PENGEMBANGAN TEKNOLOGI BIOGAS DENGAN PEMANFAATAN KOTORAN TERNAK DAN JERAMI PADI SEBAGAI ALTERNATIF ENERGI PEDESAAN
PAULUS RAJA KOTA
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
2
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis” Pengembangan Teknologi Biogas Dengan Pemanfaatan Kotoran Ternak dan Jerami Padi sebagai Alternatif Energi Pedesaan” adalah karya saya sendiri di bawah arahan komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal dan atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Agustus 2009
Paulus Raja Kota P052070101
dan
3
ABSTRACT Paulus Raja Kota. Development and Utilization of Biogas Technology Using Cattle Dung and Rice Straw as Rural Energy Alternative. Supervised by Hariyadi and Siswanto The research was done in laboratory scale field scale. Complete Random Design method was used at the laboratory experiment, which intend to found the best combination between cattle dung and rice straw in producing biogas. The results of research show that addition of the rice straw, which composted with EM4 and acticomp, not respectively to temperature and pH at under normal range. The parameter of TS, VS, COD and BOD were increased at the 20 days and 40 days. Addition of rice straw doesn't cause an increasing of biogas volume significantly. Significant difference was found among the treatment of control and the rice straw treatment. The rice straw treatment with different C/N ratio level was significant difference. The best quality of biogas was found at the treatment with composting by using acticom, which give result 56-65% CH4 content, higher than control treatment and rice straw treatment which is 51.4% CH4 content. Whereas rice straw treatment which composting with EM4 is 42-52% CH4 content. Bioreactor model design in the field experiment is continue type. The bioreactor diameter is 1.1 m, total volume is 6.28 m3 with working volume 5.5 m3. The yield volume of biogas is 0,85 m3/days with 56% CH4 content. This biogas can use as an energy to cook which could replace firewood and kerosene. The results of economic analysis show that installation biogas proper to be developed. This research also showed that biogas very compatible in ecological and social aspect to apply in the rural area. Keyword : rice straw, cattle dung, biogas, rural energy
4
RINGKASAN PAULUS RAJA KOTA P052070101. Pengembangan Teknologi Biogas dengan Pemanfaatan Kotoran Ternak dan Jerami Padi sebagai Alternatif Energi Pedesaan. Dibawah bimbingan: Dr. Ir. Hariyadi, MS dan Dr. Siswanto, DEA, APU. Indonesia merupakan negara agraris yang kaya akan sumber biomassa. Sumber biomassa tersebut tersebar hampir di seluruh daerah, baik berupa limbah pertanian ataupun produksi hasil hutan. Sejalan dengan peningkatan produksi pertanian dan peternakan, maka jumlah limbah yang dihasilkan dari kedua sektor ini juga cukup besar. Dua macam limbah yang cukup besar jumlahnya dari pertanian dan peternakan adalah jerami dan kotoran ternak. Limbah-limbah ini selain belum dimanfaatkan secara maksimal, limbah-limbah tersebut juga ikut memberi peran dalam meningkatkan efek rumah kaca yang menyebabkan pemanasan global. Teknologi pengolahan limbah pertanian yang sangat efektif untuk pemecahan masalah di atas adalah teknologi biogas. Bertolak dari masalah tersebut, maka penelitian ini bertujuan mencari kombinasi terbaik antara jerami dan kotoran ternak dalam memproduksi biogas. Penelitian ini terdiri dari dua tahap penelitian yaitu penelitian laboratorium dan aplikasi lapangan. Penelitian laboratorium menggunakan metode Rancangan Acak Lengkap (RAL) dengan perlakuan perbedaan kandungan C/N pada setiap perlakuan, dengan membedakan juga aktivator yang digunakan pada proses pengomposan jerami. Penelitian laboratorium berlansung di Laboratorium Pengolahan Limbah Fakultas Peternakan IPB Darmaga, selama 40 hari. Sedangkan aplikasi lapangan dilaksanakan di Kelompok peternakan Tuanebu di Desa Kuanheum Kecamatan Amabi Oefeto Kabupaten Kupang, Nusa Tenggara Timur, selama 60 hari. Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah suhu, pH, TS,VS, COD,BOD dan C/N. Untuk mengetahui kombinasi campuran terbaik, diukur volume gas dan kualitas gas. Analisis kelayakan ekonomis dilakukan untuk mengetahui kalayakan aplikasi di lapangan. Hasil penelitian menunjukan bahwa suhu dan pH berada dalam kisaran normal untuk produksi biogas pada semua perlakuan. Begitu juga persentase TS dan VS tidak menunjukan peningkatan atau penurunan pada kisaran normal. Perlakuan yang mendapatkan penambahan jerami, penurunan TS dan VS lebih terlihat pada hari ke-0 hingga hari ke-20. Sedangkan pada hari ke-20 hingga pada hari ke-40 tidak terjadi penurunan. Hal yang sama tejadi juga pada kandungan COD dan BOD yang meningkat pada hari ke-20 hingga hari ke-40. Peningkatan ini mungkin disebabkan karena degradasi bahan organik secara sempurna baru terjadi pada pertengahan perlakuan anaerob. Rata-rata pertambahan biogas setiap hari terbanyak dicapai oleh perlakuan kontrol atau tampa jerami yaitu rata-rata 5026,25 ml/hari. Perlakuan dengan campuran jerami yang memiliki rata-rata biogas tertinggi adalah perlakuan P2 dengan rata-rata 4410,42 ml/hari. Selanjutnya diikuti oleh perlakuan P1 dengan rata-rata 4314,33 ml/hari. Perlakuan P5 rata-rata mengahasilkan biogas sebanyak 4094,83 ml/hari, diikuti dengan perlakuan P1 dengan rata-rata produksi biogas sebesar 4070,58 ml/hari. Untuk perlakuan P6 menghasilkan biogas terendah yaitu rata-rata 3508,33 ml/hari dan diikuti oleh perlakuan P3 dengan produksi 3842,92 ml/hari. Hasil uji statistik menunjukan ada perbedaan nyata antara perlakuan
5
kontrol dan perlakuan yang mendapatkan campuran jerami. Sedangkan antara semua perlakuan dengan campuran jerami tidak ada perbedaan yang nyata. Rata-rata kandungan CH4 terbesar ada pada semua perlakuan dengan pengomposan menggunakan aktikom. Kualitas gas terbaik di tunjukan oleh perlakuan (P4) dengan campuran jerami 35,5%, dengan kandungan CH4 sebesar 64,1% atau lebih tinggi 12,7% dari perlakuan kontrol dengan kandungan CH4 51,44%. Tertinggi ke-2 ada pada perlakuan (P5) dengan campuran jerami 62,2% dengan kandungan CH4 sebesar 56% dan diikuti oleh perlakuan (P6) dengan campuran jerami 86,6%, kandungan CH4 sebesar 55,59%. Selanjutnya untuk perlakuan yang mendapatkan campuran jerami yang dikomposkan dengan EM4 menghasilkan biogas dengan kandungan EM4 berturut-turut adalah perlakuan (P2) dengan jerami 36,7%, kandungan CH4 sebesar 52,95%. Perlakuan (P1) dengan jerami 36,7%, kandungan CH4 sebesar 51,17%. Sedangkang perlakuan (P3) dengan jerami 86,6%, kandungan CH4 44,71%. Desain model reaktor untuk aplikasi lapangan adalah reakto tipe kontinyu dan merupakan modifikasi dari tipe floating dome. Bahan utama yang digunakan adalah cincin beton dengan diameter 1,1 meter. Volume total reaktor adalah 6,28 m3 dengan volume bahan basah 5,5 m3. Campuran slury yang digunakan adalah jerami 35,5% yang dikomposkan dengan akticom dan kotoran ternak 65,5% kotoran ternak. Volume biogas yang dihasilkan rata-rata 0,85 m3/hari dengan persentase CH4 sebesar 56%. Gas ini digunakan untuk energi memasak mengantikan minyak tanah dan kayu bakar. Hasil analisis kelayakan ekonomi menunjukan nilai NPV yang dihasilkan dari instalasi biogas jika dihitung dengan kesetaraan nilai minyak tanah adalah sebesar Rp 10.804.723. Artinya bahwa nilai sekarang (present value) dari pendapatan yang diterima bernilai positif selama 15 tahun pada tingkat suku bunga 17%. Nilai Net B/C yang dihasilkan pada tingkat diskonto 17%, yaitu 3,46. Sedangkan nilai pengembalian investasi atau payback period sudah dapat dilunasi pada tahun pertama pada bulan ke-6. Kata kunci: Jerami, Kotoran Ternak, Biogas dan Energi pedesaan.
6
@ Hak Cipta milik IPB, tahun 2009 Hak cipta dilindungi Undang-undang 1.
2.
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atas seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
7
PENGEMBANGAN TEKNOLOGI BIOGAS DENGAN PEMANFAATAN KOTORAN TERNAK DAN JERAMI PADI SEBAGAI ALTERNATIF ENERGI PEDESAAN
PAULUS RAJA KOTA
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
8
Judul Penelitian
Nama NRP Program Studi
: Pengembangan Teknologi Biogas dengan Pemamfaatan Kotoran Ternak dan Jerami Padi Sebagai Alternatif Energi Pedesaan. : Paulus Raja Kota : P052070101 : Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Hariyadi,MS Ketua
Dr. Siswanto, DEA,APU Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingungan
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Prof.Dr.Ir. Surjono H.Sutjahjo,MS
Prof. Dr. Ir.Khairil Anwar Notodiputro, MS
Tanggal Ujian : 24 Agustus 2009
Tanggal Lulus:
9
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis dengan judul; Pengembangan Teknologi Biogas dengan Pemanfaatan Kotoran Ternak dan Jerami Padi Sebagai Alternatif Energi Pedesaan. Limbah jerami padi dan kotoran ternak yang berada dipedesaan sebenarnya dapat dilihat sebagai potensi yang dapat diolah menjadi energi pedesaan dengan teknologi biogas. Teknologi ini sebenarnya telah lama ditemukan, namun perlu terus dikembangkan lewat berbagai penelitian agar bisa diterapkan dan bernilai ekonomis. Dengan teknologi ini maka sistem pertanian zero waste dapat terapkan untuk pengembangan pertanian organik, karena lumpur buangan dari biogas dapat dimamfaatkan lagi sebagai pupuk organik. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: Dr. Ir. Hariyadi, MS, sebagai Ketua komisi Pembimbing dan Dr. Siswanto, DEA,APU, sebagai Anggota Komisi Pembimbing atas ilmu yang diberikan, arahan dan bimbingan hingga penyelesaian penulisan tesis ini. Ucapan terima kasih juga kami sampaikan kepada Bapak Prof Dr. Ir. Surjono H. Sutjahjo, MS, sebagai ketua Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan dan Dr. Ir. Lailan Syaufina, M.Sc sebagai sekertaris Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan yang selalu mendorong kami untuk penyelesaian tesis ini. Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada seluruh teman angkatan 2007 Mahasiswa Pascasarjana Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan atas kebersamaannya dalam memberikan masukan dan saran selama penulis menyelesaikan studi dan penelitian ini. Akhirnya penulis mempersembahkan tesis ini kepada: 1. Bapak, Mama serta kakak-kakak dan adik-adik tercinta atas doa dan kasih sayang yang diberikan. 2. Masyarakat pulau sabu, melalui Sabu Devolopment Faundation (SDF) yang mendukung dana selama penulis menyelesaikan studi.
10
3. Keluarga besar Yayasan Cermin Masyarakat Rasional (CEMARA) dan kelompok penggemukan sapi Tuanebu yang membantu penulis selama penelitian aplikasi. Tesis ini juga masih belum sempurna, oleh karena itu kritik dan saran sangat kami harapkan demi perbaikannya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2009 Paulus Raja Kota
11
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Desa Oenoni Kecamatan Amarasi, Kabupaten Kupang Propinsi Nusa Tenggara Timur pada Tanggal 19 September 1979 dari ayah Matheos Kota dan ibu Naomi Nubatonis. Penulis merupakan putra kedelapan dari sembilan bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar pada tahun 1992 di SDN Binoni, kemudian melanjutkan ke SMP PGRI Oenoni dan lulus tahun 1995. Tahun 1995 penulis melanjutkan sekolah di SMUN 5 Kupang dan tamat pada tahun 1998. Pada tahun yang sama, penulis melanjutkan pendidikan Sarjana strata satu pada Jurusan Produksi Ternak Fakultas Peternakan Universitas Nusa Cendana Kupang. Setelah tamat tahun 2003 penulis bekerja sebagai relawan di Lembaga Swadaya Masyarakat yang fokus pada pembemberdayaan masyarakat. Tahun 2007, penulis melanjutkan studi pada Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2009
12
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................
i
DAFTAR ISI ..........................................................................................
ii
DAFTAR TABEL .................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ...............................................................................
v
DAFTAR LAMPIRAN .........................................................................
vi
I. PENDAHULUAN ................................................................................
1
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Latar Belakang ............................................................................. Kerangka Pemikiran ..................................................................... Perumusan Masalah ..................................................................... Tujuan Penelitian ......................................................................... Manfaat Penelitian ........................................................................
1 2 4 5 6
II. TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................
7
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
Pembangunan Ramah Lingkungan. .............................................. Pengelolaan Energi Berkelanjutan. ............................................... Limbah Ternak . ............................................................................ Jerami Padi .................................................................................... Teknologi Biogas .......................................................................... Proses Pembentukan Biogas ........................................................ Faktor yang Berpengaru Terhadap Produksi Biogas ...................
7 8 9 10 11 12 18
III. METODOLOGI PENELITIAN ....................................................
19
3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian ....................................................... 3.2 Bahan dan Alat ............................................................................. 3.3 Rancangan Penelitian ................................................................... 3.3.1. Parameter Yang Diamati ....................................................... 3.3.2. Volume Gas Yang Di Hasilkan ............................................. 3.3.3. Analisis Aspek Finansial, Ekologi dan Sosial masyarakat .....
19 19 20 27 29 30
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................
32
4.1. Penelitian Laboratorium ............................................................... 4.1.1. Keadaan Umum Penelitian ..................................................... 4.1.2. Karakteristik Bahan Baku ....................................................... 4.1.3. Pendegredasian Jerami Dengan Pengomposan ...................... 4.1.4. Hasil Perlakuan Anaerob Terhadap Parameter Pengamatan . 4.1.5. Produksi Biogas ...................................................................... 4.1.6. Kualitas Biogas .......................................................................
32 32 33 33 35 41 44
13
4.2. Penelitian Aplikasi ....................................................................... 4.2.1. Keadaan Umum Penelitian ..................................................... 4.2.2. Rancangan Reaktor ................................................................. 4.2.3. Pengisian Bahan Baku ............................................................ 4.2.3. Hasil Penelitian Aplikasi......................................................... 4.2.4. Analisi Aspek Ekonomis ........................................................ 4.1.5. Analsis Aspek Sosial............................................................... 4.1.6. Analisis Aspek Ekologis. ........................................................
46 46 47 48 49 51 55 57
IV. KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................
59
5.1. Kesimpulan ................................................................................... 5.2. Saran .............................................................................................
59 59
DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................
60
LAMPIRAN .............................................................................................
64
14
DAFTAR TABEL Halaman 1. Parameter yang diamati terhadap laju produksi biogas........................
25
2. Kadar air dan persentasi C/N Rasio Bahan Baku ................................
33
3. Rasio C/N awal dan akhir pengomposan .............................................
34
4. Komposisi Jerami dan Kotoran ternak pada reaktor dengan kapasitas 20 liter .................................................................................
34
5. Perbandingan total kalori dari masing-masing perlakuan....................
45
6. Kandungan bahan organik dalam substrat ...........................................
50
7. Perbandingan aplikasi biogas, kayu bakar dan minyak tanah..............
51
8. Rincian arus penerimaan instalasi biogas jika disetarakan dengan Minyak tanah........................................................................................
53
9. Rincian biaya investasi instalasi biogas.. .............................................
53
10. Rincian biaya operacional instalasi biogas ..........................................
54
15
DAFTAR GAMBAR Halaman 1.
Diagram Alur Pikir ..........................................................................
4
2.
Tahap pembentukan gas bio .............................................................
13
3.
Lay-aut rancangan percobaan penelitian..........................................
21
4.
Rancangan reaktor skala laboratorium .............................................
21
5.
Bagan alur tahapan penelitian ...........................................................
24
6.
Perubahan warna jerami hasil pengomposan dengan aktifator yang berbeda. .....................................................................................
34
6.
Pencampuran jerami dan kotoran ternak serta desain reactor............
35
7.
Perubahan pH yang terjadi selama perlakuan anaerob .....................
37
8.
Perubahan Total Solid pada setiap perlakuan....................................
38
9.
Perubahan Vilatile Solid pada setiap perlakuan ................................
39
10.
Perubahan BOD dan COD pada setiap perlakuan ..........................
41
11.
Produksi biogas selama 40 hari........................................................
42
12.
Presentasi gas CH4 pada pertengahan dan akhir perlakuan.............
44
13.
Hasil rancangan reactor penampung, penampung pupuk, Penampung gas dan kompor biogas................................................
48
16
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1.
Gambar Reaktor Skala Laboratorium ..............................................
64
2.
Hasil analisa statistik.........................................................................
65
3.
Hasil analisa parameter pengujian ....................................................
68
4.
Pertambahan volume gas ..................................................................
69
5.
Analisa kelayakan ekonomis.............................................................
71
6.
Perhitungan NPV, Net B/C dan Payback Period dengan nilai
7.
biogas disetarakan dengan harga minyak tanah ................................
73
Kuesioner kajian ...............................................................................
74
