Transcript Proses Anaerobik Sampah

Unit Proses
Degradasi Sampah
Karakteristik Sampah Kota
No
Parameter
Sampah Umum*
Sampah Bandung **
1
pH
-
6,27
2
Kelembaban
20 - 40%
64,27%
3
Karbon
20 - 30 %
44,70%
4
Hidrogen
3-5%
-
5
Oksigen
15 - 25 %
-
6
Nitrogen
0,3 - 1 %
1,56%
7
Fosfat
-
0,24%
8
Sulfur
0,05-0,2%
-
9
Chloride
0,1 - 0,5%
-
10
Abu
20-30%
23,09%
11
C/N
20-30
28,78
12
HHV
3.500 - 5.500 Btu/lb
1,197 kkal/kg
*) PD Kebersihan Kotamadya Bandung, 1997
Komposisi Fisik Dan Kelembaban Sampah Kota Bandung
Jenis sampah
Komposis
i*
Kelembaban
(%)**
Sampah basah
63,56
73,4
Kertas
10,42
9,7
Logam
0,85
0,5
Kaca/Pecah belah
1,45
0,4
Tekstil
1,76
1,3
Plastik/karet
9,76
8,6
Lain-lain
12,16
6,1
Degradasi Sampah Kota
• Proses degradasi sampah kota dengan
menggunakan mikroba terbagi dalam dua cara,
yaitu secara aerob (dengan supply udara yang
cukup) dan anaerob (tanpa udara). Pada proses
degradasi secara aerob akan dihasilkan gas
CO2 dengan waktu degradasi yang relatif
singkat, sedangkan pada degradasi secara
anerob disamping dihasilkan gas CO2 juga
dihasilkan gas CH4 dengan waktu degradasi
yang lebih lama
Proses degradasi biologi anaerob sampah
• bahan-bahan organik dikonversi menjadi gas metan dan karbon
dioksida tanpa kehadiran oksigen
• Biogas sekitar 95 sampai 98 persen dari gas yang terbentuk.
• Gas lain yang tersisa terdiri hidrogen sulfida dan hidrogen.
• Bahan organik residunya seringkali mempunyai komposisi dan
karakteristik yang sama dengan bahan organik yang didegradasi.
• Panas yang dibebaskan sebanding dengan perbedaan antara
panas pembakarannya dari semua bahan awalnya dengan jumlah
total panas pembakaran produk hasilnya
• Dalam proses biologi anaerob, konversi
bahan organik ini dilakukan oleh dua
kelompok bakteri utama.
– bakteri pembentuk asam (acid-formers)
– bakteri penghasil metan (methane bacteria)
Fase Proses Degradasi Sampah
SecaraAnaerobik
• Fase I (fase awal)
– fase aerobik
– periode pendek
– terdekomposisi dan menghasilkan gas karbondioksida
• Fase II (fase transisi),
– fase anaerobik tahap pertama
– Aktivitas fermentasi dan bakteri asetogenik menghasilkan asam lemak
volatil, karbondioksida dan gas hidrogen.
– Cairan leachate mengandung asam lemak dengan konsentrasi tinggi,
kalsium, besi, logam berat lain dan amonia.
– hidrolisis dan fermentasi sebagian komponen protein.
– Kandungan nitrogen dalam biogas akan berkurang, karena dihasilkann
gas karbondioksida dan hidrogen.
– Kandungan sulfat yang tinggi akan menurunkan potensial redoks, dan
sulfida dapat mengendapkan logam-logam seperti besi, mangan dan
logam berat lainnya.
•
Fase III (fase pembentukan asam)
– fase anaerobik tahap kedua di mana akan mulai tumbuh bakteri metan secara
perlahan-lahan.
– Konsentrasi metan dalam gas akan bertambah, sementara konsentrasi hidrogen,
karbon dioksida dan asam lemak volatile akan berkurang.
– Konsentrasi sulfat akan berkurang yang dilanjutkan dengan reduksi sulfat.
– Konversi asam lemak akan menyebabkan pH dan alkalinitas meningkat, dan
mengakibatkan menurunnya kelarutan kalsium, besi, mangan dan logam berat,
yang mengendap sebagai sulfida.
– Amonia masih tetap dan tidak dikonversikan dalam lingkungan anaerobik.
•
Fase IV, fase pembentukan metan,
– laju produksi metan akan perlahan-lahan stabil sampai mencapai konsentrasi 5065% volume.
– Tingginya laju pembentukan metan ada hubungannya dengan makin rendahnya
konsentrasi asam lemak volatil dan hidrogen.
•
Fase V (fase maturasi).
– hanya tersisa senyawa karbon yang sukar terdegradasi,
– laju produksi metan akan turun sehingga gas nitrogen dari atmosfir akan mulai
terdifusi kembali.
Perkembangan pembentukan gas dan
leachate di landfill yang sudah ditutup
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi
Proses Degradasi Secara Anaerobik
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
oksigen,
air (kelembaban),
sulfat,
pH,
alkalinitas,
asam volatile,
suhu,
nutrien dan inhibitor
kontak antara substrat dan mikroorganisme,
waktu metabolisme yang cukup,
kebutuhan karbon untuk sintesis,
elektron donor dan elektron akseptor
High Solids Anaerobic Digestion
• proses biologis dimana fermentasi terjadi pada kandungan total
solid lebih besar dari 22 persen atau lebih.
• pengaplikasiannya untuk recovery energi dari kandungan organik
sampah
• Keuntungan utama dari proses high solid anaerobic
– kebutuhan air yang rendah dan tingginya produksi gas per unit volume
dari ukuran reaktor.
– akibat kondisi tingginya kandungan solid, efek dari sejumlah parameter
lingkungan pada populasi mikrobiologi lebih tinggi.
• Sebagai contoh, toksisitas amonia dapat mempengaruhi bakteri
metanogenik dalam menghasilkan metan.
• Pada banyak kasus, toksisitas amonia dapat dicegah dengan penjagaan
rasio C/N pada input.
• Kelemahan utama dari proses ini saat ini adalah pengoperasian
dalam skala penuh yang sangat terbatas.
Potensi biogas
1 . Perhitungan teoritis
• 547 L gas-bio/Kg sampah kering
• 210 L gas-metan/Kg sampah kering
• Bila kandungan kertas tampah banyak, maka angka-angka tersebut
akan tambah tinggi.
• Bila dianggap bahwa seluruh materi volatil dari sampah adalah
terdiri dari selulosa, maka secara teoritis produksi gas metan
maksimum adalah 414,5 liter/Kg-MV, (Buivid.et.al, 1981;Hoeks,
1983; Strensom et.al.1983).
• Schumacher (1983) memberikan nilai 0,04 cuft/lb sampah/tahun.
(0.0025 m3/kg sampah/tahun
• Dengan memasukkan komposisi biopolimer potensi maksimum gas
metan 210 liter/Kg-Materi Solid (MS) Rees (1980), 547 liter/Kg-MS
Pfeefer (1974)
2. Gas-bio dari digestor skala laboratorium : Reaktor kecil
dengan kontrol temperatur 35-37 C
• Diaz : 45 - 295 L biogas/kg MV = 27 - 177 L /kg MS
• Stenstrom : 440 - 560 L biogas/kg MV = 270 - 264 L/kg
MS
• Cooney & Wis = 467 L biogas/kg MV = 280 L/kg MS
• Pada beberapa lisimeter sampah kota, yang
dioperasikan tanpa kontrol temperatur = 2,6 - 183 L/kg
MV
• Pada lisimeter sampah kota yang dioperasikan dengan
resirkulasi lindi = 0,137 L/kg MV/hari = 0,026 L metan/kg
MV/hari
3. Gas-bio dari digestor skala komersial
• Valorga (Perancis) : pilot metanisasi sampah
kota skala industri, dengan kondisi :
–
–
–
–
–
konsentrasi solid 30-40 % (air = 60-70%)
reaktor komersil = 500 m3
prapengolahan : pemilahan dan pemotongan
resirkulasi cairan dari reaktor kembali ke reaktor
diperoleh produksi = 140 L biogas/materi solid
dengan 65 % metan
• Cetom Methane (Perancis) : reaktor anaerobik
skala komersil menghasilkan produksi = 240
L/kg MV dengan konsentrasi metan = 60 %
4. Gas-bio dari landfill secara teoritis
• Dari jumlah gas maksimum yang diperkirakan, maka
hanya seperempat yang dapat dikumpulkan karena
sebagian gas lolos dan karena penguraian yang tidak
sempurna.
• Estimasi Frerote adalah bahwa hanya 20-25 % yang
dapat dimanfaatkan (ditangkap) dengan produksi
taksiran = 30 - 40 L biogas/kg sampah kering
• Taksiran Mouton = 30 - 50 L metan/kg MS
• Perkiraan kasar di landfill (USA) = 20-25 mL/kg MS/hari
5. Gas-bio dari landfill di luar negeri
• Landfill Palas Verde (USA) = 0,030 - 0,056 L/kg volatil sampah /hari
atau sekitar 11,5 - 13 m3/ton sampah/tahun
• Landfill Sheldon Arletta (USA) = 0,022 L/kg volatil sampah/hari
• Landfill Mountain View (USA) = 0,045 L/kg volatil sampah/ hari
• Uji coba di Perancis pada beberapa landfill = 0,064 L/kg sampah
kering/hari
• Pengalaman di Australia, jika gas diproduksi dalam periode waktu
sekitar 20 tahun, menghasilkan gas sebanyak 1 m3/menit atau 60
m3/jam untuk 105 ton sampah
Test Landfill Am Lemberg
o 56-58 % metan dan 42- 44 % CO2
o Gas hampir tersaturasi dengan air yang menyebabkan
kondensasinya bersifat asam (pH 4,3) dan mengandung
garam dan padatan organik
o suhu 33 - 40 oC, ditemukan juga mencapai 50 oC
o Gas yang dihasilkan mencapai 6 L/m2 jam
o Jarak yang dipengaruhi mencapai 50 m dengan tekanan
60 cm kolom air
o Produksi gas harian adalah 0,06-0,015 m3/m3 volume
sampah.
• Taksiran teoritis kalori untuk gas bio
adalah 5500 Kkal/m3 kalor dengan porsi
50 % metan atau 1 M3 gas bio ekuivalen =
– 0,58 liter bensin
– 1,07 liter alkohol
– 0,53 M3 gas asam
– 2,24 Kg kayu bakar
– 5,80 kWH listrik
Model Kinetika Degradasi
•Kinetika Penyisihan Substrat Reaksi orde 1
• Penyisihan substrat mengikuti reaksi orde pertama, dan
dapat diekspresikan dengan persamaan
- dS = kS
dt
di mana
S = konsentrasi substrat yang disisihkan, massa/volume
k = konstanta kecepatan reaksi, waktu-1
• Integrasi persamaan di atas dalam rentang dari t=0 sampai
akhir reaksi memberikan:
-ln (S/So) = kt
di mana:
So = konsentrasi awal dari substrat yang disisihkan
Y = 16,98*100,28t dengan t dalam satuan tahun
Grafik -ln (S/So) terhadap t untuk
Perhitungan k
-ln (S/So)
k
1
t
ln(CH4t)
Grafik penentuan k reaksi orde
pertama Lisimeter 3
y = 0.0522x + 3.4384
10.0000
2
R = 0.9818
ln(CH4t)
5.0000
Linear
(ln(CH4t))
0.0000
0
20
40
60
waktu retensi (hari)
80
Akumulasi
25000
1
y = 3776.5Ln(x) - 5127.9
R2 = 0.9761
2
20000
7
ln (konversi karbon)
15000
10000
1
2
7
5000
0
0
20
40
-5000
hari
60
80
Parameter
Nilai
Satuan
Lisimeter 3
k
Yu
0,05222
1/hari
29,73
mlCH4/kgM
V
Lisimeter 6
k
Yu
0,1064
1/hari
0,23
mlCH4/kgM
V
Model Kinetika Contois Chen Hashimoto
Model ini mempunyai beberapa keuntungan
diantaranya adalah parameter kinetik bervariasi
pada konsentrasi influen dan dapat
dipergunakan untuk substrat yang kompleks
yang pada umumnya dapat menutupi
kekurangan model Monod dan kinetika orde
pertama. Model kinetika Contois dipakai untuk
menggambarkan kinetika produksi CH4
• Laju pertumbuhan bakteri adalah :
S / So


 m K  (1  K )S / S o
• dengan
 = laju pertumbuhan bakteri, per hari
m= laju pertumbuhan bakteri maksimum , per hari
K = konstanta laju pertumbuhan
So = kosentrasi substrat masukan, gram VS atau Corganik per kg sampah dan
S = konsentrasi substrat keluaran, gram VS atau Corganik per kg sampah
• Waktu retensi ( ) adalah

1
m

K (S o  S )
m S
• dan waktu retensi minimum adalah
m 
1
m
• Dengan B adalah volume produksi CH4 per kg Vs atau
C organik yang ditambahkan dan Bo adalah nilai
produksi CH4 pada waktu retensi tak terhingga. Nilai B
tergantung pada waktu retensi ()
K
B  Bo (1 
)
 / m  1  K
• Dengan memplotkan nilai B terhadap 1/ diperoleh
perpotongan garis pada 1/ = 0 atau = yang
merupakan nilai Bo
• Laju produksi CH4 (v ) adalah
v 
Bo S o

K
[1 
]
 m  1  K
• dengan
v = laju produktivitas CH4, L CH4/kg
sampah/hari
• Berdasarkan data karakteristik sampah awal,
serta produksi metan pada setiap periode waktu
degradasi, dapat ditentukan produksi CH4 pada
waktu tak terhingga (Bo) untuk setiap variabel
sampah. Penentuan produksi CH4 pada waktu
tak terhingga (Bo) dilakukan dengan cara
ekstrapolasi menggunakan persamaan regresi
linier antara data produksi CH4 (B) pada setiap
periode waktu degradasi dengan seper-waktu
degradasi (1/) pada saat mencapai steady
state. Pada 1/q=0 atau q =  merupakan nilai
produksi CH4 pada waktu tak terhingga (Bo).
• Dengan mensubstitusikan data Bo dan B pada setiap waktu retensi
pada persamaan diperoleh grafik garis lurus antara retensi (q)
sebagai sumbu y dan B/(Bo-B) sebagai sumbu x. Perpotongan garis
dengan sumbu y (q) merupakan qm dan kemiringan garis adalah
k.m. Laju pertumbuhan bakteri maksimum ( m) adalah 1/m.
• Selain itu dari simulasi statistik juga mendukung hasil yang
diperoleh dari Mc Carty bahwa waktu tercepat terbentuknya metan
adalah dalam waktu 3 hari.
• Hasil penelitian Chowdhury dan Fulford (1992) pada limbah
peternakan, diperoleh konstanta laju Contois (K) 0,217 waktu retensi
minimum (m) 14,2 hari, dan laju pertumbuhan bakteri maksimum
(um) 0,0702 per hari. Laju pertumbuhan bakteri maksimum hasil
penelitian ini mencapai 60% hasil penelitian di atas.
Grafik Penentuan Waktu Retensi Minimum dan
Konstanta Laju Pertumbuhan
Grafik Penentuan Nilai Bo
y = -16404x + 711.32
R2 = 0.9212
60
400
300
CH4 (3)
200
Linear (CH4 (3))
100
0
0.000
0.010
0.020
0.030
1/hari
0.040
0.050
Waktu retensi (hari)
Laju produksi CH4
( ml/kgVolatil/hari)
500
y = 23.2x + 20.576
R2 = 0.8647
50
40
30
Series1
20
Linear (Series1)
10
0
0.0000
0.5000
1.0000
(B/(Bo-B)
1.5000
• Hasil penelitian laboratorium secara batch pada digester
yang diisi sampah kota Kwangju City yang
dipertahankan kelembabannya pada 55% dengan waktu
retensi selama 340 hari, produksi CH4 adalah sekitar 26
L CH4/kg VS dengan komposisi CH4 ratar-rata sekitar
50% (JJ. Lee, 1993).
Step Diffusional Model
Pengolahan anaerobik limbah yang kompleks, seperti
bahan organik sampah, terjadi dengan sejumlah langkah
ketika digester diberikan pada konsidi basis semi
continous (Cecchi. Et al., 1990)
Step ini dapat dilihat jika, setelah pemberian umpan,
produksi biogas diplotkan versus waktu.
Tiga laju pemanfaatan (umpan) yang berbeda dapat
diidentifikasi, setiap satu terhubungan dengan degradasi
dari senyawa yang spesifik.
• perombakan senyawa yang secara langsung
digunakan dengan bakteri metanogen (Grup A)
dS /dt = vo – ko t/2
• Slope dari garis lurus yang menghubungkan
kepada perombakan senyawa dari grup A
adalah ko dan vo adalah maksimum laju
degradasi dari senyawa tersebut
• Selama perombakan senyawa monomer (grup B/C) dan senyawa
polimer (grup D), persamaan yang mewakili adalah
dS /dt = v1 – k1 (t - t1)/2
dS /dt = v2 – k2 (t - t2)/2
• dengan t1 melambangkan waktu yang diperlukan untuk
menyelesaikan langkah pertama dari (degradasi senyawa grup A)
dan t2 adalah waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan tahap ke
dua (degradasi senyawa dari grup B dan C)
• Model ini melibatkan sejumlah konstanta, ko, k1, dan k2 pada satu
sisi dan v0,v1 dan v2 pada sisi yang lain.
• Tiga tahap ini tidak selalu tampak pada setiap proses bergantung
pada umpan.
Tabassaran Model
• kurva produksi gas dapat direpresentasikan
sebagai :
• dCg/(Cc-Cg) = kdt
dimana :
Cg = kandungan karbon yang dkonversi menjadi gas
pada waktu t,
t = waktu retensi
Cc = total kandungan organik yang dapat dikonversi
• Dalam pengembangannya diperoleh :
Cc = Ct(0,14 T + 0,28)
Cc=
Ct =
T=
karbon yang dapat dikonversikan menjadi gas
Total jumlah senwawa karbon pada substat
suhu (Celcius)
Gc = 1,868 x Cc
Gt =
Gc ( 1 – 10-kt)
Gt
=
Produksi gas per satuan sampah (m3/ton)
pada tahun tertentu
t=
waktu dalam tahun
k=
Laju spesifik produksi gas
• nilai ini maka produksi sampah pada umur
t tahun adalah :
Gt = Gc (1-10-kt) dengan laju produksi
biogas spesifik Gt = K x 10- kt
• Gas Yield (m3gas/kgSB –sampah basah)
= 0,63* BDM-0,62