengadukan setiap ktu mingguI Oksigen tersedia agar proses berl;ngsung secara aerob, dan suhu dapat dijaga antara 37 OC sld 75 OC s e h i n ~ amikroorganisme patogen dapat dimatikan pada fase thermofilik. Koreksi dari model simulasi dalam memprediksi populasi mikroorganisme, C02, 0 2 , ratio karbon nitrogen dan suhu dapat dinyatakan berturut-turut pada persamaan y' = 1.06(y-1.003), y' = 1.07(y + 0.07), y' = !.02(y + 0.05), y' = 1.02:y + 2.08), and y' = 1.02(y - 1.05). Suhu, C/N dan konsentrasi 0 2 peka terhadap perubahan populasi mikroorganisme avzl pengompoan. Apabila, populasi mikroorganisme ditambah 20 % dari 5.6 x 16 seVg, maka waktu pengomposall sampah organik dari C/N = 70 menjadi C/N = 35 adalah 5 minggu, konsumsi oksigen naik dari 3.0 mol kg-' menjadi 3.72 mol kg-', dan suhu naik dari 72 "C menjadi 86 OC. Kompos dari sampah organik mengandung toral N, C/N, KzO, P205, pH, dan Kapasitas Tukar Kation (KTK) bertumt-turut ;0.8-0.9%, 25-30, 0 105%, 0.95%. 6.56.8, dan 60-70 meql100 g. Standar mum kompos SNI terpenuhi pada kompos hasil proses pengomposan sampah organik di bioreaktor tipe setengah silinder.
a,
-
,.
-
Kata kunci : model simulasi, per.gonposan, bahan organik, bioreaktor
ABSTRACT YOHANES SETIYO. Simulation Model for Composting of Organic Municipal Solid Waste In Bioreactor. HAD1 K. PURWADARiA as chairperson, MUHAMMAD AHKAM SUBROTO, and ARIEF SABDO W W O N O as member of the advisory committee. Municipal solid waste or MSW has a potency to be decomposed by microorganisms and transformed into compost. The waste contains 60%-75% of organic materials. The objective of this research was to optimize the composting F;ocess of MSW based on a simulation model. The specific objective were to developing the simulation model, validifying the model, analyzing the sensitivity of the model, and analyzing the quality of the compost. The growth of microorganisms, the rate of 0 2 consumption, the rate of C02 and H 2 0 production, the rate of ratio carbon nitrogen or CM, and temperature were the variables tested in this research. Validation was carried out by comparing the result of simulation model with the experimental data of composting process. The sensitivity test was analyzed by comparing the changes of the dependent variables with the changes of independent variables. Composting MSW in bioreactor reached optimum at the bioreaetor radius ranged from 1.5 m to 2.1 m, the minimum length of the bioreactor 3 m, and the density of MSW between 180-230 kg m". It should be futher supported with a turning over of the compost done weekly, the availability of O2 at 50 to 190 g kg-' air and the temperature was controlled between 37 OC to 75 OC to allow the ; ; inactivation of the pathogen microorganism at thermophiles fag. The correction equation for the simulation model in predicting the microorganism population, C02, 0 2 , and temperature could be expressed respectively as y' = 1.06(y-1.003), y' = 1.076. + 0.07), y' =.1.02(y + 0.05), and y' = 1.02(y - 1.05). The temperature, the C M aiid the rate of 0 2 consumption were sensitive to the changes of microorganism population and the radius of the bioreactor. If the population of mic;.oorganism added with 26 % from 5.6 x 10' cell g-' dry organic mater (DOM), tlie composting of MSW would be decreased from 7 week to 5 weeks, the O2 consumption increased from 3.0 niol kg' DOM to 3.72 mol kg-' DOM, and the temperature increased From 72 "C to 86 "C. The compost contained total N at a level of 0.8-0.9%, a C M ration of 25-30. K20 0.105%; P2Oj-0.950i0, pH 6.5-6.8, and the cationic change capacity (KTK) of 6070 meq1100 g. Overall, the quality of the compost satisfied the SNI. Keywords ;simulation model, composting, organic material, bioreactor
Judul Disertasi
PENGEMBANGAN MODEL
:
SIMULASI
PROSES
PENGOMPOSAN SAMPAH ORGANIK PERKOTAAN DALAM BIOREAKTOR Nama Mahasiswa :
Yohanes Setiyo
NRP
:
F161030091
Program Studi
: Ilmu Keteknikan Pertanian
Disetuiui
Prof. Dr. Ir. Hadi K. Punvadaria, M.Sc. Ketua
Dr. Ir. M. A
am Subroto M.A Anggota
F"
.Sc. APU Dr. Ir. A ief Sabdo Yuwono, M.Sc. Anggota
Ketua Program$tudi Ilmu Keteknik Pertanian
P
__. Ir. Budi Indra Setiawan. ~ h n ~Ujian ~ a :l 23 Maret 2007
Lulus Tanggal :
1
0 AP R 2007
Puji dan syukur pcnulis panjatkan ke hadapan Tuhan Yang Maha Rahim atas terselesaikannya
disertasi
yang
berjudul
"PENGEMBANGAN
MODEL
SIMULASI PROSES PENGOMPOSAN SAMPAH ORGANIK PERKOTAAN DALAM BIOREAKTOR".
Dengan selesainya karya ilmiah ini mengantarkan
penulis untuk menyelesaikan tugas belajar pada Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor rnulai tabun 2003. Pengembangan model sirnulasi proses pecgornposan dilakukan untuk optimasi proses pengomposan MSW dengan me!zkukan percobaan pengomposan yang terbatas. Hasil optimasi dapat digunakan untuk membangun sistirn pengomposan sampah organik sehingga mengurangi permasalahan lingkungan dan memperbaiki sistim pertanian organik. Penelitian dilakukan dari bulan Mei 2005 s/d Agustus 2006 dengan sumber dana dari TPSDP Universitas Udayana, bantuan LIP1 dan sebagian dana pribadi. Lokasi penelitian adalah di Denpasar, terutama di laboratorium milik Universitas Udayana. Dalam kesempatan ini penulis menghaturkan tcrimakasih kepada : Rektor Universitas Udayana dan Dekan Fakultas Teknologi Pertanian yang memberi izin tugas belajar dan rnernbebaskan saya dari tanggung jawab sebagai dosen selama menempuh studi S3 di IPB.
1. Prof. Dr. Ir. Hadi K. Punvedaria, M.Sc. selaku ketue komisi pembimbing disertasi dan telah rnemberikan bimbingan untuk penyelesaian disertasi ini. 2. Dr. Ir. Muhammad Ahkam Subroto, M.App.Sc., APU. selaku anggota komisi pembimbing disertasi dan telah membimbing
serta memberi bantuan
finansial untuk biaya penelitian. 3. Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc. selaku anggota kornisi pernbimbing
disertasi dan telah banyak mernberikm masukan untuk sempurnanya karya ilmiah disertasi h i .
4. Dr. Ir. Suprihatin, Dr. Ir. Nastiti Siswi Idrasti dan Dr. Ir. Suyanto, M.Eng atas kesediaamya untuk menjadi penguji.
5. Fimpinan Fakuitas Teknologi Pertanian, gepartemen Teknik Pertanian dan ProgrE Studi Ilmu Keteknikan Pertaqian IPB.
6. Staf Dosen Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah Pascasajena IPB.
7. Kepala Laboratorium Kimia Analit FMIPA, Lab. 1;mu Tanah Fakultas Pertanian, Lab. Bio Science Fakultas Petemakan dan Lab. Mikrobiologi Fakultas Pertanian Universitas Udayana terimakasih atas bantuan analisa sampel. 8. Kepala Dinas Kebersihan dan Pertamanan Kodya Denpasar terimakasih atas
bantuan kesempatan melakukan penelitian di TPA Suwung.
9. Bapak Mujiran dan Ibu Parinem sebagai orang tua kanduGg telah mendorong dan memberikan doa restu pada saat yang sulit untuk penyelesaian studi S3.
10. Alm. Bapak RW. Siswoko dan Alm. Ibu Rosalia Atik Suwarti selaku mertua dan sangat membantu dukungan moril atas terselesaikannya studi S3. 1 I. Istriku Dra. Ana Maria Hari Sistiani atas doa dan dorongan semangat untuk
penyelesaian studi S-3. 12. Anak kami Clara Lintang dan Maria Wulan yang telah banyak berdoa untuk terselesaikamya studi bapaknya. 13. Mas Hari dan mbak Vient yang telah banyak membantu dalam studi S-3. Ke!uarga Mas Frans, keluarga adik Yanuaria Kristiyati, keluarga adik Rosalia Setyaningsih, keluarga adik Rini dan keluarga dik Lusi terimakasih atas doa dan dukungan moril. 14. Orang tua (Pak De, Om) yang tidak dapat disebut satu-persatu atas dukungan semangat dan doanya.
15. Rekan-rekan mahasiswa S2 dan S3 program studi TEP dan TPP.Sekolah Pascasarjana IPB. 16. Rekan-rekan staf dosen FTP Universitas Udayana terutama staf dosen P r o p m Studi TEP. 17. Keponakan-icepunakanku mas Bayu, mbak Vita, mas Rio, mas Angga, mbak
Intan dan mbak Monica. Penulis menyadari bahwa proseb masih panjang dan disertasi ini masih jauh dari sempurna, maka saran dari pembaca saya terima untuk penyempurnaan karya ini. Dramaga, Maret 2007
Penulis dilahirkan di Sleman, 16 Oktober 1963 sebagai anak sulung dari
tiga
bersaudara pasangan Yoseph Mujiran dan Maria Magdalena Parinem. Pendidikan sarjana ditempuh di Jurusan Mekanisasi Pertanian, Fakultas Teknologi -Pertanian Universitas Gadjah Mada dan lulus tahun 1989. Pada tahun 1992 mendapat kesempatan menempuh S2 di Progarm Studi Mekanisasi Pertanian, Jurusan Ilmuilmu Pertanian, Pascasarjana UGM dengan beasiswa TMPD. Program S2 diselesaikan di bulan Mei 1995 dengan predikat kelulusan Cum Laude, dan sebagai lulusan terbaik. Tahun 2003 mendapat kesempatan melanjutkan studi program doktor di Sekolah Pascasarjana IPB dengan beasiswa TPSDP Universitas Udayana. Penulis adalah staf pengajar Program Studi Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana mulai tahun 1990
dan mengajar
matakuliah : analisis sistem, kekuatan bahan, mesip dan peralatan pertanian, dan teknik pengeringan. Selarna menjadi staf pengajar penulis aktif melakukan penelitian dan pengabdian masyarakat terutama di bidang perancangan alat-alat pertanian sederhana dan pembuatan model simulasi proses penanganan hasii pertanian.
Halaman DAFTAR IS1 .................................................................................................................... x DAFTAR TABEL xiii DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... xiv DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................ xvii
..
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................ xvil KETERANGAN SIMBOL .......................................................................................... xviii 1 . PENDAHULUAN
........................................................................................................ 1 1 1.1. Latar Belakang ........................................................................................................ .. 1.2. Tujuan Penelltian .................................................................................................... 5 .
.-
. . 1.3. Manfaat Penelitian ............................................................... ;;................................. 6
2 . TINJAUAN PUSTAKA ...............................................................................................7 2.1. Sampah Padat Perkotaan (MSW) ........................................................................... 7 2.2. Proses Pengomposan Sampah Organik ............................................................... 8 2.3. Kondisi Optimum Proses Pengomposan .............................................................. 10 2.4. Metode Pengomposan ......................................................................................... 13 2.4.1 . Open Windrow .............................................................................................................
13
2.4.2. Static Pile ..........................................................................................................................-14 2.4.3. Enclosed dun In-vessel ................................................................................................. I 5 2.5. Hasii Pengomposan .............................................................................................. 15 17 3 . PENDEKATAN TEORETIK ..................................................................................... 3.1 . Reaksi Pengomposan .................................................................. -........................... 17
. . .
3.1.1. Dinamika R e a k s ~Kimia Peilgomposan ................................................................ 17 3.1.2. Dinamika Populasi Mikroorganisme ............................................................ 20 3.2tPindah Massa Pada Reaksi Pengomposan .........................................................21 3.3. Pindah Panas Pada Proses Pengomposan .........................................................22 4 . METODE PENELITIAN .......:................................................................................... 23 24 4.1. Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................................................
..................................................................................................... 24 4.2.1. Bahan ............................................................................................................ 24
4.2. Bahan dan Alat
