BAB

METODOLOGI PENELITIAN3.1 Umum

Penelitian ini dilakukan untuk menguji pembentukan biogas dari proses

penguraian bahan isian yang berupa substrat sampah organik secara anaerob

dengan dua perlakuan, yaitu tanpa dan dengan penambahan ko-substrat limbah isi

rumen sapi. Penelitian dilakukan secara batch skala laboratorium, dengan

mempertimbangkan rentang kondisi ideal (rasio C/N dan kadar air) yang

disyaratkan untuk pembentukan biogas berdasarkan literatur.

3.2 Waktu dan Lokasi Penelitian

Penelitian mengenai hal-hal yang berkaitan dengan proses pembentukan biogas

dari bahan buangan organik telah dimulai sejak bulan Mei pada tahun 2011.

Penelitian uji pembentukan biogas baru dilaksanakan pada akhir bulan Juli hingga

akhir bulan Agustus tahun 2011, di Ruang Penelitian Jurusan Teknik Lingkungan

Fakultas Teknik Universitas Andalas, Padang.

3.3 Tahapan Penelitian

Tahapan penelitian meliputi studi literatur, persiapan alat dan bahan, uji

pendahuluan yang meliputi rasio C/N dan kadar air substrat dan ko-substrat,

penentuan kondisi bahan isian dan penentuan komposisi biogas yang dihasilkan.

Berdasarkan hasil uji pendahuluan, ditentukan jumlah substrat, ko-substrat dan air

yang akan digunakan sebagai bahan isian. Sebelum bahan isian dimasukkan ke

dalam digester, dilakukan penentuan rasio C/N dan kadar air bahan isian terlebih

dahulu (kondisi awal). Selama bahan isian berada di dalam digester, dilakukan

pemantauan yang meliputi pH, temperatur dan ketinggian drum pengumpul biogas

yang terbentuk. Selanjutnya dilakukan uji kuantitatif dan kualitatif biogas untuk

mengetahui komposisi biogas yang dihasilkan. Setelah 30 hari, dilakukan

pengujian rasio C/N dan kadar air dari residu proses pembentukan biogas dan

membandingkannya dengan kondisi awal bahan isian. Hasil penelitian ini

III

kemudian dianalisis dan dilanjutkan dengan pembahasan. Tahapan penelitian

dapat dilihat pada diagram alir pada Gambar 3.1.

.

Gambar 3.1 Diagram Alir Tahapan Penelitian

III-2

MulaiMulai

Studi LiteraturStudi Literatur

Persiapan alat dan bahan:a. Drum aluminium 50 liter sebanyak 4 unit sebagai digester; b. Drum aluminium 30 liter sebanyak 4 unit sebagai penampung gas;c. Drum besi 95 liter sebanyak 4 unit untuk rangkaian floating drum;d. Alat penyalur gas berupa pipa PVC, kran, selang dan aksesoris pipa;e. Peralatan pemantau berupa termometer, kertas pH dan meteran;f. Peralatan uji laboratorium;g. Alat pencacah sampah;h. Bahan isian (substrat sampah organik dan ko-substrat limbah isi rumen sapi).

Uji pendahuluan:Rasio C/NKadar Air

Uji pendahuluan:Rasio C/NKadar Air

Pembuatan biogas dengan bahan isian:Digester kontrol (substrat sampah organik + air)Digester uji (substrat sampah organik + ko-substrat limbah isi rumen sapi + air)

Pemantauan: Temperatur, pH dan kenaikan drum pengumpul gas

Pembuatan biogas dengan bahan isian:Digester kontrol (substrat sampah organik + air)Digester uji (substrat sampah organik + ko-substrat limbah isi rumen sapi + air)

Pemantauan: Temperatur, pH dan kenaikan drum pengumpul gas

Penentuan komposisi biogas (CH4 dan CO2):Uji KuantitatifUji Kualitatif

Penentuan komposisi biogas (CH4 dan CO2):Uji KuantitatifUji Kualitatif

Analisis dan Pembahasan

SelesaiSelesai

Penentuan jumlah substrat, ko-substrat dan airPenentuan jumlah substrat, ko-substrat dan air

Penentuan kondisi awal bahan isian: Rasio C/N dan kadar airPenentuan kondisi awal bahan isian: Rasio C/N dan kadar air

Penentuan kondisi akhir bahan isian (setelah 30 hari): Rasio C/N dan kadar airPenentuan kondisi akhir bahan isian (setelah 30 hari): Rasio C/N dan kadar air

3.3.1 Studi Literatur

Studi literatur dilakukan untuk memberikan informasi dan teori yang berkaitan

dengan penelitian. Studi literatur pada laporan ini mengkaji tentang permasalahan

sampah, biogas, sejarah dan perkembangan biogas, substrat dan ko-substrat,

reaksi biokimia, bakteri yang berperan dalam pembentukan biogas, parameter

proses pembentukan biogas, teknik proses, pengukuran volume dan komposisi

biogas, penggunaan biogas dan residu, serta penelitian terkait penggunaan sampah

dan limbah isi rumen sapi dalam pembentukan biogas.

3.3.2 Persiapan Alat dan Bahan

3.3.2.1 Persiapan Alat

Hal-hal yang harus diperhatikan untuk melakukan uji pembentukan biogas ini

adalah persiapan pemilihan, perancangan, pemasangan serta pengkondisian

digester. Digester yang digunakan dalam penelitian ini merupakan hasil

modifikasi rancangan Mayasari, dkk (2010) dengan tipe floating drum.

Pertimbangan pemilihan tipe floating drum ini adalah untuk memudahkan

perhitungan volume gas setiap hari yang terbentuk selama proses fermentasi.

Rangkaian digester yang digunakan dalam penelitian ini sebanyak 4 unit, terdiri

dari 2 unit rangkaian digester uji dan 2 unit rangkaian digester kontrol. Rangkaian

alat yang berjumlah 2 unit untuk masing-masing digester kontrol dan uji (duplo)

bertujuan agar percobaan yang dilakukan dapat menghasilkan data yang akurat.

Gambar rangkaian alat digester floating drum dapat dilihat pada Gambar 3.2.

III-3

Gambar 3.2 Perencanaan Digester

Alat-alat yang digunakan dalam rangkaian peralatan ini sebagai berikut:

a. Drum aluminium volume 50 liter sebanyak 4 unit sebagai digester;

b. Drum aluminium volume 30 liter sebanyak 4 unit sebagai pengumpul gas;

c. Drum besi volume 95 liter sebanyak 4 unit untuk rangkaian floating drum;

d. Kran sebanyak 12 unit;

e. Selang HDPE panjang ± 2 m sebagai penyalur gas.

Rangkaian alat floating drum terbuat dari bahan aluminium dengan alasan sebagai

berikut:

a. Anti korosif;

b. Tidak mudah terbakar (non flammable);

c. Mudah dimodifikasi;

d. Mudah didapatkan.

Peralatan pendukung penelitian meliputi:

a. Alat pencacah sampah, digunakan untuk memperkecil ukuran sampah.

Proses pencacahan sampah dilakukan di LPA Air Dingin Kota Padang;

III-4

Drum pengumpul biogas

Drum pencerna (digester)

Gambar 3.3 Alat Pencacah Sampah

b. Oven, digunakan untuk memanaskan sampah organik dan limbah isi

rumen sapi guna mengetahui kadar air sampah organik yang akan dijadikan

biogas;

Gambar 3.4 Oven

c. Neraca analitik digunakan untuk menimbang berat sampah organik dan

limbah isi rumen sapi;

Gambar 3.5 Neraca Analitik

d. Termometer, digunakan untuk mengetahui temperatur di dalam

digester selama proses pembentukan biogas;

Gambar 3.6 Termometer

e. Kertas pH, digunakan untuk mengetahui pH bahan isian selama proses

pembentukan biogas;

III-5

Gambar 3.7 Kertas pH

f. Meteran, digunakan untuk mengukur kenaikan drum pengumpul

biogas yang dihitung sebagai volume biogas.

Gambar 3.8 Meteran

3.3.2.2 Persiapan Bahan

Bahan isian yang digunakan yaitu substrat sampah organik Pasar Raya Kota

Padang, ko-substrat limbah isi rumen sapi dan air. Pengambilan sampah organik

dilakukan pada pagi hari sebanyak 100 liter dengan satu kali pengambilan

dikarenakan komposisi sampah organik pasar tersebut cenderung sama dari hari

ke hari. Pengambilan isi rumen sapi dilakukan pada subuh hari sebanyak 20 liter

di tempat pemotongan hewan yang berlokasi di Bandar Buat, Padang. Air yang

digunakan pada penelitian ini berasal dari Jurusan Teknik Lingkungan Fakultas

Teknik Universitas Andalas, Padang.

Sampah organik, limbah isi rumen sapi dan air disiapkan sebagai bahan isian

pembuatan biogas dengan prosedur sebagai berikut:

a. Memilah sampah organik (sampah yang digunakan sebagai substrat pada

penelitian ini berupa sampah sayur-sayuran dan buah-buahan);

b. Mencacah sampah sayur dan buah;

c. Membuat bahan isian digester kontrol, yaitu dengan mencampurkan substrat

sampah organik dan air;

III-6

d. Membuat bahan isian digester uji, yaitu dengan mencampurkan substrat

sampah organik dengan ko-substrat limbah isi rumen sapi dan air;

e. Mengaduk bahan isian untuk masing-masing digester sampai merata;

f. Memasukkan bahan isian yang telah diaduk ke dalam digester;

g. Menambahkan starter EM-4 sebanyak 7 ml/digester. Penggunaan EM-4

sebagai starter bertujuan untuk mempercepat tercapainya tahap hidrolisis dan

mempercepat proses penguraian bahan isian.

Bahan isian yang dimasukkan ke dalam digester direncanakan akan memenuhi 2/3

bagian dari volume digester, yaitu ±30 liter. Dengan demikian, pada digester akan

terdapat ruang sebesar ±20 liter untuk keperluan pengadukan yang merata selama

30 hari pengujian pembentukan biogas.

3.3.3 Uji Pendahuluan

Uji pendahuluan meliputi penentuan rasio C/N dan kadar air substrat sampah

organik dan ko-substrat limbah isi rumen sapi. Hasil uji pendahuluan digunakan

untuk menentukan perbandingan jumlah substrat, ko-substrat dan air yang

digunakan sebagai bahan isian pembentukan biogas. Uji pendahuluan terhadap

substrat dan ko-substrat dilaksanakan di Laboratorium Air Jurusan Teknik

Lingkungan Fakultas Teknik Universitas Andalas, Padang.

3.3.3.1 Rasio C/N

Penentuan rasio C/N substrat dan ko-substrat dilakukan secara terpisah. Prosedur

penentuan C dan N selengkapnya ditunjukkan pada Lampiran A dan Lampiran B.

Rasio C/N dihitung untuk sampah organik dan limbah isi rumen sapi sehingga

dapat diketahui jumlah substrat sampah organik dan ko-substrat limbah isi rumen

sapi yang digunakan sebagai bahan isian uji pembentukan biogas. Perlakuan yang

sama juga dilakukan pada digester kontrol yang berisi sampah organik dengan

penambahan air.

3.3.3.2 Kadar Air

Perhitungan kadar air pada uji pendahuluan dilakukan untuk substrat sampah

organik dan limbah isi rumen sapi. Sama halnya dengan rasio C/N, perhitungan

kadar air juga digunakan untuk mengetahui jumlah substrat sampah organik, ko-

substrat limbah isi rumen sapi dan air yang digunakan sebagai bahan isian uji

III-7

pembentukan biogas. Kadar air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

2.8 dan perhitungan kadar kering dengan menggunakan persamaan 2.9.

3.3.4 Penentuan Jumlah Substrat, Ko-substrat dan Air

Setelah mendapatkan nilai rasio C/N dan kadar air masing-masingnya, ditentukan

jumlah substrat dan ko-substrat yang akan digunakan sebagai bahan isian hingga

dapat memenuhi rasio C/N yang disyaratkan untuk pembentukan biogas, yaitu 20-

30 (Fithry, 2010). Jumlah substrat dan ko-substrat dihitung dengan menggunakan

persamaan 2.7.

Hasil dari penentuan kadar air substrat dan ko-substrat digunakan untuk

mengetahui jumlah air yang perlu ditambahkan ke dalam bahan isian.

Penambahan air ke dalam bahan isian bertujuan untuk dapat memenuhi kadar air

yang disyaratkan untuk pembentukan biogas, yaitu 91-93% (Ratnaningsih, 2009).

3.3.5 Penentuan Kondisi Awal Bahan Isian

Sebelum masing-masing bahan isian dimasukkan ke dalam masing-masing

digester, dilakukan penentuan rasio C/N dan kadar air bahan isian terlebih dahulu

(kondisi awal bahan isian). Hal ini bertujuan untuk mengetahui apakah bahan

isian telah memenuhi kondisi yang disyaratkan untuk pembentukan biogas,

ditinjau dari kedua parameter tersebut. Apabila salah satu parameter atau

keduanya belum terpenuhi, maka perlu dilakukan penambahan air, penambahan

ko-substrat atau penambahan substrat.

3.3.6 Pembuatan Biogas

Berdasarkan jenis bahan isian yang digunakan, maka pembuatan biogas pada

penelitian ini dapat dibedakan sebagai berikut:

a. Digester kontrol (substrat + air)

Pembentukan biogas dari digester kontrol yang berisi substrat sampah organik

dan air.

b. Digester uji (substrat + ko-substrat + air)

Pembentukan biogas dari digester uji yang berisi substrat sampah organik

yang ditambahkan dengan ko-substrat limbah isi rumen sapi dan air. Hal ini

dilakukan untuk melihat pengaruh limbah isi rumen sapi sebagai ko-substrat

terhadap pembentukan biogas dari substrat sampah organik.

III-8

Tahapan yang dilakukan setelah bahan isian dimasukkan ke dalam digester

adalah:

a. Membuka kran pengeluaran gas dan menghubungkannya dengan pipa

pemasukan drum pengumpul gas menggunakan selang yang telah disiapkan;

b. Menutup kran pengeluaran gas pada drum pengumpul;

c. Gas yang pertama mulai terbentuk ditandai dengan naiknya aluminium kecil

(floating drum).

Parameter yang diamati adalah:

a. pH selama proses fermentasi anaerob

Pemantauan pH selama proses anaerobik dilakukan dengan mengambil sedikit

sampel bahan isian biogas dari outlet digester lalu diukur dengan

menggunakan kertas pH. Pengukuran pH dilakukan 1 kali dalam 5 hari.

b. Temperatur selama proses fermentasi anaerob

Pemantauan temperatur selama proses anaerob dilakukan 1 kali dalam 5 hari

dengan menggunakan termometer.

c. Level kenaikan pengumpul gas yang diamati setiap hari.

Pemantauan pH dan temperatur ditetapkan dilakukan 1 kali dalam 5 hari, dengan

mempertimbangkan beberapa literatur yang berkaitan dengan penelitian ini, yaitu:

a. Menurut Deublein & Steinhauser (2008), hidrolisis karbohidrat menjadi

monosakarida bisa berlangsung selama beberapa jam, sedangkan penguraian

protein menjadi asam amino dan lemak menjadi asam lemak bisa berlangsung

dalam beberapa hari;

b. Penelitian Wildan (2011) menunjukkan bahwa pembentukan biogas dari

sampah pasar sudah terjadi pada hari ke-3;

c. Penelitian Fithry (2010) menunjukkan bahwa pembentukan biogas tertinggi

dari sampah buah-buahan dengan penambahan cairan rumen sapi terjadi pada

10 hari pertama.

Berdasarkan beberapa literatur di atas, dapat diketahui bahwa pada 10 hari

pertama sudah terjadi pembentukan biogas. Oleh karena itu, ditetapkan waktu

pemantauan 1 kali dalam 5 hari untuk mendapatkan gambaran proses anaerob

yang berlangsung dalam digester dan untuk keperluan analisa pada pengujian

pembentukan biogas ini.

III-9

Pembuatan biogas memerlukan proses pengadukan agar proses dekomposisi

berlangsung optimal. Pengadukan dilakukan dengan cara menggoyangkan

digester sehingga bahan baku biogas yang ada dalam digester dapat teraduk

dengan baik. Proses pengadukan dilakukan setiap hari untuk menghindari

terbentuknya kerak (scum).

Pembentukan biogas direncanakan berlangsung dengan memanfaatkan rentang

temperatur Kota Padang yang berkisar 22-31,7°C, sehingga tidak dilakukan

pemanasan digester ataupun pengkondisian temperatur (Mayasari dkk, 2010).

Rentang temperatur Kota Padang tersebut termasuk rentang temperatur mesophilic

(20-40°C)..Menurut Deublein & Steinhauser (2008), waktu tinggal yang cocok

untuk rentang temperatur mesophilic adalah 30 hari. Oleh karena itu, ditetapkan

waktu tinggal bahan isian di dalam digester adalah 30 hari.

3.3.7 Penentuan Volume dan Komposisi Biogas

3.3.7.1 Penentuan Volume Biogas

Perhitungan volume dilakukan dengan melihat perubahan ketinggian drum

aluminium pengumpul biogas. Volume biogas dihitung dengan menggunakan

rumus volume tabung yaitu mengalikan luas permukaan dengan tinggi kenaikan

drum pengumpul biogas. Pengamatan terhadap volume biogas dilakukan setiap

hari selama 30 hari.

3.3.7.2 Penentuan Komposisi Biogas

Penentuan komposisi biogas dilakukan dengan cara sebagai berikut:

a. Pengukuran komposisi biogas secara kuantitatif

Pengukuran komposisi biogas seharusnya dilakukan dengan menggunakan

alat Gas Chromatography. Namun, karena ketidaktersediaan alat tersebut di

lokasi penelitian, maka pengukuran komposisi biogas menggunakan alternatif

lain yaitu dengan metode absorbsi gas. Gas yang terbentuk ditampung dalam

tangki penampung gas yang terhubung dengan digester. Gas yang telah

terkumpul disalurkan ke absorban CO2 (NaOH) dan absorban CH4 (alkohol)

untuk dihitung komposisinya. Dengan cara ini akan didapatkan komposisi CO2

dan CH4 yang terdapat di dalam biogas.

III-10

Pada penelitian ini, komposisi biogas dihitung sebanyak 2 kali, yaitu pada hari

ke-16 dan hari ke-30. Menurut Sato (2009), untuk mencapai tahap

metanogenesis dengan bahan isian berupa sampah organik diperlukan waktu

10-15 hari. Menurut Damanhuri (1993), secara umum gas CH4 stabil dibentuk

setelah 15 hari inkubasi. Pada tahap metanogenesis inilah gas CH4 akan

diproduksi. Oleh karena itu, penentuan komposisi biogas yang pertama

dilaksanakan pada hari ke-16 dan yang kedua dilaksanakan 14 hari

sesudahnya (hari ke-30).

b. Pengukuran komposisi biogas secara kualitatif

Uji kualitatif terhadap komposisi biogas dilakukan dengan uji nyala.

Pengujian gas yang terbentuk dilakukan dengan cara membuka kran gas agar

gas bisa keluar, lalu dinyalakan. Uji kualitatif dilakukan 2 kali selama

penelitian pada hari yang sama dengan uji kuantitatif gas. Hal ini dilakukan

untuk mengetahui kualitas gas dengan melihat warna nyala api yang

dihasilkan pada saat pembakaran. Jika gas langsung terbakar dan warna api

yang dihasilkan biru, maka gas yang dihasilkan berkualitas baik. Jika biogas

mengandung lebih banyak gas-gas pengotor lainnya maka warna api yang

dihasilkan adalah cenderung kemerah-merahan. Jika nyala api hampir tidak

terlihat (tidak terbakar) menandakan bahwa kandungan metana dalam biogas

yang terbentuk masih sangat sedikit.

3.3.8 Penentuan Kondisi Akhir Bahan Isian (Setelah 30 Hari)

Prosedur yang digunakan untuk menentukan rasio C/N dan kadar air bahan isian

akhir masing-masing digester sama dengan prosedur penentuan rasio C/N dan

kadar air yang telah dilakukan sebelumnya. Rasio C/N dan kadar akhir bahan isian

ini digunakan untuk melihat perubahan kondisi bahan isian setelah dicerna dalam

digester selama 30 hari.

3.3.9 Analisis Data dan Pembahasan

Data yang dianalisis dari proses pembentukan biogas digester kontrol dan digester

uji meliputi kondisi awal dan akhir bahan isian, pH dan temperatur digester,

volume dan komposisi biogas serta warna nyala api yang berasal dari biogas yang

dibakar. Data yang telah didapatkan untuk masing-masing digester kontrol dan uji

III-11

dibandingkan satu sama lainnya untuk meninjau pengaruh penambahan ko-

substrat limbah isi rumen sapi terhadap biogas yang dihasilkan. Selanjutnya

dibuat pembahasan untuk meninjau proses yang terjadi selama pembentukan

biogas pada digester kontrol dan uji serta perbandingan keduanya.

III-12