Anaerobic Digester

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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 .
4. 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 anaerobik digestate

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