BIOKONVERSI LIMBAH DOMESTIK

Oleh : Novi Anitra

Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Brawijaya

Limbah domestik adalah limbah yang berasal dari pembuangan rumah tangga seperti sisa pembuangan sisa makanan, air bekas cucian, sampah/sisa bahan yang sudah tidak terpakai dan kotoran yang berasal dari tubuh manusia (feses dan urin) yang perlu dikelola sehingga memiliki nilai ekonomi, bermanfaat dan tidak menimbulkan pencemaran lingkungan. Keberadaan mikroorganisme di alam memegang peranan penting terhadap pencemaran lingkungan di mana mikroorganisme mempunyai kemampuan untuk mendegradasi limbah dan polutan sehingga mampu menjaga kualitas  lingkungan. Kemampuan mikroorganisme tersebut menyebabkan bahan-bahan sisa di lingkungan dapat menghilang atau berubah bentuk. Berdasarkan kemampuan degradatif terhadap bahan organik, beberapa jenis bakteri telah dikomersialisasikan sebagai pupuk biologi atau konsorsia bakteri dimana dapat digunakan sebagai inokulan dalam penanganan limbah secara aerobik maupun anaerobik (Myrold & Nason dalam Sutariningsih,2002) misalnya  EM4 sebagai bakteri untuk pembuatan pupuk kompos , Clostridium, asetogenik, asetotropik, hidrogenotropik dan metanogen sebagai agensia penanganan limbah secara anaerobik dalam pembuatan biogas.

Tumpukkan sampah menjadi permasalahan yang sangat penting di berbagai wilayah baik kota besar maupun kecil maka perlu dipikirkan solusi penanganannya, seperti dapat menjadikan sampah memiliki nilai tambah yang bermanfaat. Pengolahan sampah organik menjadi pupuk kompos dan bahan dasar pembuatan biogas melalui proses biokonversi energi. Biogas dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar konvensional seperti minyak tanah (kerosene) atau kayu bakar serta penggunaan biogas juga meyelamatkan lingkungan dari pencemaran dan mengurangi kerusakan lingkungan hidup. Pemanfaatan feses(kotoran manusia) pun dapat menjadi  bahan baku alternatif energi terbarukan yang bersih dan ramah lingkungan misalnya energi hidrogen. Hidrogen adalah salah satu sumber energi yang berpotensi sebagai pengganti bahan bakar mesin kendaraan bermotor. Hidrogen menghasilkan energi yang lebih besar daripada bahan bakar lainnya, dimana dalam basis massa, energi yang dihasilkan hidrogen hampir mendekati tiga kali energi yang dihasilkan oleh bensin (120 mJ/kg hidrogen sebanding dengan 44 mJ/kg bensin).

A. Pembuatan Biogas dari Sampah Organik

Biogas merupakan campuran beberapa gas dengan komposisi 40 - 75% metana (CH₄),  25 - 60% karbondioksida (CO₂), dan 2 % gas lain (hidrogen, hidrogen sulfida dan karbon monoksida). Proses fermentation/digestion anaerob (methanization) diuraikan secara sederhana melalui tiga tahap, yaitu: hidrolisis (liquefaction), asidifikasi (acyd production), dan metanogenesis (biogas production) seperti gambar 1.

Gambar.1. Tiga Tahapan Proses Fermentasi Anaerob Limbah Organik

Proses Pembuatan Biogas dari Sampah Organik

Menurut Lettinga (1994) terdapat tiga tahap proses transformasi bahan organik pada  sistem anaerobik, yaitu :

a.       Hidrolisis

Proses hidrolisis membutuhkan mediasi exo-enzim yang disekresi oleh bakteri fermentatif. Hidrolisis molekul kompleks dikatalisasi oleh enzim ekstra seluler seperti sellulase, protease, dan lipase (Said, 2006). Sejumlah besar mikroorganisme anaerob dan fakultatif yang terlibat dalam proses hidrolisis dan fermentasi senyawa organik antara lain adalah Clostridium.

2. Asidogenesis.

Monomer-monomer hasil hidrolisis dikonversi menjadi senyawa organik sederhana. Tahap ini dilakukan oleh berbagai kelompok bakteri, mayoritasnya adalah bakteri obligat anaerob dan sebagian yang lain bakteri anaerob fakultatif. Contoh bakteri asetogenik (pembentuk asam) (Said,2006).

Asetogenesis/asidogenesis

Hasil asidogenesis dikonversi menjadi hasil akhir bagi produksi metana berupa asam asetat yang kadang-kadang disertai dengan pembentukan karbondioksida atau hidrogen. Etanol, asam propionat, dan asam butirat diubah menjadi asam asetat oleh bakteri asetogenik (bakteri yang memproduksi asetat dan H₂) seperti Syntrobacter wolinii dan Syntrophomas wolfei (Said,2006). Etanol, asam propionat, dan asam butirat diubah menjadi asam asetat oleh bakteri asetogenik dengan reaksi seperti berikut (Said, 2006) :

CH₃CH₂OH +CO₂      à CH₃COOH + 2H₂

Etanol                          Asam Asetat

CH₃CH₂COOH + 2H₂O         à CH₃COOH + CO₂ + 3H₂

Asam Propionat            Asam Asetat

CH₃CH₂CH₂COOH + 2H₂O à 2CH₃COOH + 3H₂

Asam Butirat                 Asam Asetat

3. Metanogenesis.

Pada tahap metanogenesis, terbentuk metana dan karbondioksida. Metana dihasilkan dari asetat atau dari reduksi karbondioksida oleh bakteri asetotropik dan hidrogenotropik dengan menggunakan hidrogen. Acetoclastic metanogen mengubah asam asetat menjadi gas metana seperti reaksi berikut :

CH₃COOH à    CH₄ + CO₂

Hidrogenotropik metanogen mensintesa sisa hidrogen dan karbondioksida menjadi :

2H₂ + CO₂ à  CH₄ + 2H₂O

Gambar.2. Reaktor Biogas Skala Rumah Tangga

B. Pembuatan Biogas dan Energi Hidrogen dari Limbah Manusia ( Feses )

Feses sebagai sumber energi dalam bentuk biogas dapat menghasilkan gas metana melalui proses fermentasi, dimana gas metana yang dihasilkan tersebut dapat dijadikan sebagai bahan baku dalam memproduksi hidrogen dengan proses reforming, sehingga limbah manusia (feses) tersebut yang tadinya merupakan suatu bahan yang tidak berharga dapat dijadikan sebagai bahan bakar yang ramah lingkungan dan tentu saja penggunaannya akan mengurangi ketergantungan akan pemakaian minyak bumi.

Tabel 1.  Hasil analisis komposisi kimia biogas dari feses

No.	Komponen	Kandungan (%)
1. 2. 3. 4. 5. 6.	CH4 CO2 N2 CO O2 H2S	70 27 2,75 0,1 0,1 0,05

Dalam proses pemanfaatan feses sebagai bahan baku pembuatan gas hidrogen, ada 3  tahapan yang harus dilalui yaitu :

a.       Unit persiapan bahan baku

Limbah manusia ( feses ) dari hasil pengambilan dikumpulkan dalam bak penampung bahan baku sebelum memasuki tangki berpengaduk. Untuk mendapatkan rasio C/N yang optimum yaitu 25-30 : 1 (United Nation,  1996), maka ditambahkan jerami kedalam tangki berpengaduk. Air dialirkan pada tangki berpengaduk dengan perbandingan 1 : 1 antara bahan baku (feses + jerami) dengan air (United Nation, 1996). Pada tahap hidrolisis, penambahan air berfungsi untuk melarutkan bahan organik dan komponen terlarut lainnya.

b.      Unit fermentasi

Campuran yang dihasilkan dari tahap persiapan bahan baku dialirkan ke dalam digester. Pencampuran bahan baku dengan air mempunyai pH 4-5, sehingga perlu ditambahkan larutan Ca(OH)₂ 10% (Petrus, 1998), untuk mendapatkan pH 7-8. Penambahan Ca(OH)₂ dilakukan diawal fermentasi, Bakteri yang digunakan untuk proses fermentasi adalah bakteri Acidogenic dan bakteri Metanogenic. Bakteri Acidogenic dimasukkan ke dalam digester dengan waktu tinggal 4 hari. Setelah 4 hari, selanjutnya bakteri Metanogenic dialirkan kedalam digester. Bakteri Metanogenic tersebut berada didalam digester selama 6 hari, sehingga total retention time dari proses fermentasi di dalam digester adalah 10 hari. Metana diproduksi melalui pemutusan ikatan langsung dari CH₃COOH, dengan gugus metil dikonversikan menjadi metana dan gugus karbonil menjadi karbondioksida. Pada unit ini terjadi reaksi :

C₆H₁₀O₅ + N₂ à CH₃COOH à CO₂ + CH₄

Gas bio yang dihasilkan tersebut kemudian dialirkan ke sistem pemanas (heater) dengan bantuan blower menuju adsorber H₂S.

c.       Unit produksi gas hidrogen

Gas H₂S yang terdapat di dalam gas bio merupakan racun bagi katalis, sehingga perlu dilakukan pengurangan kadar gas H₂S. Adsorber H₂S yang menggunakan Zinc Oxide (ZnO) sebagai adsorban dapat mengurangi kadar sulfur hingga ± 0,2 ppm. H₂S akan di adsorpsi melalui sebuah reaksi. Reaksi yang terjadi adalah eksotermis, tetapi karena panas yang dihasilkan sedikit, sehingga panas tersebut dapat diabaikan. Reaksi yang terjadi pada sulfur adsorber yaitu :

Zn + H₂S à ZnS + H₂O

Produk gas hasil reaksi didalam Adsorber kemudian dialirkan ke dalam Reformer , dimana jenis Reformer yang digunakan pada proses ini adalah Fixed bed multi tube reactor. Di dalam Reformer, gas tersebut dikontakkan dengan CeO₂ yang merupakan autokatalis untuk mengkonversi CH₄ menjadi H₂ dan CO dengan rasio 2:1. Pada unit ini, reaksi yang terjadi adalah:

CeO₂ + 0,5 CH₄ à CeO _1,5 + 0,5 CO + H₂

2CeO₂ + CH₄ à 2 CeO _1,5 +CO + 2H₂

Pada reformer tidak hanya terjadi reaksi pembentukan H₂ tetapi juga terjadi regenerasi dari katalis CeO_1,5 pada kondisi operasi yang sama. Reaksi yang terjadi,yaitu :

2 CeO _1,5 +CO₂ à 2CeO₂ + CO

Produk dari Reformer yang berupa gas H₂, CO, O₂, N₂, H₂S dan CH₄ sisa dimasukkan ke dalam membran CH₄ yang sebelumnya didinginkan. Membran CH₄ digunakan untuk memisahkan gas CH₄ dengan gas lainnya. Hal ini dilakukan untuk memanfaatkan gas CH₄ sebagai bahan bakar.  Untuk selanjutnya gas campuran (H₂, CO, O₂, N₂, H₂S dan CH₄ sisa) keluaran membran CH₄ akan di campurkan dengan steam di dalam reaktor HTM (Hydrogen Transport Membrane) untuk mereaksikan CO dengan H₂O pada suhu 400 ^oC dan tekanan 150 psi. Dengan reaksi sebagai berikut :

CO + H₂O à CO₂ + H₂

Didalam reaktor HTM terdapat membran hidrogen yang dapat langsung memisahkan produk H₂ yang dihasilkan dari Reformer dan reaktor HTM. Hidrogen yang dihasilkan setelah didinginkan, kemudian di salurkan ke pengguna (user).

Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar dan sebagai sumber energy alternatif untuk penggerak generator pembangkit tenaga listrik serta menghasilkan energi panas. Pembakaran 1 kaki kubik (0,028 meter kubik) biogas menghasilkan energy panas sebesar 10 Btu (2,25 kcal) yang setara dengan 6 kWh/m3 energi listrik atau 0,61 L bensin, 0,58 L minyak tanah, 0,55 L diesel, 0,45 L LPG  (Natural Gas), 1,50 Kg kayu bakar, 0,79 L bioethanol.

C. Pembuatan Kompos dari Sampah Organik

Kompos didefinisikan sejenis pupuk organik, dimana kandungan unsur N, P dan K yang tidak terlalu tinggi , hal ini membedakan kompos dengan pupuk buatan. Kompos sangat banyak mengandung unsur hara mikro yang berfungsi membantu memperbaiki struktur tanah dengan meningkatkan porositas tanah sehingga tanah menjadi gembur dan lebih mampu menyimpan air (Tchobanoglous et al.,1993). Cara atau metoda untuk membuat kompos adalah proses composting.

Proses composting adalah proses biologi yang mendekomposisi sampah (terutama sampah organik  basah) menjadi kompos karena adanya interaksi kompleks dari organisme yang terdapat secara alami. Sampah yang dapat dikomposkan  adalah sayuran, buah, daging, ikan, nasi, ampas perasan kelapa,  dan potongan rumput /daun/ ranting dari kebun.

Gambar 3. Sampah yang dapat dikomposkan

  

-          Pembuatan kompos secara sederhana

a.       Pembuatan starter

Nasi (baru maupun basi) dibentuk bulat sebesar bola ping-pong sebanyak   4 buah. Diamkan selama tiga hari sampai keluar jamur yang berwarna kuning, jingga, dan abu-abu. Bola nasi jamuran kemudian dimasukkan ke dalam botol/wadah plastik. Tuang air satu gayung yang sudah dicampur gula sebanyak empat sendok makan ke dalam botol/wadah yang berisi nasi jamuran. Diamkan selama satu minggu. Campuran nasi dan air gula tersebut akan berbau asam seperti tape.Starter sudah bisa digunakan untuk membuat kompos, dengan cara dicampur air. Perbandingan stater dengan air  sebesar 1: 5

b.      Pembuatan kompos

1. Memasukkan sekam kedalam suatu wadah dan tempatkan pada bagian bawah keranjang, berfungsi untuk menyerap air, mengurangi bau dan mengontrol udara agar mikroba berkembang dengan baik.

2. Memasukkan kardus bekas kedalam keranjang di atas bantalan sekam
3. Mengisi wadah mikroorganisme pengurai sebagai aktivator /Stater/EM4 (effective             microorganism)

4. Memasukkan bahan yang akan dikomposkan yang sebelumnya harus dipotong kecil-kecil ukuran 2 cm x 2 cm. Bila sampah berupa sisa nasi atau sampah lain yang berkuah, tiriskan terlebih dahulu. Jika terlalu basah, tambahkan sekam atau serbuk kayu gergajian. Aduk-aduk setiap selesai memasukkan bahan yang dikomposkan.
Agar kompos beraroma jeruk, anda bisa menambahkan kulit jeruk ke dalam keranjang.

5. Memastikan proses pengomposan berjalan, letakkan tangan kita 2 cm dari kompos. Bila terasa hangat, dapat dipastikan proses pengomposan bekerja dengan baik. Jika tidak, percikkan sedikit air u/ memicu mikroorganisme bekerja.
Lakukan kegiatan tersebut berulang-ulang selama 40 – 60 hari.  Bahan yang telah menjadi kompos akan berwarna hitam, tidak berbau dan tidak becek.

                                                                                  (Takakura, 2011)

Gambar.4  Kegiatan pengomposan & tumpukan kompos

 DAFTAR PUSTAKA

Anonim, Studi Biokonversi Sampah Organik Biogas  http://www.fnr server.de/  cms35/ Biogas.399.0.html. diakses 10 maret 2015

Sutariningsih Soetarto,E. 2002. Penggunaan Mikroorganisme sebagai Agensia Bioremedasi, Sanitasi dan Perombak Limbah. Makalah seminar sosialisasi Fakultas Biologi UGM ke beberapa SMU di Surakarta. Surakarta, 3 Agustus 2002

Sulistyo Putro,H.,.2003 Menuai Biogas dari Limbah. http://www.pikiran-rakyat.com/cetak/2005/0405/07/ cakrawala/penelitian03.htm diakses 10 maret 2015

Sa’id, E.G. 2006. Bioindustri: Penerapan Teknologi Fermentasi. Jakarta: PT Mediyatama Sarana Perkasa

United Nations. 1996. ”Guidebook On Biogas Development”. Economic and Social Commission for Asia and The Pacific. Bangkok, Thailand Miller,1977