Anaerobic Digester
1.1 Latar Belakang
Biogas pertama kali digunakan untuk
memanaskan air mandi di Asyur selama abad ke-10 SM th dan kemudian
di Persia pada abad ke-16. Pada abad ke-17, Jan Van Helmont Baptita menemukan
bahwa bahan organik yang membusuk menghasilkan gas yang mudah terbakar. Pada
tahun 1776, Count Alessandro Volta memutuskan bahwa ada hubungan langsung
antara seberapa banyak bahan organik yang digunakan dan berapa banyak gas yang
dihasilkan materi. Pada 1808, Sir Humphry Davy menyatakan bahwa metana hadir
dalam gas yang dihasilkan oleh kotoran ternak.
Digester anaerobik pertama dibangun oleh
koloni penderita kusta di Bombay, India pada tahun 1859. Pada tahun 1895 teknologi ini dikembangkan di Exeter, Inggris , di mana septic tank digunakan untuk menghasilkan gas
untuk penerangan jalan. Juga di Inggris, Pada tahun 1904 tangki tujuan pertama
ganda untuk kedua sedimentasi lumpur
dan pengobatan telah terinstal di Hampton. Pada tahun 1907, di Jerman , paten dikeluarkan untuk tangki Imhoff
Pada tahun 1930-an, orang mulai mengenal
Digester anaerobik sebagai ilmu, dan penelitian dilakukan yang mengarah pada
penemuan bakteri anaerobik dan yang menyebabkan lebih banyak penelitian ke
dalam kondisi yang dibutuhkan untuk tumbuh bakteri metana. Karya ini lebih
lanjut dikembangkan selama Perang Dunia II di mana di Jerman dan Prancis ada
peningkatan penggunaan pupuk.
1.2 Pengertian
Pencernaan anaerobik atau anaerobik
digester didefinisikan sebagai proses biologis di mana bahan organik oleh
mikroorganisme anaerobik terurai dalam ketiadaan oksigen terlarut (kondisi
anaerob). Mikroorganisme anaerobik mencerna bahan masukan organik yang diubah
melalui degradasi anaerobik menjadi bentuk yang lebih stabil, sementara gas
campuran energi tinggi (biogas) yang terutama terdiri dari metana (CH 4)
dan karbon dioksida (CO 2), yang dihasilkan. Biogas dikumpulkan dan
dimanfaatkan sebagai sumber energi,
Hampir semua bahan organik dapat
diproses dengan AD, termasuk kertas limbah dan
kardus, rumput, sisa-sisa makanan,
limbah industri, limbah dan kotoran hewan.
1.3
Bahan
Baku Anaerobic Digester
Hal yang paling penting
ketika mempertimbangkan penerapan sistem pencernaan anaerobik adalah bahan baku
untuk proses. Bahan mencakup substrat yang dapat dikonversi menjadi metana oleh
bakteri anaerob. anaerobik biasanya dapat menerima bahan biodegradable, tetapi
tingkat biodegradabilitas adalah faktor kunci untuk aplikasi yang sukses. Komposisi
substrat merupakan faktor utama dalam menentukan hasil metana dan tingkat
produksi metana dari pencernaan biomassa. Teknik yang tersedia untuk menentukan
karakteristik komposisi dari bahan baku, sementara parameter seperti padatan,
analisis elemental dan organik yang penting untuk desain digester dan operasi.
Pertimbangan kedua terkait
dengan bahan baku adalah kadar air nya. Kandungan kelembaban bahan baku juga
akan mempengaruhi jenis sistem diterapkan untuk pengolahannya. Kemudian pertimbangan
lain dalam pencernaan anaerobik adalah rasio C / N dari substrat awal yang
mengalami dekomposisi anaerobik. Rasio C / N merupakan hubungan antara jumlah
karbon dan nitrogen hadir dalam bahan organik dan merupakan keseimbangan
makanan mikroba yang dibutuhkan mikroba untuk tumbuh. Rasio C / N optimum dalam digester anaerobik adalah
antara 20-30 (Verma, 2002). Rasio C / N yang tinggi merupakan indikasi dari
konsumsi yang cepat dari nitrogen oleh metanogen dan hasil dalam produksi gas
yang lebih rendah. Di sisi lain, rasio C / N yang lebih rendah menyebabkan
akumulasi amonia dan nilai pH melebihi 8,5, yang merupakan racun bagi bakteri
methanogenic (Verma, 2002).
Tingkat kontaminasi bahan
baku limbah padat juga menjadi parameter. Jika bahan baku yang masuk ke digester
mengandung sejumlah besar kontaminan seperti plastik, kaca atau logam, maka
digester tidak akan berfungsi secara efisien .
Pada prinsipnya, bahan organik dapat diolah
adalah sebagai berikut :
- Limbah padat organik perkotaan
- limbah dari pasar pusat (misalnya buah, sayuran dan
bunga residual)
- limbah jagal (kotoran perut)
- residu dari industri pengolahan ikan
- sisa makanan dari hotel, restoran, dan kantin
- pemutihan tanah
- pergeseran bahan seperti rumput laut atau alga
- limbah pertanian
- pupuk
- limbah lumpur.
Namun, metode treatment
untuk setiap aliran limbah mungkin tergantung pada tingkat kelembaban yang
ditunjukkan pada Gambar 1, karena kompos ini banyak digunakan untuk limbah yang
mengandung jumlah tinggi bahan kering, sedangkan pencernaan anaerob ternyata
menjadi alternatif yang baik untuk mengolah sampah organic basah.
Gambar 1: Kesesuaian
limbah untuk kompos aerobik dan anaerobic digestion (Kern et al., 1996)
1.4 Proses
Biologi Anaerobic Digester
Pencernaan anaerobik merupakan
proses alami pembusukan dan peluruhan,
dimana bahan organik dipecah menjadi komponen sederhana yang bahan-bahan
kimia di bawah kondisi anaerobik.
Mikroorganisme anaerobik mencerna bahan organik, di ketiadaan oksigen untuk menghasilkan karbon metana
dan karbon sebagai produk akhir di bawah yang ideal
Ada empat tahapan biologis dan kimia kunci pencernaan
anaerobik:
- Yang pertama adalah reaksi kimia dari hidrolisis , dimana molekul-molekul
organik kompleks yang dipecah menjadi gula sederhana , asam amino , dan asam lemak dengan penambahan gugus
hidroksil.
- Tahap kedua adalah proses biologis acidogenesis mana gangguan lebih lanjut
dengan acidogens menjadi molekul sederhana, asam lemak
volatil
(VFAs) terjadi, memproduksi amonia , karbon dioksida dan hidrogen
sulfida
sebagai produk sampingan.
- Tahap ketiga adalah proses biologis acetogenesis dimana molekul sederhana
dari acidogenesis lebih lanjut dicerna oleh acetogens untuk menghasilkan karbon
dioksida, hidrogen dan terutama asam asetat .
- Tahap keempat adalah proses biologis metanogenesis mana metana , karbon dioksida dan air
yang diproduksi oleh metanogen.
Sebuah persamaan kimia disederhanakan generik dari
keseluruhan proses adalah sebagai berikut: C 6 H 12 O 6
→ 3CO 2 + 3CH 4
1.5 Kondisi dan Variabel yang
mempengaruhi Anaerobic Digester
Ada
beberapa kondisi dan variabel yang harus diperhatikan sehingga dapat meningkatkan aktivitas mikroba dan dengan
demikian dapat meningkatkan efisiensi
dari anaerobic digester.
Suhu
Pencernaan anaerobik dapat
terjadi dalam dua rentang suhu utama:
- Kondisi mesofilik, antara
20-45 ° C, biasanya 35 ° C
- Kondisi termofilik,
antara 50-65 ° C, biasanya 55 ° C.
Suhu optimum pencernaan
dapat bervariasi tergantung pada komposisi bahan baku dan jenis digester, tetapi dalam proses AD
kebanyakan harus konstan untuk
mempertahankan tingkat produksi gas. Digester
termofilik lebih efisien dalam hal waktu retensi, loading rate dan jumlah produksi gas, tapi membutuhkan masukan
panas yang lebih tinggi dan memiliki sensitivitas yang lebih besar .
Sterilisasi limbah ini juga
terkait dengan suhu. Semakin tinggi itu adalah lebih efektif
dalam menghilangkan patogen, virus dan bibit
Waktu
retensi
Waktu retensi adalah waktu
yang diperlukan untuk mencapai degradasi optimum bahan organik. Waktu retensi bervariasi sesuai dengan parameter
proses, seperti proses suhu dan komposisi limbah. Waktu retensi
untuk limbah dilakukan dengan mesofilik digester
berkisar dari 15 sampai 30 hari dan 12-14 hari untuk termofilik digester
Karbon
: Nitrogen (C: N)
Hubungan antara jumlah yang
karbon dan nitrogen di bahan organik diwakili
oleh C: N. Rasio optimum C:N dalam digester anaerob antara 20 dan 30. Rasio C: N yang rendah menyebabkan amonia terakumulasi
dan nilai pH melebihi 8,5, yang bersifat racun terhadap bakteri methanogenic.
pH
Nilai pH optimal untuk
tahap acidogenesis dan metanogenesis berbeda. PH rendah dapat menghambat acidogenesis dan pH
di bawah 6,4 bisa menjadi racun untuk bakteri pembentuk metana (kisaran optimal
untuk metanogenesis adalah antara 6,6 dan 7). kisaran
pH optimal untuk semua adalah antara 6,4 dan 7,2 .
Pencampuran
Pencampuran, dalam
digester, meningkatkan kontak antara mikro-organisme dan substrat dan meningkatkan kemampuan
populasi bakteri untuk memperoleh nutrisi. Percampuran juga mencegah pembentukan buih dan
pengembangan gradien temperatur dalam digester.
Namun pencampuran yang berlebihan dapat mengganggu mikro-organisme dan oleh karena
itu Pencampuran lambat lebih disukai.
1.6 Jenis Anaerobic Digester
Meskipun ada berbagai jenis digester yang
dapat digunakan untuk pertanian, industri, dan limbah pengolahan air limbah
fasilitas, digester dapat dikelompokkan berdasarkan kemampuan mereka untuk
memproses jenis limbah cair atau padat (Tabel 1).
Tabel 1: Jenis Anaerobik Digester
Jenis limbah
|
Limbah cair
|
Bubur limbah
|
Semi-padat limbah
|
Sesuai digester
|
Laguna tertutup digester
/ upflow anaerobik lumpur selimut / Film Tetap
|
Lengkap campuran digester
|
Plug aliran digester
|
Deskripsi
|
Laguna tertutup atau
digester lumpur selimut jenis digunakan dengan limbah yang dibuang ke air.
Dekomposisi limbah dalam air secara alami menciptakan lingkungan anaerobik.
|
Digester campuran menyelesaikan
pekerjaan terbaik dengan pupuk kandang atau limbah bubur yang setengah cair
(umumnya, ketika komposisi limbah padat adalah kurang dari 10 persen). Limbah
ini disimpan dalam tangki dipanaskan dan dicampur secara berkala. Biogas yang
dihasilkan tetap dalam tangki sampai menggunakan atau pembakaran.
|
Plug digester aliran
digunakan untuk pupuk kandang atau limbah padat (umumnya, saat ini komposisi
limbah padatan adalah 11 persen atau lebih besar). Limbah yang disimpan dalam
tangki, panjang dipanaskan yang biasanya terletak di bawah tanah. Biogas
tetap dalam tangki sampai menggunakan atau pembakaran.
|
1.7 Aplikasi
Digester anaerobik ini terutama cocok
untuk bahan organik dan umumnya digunakan untuk limbah dan pengolahan limbah
dan untuk mengelola kotoran hewan.
Pencernaan anaerobik merupakan proses sederhana yang dapat sangat mengurangi
jumlah materi organik. pencernaan anaerobik merupakan proses sederhana yang
dapat mengurangi jumlah materi organik,
yang jtidak mungkin ditakdirkan untuk dibuang di laut,
landfill atau dibakar dalam
insinerator .
Hampir semua bahan organik dapat diproses dengan
pencernaan anaerobik. Hal ini meliputi bahan limbah biodegradable seperti
kertas sampah, potongan rumput, sisa makanan, kotoran, dan kotoran hewan.
Di negara berkembang, rumah sederhana dan peternakan
berbasis sistem pencernaan anaerobik menawarkan potensi untuk hemat energi, biaya
yang rendah untuk memasak dan penerangan. Digester anaerobik telah diakui oleh
PBB Program Pembangunan sebagai salah satu sumber yang paling berguna dalam
pasokan energi. Sejak tahun 1975, pemerintah Cina dan India memiliki biogas
kecil untuk digunakan di rumah tangga untuk memasak dan pencahayaan. Pada saat
ini, proyek untuk pencernaan anaerobik di negara berkembang dapat memperoleh
dukungan finansial melalui
PBB dengan Mekanisme Pembangunan Bersih jika mereka mampu menunjukkan bahwa
mereka bersedia mengurangi emisi karbon.
Tekanan dari lingkungan terkait
undang-undang pada metode pembuangan limbah padat di
negara-negara
maju telah
meningkatkan penerapan pencernaan anaerobik sebagai proses untuk mengurangi
volume limbah dan menghasilkan produk berguna
Penggunaan teknologi pencernaan anaerobik dapat membantu
mengurangi emisi gas rumah kaca dalam sejumlah cara:
- Penggantian bahan bakar fosil
- Mengurangi emisi metana dari tempat pembuangan
sampah
- Menggantikan pupuk kimia diproduksi industri
- Mengurangi kendaraan
- Mengurangi listrik grid transportasi kerugian
Metana dan listrik yang dihasilkan di fasilitas
pencernaan anaerobik dapat dimanfaatkan untuk menggantikan energi yang berasal
dari bahan bakar fosil, dan dengan demikian dapat mengurangi emisi gas rumah
kaca.
Di negara-negara yang mengumpulkan limbah rumah tangga,
pemanfaatan fasilitas pencernaan anaerobik lokal dapat membantu mengurangi
jumlah sampah yang memerlukan pengangkutan ke lokasi TPA terpusat atau
fasilitas insinerasi. Hal ini dapat membantu
mengurangi emisi yang berasal dari kendaraan pengangkut..
1.8 Energi
AD menghasilkan biogas terdiri dari sekitar
60 persen metana dan 40 persen karbon dioksida
(CO 2 ). Hal ini dapat dibakar untuk menghasilkan panas atau listrik atau dapat
digunakan sebagai bahan bakar kendaraan.
1.9 Produk
Ada tiga produk
utama dari pencernaan anaerobik:. Biogas, digestate dan air
Biogas
Biogas adalah campuran gas yang terdiri dari sebagian
besar metana dan karbon dioksida,tetapi juga mengandung sejumlah kecil
hidrogen dan
hidrogen sulfida . Metana dalam biogas dapat dibakar untuk menghasilkan
listrik, biasanya dengan
mesin reciprocating atau
microturbine
Karena gas tidak dibuang langsung ke atmosfer sehingga tidak memberikan
kontribusi untuk meningkatkan konsentrasi karbon dioksida atmosfer, karena itu
dianggap menjadi sumber energi yang ramah lingkungan.
Digestate
Anaerobik Digester menghasilkan
residu padat dan cair yang disebut digestate yang dapat digunakan sebagai vitamin tanah. Jumlah biogas
dan kualitas digestates yang diperoleh
akan bervariasi sesuai dengan bahan baku yang digunakan. Lebih banyak gas akan
diproduksi jika bahan baku adalah mudah membusuk.
acidogenic
digestate adalah
bahan organik yang stabil sebagian besar terdiri dari
lignin dan
kitin , tetapi juga dari berbagai komponen
mineral dalam matriks sel-sel bakteri mati.
Liquor; methanogenic digestate
methanogenic digestate yang kaya nutrisi dan dapat
digunakan sebagai
pupuk tergantung pada kualitas bahan yang
sedang dicerna. Tingkat unsur berpotensi toksik (PTEs) harus dinilai secara
kimia. Ini akan tergantung pada kualitas bahan baku asli.
Air Limbah
Hasil akhir dari sistem pencernaan anaerobik adalah air.
Air ini berasal baik dari kandungan air limbah asli yang diolah tetapi juga
mencakup air yang dihasilkan selama reaksi mikroba dalam sistem pencernaan. Air
ini dapat dilepaskan dari dewatering dari digestate atau mungkin. Ini biasanya
akan berisi BOD dan COD yang tinggi yang akan memerlukan pengolahan lebih
lanjut sebelum dilepaskan ke saluran pembuangan air.
1.9 Contoh – Contoh penggunaan Anaerobik digester