1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Krisis energi belakangan ini menjadi isu global yang cukup

mengkhawatirkan di mata dunia terutama Indonesia. Hal ini didorong oleh

kenyataan bahwa kebutuhan energi semakin lama semakin bertambah. Di sisi lain,

sumber energi yang tersedia saat ini jumlahnya semakin berkurang. Pemanfaatan

energi non-renewable yang sudah marak, bila diteruskan bisa mengurangi jumlah

energi yang tersedia di alam.

Penggunaan bahan bakar juga berdampak buruk bagi lingkungan.

Penggunaan bahan bakar dari minyak dan batu bara disinyalir merupakan

penyebab utama terjadinya pemanasan global dan juga peningkatan harga minyak

dunia yang mencapai lebih dari 111 US$ per barel (berdasarkan statistik DJ Migas

diolah oleh Pusdatin, 2011). Hal ini juga yang menjadikan Indonesia sebagai salah

satu anggota OPEC mengalami kesulitan akan kenaikan harga yang ekstrim ini.

Produksi minyak bumi Indonesia semakin lama juga semakin menurun dan

tidak sebanding dengan jumlah konsumsi yang terus meningkat. Permasalahan ini

berdampak pada kenaikan subsidi pemerintah di dalam RAPBN yang kini

mencapai Rp. 215 trilliun (migasnews.com, 2012). Ini menyebabkan anggaran

subsidi terhadap minyak bumi menjadi semakin melambung.

Untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar minyak,

pemerintah telah menerbitkan Peraturan Presiden Republik Indonesia nomor 5

tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional untuk mengembangkan sumber

energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar minyak. Kebijakan tersebut

menekankan pada suatu upaya menggantikan bahan bakar minyak dengan sumber

daya alam atau limbah yang dapat diperbaharui sebagai energi altenatif.

Energi alternatif merupakan energi yang banyak dikembangkan oleh

masyarakat luas sebagai pengganti energi konvensional. Istilah energi alternatif

digunakan untuk mengurangi penggunaan bahan bakar hidrokarbon yang

mengakibatkan polusi dan kerusakan lingkungan akibat emisi gas CO2 yang

2

tinggi. Teknologi alternatif digunakan untuk menghasilkan energi dengan

mengatasi masalah dan tidak menghasilkan masalah baru seperti pada penggunaan

bahan bakar fosil. Telah banyak sumber energi alternatif yang berkembang di

Indonesia. Sebagai contoh, potensi sumber daya alam yang dapat dikembangkan

menjadi sumber energi alternatif adalah aliran sungai, angin, matahari, sampah

serta sumber-sumber lain yang berasal dari tumbuh-tumbuhan seperti pohon jarak,

dan energi biogas. Akan tetapi, pemanfaatan energi alternatif lainnya belum

terlihat secara signifikan. Dari sekian sumber energi yang tersedia di alam, maka

energi yang paling mudah ditemukan dan dimanfaatkan adalah energi biogas.

Energi biogas adalah energi hasil konversi dari limbah manusia atau

limbah organik lainnya yang dapat membentuk gas metana. Biogas ini dapat

dijadikan sebagai energi alternatif karena proses pembuatan dan pemeliharaan

pada pembangkit biogas yang sederhana dan energi yang dihasilkan bersahabat

dengan lingkungan. Sumber energi biogas yang selama ini jarang dimanfaatkan di

kehidupan sehari-hari namun mempunyai potensi yang baik adalah kotoran

manusia.

Dasar pemikiran penggunaan kotoran manusia sebagai biogas karena

didasarkan pada faktor (1) jumlah kotoran manusia yang banyak terutama pada

instansi pemerintahan (kantor-kantor), pasar, tempat umum, dan sekolah-sekolah,

(2) selama ini penggunaan dan penanggulangan kotoran manusia sebagai energi

alternatif belum maksimal, (3) adanya persepsi dari masyarakat bahwa kotoran

manusia itu menjijikan seehingga tidak cocok dijadikan bahan bakar alternatif,

dan (4) berdasarkan komparasi beberapa literatur menunjukkan bahwa kotoran

manusia memiliki potensi untuk dijadikan bahan bakar sebagai biogas, mengingat

sistem kerja dan proses dari biogas itu sendiri.

Biogas dari tinja manusia dapat dihasilkan melalui anaerobic digestion.

Proses ini merupakan peluang besar untuk menghasilkan energi

alternatif sehingga mampu mengatasi kekurangan energi yang ada dan

menggantikan penggunaan bahan bakar fosil atau minyak sebagai energi yang

ramah lingkungan.

3

Berdasarkan dasar pemikiran di atas, dapat diinterpretasikan bahwa

penggunaan kotoran manusia sangat berpotensi sebagai biogas karena sumber

energi alternatif ini memiliki jumlah yang sangat banyak. Sebagai contoh Asrama

di SMA Negeri Bali Mandara memiliki jumlah penghuni yang cukup untuk

menyediakan sumber biogas yang berkelanjutan. Jumlah populasi keluarga besar

di SMA Negeri Bali Mandara untuk menyediakan sumber biogas disajikan pada

Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Data Populasi Keluarga Besar SMA Negeri Bali Mandara

Wilayah Jumlah

Siswa 150

Guru

23

Pegawai 25

Jumlah 198 Sumber: SMA Negeri Bali Mandara, 2012.

Merujuk pada Tabel 1.1 dapat diinterpretasikan bahwa jumlah populasi di

SMA Negeri Bali Mandara sebanyak 198 orang. Bila satu orang dewasa

menghasilkan rata-rata 83 gram dan air seni sebesar 970 gram, maka jumlah

sumber energi yang tertampung sangat banyak (Suparmin, 2002). Selama ini,

kotoran manusia masih belum dimanfaatkan secara optimal apalagi dimanfaatkan

sebagai energi alternatif. Padahal gas metana yang dihasilkan dari kotoran

manusia bisa digunakan sebagai bahan bakar, baik dalam memasak, sebagai

penerangan, atau bahan bakar kendaraan untuk di masa mendatang. Oleh karena

itu, untuk mengatasi masalah krisis energi yang terjadi saat ini diperlukan

biodigester sebagai salah satu solusi energi alternatif.

Biodigester merupakan suatu alat yang mampu menghasilkan gas metana

dari campuran tinja dan air seni yang dalam keadaan tertutup mengalami proses

anaerobik. Dalam hal ini, gas metana dihasilkan oleh bakteri metanogen yang

terkandung dalam setiap kotoran manusia. Keberadaan biodigester untuk

menghasilkan biogas diharapkan mampu mengatasi krisis energi dengan

pemanfaatan energi alternatif yang dapat dikembangkan di masyarakat terutama di

lingkungan SMA Negeri Bali Mandara . Berdasarkan permasalahan di atas, maka

penulis memandang perlu mengkaji terkait Pemanfaatan Kotoran Manusia di

Asrama SMA Negeri Bali Mandara Menjadi Biogas dengan Metode

Biodigester.

4

1.3 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, dapat dirumuskan permasalahan sebagai

berikut.

1. Bagaimanakah teknik pengolahan biogas dari kotoran manusia di SMA

Negeri Bali Mandara sebagai energi alternatif yang biodegradable?

2. Bagaimanakah cara mengkondisikan biodigester agar menghasilkan biogas

dari kotoran manusia yang optimal?

3. Bagaimanakah design instalasi pengolahan kotoran manusia di SMA Negeri

Bali Mandara?

4. Bagaimanakah implikasi penggunaan biogas dari kotoran manusia sebagai

energi alternatif di SMA Negeri Bali Mandara dan masyarakat sekitarnya?

1.4 Tujuan Penulisan

Merujuk pada rumusan masalah di atas, maka tujuan dari penulisan karya

tulis ini adalah sebagai berikut.

1. Mendeskripsikan teknik pengolahan biogas dari kotoran manusia di SMA

Negeri Bali Mandara sebagai energi alternatif yang biodegradable.

2. Mendeskripsikan cara mengkondisikan biodigester agar menghasilkan

biogas dari kotoran manusia yang optimal.

3. Mendeskripsikan design instalasi pengolahan kotoran manusia di SMA

Negeri Bali Mandara.

4. Mengetahui implikasi penggunaan biogas dari kotoran manusia sebagai

energi alternatif di SMA Negeri Bali Mandara dan masyarakat sekitarnya.

1.5 Manfaat Penulisan

1. Bagi Siswa

Dapat menambah wawasan siswa tentang energi alternatif biogas dan

mengetahui cara mengaplikasikan energi alternatif biogas.

2. Bagi Masyarakat

a. Masyarakat dapat mengetahui keunggulan biogas dari energi lainnya.

5

b. Masyarakat dapat mengetahui design biodigester yang benar untuk

diaplikasikan sebagai alat penghasil biogas.

c. Masyarakat dapat memanfaatkan limbah kotoran manusia sebagai

penghasil energi biogas.

3. Bagi Pemerintah

Dapat dijadikan masukan dan pertimbangan dalam mengambil kebijakan

terkait cara mengembangkan penggunaan biogas dalam rangka mengatasi

krisis energi yang terjadi dan mengurangi subsidi migas tanpa perlu

khawatir dengan kenaikan harga tersebut

6

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Pengolahan Biogas dari Kotoran Manusia di SMA Negeri Bali Mandara

sebagai Energi Alternatif yang Biodegradable.

Biogas merupakan gas campuran yang dihasilkan dari proses penguraian

atau perombakan bahan-bahan organik oleh bakteri metanogen pada kondisi

langka oksigen (proses anaerob). Dalam hal ini, bahan organiknya adalah limbah

kotoran manusia yang telah terkumpul di tempat penampungan kotoran (septic

tank) SMA Negeri Bali Mandara. Berdasarkan hasil penelitian Suparmin (2002)

menunjukan bahwa rata-rata orang dewasa menghasilkan 83 gram kotoran per

hari maka ada 16,4 kilogram bahan baku kotoran ditambah dengan 186,2 kg air

seni tersedia di SMA Negeri Bali Mandara setiap harinya.

Dengan bahan baku yang sebanyak itu, tentu biogas yang dihasilkan juga

cukup banyak. Biogas yang dihasilkan sebagian besar merupakan gas metana

(CH4) sebesar 50-70%, gas karbon dioksida (CO2) sebesar 30-40% dan gas

lainnya dalam jumlah kecil (Fitria, 2009). Kandungan biogas secara ringkas

disajikan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Kandungan Gas dalam Biogas

Jenis Gas Jumlah (%)

Metana (CH4)

Nitrogen (N2)

Karbondioksida (CO2)

Hidrogen (H2)

Oksigen (O2)

Hidrogen Sulfida (H2S)

50-70

0 - 0,3

25 - 45

1 - 5

0,1 0,5 0 3

Sumber: Juangga, 2007

Pembuatan biogas sendiri tidak sesulit pembuatan bahan bakar yang lain.

Biogas hanya memerlukan waktu untuk melewati semua tahapan prosesnya.

Waktu yang diperlukan rata-rata 10-14 hari untuk menghasilkan biogas. Lamanya

waktu ini disebabkan oleh kondisi limbah kotoran dengan suhu 330C-38

0C agar

mikroorganisme yang digunakan untuk memfermentasikan bahan organik tersebut

dapat bekerja optimal (Stafford et al., 1978 dan Barnett et al.,1978).

7

Proses fermentasi pembuatan biogas merupakan proses terbentuknya gas

metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob di dalam suatu

digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida

(CO2) yang volumenya lebih besar dari gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2) dan

asam sulfida (H2S) (Price & Cheremisinoff, 1981). Proses fermentasi anaerobik

biasanya terjadi secara alami di tanah yang basah. Tetapi karena SMA Negeri Bali

Mandara menggunakan septic tank sebagai penampung kotoran, maka septic tank

tersebut akan menjadi tempat penampungan awal dan diteruskan ke biodigester.

Biodigester yang harus berada dalam kondisi basah ini cukup memudahkan proses

pembuatan biogas di SMA Negeri Bali Mandara, karena limbah kotoran secara

langsung sudah tercampur dengan air yang menjadikannya larut.

Secara garis besar proses pembentukan biogas dari limbah kotoran

manusia dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu (1) tahap hidrolisis (hydrolysis), (2)

tahap asidifikasi (acidogenesis dan acetogenesis), dan (3) tahap pembentukan gas

metana (methanogenesis).

1. Tahap Hidrolisis (Hydrolysis)

Proses awal perombakan limbah kotoran manusia dalam biodigester

adalah proses hidrolisis dari bahan organik yang mudah larut (Gc. Marry &

Stainforth,1989). Pada tahap ini, bakteri memutuskan rantai panjang

karbohidrat kompleks; protein dan lipida menjadi senyawa rantai pendek.

Contohnya polisakarida diubah menjadi monosakarida, sedangkan protein

diubah menjadi peptide dan asam amino (Mayasari, dkk., 2010)

2. Tahap Asidifikasi (Acidogenesis dan Acetogenesis)

Proses pengasaman atau asidifikasi ini adalah proses yang mana

bagian yang telah terlarut dan telah mengalami proses dekomposisi

(penyederhanaan) membentuk asam organik dan alkohol atau etanol (Marry

& Stainforth, 1989). Pada tahap ini, bakteri (Acetobacter aceti)

menghasilkan asam untuk mengubah senyawa rantai pendek hasil proses

hidrolisis menjadi asam asetat, hidrogen, dan karbon dioksida. Bakteri

tersebut merupakan bakteri anaerob yang dapat tumbuh dan berkembang

dalam keadaan asam. Bakteri memerlukan oksigen dan karbondioksida yang

8

diperoleh dari oksigen yang terlarut untuk menghasilkan asam asetat.

Pembentukan asam pada kondisi anaerobik tersebut penting untuk

pembentukan gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya.

Selain itu, bakteri tersebut juga mengubah senyawa berantai pendek menjadi

alkohol, asam organik, asam amino, karbon dioksida, hidrogen sulfida, dan

sedikit gas metana. Tahap ini termasuk reaksi eksotermis yang menghasilkan

energi (Mayasari, 2010). Adapun reaksi yang terjadi antara lain:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP (H = -118 kJ per mol)

Untuk menguraikan 1 mol karbohidrat menjadi 2 molekul etanol, 2 mol gas

CO2 dan 2 ATP dilepaskan energi sebesar 118.000 Joule.

3. Tahap Pembentukan Gas Metana (Methanogenesis)

Tahap pembentukan gas metana ini dapat dilakukan dengan tiga cara

lagi, yaitu :

a. Melalui perombakan asam-asam organik membentuk gas metana.

Dalam hal ini, pembentukan dibantu oleh bakteri metanogen.

b. Melalui oksidasi alcohol/ethanol oleh karbon dioksida yang

dihasilkan di tahap kedua membentuk gas metana

c. Melalui reduksi karbon dioksida membentuk gas metana (Marry &

Stainforth, 1989)

Proses pembentukan gas metana ini termasuk reaksi eksotermis yang

dibuktikan dengan persamaan:

CH3COO- + H

+ CH4 + CO2 (H = -36 Kj per mol)

Untuk membentuk 1 mol gas metana (CH4) dilepaskan energi sebesar 36.000

Joule.

Berdasarkan ketiga tahap proses pembentukan biogas dari limbah

kotoran manusia di atas, secara ringkas dapat disajikan diagram alir sebagai

berikut.

9

Gambar 2.1 Bagan Proses Pembuatan Biogas Kotoran Manusia

Gas metana biasanya mulai dihasilkan pada 4-5 hari pertama setelah

biodigester terisi. Sedangkan masa puncaknya terjadi pada 15 sampai 20 hari

setelah biodigester terisi (Fitria, 2009). Akan tetapi, perlu diketahui bahwa

kualitas biogas yang dihasilkan tergantung pada beberapa faktor. Faktor-faktor

yang dapat mempengaruhi kualitas biogas tersebut yaitu:

1. Lingkungan Anaerobik

Biodigester harus tetap dijaga dalam keadaan anaerobic (tanpa kontak

langsung dengan Oksigen). Udara (O2) masuk ke biodigester dan

menyebabkan penurunan produksi metana. Ini disebabkan karena bakteri

berkembang pada kondisi yang tidak sepenuhnya anaerobik.

2. Temperatur

Bakteri memiliki rentangan temperatur yang disukainya untuk hidup.

Rentangan-rentangan suhunya dibagi menjadi tiga, antara lain:

Limbah Manusia

(Bahan Organik)

Bahan organic mudah larut/sederhana

Sel

Bakteri

Asam organic dan

Alkohol Gas

CO2 + O2 Hasil

Lain

Sel

Bakteri

Gas

CH4 + CO2

Hasil

Lain

Tahap Pengasaman

(asetogenik)

Tahap Pelarutan

(Hidrolisis)

Tahap

Pembentukan

Methan

(Metanogenik)

10

a. psicrophilic (suhu 4-20oC), biasanya untuk negara-negara subtropis.

b. mesophilic (suhu 20-40oC).

c. hermophilic (40-60oC), hanya untuk mencerna material, bukan untuk

menghasilkan biogas.

Untuk negara tropis seperti Indonesia digunakan unheated-digester (digester

tanpa pemanasan) untuk kondisi temperatur tanah 20-30oC.

3. Derajat keasaman (pH)

Bakteri berkembang dengan baik pada keadaan yang agak asam (pH antara

6,6-7,0). Oleh sebab itu kunci utama dalam kesuksesan operasional

biodigester adalah dengan menjaga temperatur konstan (tetap) dan input

material sesuai. Derajat keasaman diatur karena di dalam biodigester terjadi

proses sintropi yang merupakan suatu proses dimana dua atau lebih

mikroorganisme bekerja sama untuk mendegradasi suatu substansi yang tidak

bisa dikerjakan sendiri oleh salah satu mikroorganisme tersebut (Madigan et

al, 1997). Dua mikroorganisme ini adalah fermenter (Acetobacter aceti) dan

metanogen. Penyesuaian terhadap karakteristik dari kedua bakteri inilah

yang akan menentukan derajat keasaman (pH) di dalam biodigester.

4. Zat Racun ( Toxic)

Terdapat beberapa zat yang dapat menghambat kinerja dari biodigester

seperti air sabun, detergen, dan logam-logam berat.

5. Pengaruh starter

Dalam rangka mempercepat proses fermentasi anaerob diperlukan suatu

starter yang mengandung bakteri metana. Beberapa jenis starter antara lain:

a. Starter alami berupa lumpur aktif seperti cairan septic-tank, timbunan

kotoran , timbunan sampah organik, dan lumpur kolam ikan.

b. Starter semi-buatan yaitu dari fasilitas biodigester dalam stadium aktif.

c. Starter buatan berupa bakteri yang dikembangbiakkan secara

laboratorium dengan media buatan (Erawati, 2009).

Setelah memperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi penghasilan

biogas, biodigester dapat menghasilkan biogas secara optimal. Biogas yang

11

dihasilkan akan memiliki karakterisitik yang membedakannya dari gas lainnya.

Beberapa ciri-cirinya yaitu :

1) Biogas dapat dicairkan pada suhu -178oC, sehingga dalam penyimpanan di

dalam tangki cukup sulit. Cara terbaik dalam memanfaatkan biogas tersebut

adalah menyalurkan biogas yang dihasilkan secara langsung sebagai bahan

bakar untuk memasak, penerangan, dan lain-lain.

2) Ketika dibakar, biogas aman digunakan dalam keperluan rumah tangga

karena tidak menghasilkan gas karbon monoksida.

3) Biogas bersifat narkotika bagi manusia karena mengandung metana yang

apabila dihirup secara langsung dapat menyebabkan kematian.

4) Biogas dengan udara (oksigen) dapat membentuk campuran yang

mudah meledak apabila terkena nyala api karena flash point dari

metana (CH4) yaitu sebesar -188C dan autoignition dari metana adalah

sebesar 595C (www.encyclopedia.com, 2009).

5) Biogas terbuat dari bahan organik sehingga bersifat biodegradable atau

mudah terurai.

Dari karakteristik biogas inilah, dapat diketahui bahwa biogas dapat

dimanfaatkan sebagai energi alternatif yang biodegradable.

2.2. Cara Mengkondisikan Biodigester agar Menghasilkan Biogas dari

Kotoran Manusia yang Optimal.

Dalam proses pembuatan biogas di dalam biodigester memiliki

kelemahan yang sangat prinsip: terjadi kegagalan proses pencernaan anaerobik

dalam digester biogas. Kegagalan proses pencernaan ini erat kaitannya dengan

terganggunya sintropi. Hal ini disebabkan tidak seimbangnya populasi bakteri

metanogen terhadap fermentor yang menyebabkan pH lingkungan dalam

biodigester menjadi asam. Kondisi pH yang asam dapat menghambat

kelangsungan hidup metanogen, karena bakteri ini optimal beraktivitas pada

kisaran pH 6,8-8,0 (Haryati, 2006). sedangkan pada fermenter akan memiliki

kinerja yang optimum pada pH 5,5. Oleh karena itu, terjadi suatu ketidakcocokan

trayek pH kinerja antara fermenter dan metanogen, yaitu pada fermenter

12

memiliki kinerja optimum pada pH 5,5 sedangkan metanogen memiliki kinerja

optimum pada trayek pH 6,8-8,0. Apabila pH lingkungan terlalu basa (pH>8,5),

maka dapat menghambat aktivitas metanogen. Dengan demikian, optimalisasi

sintropi pada produksi biogas harus difokuskan pada pengontrolan agar proporsi

fermenter dan metanogen dalam keadaan seimbang. Salah satu bentuk

pengontrolan terhadap proporsi mikroorganisme ini adalah melalui justifikasi

trayek pH kinerja antara fermenter dan metanogen menggunakan Kalsium

hidrokida (Ca(OH)2) (Putra, 2010).

Gambar 2.2 Bentuk Bubuk Kalsium Hidroksida Sumber: Wikipedia.com

Kalsium hidrokida berupa kristal tak berwarna atau bubuk putih. Kalsium

hidroksida dihasilkan melalui reaksi kalsium oksida (CaO) dengan air. Senyawa

ini juga dapat dihasilkan dalam bentuk endapan melalui pencampuran larutan

kalsium klorida (CaCl2) dengan larutan natrium hidroksia (NaOH). Dalam bahasa

Inggris, kalsium hidroksida juga dinamakan slaked lime, atau hydrated lime

(kapur yang di-airkan). Nama mineral Ca(OH)2 adalah portlandite, karena

senyawa ini dihasilkan melalui pencampuran air dengan semen Portland. Suspensi

partikel halus kalsium hidroksida dalam air disebut juga milk of lime (Bahasa

Inggris: milk = susu, lime = kapur). Larutan Ca(OH)2 disebut air kapur dan

merupakan basa dengan kekuatan sedang. Larutan tersebut bereaksi hebat dengan

berbagai asam, dan bereaksi dengan banyak logam dengan adanya air. Kelarutan

basa ini rendah, tetapi khas, yaitu memiliki Ksp sebesar 5,5 x 10-6

. Hal ini berarti

sifat kelarutannya dalam air sedikit larut, dan bukan sukar larut. Larutan tersebut

menjadi keruh bila dilewatkan karbon dioksida, karena mengendapnya kalsium

karbonat. Kalsium hidroksida merupakan basa yang termurah secara ekonomis,

dan sering dipergunakan untuk mengatur pH air limbah, pH tanah, dan pH pulp

13

kertas. Di masyarakat, basa ini dalam bentuk padatannya sering disebut kapur

mati (Putra, 2010).

Berdasarkan uraian sebelumnya, langkah justifikasi pH terhadap sistem

sintropi fermenter-metanogen dalam sintesis metana (CH4) sangat diperlukan.

Justifikasi pH dapat dilakukan melalui penambahan basa alkalis sedang Ca(OH)2.

Penambahan Ca(OH)2 diharapkan mampu menaikkan pH sampai titik pH

minimum bagi metanogen untuk aktif mensintesis methane. Kita ketahui

rentangan pH optimal bagi metanogen untuk aktif adalah pada pH 6,8-8,5, maka

titik minimum pH yang perlu dicapai dalam justifikasi ini adalah 6,8 hingga 7,0.

4 H2 + CO2 CH4 + 2H2O pH 6,8-8,5

Tentu saja pencapaian pH ini berawal dari pH maksimum fermentor untuk tetap

aktif, yaitu pH 5.

2 CH3CH2OH + 2 H2O 4 H2 + 2 CH3COO- + 2 H

+ pH 5

Namun, penambahan Ca(OH)2 juga memiliki rentang maksimum agar tidak

terjadi feedback inhibition terhadap aktifitas metanogen. Penambahan Ca(OH)2

secara teoretis dapat mem-buffer sistem sintropi, akan tetapi, jumlah Ca2+

dalam

lingkungan biodigester juga ada ambang batasnya, yaitu sampai 200mg/L

(Amaru, 2004), sehingga apabila dalam upaya justifikasi pH kinerja mencapai pH

6,8 hingga 7,0 ternyata jumlah Ca2+

melebihi ketentuan tersebut justru akan

menghambat kinerja kedua mikroorganisme tersebut. Oleh karena itu, dalam sesi

berikut akan diuraikan mengenai penentuan penambahan Ca(OH)2 pada sistem

sintropi metana dengan tetap memperhatikan kadar Ca2+

terlarut. Penentuan

penambahan Ca(OH)2 dapat dihitung melalui menghitung terlebih dahulu

konsentrasi H+ yang ada dalam biodigester. Kita ketahui bersama bahwa pH

sistem biodigester optimal terhadap fermenter adalah 5,0, sehingga konsentrasi H+

dalam sistem ini dapat dihitung:

pH = 5

[H+] = 10

-5M

dengan mengasumsikan volum biodigester sebesar 100 liter, dan terisi

setengahnya, maka mol H+ dapat ditentukan.

[H+] = 10

-5M = 10

-5mol/liter

Mol H+ = 10

-5 mol/liter x 50 liter

14

= 5 x 10-4

mol

= 0,5 mmol

Selanjutnya, pada sistem tersebut ditambahkan basa Ca(OH)2, sehingga akan

terjadi reaksi antara CH3COOH dengan Ca(OH)2 sebagai berikut.

2CH3COOH(aq) + Ca(OH)2(aq) (CH3COO)2Ca(aq) + 2H2O(aq)

Mengingat kadar Ca2+

dalam biodigester tidak boleh melebihi 200mg/L atau

sekitar 8,2 x 10-3

M, maka dengan penambahan sekitar 30 (tiga puluh) liter

Ca(OH)2 8,2 x 10-3

M akan mampu menetralkan reaksi.

Ca(OH)2 = 8,2 x 10-3

M = 0,0082 mol/liter

Mol Ca(OH)2 = 0,0082 mol/liter x 30 liter

= 0.246 mol

Gram = mol Ca(OH)2 x Mr Ca(OH)2

= 0.246 mol x 54 x 1gram

= 13,284 gram

Dari hasil kalkulasi di atas diketahui 30 (tiga puluh) liter Ca(OH)2 8,2 x 10-3

M

setara dengan 13,284 gram Ca(OH)2 dilarutkan dalam air hingga volumenya

mencapai 30 liter.

2CH3COOH(aq) + Ca(OH)2(aq) (CH3COO)2Ca(aq) + 2H2O(aq)

0,5mmol 0,25mmol x x

-0,5 mmol -0,25mmol +0,25mmol +0,5mmol

- - 0,25mmol +0,5mmol

Ternyata menurut reaksi di atas, terjadi hidrolisis garam dari asam lemah-basa

kuat. Maka dari itu, konsentrasi H+ akhir dalam sistem biodigester dapat dihitung

melalui formula hidrolisis garam, bukan larutan penyangga. Diketahui bahwa

konstanta ionisasi CH3COOH sebesar 1 x 10-5

.

[OH-] =

Dalam penentuan konsentrasi garam, kita perlu mengetahui volume campuran,

yaitu 50 + 30 liter = 80 liter.

[(CH3COO)2Ca] =

15

= 3,125 x 10-6

M

[OH-] =

[OH-] =

[OH-] = 7,9 x 10

-8 M

Selanjutnya, harga pOH dapat dihitung dengan rumus:

pOH = -log[OH-]

pOH = -log 7,9 x 10-8

pOH = 7,12

dengan demikian, pH dalam sistem biodigester dapat diketahui melalui

penggunaan persamaan pH = 14-pOH, yaitu

pH = 14-7,12

pH = 6,89

Ternyata diperoleh dengan penambahan Ca(OH)2 30 (tiga puluh) liter

Ca(OH)2 8,2 x 10-3

M mampu meningkatkan pH sistem biodigester dari 5,0

menjadi 6,89. Rentangan pH ini sudah mampu mengakomodasi kondisi optimum

antara fermenter dan metanogen, sehingga diperkirakan proporsi keduanya

berimbang. Proporsi yang berimbang ini tentu saja akan meningkatkan kadar

metana dari proses sintropik antara keduanya.

Peningkatan pH seperti yang tertera di atas diperoleh melalui beberapa

asumsi-asumsi yang mendukung pemikiran ini. Adapun asumsi yang dimaksud

meliputi:

1. Penambahan larutan basa alkalis, Ca(OH)2 tidak mempengaruhi jumlah

kematian bakteri fermentor, karena maksud penambahan larutan basa alkalis

ini adalah untuk menjustifikasi pH lingkungan.

2. Sistem dalam biodigester dianggap homogen, sehingga rumus hidrolisis

garam dapat diaplikasikan dalam permasalahan ini.

Selama asumsi tersebut di atas masih dipergunakan, maka uraian mengenai

justifikasi trayek pH kinerja antara fermenter dan metanogen dapat dipertahankan.

Namun, lebih jauh lagi mengenai kesahihan bangun teori dan sintesis ini, masih

perlu dibuktikan melalui penelitian lebih lanjut.

16

2.3 Design Instalasi Pengolahan Kotoran Manusia di SMA Negeri Bali

Mandara.

Secara umum penunjang instalasi biogas dimulai dari WC sebagai

pengumpul kotoran manusia, pipa penyalur kotoran manusia, sumur pencerna

(digester), tungkup gas (holding gas), pipa distribusi penyalur gas lengkap dengan

kran kontrol,dan kompor gas. Bangunan instalasi berdiri di atas fondasi seperti

yang ditunjukkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Design Instalasi Biodigester

Prinsip utama dari desain biodigester di atas adalah mengusahakan

terwujudnya kondisi anaerob di dalam sumur pencerna dengan tungkup gas agar

mikroorganisme anaerob dapat tumbuh dan berkembang biak sehingga aktivitas

perombakan manusia untuk membentuk bio gas meningkat (Sihombing &

Simamora, 1988). Adapun mekanisme instalasi biogas adalah sebagai berikut.

17

1. Saluran Masuk Kotoran

Sebelum proses perombakan, diperlukan saluran masuk kotoran pada toilet

umum atau WC yang digunakan untuk memasukan kotoran segar, urine, dan air

ke dalam septic tank. Zat tersebut akan bercampur menjadi satu dan berfungsi

untuk memaksimalkan potensi biogas, memudahkan pengaliran, serta

menghindari terbentuknya endapan pada saluran masuk serta menghemat tenaga

dalam proses pengadukan yang biasanya dilakukan dalam pembuatan biogas

dengan kotoran hewan.

2. Septic-Tank

Septic-tank berfungsi sebagai tempat pengumpulan kotoran manusia awal.

Setelah septic tank terisi, kotoran manusia akan dikirim ke biodigester yang

terletak di dataran yang lebih rendah untuk diproses lebih lanjut.

3. Digester

Digester digunakan sebagai tempat penyimpanan kotoran yang dihasilkan

dari proses defekasi dan ekresi manusia. Digester ditempatkan di dalam tanah

agar temperatur di dalam digester lebih stabil pada kisaran 33-38oC (Stafford et

al., 1978 dan Barnett et al.,1978). Ketika suhu telah stabil maka akan terjadi

proses fermentasi yang dilakukana oleh bakteri Acetobacter aceti dan metanogen

yang terdapat pada kotoran manusia. Proses ini menghasilkan gas CO2 dan

alkohol. Selain proses fermentasi, di dalam digester terjadi pula proses hidrolisis,

proses asidifikasi, dan proses pembentukan gas metana.

4. Tangki Residu Air

Tangki reisdu air memegang peranan penting dalam proses pembentukan

metana. Tangki ini bersifat kedap udara dan memerangkap uap air yang terbentuk

dari proses yang terjad di dalam digester. Hal ini dilakukan untuk mengurangi

H2O pada biogas yang akan memperkecil jumlah kalor saat pembakaran gas

metana.

18

5. Tungkup Gas

Tungkup gas dirancang di atas digester dari kerangka besi beton yang

dililit dengan kawat ram kemudian di semen (ferro cement) untuk menjamin

kekuatan dan tidak bocor. Tungkup gas terletak diatas sumur pencerna I antara

dua dinding (luar dan dalam) sebagai isolasi sehingga semua gas terbentuk dapat

terhimpun. Di atas tungkup gas diletakkan pengukur tekanan gas (pressure gauge)

agar setiap saat dapat mengetahui tekanan gas (Fahmi, 2008).

6. Tangki Penyimpanan Gas

Tangki penyimpanan gas dibagi menjadi dua bagian. Bagian pertama yaitu

tangki yang secara langsung berhubungan dengan digester dan bagian kedua yaitu

tangki yang terpisah dengan digester. Tangki pertama bersifat pasif karena tidak

dapat dipindahkan ke tempat lain. Pada tangki pertama menyalurkan gas secara

langsung ke tempat pembakaran berupa kompor gas.

Berbeda halnya dengan tangki kedua, tangki ini dapat dipindahkan dari

satu tempat ke tempat lainnya dan dapat dihubungankan langsung dengan tangki

utama. Untuk tangki kedua konstruksi dibuat khusus sehingga tidak bocor dan

tekanan yang terdapat dalam tangki seragam, serta dilengkapi H2S Removal untuk

mencegah korosi serta mudah dalam proses perewatannya (Care, 2009).

7. Saluran Gas (Pipa)

Terdapat saluran gas (pipa) terbuat dari bahan polimer kuat dengan tujuan

untuk menghindari korosi (Care, 2009). Saluran ini menghubungkan septic-tank

dengan tempat penyimpanan gas dan dari tempat penyimpanan gas ke kompor

gas. Pada pipa ini terdapat keran yang dapat dibuka dan ditutup dengan tujuan

untuk menghentikan dan melancarkan proses penyaluran gas. Pada saluran

baiknya diganti sekitar 5 tahun sekali untuk mencegah terjadinya kebocaran yang

dapat membahayakan keselamatan dari para pengguna

8. Manometer

Manometer digunakan untuk mengukur tekanan udara pada ruang tertutup.

Pada alat penyimpanan gas metana sebaiknya menggunakan manometer logam.

19

Manometer logam digunakan karena dapat mengukur tekanan gas yang sangat

tinggi, misalnya tekanan gas dalam ketel uap (AnonIm, 2011)

2.4 Implikasi Penggunaan Biogas dari Kotoran Manusia sebagai Energi

Alternatif di SMA Negeri Bali Mandara dan Masyarakat Sekitarnya.

Berdasarkan analisis, sub-bab sebelumnya, inovasi penggunaan biogas

yang berasal dari kotoran manusia dan biodigester yang didesain sedemikian rupa

bisa memberikan banyak hal kepada Asrama SMAN Bali Mandara. Dari adanya

pengembangan biogas, gas septic tank yang biasanya menyebabkan bau tidak

sedap terhadap warga sekolah dapat ditanggulangi dan dimanfaatkan sebagai

bahan bakar alternatif. Bila 1 kg kotoran manusia menghasilkan 0,05 m3

biogas,

maka dalam waktu sehari dihasilkan 0,821 m3 biogas yang setara dengan 0.3776

kg elpiji (www.amrizal.com, 2011). Karena biogas dapat digunakan sebagai bahan

bakar kantin untuk memasak, maka pengeluaran sekolahpun ikut menipis.

Konsekuensi lanjutannya, waktu untuk rutinitas penyedotan septic tank akan

bertambah lama karena limbah kotoran tidak hanya berkumpul di septic tank saja,

tetapi juga di biodigester. Kedua hal ini sama-sama berdampak positif karena

meringankan beban ekonomi sekolah.

Berhubungan dengan ekonomi, dari adanya pengembangan biogas yang

optimal juga bisa meringankan beban pemerintah dalam subsidi migas. Bila

teknologi ini diteruskan oleh semua kalangan dan dikalkulasikan maka dari 3.000

kepala keluarga di perkotaan dapat dihasilkan 225 meter kubik biogas atau setara

dengan 103,5 kg elpiji setiap hari, yang dapat digunakan 207 keluarga untuk

memasak (www.amrizal.com, 2011). Dari hal ini pula, kecenderungan penggunaan

gas LPG dapat dikurangi sehingga pemerintah dapat memfokuskan penggunaan

migas ke bidang lainnya seperti bidang transportasi.

Seperti yang telah dijelaskan di sub-bab sebelumnya, pengembangan

biogas yang optimal tergantung dari bagaimana kondisi biodigesternya. Dalam hal

ini, masyarakat harus tahu bahwa desain biodigester yang bersumber pada tempat

penampungan kotoran ini bisa diadaptasikan ke semua tempat yang memiliki

WC/toilet. Termasuk di dalamnya sekolah-sekolah dengan kapasitas murid yang

20

banyak sehingga kemungkinan terisinya tempat penampungan kotoran itu lebih

besar. SD, SMP, dan SMA biasanya memiliki banyak murid yang menyebabkan

WC/toiletnyapun lebih banyak dari TK atau Playgroup. Instansi-instansi itu

biasanya memiliki kantin yang menggunakan kompor sebagai alat untuk

memasak. Dari situlah inovasi biogas ini bisa teraplikasikan.

Selain instansi pendidikan, instansi-instansi lainnya termasuk rumah sakit

juga bisa mengadopsi desain biodigester ini. Alasan utama penggunaan biogas di

rumah sakit karena instansi itu membutuhkan bahan bakar untuk melayani

pasiennya. Selain itu, jumlah pasien yang ada mustahil sedikit. Tentu ini menjadi

salah satu keuntungan biodigester ini dibangun di tempat ini.

Penerapan biodigester dalam pembuatan biogas ini bisa juga dilakukan di

lingkungan rumah tangga. Penempatan biodigester bisa dilakukan di setiap rumah

dengan syarat jumlah penghuni rumah cukup banyak, setidaknya ada lebih dari 2

orang dewasa. Pemasangan dengan jumlah penghuni rumah ini dimaksudkan

untuk memaksimalkan biogas yang dihasilkan dari biodigester tersebut karena

kecenderungan septic tank (tangki penampungan) terisi banyak lebih besar.

Bila kondisi rumah seperti yang dijelaskan di atas dirasa cukup sulit untuk

diciptakan, hal ini bisa ditanggulangi dengan adanya tempat khusus biodigester di

antara rumah-rumah penduduk. Secara specific, tempat pengumpul kotoran

digabung menjadi satu, begitu pula dengan tempat penampung gasnya. Dengan

adanya penggabungan, biodigester bisa menghasilkan biogas yang lebih banyak.

Cakupan untuk pengelolaan biogas inipun menjadi lebih luas dan hasilnya lebih

bermanfaat.

21

BAB III

PENUTUP

3.1 Simpulan

Berdasarkan analisis dari sub-bab sebelumnya, dapat ditarik simpulan

sebagai berikut.

1. Pemanfaatan limbah kotoran manusia di SMA Negeri Bali Mandara dapat

diolah menjadi energi alternatif biogas yang biodegradable dengan tiga

tahapan yaitu (1) tahap hidrolisis (hydrolysis), (2) tahap asidifikasi

(acidogenesis dan acetogenesis), dan (3) tahap pembentukan gas metana

(methanogenesis). Dalam proses pembentukan gas metan di dalam

biodigester menggunakan mikroorganisme fermenter (Acetobacter aceti)

dan metanogen.

2. Pengkondisikan biodigester agar menghasilkan biogas yang optimum dapat

dilakukan dengan menambahkan Ca(OH)2 ke dalam biodigester untuk

menghindari ketidakcocokan trayek pH kinerja antara fermenter dan

metanogen.

3. Instalasi biodigester sebagai pengolah limbah kotoran manusia di SMA

Negeri Bali Mandara dideskripsikan dari septic tank, biodigester, tank

penampungan gas hingga ke bangunan yang akan memanfaatkan biogas

tersebut.

4. Warga SMAN Bali Mandara dan masyarakat sekitar dapat menggunakan

biodigester untuk menghasilkan biogas sebagai energi alternatif dan dapat

mampu memenuhi kebutuhan energi warga sekolah serta masyarakat dalam

hal memasak dan lain-lain.

3.2 Saran

1. Untuk mempercepat proses perubahan kotoran manusia menjadi biogas

maka disarankan menggunakan bakteri starter.

2. Pipa yang digunakan sebaiknya terbuat dari bahan yang tidak korosif,

sehingga tidak menimbulkan reaksi kimia dan menimbulkan ledakan.

22

3. Desain alat terutama pada sambungan pipa sebaiknya diawasi agar tidak

terjadi kebocoran gas.

4. Untuk mengontrol gerak perpindahan gas metana dari digester ke tempat

penampungan gas dan dari tempat penampungan gas ke kompor serta tangki

penampungan portable maka disarankan untuk menggunakan kran kontrol.

23

DAFTAR PUSTAKA

Amaru, K. 2004. Rancang Bangun dan Uji Kinerja Biodigester Plastik

Polyethilene Skala Kecil. Skripsi. Jatinangor: Universitas Padjajaran.

Ditjen Migas. 2011. Harga Minyak Bumi (2004-2011). Jakarta : Ditjen Migas.

Erawati, T. 2009. Biogas Sebagai Sumbar Energi Alternatif. Diakses tanggal 8

Agusrus 2012 dari situs:

[http://wartawarga.gunadarma.ac.id/2009/12/biogas-sebagai-sumber-

energi-alternatif].

Fitria, B. 2009. Biogas. Diakses tanggal 07 Agustus 2012 dari situs:

[http://biobakteri.wordpress.com/2009/06/07/8-biogas/].

Haryati, T. 2006. Biogas, Limbah Peternakan yang Menjadi Sumber Energi

Alternatif. Bogor: Balai Penelitian Ternak.

Juangga. 2007. Proses Anaerobic Digestion. Medan : USU Press.

Care, K. 2009. Cara Mudah Membuat Digester Biogas. Diakses tanggal 9 Agustus

2012 dari situs : [http://www.kamase.org/?p=548].

Madigan, et al. 1997. Brock Microbiology of Microorganisms. New Jersey:

Prentice Hall.

Mayasari, H.D., Riftanto, I.M., NurAini, L., Ariyanto, M.R. 2010. Pembuatan Biodigester Dengan Uji Coba Kotoran Sapi Sebagai Bahan Baku.

Surakarta : Universitas Sebelas Maret.

McGarry, M. G. and J. Stainforth. 1989. Compost, fertilizer and biogas

production from human and farm wastes in the Peoples Republic of China. Ottawa, Canada : IDRC-TS 8e.

Migasnews. 2012. Program Energi Mandek. Diakses tanggal 9 Agustus 2012 di

situs: [migasnews.com/program_energi_mandek_berita333.html].

Price,E.C and Cheremisinoff,P.N.1981.Biogas Production and Utilization. United

States of America : Ann Arbor Science Publishers, Inc.

Putra, P. S. E. A. 2010. Justifikasi Trayek Ph Kinerja Antara Fermenter Dan

Methanogen Dalam Sintropi Metana (CH4). Singaraja, Bali.

Sihombing, D. T. H., and S. Simamora. 1988. Biogas from biogical waste for

rural household in Indonesia. In. K. Abdullah, Bogor Agricultural

University, Indonesia and O. Kitani. Tokyo University Agriculture, Tokyo.

Japan.

Stafford, A. D., D. L. Hawkes and R. Horton. 1978. Methane production from

waste organic matter. Boca Raton, Florida : CRC Press, Inc.

24

Sufyandi, A. 2001. Informasi Teknologi Tepat Guna untuk Pedesaan Biogas.

Bandung.

Suparmin & Soeparman, H.M. 2002 Pembuangan Tinja dan Limbah Cair: Suatu

Penghantar. Jakarta : Kedokteran EGC.