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

Jenis sampah Komposisi*

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

Komposisi Fisik Dan Kelembaban Sampah Kota Bandung

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 50-65% 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 % CO2o 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 oCo Gas yang dihasilkan mencapai 6 L/m2 jam o Jarak yang dipengaruhi mencapai 50 m dengan tekanan

60 cm kolom airo 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

• Penyisihan substrat mengikuti reaksi orde pertama, dan dapat diekspresikan dengan persamaan- dS = kS dt di mana

S = konsentrasi substrat yang disisihkan, massa/volumek = konstanta kecepatan reaksi, waktu-1

• Integrasi persamaan di atas dalam rentang dari t=0 sampai akhir reaksi memberikan:

-ln (S/So) = ktdi mana:

So = konsentrasi awal dari substrat yang disisihkan

•Kinetika Penyisihan Substrat Reaksi orde 1

Y = 16,98*100,28t dengan t dalam satuan tahun

Grafik -ln (S/So) terhadap t untuk Perhitungan k

t

-ln (S/So)

k

1

Grafik penentuan k reaksi orde pertama Lisimeter 3

y = 0.0522x + 3.4384

R2 = 0.9818

0.0000

5.0000

10.0000

0 20 40 60 80

waktu retensi (hari)

ln(C

H4

t)

ln(CH4t)

Linear(ln(CH4t))

Akumulasi

y = 3776.5Ln(x) - 5127.9R2 = 0.9761

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 20 40 60 80

hari

ln (

kon

vers

i kar

bo

n)

1

2

7

1

2

7

Parameter Nilai Satuan

Lisimeter 3

k 0,05222 1/hari

Yu 29,73 mlCH4/kgMV

Lisimeter 6

k 0,1064 1/hari

Yu 0,23 mlCH4/kgMV

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 :

• dengan = laju pertumbuhan bakteri, per harim= laju pertumbuhan bakteri maksimum , per hariK = konstanta laju pertumbuhanSo = kosentrasi substrat masukan, gram VS atau C-

organik per kg sampah danS = konsentrasi substrat keluaran, gram VS atau C-

organik per kg sampah

o

o

m SSKK

SS

/)1(

/

• Waktu retensi ( ) adalah

• dan waktu retensi minimum adalah

S

SSK

m

o

m

)(1

mm

1

• 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 ()

• Dengan memplotkan nilai B terhadap 1/ diperoleh perpotongan garis pada 1/ = 0 atau = yang merupakan nilai Bo

)1/

1(K

KBB

mo

• Laju produksi CH4 (v ) adalah

• dengan

v = laju produktivitas CH4, L CH4/kg sampah/hari

]1

1[K

KSB

m

oov

• 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 Nilai Bo

y = -16404x + 711.32

R2 = 0.9212

0

100

200

300

400

500

0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050

1/hari

Laj

u p

rod

uks

i C

H4

( m

l/kg

Vo

lati

l/h

ari)

CH4 (3)

Linear (CH4 (3))

Grafik Penentuan Waktu Retensi Minimum dan Konstanta Laju Pertumbuhan

y = 23.2x + 20.576

R2 = 0.8647

0

10

20

30

40

50

60

0.0000 0.5000 1.0000 1.5000

(B/(Bo-B)W

aktu

ret

ensi

(h

ari)

Series1

Linear (Series1)

• 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) = kdtdimana :

Cg = kandungan karbon yang dkonversi menjadi gas pada waktu t,

t = waktu retensiCc = total kandungan organik yang dapat dikonversi

• Dalam pengembangannya diperoleh :Cc = Ct(0,14 T + 0,28)

Cc= karbon yang dapat dikonversikan menjadi gasCt = Total jumlah senwawa karbon pada substat T = suhu (Celcius)

Gc = 1,868 x CcGt = Gc ( 1 – 10-kt)Gt = Produksi gas per satuan sampah

(m3/ton) pada tahun tertentu t = waktu dalam tahunk = 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