II.
TINJAUAN PUSTAKA
A. Limbah Peternakan Sapi merupakan jenis ruminansia yang mampu menyederhanakan serat kasar dari bahan organik melalui aktivitas bakteri pengurai serat kasar yang ada pada sistem pencernaannya (Misra dan Hesse,1983). Hasil samping dari sistem pencernaannya adalah salah satu limbah peternakan. Limbah peternakan adalah semua buangan dari usaha peternakan yang bersifat padat, cair dan gas. Limbah padat merupakan semua limbah yang berbentuk padatan atau dalam fase padat (kotoran ternak, ternak yang mati dan isi perut dari pemotongan ternak. Limbah cair adalah semua limbah yang berbentuk cairan atau berada dalam fase cair (air seni atau urine dan air pencucian alat-alat). Limbah gas adalah semua limbah yang berbentuk gas atau berada dalam fase gas (Soehadji, 1992). Menurut Jenie dan Rahayu (1993) limbah dapat membahayakan kesehatan masyarakat. Meskipun limbah ternak tidak terlibat langsung dalam perpindahan penyakit, namun kandungan bahan organik yang tinggi merupakan sumber makanan yang baik untuk pertumbuhan organisme. Limbah ternak merupakan pencemaran bagi air serta mempunyai kandungan BOD yang tinggi dan sedikit kandungan oksigen terlarut dalam air (Overcash et al., 1983). Kotoran sapi perah mengadung rata-rata 30% bahan organik yang dapat didekomposisi dengan mudah oleh mikroorganisme seperti bakteri, fungi dan aktinomycetes yang terdapat pada kotoran sapi perah itu (Harada et al., 1993). Menurut Misra dan Hesse (1983) faktor utama yang mempengaruhi komposisi kotoran asli hewan adalah jenis kelamin, umur, makanan dan lokasi geografis.
A.1. Limbah cair peternakan sapi perah Limbah cair dapat didefinisikan sebagai suatu limbah hasil kegiatan yang secara fisik berbentuk cair, kandungannya didominasi oleh air beserta bahan-bahan kontaminan lainnya atau didominasi oleh bahan cair lain (bukan air) seperti; minyak, residu senyawa kimia dan sebagainya. Limbah cair merupakan suatu substrat yang kompleks yang terdiri dari berbagai jenis bahan organik, baik yang terurai secara biologi maupun tidak (Sugiharto, 1978). Menurut Taiganides (1977) dikatakan limbah cair jika limbah tersebut mengandung bahan padatan kurang dari 10% dan kadar air hampir 90%. Banyaknya feses dan urine sapi perah yang dihasilkan sebesar 10% dari bobot badannya, sedangkan rasio feses dan urine yang dihasilkan ternak sapi perah adalah 2:1 (69% feses dan 31% urine) (Taiganides, 1978). Hal ini ditambahkan Azevedo dan Stout (1974) bahwa kotoran ternak yang dihasilkan setiap hari dari seekor ternak sapi perah dengan bobot 400-500 kg adalah 44 kg (feses 14 kg dan urine 30 liter). Dengan demikian produksi limbah cair dari usaha peternakan sapi perah setiap hari dengan rata-rata air yang digunakan untuk pencucian sekitar 132 liter/ekor/hari. Menurut Tafal (1981) berat badan sapi perah 500 kg menghasilkan feses dan air kencing sebanyak 13,5 ton setahun yaitu 70% feses dan 30 % air seni. Menurut Sugiharto (1987) sifat limbah cair dapat dibedakan menjadi tiga bagian besar yaitu sifat fisik yang terdiri dari warna, suhu, kekeruhan dan zat padat, sifat kimia yaitu pH, BOD, COD,
3
senyawa nitrogen dan fosfat, serta sifat biologi yaitu adanya mikroorganisme. Komposisi limbah cair sapi perah dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Rataan komposisi limbah cair sapi di bogor Uraian Oksigen Terlarut (mg/l)
Nilai 0,21
BOD (mg/l)
1490,88
COD (mg/l)
6097,35
pH
7,86
TSS (mg/l)
1211,1
TDS (mg/l)
2282
Sumber : Salundik, 1998
B. Kandungan Limbah Cair Peternakan Sapi Kandungan Limbah cair peternakan sapi dilihat dari dua aspek, yaitu kandungan kimia dan kandungan fisik
B.1. Kandungan kimia limbah cair peternakan sapi Biologycal Oxygen Demand (BOD) adalah banyaknya oksigen yang dibutuhkan oleh mikroorganisme dalam proses dekomposisi bahan organik (termasuk proses respirasi dalam keadaan aerob. Jadi, nilai BOD menggambarkan suatu proses oksidasi bahan organik oleh mikroorganisme yang terjadi di perairan. Proses dekomposisi bahan organik di perairan tidak terjadi sekaligus, tetapi terjadi secara bertahap, tergantung pada kadar bahan organik yang diuraikan (dekomposisi), diperkirakan hanya 10-25 % bahan organik yang dapat diuraikan dalam setiap tahap (Hariyadi et al., 1992). Dissolved Oxygen (DO) adalah jumlah mg/l gas oksigen yang terlarut dalam air, oksigen terlarut dalam air dapat berasal dari proses fotosintesis oleh fitoplankton atau tanaman air lainnya dan difusi dari udara atau atmosfer ( Hariyadi et al., 1992). Difusi oksigen dari atmosfer ke dalam air dapat terjadi secara langsung pada kondisi air diam (stagnan), difusi juga dapat terjadi karena agitasi atau pergolakan massa air akibat adanya gelombang atau ombak dan air terjun (Effendi, 2003). Menurut Hariyadi et al., (1992) Chemical Oxygen Demand (COD) menyatakan jumlah total oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi semua bahan organik yang ada di perairan menjadi O2 dan H2O. Nilai COD akan meningkat sejalan dengan meningkatnya bahan organik di perairan. Konsentrasi ion hidrogen (pH) adalah ukuran kualitas dari air maupun dari limbah. Adapun kadar yang baik adalah kadar yang masih memungkinkan kehidupan biologis di dalam air berjalan dengan baik. Air limbah dengan konsentrasi ion hidrogen yang tidak netral akan menyulitkan proses biologis, sehingga menggangu proses penjernihan. Nilai pH yang baik bagi air minum dan air limbah adalah
4
netral (7). Semakin kecil nilai pH-nya, maka akan menyebabkan air tersebut berupa asam (Sugiharto, 1987).
B.2. Kandungan fisik limbah cair peternakan sapi perah Zat padat yang terdapat dalam air berdasarkan besar partikelnya terbagi atas zat padat tersuspensi dan zat padat terlarut. Zat padat tersuspensi adalah padatan yang menyebabkan kekeruhan air dan tidak dapat mengendap secara langsung, yang terdiri dari partikel-partikel dengan ukuran maupun beratnya lebih kecil dibandingkan dengan sedimen lainnya, misalnya tanah liat dan sel-sel mikroorganisme. Zat padat terlarut adalah padatan-padatan yang terdiri dari senyawa-senyawa anorganik dan organik yang larut dalam air (Fardiaz, 1992). Menurut Alaert dan Santika (1987) perbedaan pokok antara zat padat terlarut dan tersuspensi ditentukan melalui ukuran atau diameter partikel-partikel tersebut.
C. Biogas Menurut Sahidu (1983) biogas merupakan suatu campuran gas-gas yang dihasilkan dari suatu proses pengomposan bahan organik oleh bakteri dalam keadaan tanpa oksigen. Biogas merupakan produk dari pendegradasian substrat organik secara aerobik, karena proses ini menggunakan kinerja campuran mikroorganisme dan tergantung terhadap faktor pH, suhu, hydraulic retention time, rasio C:N dan sebagainya sehingga proses ini berjalan relatif lambat (Yadvika et al., 2004). Menurut Wahyuni (2009) biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang terjadi pada material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerobik. Pembentukan biogas merupakan proses biologis. Menurut Sahidu (1983) bahan dasar yang berupa bahan organik akan berfungsi sebagai sumber karbon yang merupakan sumber kegiatan dan pertumbuhan bakteri. Bahan organik dalam alat penghasil biogas (instalasi biogas) akan dirombak oleh bakteri dan kemudian akan menghasilkaan campuran gas metan (CH4), gas karbondioksida (CO2) dan sedikit gas-gas lain, campuran gas-gas tersebut disebut biogas. Fermentasi atau perombakan tersebut adalah proses mikrobiologis yang merupakan himpunan proses metabolisme sel, sedangkan biogas adalah hasil dari proses fermentasi anaerobik. Fermentasi aerobik menghasilkan gas-gas ammonia (NH3) dan karbondioksida (CO2). Biogas yang terbentuk dari instalasi Biodigester dapat dijadikan bahan bakar karena mengandung gas metan (CH4) dalam persentase yang cukup tinggi dan mengandung gas-gas lainnya dalam jumlah yang sedikit. Menurut Tambunan et al., (2009) komponen biogas selengkapnya terdapat pada Tabel 2.
5
Tabel 2. Komponen gas penyusun biogas Parameter Nitrogen oxide, NOx Ammonia, NH3**
Sample
Sample
ke-1
ke-2
0,09
0,01
mg/m3
0,01
mg/m
3
Spectometry (Indophenol)
mg/m
3
Spectometry (Methylene Blue)
mg/m
3
Spectometry (Pararosanilin)
mg/m
3
Spectometry (Methylene Jingga)
3
TOC Analyzer
0,27 **
045
Hidrogen Sulfida, H2S Sulphur Dioxide, SO2
Chloride, Cl2 Carbon dioxide (CO2) Carbon Monoxide (CO) Hydrocarbon, CH4
0,06 0,07
136,10 6,24 0,10
Unit
Metoda Uji Spectometry (griess Saltzman)
131132,10
218553,50
mg/m
3,58
240
ppm
Kit Tube Detector
584325,73
547470,70
ppm
GC
Sumber : Tambunan et al., 2009
C.1. Proses fermentasi Proses fermentasi mengacu pada berbagai reaksi dan interaksi yang terjadi di antara bakteri metanogen dan non-metanogen serta bahan yang diumpamakan ke dalam digester sebagai input. Ini adalah phisio-kimia yang kompleks dan proses biologis yang melibatkan berbagai faktor dan tahapan bentuk. Penghancuran input yang merupakan bahan organik dicapai dalam tiga tahapan, yaitu (a) hidrolisa, (b) acidification, dan (c) methaniztion (Wahyuni, 2009).
Sumber: Wahyuni, 2009
Gambar 1. Tahapan pembentukan biogas 6
Dari persamaan kimia (Gambar 1) memperlihatkan bahwa banyak produk sampingan yang dihasilkan selama proses fermentasi dalam kondisi yang anaerobik sebelum akhirnya metana diproduksi. menurut Wahyuni (2009) banyak faktor yang memfasilitasi dan menghambat telah memainkan peranan dalam proses, antara lain; (a) nilai pH, (b) suhu, (c) laju pengumpanan, (d) waktu retensi, (e) toxicity dan (f) sludge. Nilai pH Produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari campuran di dalam digester berada pada kisaran 6 dan 7. Derajat keasaman (pH) dalam digester juga merupakan fungsi dari waktu di dalam digester tersebut. Pada tahap awal proses fermentasi, asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, pH dalam digester dapat mencapai di bawah 5. Keadaan ini cenderung menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri metaorganik sangat peka terhadap pH dan tidak dapat bertahan hidup di bawah pH 6,6. Kemudian proses pencernaan berlangsung, konsentrasi NH4 bertambah pencernaan nitrogen dapat meningkatkan nilai pH di atas 8. Ketika produksi metana dalam kondisi stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2 – 8,2. Suhu Pada prinsipnya dalam pembentukan biogas diperoleh melalui proses anaerobik. Didalam proses pembentukan biogas ini terdapat 4 mikroba yang berperan penting, yaitu: bakteri hisrolik, bakteri fermentatif, mikroorganisma asidogenik dan bakteri methanogenik yang menghasilkan biogas dari asam asetik, hidrogen dan karbondioksida. Menurut House (1981), bakteri-bakteri ini sangat sensitif terhadap perubahan suhu, sehingga suhu biodigester harus diatur diatas 20oC untuk mendapatkan biogas yang baik. Umumnya pada suhu yang lebih tinggi maka proses pencernaan akan lebih singkat dan kebutuhan tangki digester akan lebih kecil. Berdasarkan suhu, bakteri anaerobik dapat dikelompokkan menjadi bakteri psychrophylic (25oC), mesophylic (32-38 oC), dan thermophylic ( 42-55 oC). Laju pengumpanan Laju pengumpanan adalah jumlah bahan yang dimasukkan ke dalam digester per unit kapasitas per hari. Pada umumnya, 6 kg kotoran sapi per m3 volume digester adalah direkomendasikan pada suatu jaringan pengolah kotoran sapi. Apabila terjadi pemasukkan bahan yang berlebihan, akan terjadi akumulasi asam dan produksi metana akan terganggu. Sebaliknya, bila pengumpanan kurang dari kapasitas digester, produksi gas juga menjadi rendah. Waktu tinggal dalam digester Waktu tinggal dalam digester adalah rata-rata periode waktu saat input masih berada dalam digester dan proses fermentasi oleh bakteri metanogen. Dalam jaringan dari digester dengan kotoran sapi, waktu tinggal dihitung dengan pembagian volume total dari digester oleh volume input yang ditambah setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu. Di atas suhu 35oC atau suhu lebih tinggi, waktu tinggal semakin singkat. Toxicity Ion mineral, logam berat, dan detergen adalah beberapa material racun yang mempengaruhi pertumbuhan normal bakteri patogen di dalam digester. Ion mineral dalam jumlah kecil (sodium, potasium, kalsium, amonium dan belerang) juga mempengaruhi pertumbuhan bakteri. Namun, bila
7
ion-ion ini dalam konsentrasi yang tinggi akan berakibat meracuni. Sebagai contoh, NH4 pada konsentrasi 50 hingga 200 mg/l, dapat merangsang pertumbuhan mikroba. Namun, bila konsentrasinya di atas 1500 mg/l, akan mengakibatkan keracunan. Sludge Sludge adalah limbah keluaran berupa lumpur dari lubang pengeluaran digester setelah mengalami proses fermentasi oleh bakteri metana dalam kondisi anaerobik. Setelah ekstraksi biogas (energi), sludge dari digester sebagai produk samping dari sistem pencernaan secara aerobik. Kondisi ini, dapat dikatakan manur dalam keadaaan stabil dan bebas patogen serta dapat dipergunakan untuk memperbaiki kesuburan tanah dan meningkatkan produksi tanaman.
C.2. Kandungan biogas dari berbagai bahan baku Pada Tabel 3 dapat dilihat kadar biogas yang dapat dihasilkan dari berbagai macam bahan baku Tabel 3. Hasil biogas dari beberapa bahan baku Bahan baku
Hasil Biogas (m3/ton padatan)
Kandungan metana (%)
260-280 561 200-300
50-60
630 369 432 210-294 615 640 300-600
70
50 58
750 1440 980
49 72 50
Kotoran ternak Feses sapi Feses babi Feses kuda Limbah pertanian Rumput segar Batang stalk Jerami gandum Dedaunan hijau Batang padi Limbah sewage Limbah cair (pabrik bir)
59 58
Senyawa-senyawa Karbohidrat Lemak Protein Sumber : Yani, 1991
Tabel 4. Produksi biogas dari beberapa kotoran Jenis kotoran (feses) Peternakan (sapi dan banteng) Babi Peternakan (ayam) Manusia Limbah perkebunan yang diberikan perlakuan pendahuluan Eceng gondok
Biogas per kg feses (liter) 22-40 40-60 65.5-115 20-28 /orang pengguna toilet 34-40 40-50
Sumber : Yani, 1991
8
D. Sistem Penyimpanan Biogas Pada umumnya, biogas yang diproduksi langsung digunakan ditempatnya, sehingga konsep dasar dari pembuatan tangki portable ini adalah penggunaan biogas yang dapat digunakan dalam tempat dan waktu yang berbeda. Untuk hal tersebut maka perlu meninjau beberapa aspek penting terkait dengan efisiensi dan tingkat keamanan penggunan tabung. Menurut Tambunan et al. (2009) dalam hal penyimpanan sementara biogas ada beberapa hal yang sangat penting untuk diperhatikan yaitu ; (1) volume simpan yang diperlukan biasanya tidak besar, (2) kemungkinan korosi dari gas H2S atau uap air yang masih terkandung dalam biogas, (3) biaya penyimpanan karena nilai ekonomi biogas relatif rendah. Tabel 5. menunjukan berbagai opsi penyimpanan biogas sesuai dengan tekanan penyimpanan dan pemanfaatannya. Tabel 5. Opsi penyimpanan biogas Tujuan penyimpanan
Penyimpanan singkat atau intermediate untuk penggunaan di tempat produksi
Penyimpanan lama untuk penggunaan di luar tempat produksi.
Tekanan (Psi) <0,1
Sistem Penyimpanan Tutup terapung
<2
Kantung gas
2-6
Penampung gas kedap air Kantung gas berpemberat Atap terapung
10-2900 >2900
Tabung propan atau butan Tabung gas komersial
Ukuran (ft3)
Bahan Karet atau plastik Karet atau plastik Baja
Bervariasi, sesuai kebutuhan harian 150-11000
Karet atau plastik Karet atau plastik Baja
880-28000
Alloy baja
350
3500
Bervariasi, sesuai kebutuhan harian 2000
Sumber: Ross, 1996
Selain hal tersebut dalam penyimpanan sementara biogas ada beberapa faktor lain, yaitu sistem penekanan gas ke dalam tabung. Ada tiga jenis sistem penekanan yang digunakan yaitu: sistem penyimpanan biogas bertekanan rendah, sistem penyimpanan biogas bertekanan menengah dan sistem penyimpanan biogas bertekanan tinggi. Pada sistem penyimpanan biogas bertekanan menengah, biogas dapat disimpan pada kisaran tekanan 2 hingga 200 psi. Penyimpanan dengan tekanan menegah juga jarang diterapkan, karena korosi terhadap komponen penyimpan, sehingga untuk meningkatkan keamanan penggunaan diperlukan pemisahan biogas dari gas H2S (Tambunan et al., 2009). Sementara jika tujuan penyimpanan ingin diarahkan pada penyimpanan bertekanan tinggi, dan ingin dirubah kedalam fase cair/ liquid maka diperlukan perlakuan pemisahan komponen gas, berupa pemurnian biogas menjadi biometan yang memiliki konsentrasi metan lebih dari 95%. Pada analisa yang dilakukan Tambunan et al. (2009) dengan menggunakan program aplikasi Refpro (Gambar 2), menunjukkan bahwa titik kritis dari metan dan karbon dioksida masing-masing adalah -82.70C pada
9
45.96 MPa, dan 31oC pada 73.825 MPa. Refpro sendiri merupakan program aplikasi yang digunakan untuk mengghitung properti termodinamika berbagai zat.
Sumber: Tambunan et al., 2009
Gambar 2. Diagram tekanan uap metan dan CO2 Dari gambar dan penjelasan diatas menunjukkan bahwa pada suhu lingkungan (300C) metan tidak dapat dicairkan hanya dengan memberikan tekanan akan tetapi dengan penurunan suhu sekitar -173 0C pada tekanan 1 atmosfir (0.1 MPa), atau dengan membuat kombinasi penurunan suhu dan peningkatan tekanan. Hal ini juga berarti, jika ingin menerapkan perlakuan penyimpanan biogas bertekanan tinggi diperlukan proses yang rumit dan tentunya biaya yang tinggi. Menurut Tambunan et al. (2009) penggunaan penyimpanan biogas bertekanan rendah adalah cara yang paling efisien diantara ketiga metode yang ada, karena selain dapat dilakukan pada tekanan operasi lebih rendah, penampung juga dapat dibuat dari bahan elastis yang lebih murah biayanya daripada menggunakan baja. Selain itu biogas yang dihasilkan dari biodigester tidak perlu lagi dipisahkan kandungannya H2S (karena faktor keamanan yang terganggu akibat sifat korosif yang ditimbulkan H2S) seperti halnya yang terjadi jika digunakan penyimpanan bertekanan menengah. Atau
10
bahkan penyimpanan biogas bertekanan tinggi, dimana biaya menjadi masalah utama, selain itu penyimpanan ini lebih cocok diterapakan untuk pengempaan biometahane. Ditambah lagi biomethane sejajar perlakuan penyimpanannya seperti gas komersial lainnya, dimana untuk penyimpanan tekanan tinggi diperlukan penggunaan silinder baja untuk meningkatkan keamanan. Sehingga memang memerlukan biaya yang jauh lebih tinggi dari pada 3 jenis pengempaan yang ada.
E. Rancang-Bangun Pompa Pengisi Biogas Biogas yang telah dihasilkan di dalam biodigester biasanya akan langsung dialirkan dari digester ke tungku untuk digunakan sebagai media pembakaran untuk memasak. Pada penelitian ini akan dibuat suatu rancangan pompa sederhana dengan menggunakan foot pump yang banyak beredar dipasaran yang akan dimodifikasi terlebih dahulu. Prinsip dasarnya adalah dengan mengempakan gas bertekanan yang tekanannya lebih besar daripada tekanan balik tangki portable. Menurut Tambunan (2009) foot pump yang ada dipasaran mempunyai kemampuan tekan mencapai 5 atmosfir (0,5 Mpa), sehingga dengan pengempaan tekanan yang hanya maksimal 0,5 Mpa tidak menyebabkan terjadinya perubahan status gas.
11
