UASB Reactor for Wastewater Treatment

**Berikut sekilas informasi penting seputar Reaktor UASB yang populer digunakan dalam pengolahan limbah cair industri. Anda juga bisa mendapatkan informasi lainnya di www.uasb.org. Selamat membaca!**

--The abstract is available. Please contact me for more information--


---------------------------------------------------------
AKSES TANGGAL 29 JUNI 2005, OLEH al Akh abu Muhammad MAHMUD Hasan TIP’01 UGM
Web Site : http://www.uasb.org/discover/anaerobic_biotechnologies.htm
Author : Jim Field, jimfield@email.arizona.edu
Date Created : April 25th, 2002 Last Updated: April 17th, 2003



Anaerobic Biotechnologies
Anaerobic Wastewater Treatment: Anaerobic wastewater treatment is the biological treatment of wastewater without the use of air or elemental oxygen. Many applications are directed towards the removal of organic pollution in wastewater, slurries and sludges. The organic pollutants are converted by anaerobic microorganisms to a gas containing methane and carbon dioxide, known as "biogas" (see Figure 1 below).
Figure 1. Conversion of Organic Pollutants to Biogas by Anaerobic Microorganisms
COD Balance: In the wastewater engineering field organic pollution is measured by the weight of oxygen it takes to oxidize it chemically. This weight of oxygen is referred to as the "chemical oxygen demand" (COD). COD is basically a measure of organic matter content or concentration. The best way to appreciate anaerobic wastewater treatment is to compare its COD balance with that of aerobic wastewater treatment, as shown in Figure 2 below.
Figure 2. Comparison of the COD balance during anaerobic and aerobic treatment of wastewater containing organic pollution
Anaerobic Treatment: The COD in wastewater is highly converted to methane, which is a valuable fuel. Very little COD is converted to sludge. No major inputs are required to operate the system.
Aerobic Treatment: The COD in wastewater is highly converted sludge, a bulky waste product, which costs lots of money to get rid of. An aerobic wastewater treatment facility is in essence a "waste sludge factory". Elemental oxygen has to be continuously supplied by aerating the wastewater at a great expense in kilowatt hours to operate the aerators.
Spectrum of Applications: Most environmental engineers are aware that anaerobic processes are used to stabilize sludge such as a sludge digester at a municipal treatment plant. Less fully appreciated is the fact that "high rate" anaerobic wastewater treatment technologies can also be utilized to treat dilute to concentrated liquid organic wastewaters (distillery, brewery, paper manufacturing, petrochemical, etc). Even municipal wastewater (sewage) can be treated in tropical countries with "high rate" anaerobic technologies. "High rate" anaerobic treatment is a mature technology. At least 1200 full-scale plants have been documented world-wide for the treatment of industrial effluents (the actual number is estimated at 2500).
"High Rate"Anaerobic Treatment: High rate anaerobic treatment systems refer to bioreactors in which the sludge retention time (time for sludge biomass solids to pass through system) is separated from the hydraulic retention time (time for liquid to pass through system). The net effect is that slow growing anaerobes can be maintained in the reactor at high concentrations, enabling high volumetric conversion rates, while the wastewater rapidly passes through the reactor. The main mechanism of retaining sludge in the reactor is immobilization onto support material (microorganisms sticking to surfaces, eg. filter material in the "anaerobic filter") or self-aggregation into pellets (microorganisms sticking to each other, eg. sludge granules).
Other Applications High rate " anaerobic wastewater treatment is not limited to removal of bulk organic pollution in wastewater. There are a number of established and emerging technologies with various applications such as:
• sulfate reduction for the removal and recovery of heavy metals and sulfur
• denitrification for the removal of nitrates to
• bioremediation for the breakdown of toxic priority pollutants to harmless products
Sulfate Reduction: Sulfate reducing bacteria can be utilized to convert sulfate (SO42-) or sulfite (SO32-) to sulfide (S2-) as shown in Figure 3. The bacteria utilize electron-donating substrates present in wastewater (organic pollution) or added substrates for the reduction of sulfate. The substrates are either partially oxidized (eg. to acetate) or fully oxidized to carbon dioxide. Sulfate behaves as an alternative electron acceptor to support anaerobic respiration. The formation of biogenic sulfide is the first step in biotechnological processes directed at the removal and recovery of sulfur or heavy metals.
Figure 3. Sulfate reduction process, resulting in the formation of biogenic sulfide.
Heavy metal removal and recovery: Biogenic sulfides form highly insoluble precipitates with heavy metals (such as copper or zinc). Thus the sulfides can precipitate soluble heavy metals in wastewater streams or polluted groundwater as shown in Figure 4. The resulting metal sulfides precipitates can be removed. Since the metals ions are highly concentrated in the precipitate, they can be recycled back into industry for reuse.
Figure 4. Precipitation of heavy metals by biogenic sulfides.
Sulfur removal and recovery: Biogenic sulfides can be partially reoxidized under microaerophilic conditions (low oxygen concentrations) by chemotrophic bacteria to form insoluble elemental sulfur (S0) as shown in Figure 5. The elemental sulfur sedimented from the wastewater and can be collected for reuse in industry. A microaerophilic sulfoxidation reactor is typically placed as a post-treatment to a sulfate reducing bioreactor in order to remove and recover sulfur. Sulfoxidation reactors can also be used to clean gas streams which contain hydrogen sulfide (H2S).
Piles of elemental sulfur are shown in Figure 6.
Figure 5. Oxidation of sulfide under microaerophilic conditions by chemotrophic bacteria to elemental sulfur
Figure 6. Elemental sulfur
Denitrification: Denitrification is an anoxic process in which either an organic or inorganic electron-donating substrates are oxidized at the expense of reducing nitrate (NO3-) or nitrite (NO2-) to dinitrogen gas (N2) as shown in Figure 7. Dinitrogen is an inert gas which accounts for 70% of our atmosphere; thus the denitrification process converts nitrate- or nitrite- pollutants into a environmentally benign products. Denitrification processes are becoming popular as a post treatment method in order to remove nitrogen nutrients before treated effluents are discharged into environment. The removal of nitrogen nutrients is important to prevent eutrophication in receiving waters.
Effluents from anaerobic treatment will typically contain nitrogen in the form of ammonium (NH4+). The ammonium must first be oxidized by chemotrophic bacteria to nitrate with oxygen (known as nitrification), prior to applying the denitrification process.
Figure 7. Denitrification process with organic substrates as electron donor, resulting in the formation of inert dinitrogen gas.
Bioremediation. Anaerobic technologies are not only suitable for the removal of bulk COD they can also be utilized for the biodegradation or biotransformation of toxic priority pollutants. Microbial communities in anaerobic environments can either cause the oxidation of the pollutants resulting in its mineralization to benign products (e.g. CO2) or they can cause the reductive biotransformation of pollutants to less toxic substances (e.g. dechlorination of polychlorinated hydrocarbons). Anaerobic bioremediation can take place in bioreactors, such as the case in the treatment of industrial effluents containing toxic pollutants. Or anaerobic bioremediation can take place in situ in groundwater or sediments at contaminated sites (Figure 8).
Figure 8. Example of a hazardous waste contaminated site.
Among the most successful applications of anaerobic treatment for the oxidation of toxic pollutants is the case of the treatment of effluent in the plastic industry containing high concentrations of terephthalate. These effluents are generally high in COD and aerobic treatment would result in excessive sludge production. A complex microbial community of anaerobes is feasible to maintain in bioreactors permitting the total conversion of terephthalate to carbon dioxide and methane in high rate anaerobic bioreactors (Figure 9). Anaerobic technology has now been fully accepted as the main treatment technology for effluents of the polyethylene terephthalate (PET) industry.
Figure 9. Anaerobic biodegradation of terephthalate to carbon dioxide and methane by a complex microbial community
________________________________________
Web Site: http://www.uasb.org/discover/agsb.htm
Author: Jim Field, jimfield@email.arizona.edu
Date Created: September 15th, 2002
Last Updated: April 27th, 2003

anaerobic granular sludge bed reactor technology
What is a UASB? Anaerobic granular sludge bed technology refers to a special kind of reactor concept for the "high rate" anaerobic treatment of wastewater. The concept was initiated with upward-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. A scheme of a UASB is shown in Figure 1 below. From a hardware perspective, a UASB reactor is at first appearance nothing more than an empty tank (thus an extremely simple and inexpensive design). Wastewater is distributed into the tank at appropriately spaced inlets. The wastewater passes upwards through an anaerobic sludge bed where the microorganisms in the sludge come into contact with wastewater-substrates. The sludge bed is composed of microorganisms that naturally form granules (pellets) of 0.5 to 2 mm diameter that have a high sedimentation velocity and thus resist wash-out from the system even at high hydraulic loads. The resulting anaerobic degradation process typically is responsible for the production of gas (e.g. biogas containing CH4 and CO2). The upward motion of released gas bubbles causes hydraulic turbulence that provides reactor mixing without any mechanical parts. At the top of the reactor, the water phase is separated from sludge solids and gas in a three-phase separator (also known the gas-liquid-solids separator). The three-phase-separator is commonly a gas cap with a settler situated above it. Below the opening of the gas cap, baffles are used to deflect gas to the gas-cap opening.
Figure 1. The upward-flow anaerobic sludge bed (UASB) reactor concept.
Brief History UASB. The UASB process was developed by Dr. Gatze Lettinga (Figure 2) and colleagues in the late 1970's at the Wageningen University (The Netherlands). Inspired by publications of Dr, Perry McCarty (from Stanford, USA), Lettinga's team was experimenting with an anaerobic filter concept. The anaerobic filter (AF) is a high rate anaerobic reactor in which biomass is immobilized on an inert porous support material. During experiments with the AF, Lettinga had observed that in addition to biomass attached on the support material, a large proportion of the biomass developed into free granular aggregates. The UASB concept crystallized during a trip Gatze Lettinga made to South Africa, where he observed at an anaerobic plant treating wine vinasse, that sludge was developing into compact granules. The reactor design of the plant he was visiting was a "clarigestor", which can be viewed as an ancestor to the UASB. The upper part of the "clarigestor" reactor design has a clarifier but no gas cap.
Birth of UASB. The UASB concept was born out of the recognition that inert support material for biomass attachment was not necessary to retain high levels of active sludge in the reactor. Instead the UASB concept relies on high levels of biomass retention through the formation of sludge granules. When the UASB concept was developed, Lettinga took into account the need to encourage the accumulation of granular sludge and discourage the accumulation of disperse sludge in the reactor. The main features for achieving granular sludge development are firstly to maintain an upward-flow regime in the reactor selecting for microorganisms that aggregate and secondly to provide for adequate separation of solids, liquid and gas, preventing washout of sludge granules.
First UASB. The UASB reactor concept was rapidly developed into technology, the first pilot plant was installed at a beet sugar refinery in The Netherlands (CSM suiker). Thereafter a large number of full-scale plants were installed throughout the Netherlands at sugar refineries, potato starch processing plants, and other food industries as well as recycle paper plants. The first publications on the UASB design concept appeared in Dutch language technical journals in the late 1970's and the first international publication appeared in 1980 (Lettinga et al. 1980).
Figure 2. Photograph of Dr. Gatze Lettinga made for the cover the proceedings of his farewell symposium at the time of his retirement in 2001.
EGSB. An expanded granular sludge bed (EGSB) reactor is a variant of the UASB concept (Kato et al. 1994). The distinguishing feature is that a faster rate of upward-flow velocity is designed for the wastewater passing through the sludge bed. The increased flux permits partial expansion (fluidization) of the granular sludge bed, improving wastewater-sludge contact as well as enhancing segregation of small inactive suspended particle from the sludge bed. The increased flow velocity is either accomplished by utilizing tall reactors, or by incorporating an effluent recycle (or both). A scheme depicting the EGSB design concept is shown in Figure 3. The EGSB design is appropriate for low strength soluble wastewaters (less than 1 to 2 g soluble COD/l) or for wastewaters that contain inert or poorly biodegradable suspended particles which should not be allowed to accumulate in the sludge bed.
Figure 3. The expanded granular sludge bed (EGSB) reactor concept.
________________________________________
Overview Reactor Performance. In a recent survey (Frankin, 2001), 1215 full-scale high rate anaerobic reactors have been carefully documented, which have been built for the treatment of industrial effluents since the 1970's throughout the world. An overwhelming majority (72% of all plants) of the existing full-scale plants are based on the UASB or EGSB design concept developed by Lettinga in The Netherlands. This statistic emphasizes that the anaerobic granular sludge bed design concept has been the most successful for scale-up and implementation. The average full-scale design loading of the UASB of 682 full-scale plants surveyed was 10 kg COD/m3.d. Note: COD stands for chemical oxygen demand and refers to the organic matter in the wastewater expressed as the weight of oxygen to combust it completely. The average full-scale design loading of the EGSB of 198 full-scale plants surveyed was 20 kg COD/m3.d. COD removal efficiencies depend largely on wastewater type; however the removal efficiency with respect to the biodegradable COD is generally in excess of 85 or even 90%. The biodegradable COD is sometimes reflected in the parameter biological oxygen demand (BOD).
The four top applications of high rate anaerobic reactor systems are for:
1. Breweries and beverage industry
2. Distilleries and fermentation industry
3. Food Industry
4. Pulp and paper.
Together, these four industrial sectors account for 87% of the applications. However, the applications of the technology are rapidly expanding, including treatment of chemical and petrochemical industry effluents, textile industry wastewater, landfill leachates as well as applications directed at conversions in the sulfur cycle and removal of metals (see Other Applications). Furthermore in warm climates the UASB concept is also suitable for treatment of domestic wastewater.
Literature cited
Franklin, R. J. 2001. Full scale experience with anaerobic treatment of industrial wastewater. Wat. Sci. Technol. 44(8):1-6.
Kato, M., J. A. Field, P. Versteeg and G. Lettinga. 1994. Feasibility of the expanded granular sludge bed (EGSB) reactors for the anaerobic treatment of low strength soluble wastewaters. Biotechnol. Bioengineer. 44:469-479.
Lettinga, G., A. F. M. van Velsen, S. W. Hobma, W. De Zeeuw, A. Klapwijk 1980. Use of upflow sludge blanket reactor concept for biological waste water treatment, especially for anaerobic treatment. Biotechnol. Bioengineer. 22: 699-734.
________________________________________
WWW.waterandwastewater.com AKSES TANGGAL29 JUNI 2005
Methods for UASB Reactor Design
Guest article by Nguyen Tuan Anh
Introduction
Anaerobic treatment is now becoming a popular treatment method for industrial wastewater, because of its effectiveness in treating high strength wastewater and because of its economic advantages.
Developed in the Netherlands in the late seventies (1976-1980) by Prof. Gatze Lettinga - Wageningen University, UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed) reactor was originally used for treating wastewater from sugar refining, breweries and beverage industry, distilleries and fermentation industry, food industry, pulp and paper industry.
Figure 1. Essential Components of an UASB Reactor (courtesy: http://www.uasb.org/discover/agsb.htm)
In recent times the applications for this technology are expanding to include treatment of chemical and petrochemical industry effluents, textile industry wastewater, landfill leachates, as well as applications directed at conversions in the sulfur cycle and removal of metals. Furthermore, in warm climates the UASB concept is also suitable for treatment of domestic wastewater.
In recent years, the number of anaerobic reactors in the world is increasing rapidly and about 72% consist of reactors based on the UASB and EGSB technologies.
Anaerobic Processes in the UASB Reactor
There are 4 phases of anaerobic digestion in an UASB reactor
• Hydrolysis, where enzymes excreted by fermentative bacteria convert complex, heavy, un-dissolved materials (proteins, carbohydrates, fats) into less complex, lighter, materials (amino acids, sugars, alcohols...).
• Acidogenesis, where dissolved compounds are converted into simple compounds, (volatile fatty-acids, alcohols, lactic acid, CO2, H2, NH3, H2S ) and new cell-matter.
• Acetogenesis, where digestion products are converted into acetate, H2, CO2 and new cell-matter.
• Methanogenesis, where acetate, hydrogen plus carbonate, formate or methanol are converted into CH4, CO2 and new cell-matter.
Specifics of the UASB Reactor
When comparing with other anaerobic reactors, we conclude that the differences as well as the specifics of an UASB are existence of granules sludge and internal three-phase GSL device (gas/sludge/liquid separator system)
Granules sludge: In an UASB reactor, anaerobic sludge has or acquires good sedimentation properties, and is mechanically mixed by the up-flow forces of the incoming wastewater and the gas bubbles being generated in the reactor. For that reason mechanical mixing can be omitted from an UASB reactor thus reducing capital and maintenance costs. This mixing process also encourages the formation of sludge granules.
Figure 2. Shape and size of granules sludge
The sludge granules have many advantages over conventional sludge flocs:
• Dense compact bio-film
• High settle-ability (30-80 m/h)
• High mechanical strength
• Balanced microbial community
• Syntrophic partners closely associated
• High methanogenic activity (0.5 to 2.0 g COD/g VSS.d)
• Resistance to toxic shock
Internal three-phase GSL device: Installed at the top of the tank, the GSL device constitutes an essential part of an UASB reactor with following functions:
• To collect, separate and discharge the biogas formed.
• To reduce liquid turbulences, resulting from the gas production, in the settling compartment.
• To allow sludge particles to separate by sedimentation, flocculation or entrapment in the sludge blanket.
• To limit expansion of the sludge bed in the digester compartment.
• To reduce or prevent the carry-over of sludge particles from the system.
UASB Design
In general, there are two ways to design an UASB reactor
1. If input COD: 5,000 - 15,000 mg/l or more, the design method should be used based on Organic Loading rate, (OLR)
2. If input COD < 5000 mg/l, the design method should be calculated based on velocity. Calculation UASB Tank Base on OLR If input COD: 5,000 - 15,000 mg/l with Organic loading rate ORL: 4 - 12 kg COD/m3.d and Hydraulic retention time HRT: 4 - 12 h COD treatment efficiency: E = (CODinput – CODoutput)/CODinput In Calculation, Percent of COD removal is 75 - 85 % Organic loading rate ORL = Q (CODinput – CODoutput) * 103 Volume of tank W = C * Q / OLR = (kg COD/m3 * m3/h) / (kg COD/m3.h) C: concentration of COD in wastewater Q: flow rate of wastewater H (m) the height of tank can be calculated by: H = HS + HSe The height of sludge layer Hs is: Hs = V * HRT Where Hs: the height of sludge layer area (main reactor) and Hse: the height of sedimentation area Where V = Velocity of flow 0.6 to 0.9 m/h HRT = Hydraulic retention time (h) In general, the height of sludge layer will be chosen in Table 1: In general, the height of sludge layer will be chosen in Table 1: Table 1. Sludge Layer Height Selection COD input Sludge layer height < 3000 mg/l 3 – 5 m > 3000 mg/l 5 – 7 m
Note: Sludge layer is longer than sludge bed layer
The height of setting area HSe ≥ 1.2 m and
The area surface of an UASB tank (m2): A = HRT * Q / H
Figure 3. A typical model of an UASB design
Calculating an UASB Tank Based on Velocity
When input COD < 5,000 mg/l, using the method base on ORL is not effective in operation process because the granular sludge will be hardly formed. Therefore, the design criteria must be: Up-flow velocity V £ 0,5 m/h. • Hydraulic retention time HRT ³ 4 h • Chosen in table 1, the height of sludge is Hs = 3 – 5 m • The height of setting area HSe ³ 1.2 m The volume of the UASB reactor: W = Q x HRT The area of the UASB reactor: A = V / Q GSL Separator Design Slope of the separator bottom from 45 – 60o Free surface in the aperture between the gas collectors: 15 – 20% of reactor area. Height of separator from 1.5 – 2 m The baffles to be installed beneath the gas domes should overlap the edge of the domes over a distance from 10 – 20 cm Construct material: In the anaerobic conditions of an UASB reactor, there is a risk of corrosion in two main situations: • Some H2S gas can pass the GSL separator and accumulate above the water level in the top of the reactor. This will be oxidized to sulphate by oxygen in the air to form Sulphuric Acid that will in turn cause corrosion of both concrete and steel. • Below the water level: Calcium Oxide, (CaO), in concrete can be dissolve with by Carbon Dioxide, (CO2), in the liquid in low pH conditions. To avoid these problems, the material used to construct the UASB reactor should be corrosion resistant, such as stainless steel or plastics, or be provided with proper surface coatings, (e.g. coated concrete rather than coated steel, plastic covered with impregnated hardwood for the settler, plastic fortified plywood, etc). Operation Operation criteria: The optimum pH range is from 6.6 to 7.6 The wastewater temperatures should not be < 5 °C because low temperatures can impede the hydrolysis rate of phase 1 and the activity of methanogenic bacteria. Therefore in winter season, methane gas may be needed to heat the wastewater to be treated in the reactor. Always maintain the ratio of COD : N : P = 350 : 5 : 1 If there is a deficiency of some of these nutrients in the wastewater nutrient addition must be made to sustain the micro-organisms. Chemicals that are frequently used to add nutrients (N, P) are NH4H2PO4, KH2PO4, (NH4)2CO3... Suspended solid (SS) can affect the anaerobic process in many ways: • Formation of scum layers and foaming due to the presence of insoluble components with floating properties, like fats and lipids. • Retarding or even completely obstructing the formation of sludge granules. • Entrapment of granular sludge in a layer of adsorbed insoluble matter and sometimes also falling apart (disintegration) of granular sludge. • A sudden and almost complete wash-out of the sludge present in reactor • Decline of the overall methanogenic activity of the sludge due to accumulation of SS Therefore, the SS concentration in the feed to the reactor should not exceed 500 mg/l In phase 2 and 3 the pH will be reduced and the buffer capacity of wastewater may have to be increased to provide alkalinity of 1000 – 5000 mg/l CaCO3 Start-up: An UASB reactor requires a long time for start-up, e.g. from 2 – 3 weeks in good conditions (t > 20oC) and sometimes the start-up can take up to 3 – 4 months. In start-up process, hydraulic loading must be £ 50% of the design hydraulic loading.
The start-up of the UASB reactor can be considered to be complete once a satisfactory performance of the system has been reached at its design load.________________________________________
Web Site: http://www.uasb.org/discover/granules.htm
Author: Jim Field, jimfield@email.arizona.edu
Date Created: September 20th, 2002
Last Updated: April 17th, 2003
Granulation
What are sludge granules? Sludge granules are at the core of UASB and EGSB technology. A sludge granule is an aggregate of microorganisms forming during wastewater treatment in an environment with a constant upflow hydraulic regime. In the absence of any support matrix, the flow conditions creates a selective environment in which only those microorganisms, capable of attaching to each other, survive and proliferate. Eventually the aggregates form into dense compact biofilms referred to as "granules" (see Figure 1 below). Due to their large particle size (generally ranging from 0.5 to 2 mm in diameter) , the granules resist washout from the reactor, permitting high hydraulic loads. Additionally, the biofilms are compact allowing for high concentrations of active microorganisms and thus high organic space loadings in UASB and EGSB reactors. One gram of granular sludge organic matter (dry weight) can catalyze the conversion of 0.5 to 1 g of COD per day to methane. In layman terms that means on a daily basis granular sludge can process its own body weight of wastewater substrate.
Figure 1. Anaerobic sludge granules from a UASB reactor treating effluent from a recycle paper mill (Roermond, The Netherlands). The background is millimeter paper indicating the size of the granules. Red arrows point to gas vents in the granules, where biogas is released.
Granulation Process: The process of granular sludge formation is one of the most interesting and enigmatic questions when attempting to understand the fundamentals of anaerobic granular sludge technology. This topic has fueled many PhD research projects. There are many theories, ranging from extracellular polysaccharide slime to calcium as key players in the initial aggregation process. However, the most promising theory is the "spaghetti" theory (proposed by Dr. W. Wiegant) in which filamentous microorganisms become entangled in one another analogous to the formation of fungal pellets as shown in Figure 2 below. In support of theory is the fact that the methanogens known as Methanosaete, which are better adapted for low substrate concentrations (a condition desired for wastewater treatment), happen to be filamentous microorganisms. The initial pellets ("spaghetti balls") of Methanosaete can serve as a surface of attachment or support matrix for other microorganisms involved in the anaerobic degradation process. For the attachment of diverse microorganisms to the pellet, perhaps slime layers and calcium may play an important role.
Figure 2. The spaghetti theory of granulation. I) disperse methanogens (filamentous Methanosaeta); II) floccule formation via entanglement; III) pellet formation ("spaghetti balls"); and IV) mature granules, with attachment of other anaerobic microorganisms onto the pellet.
Look Inside a Granule: Each granule is an enormous "metropolis of microbes" containing billions of individual cells and perhaps thousands to millions of different species. Follow the link in Figure 3 below to a slide show which takes you inside a granule to take a closer look at the microorganisms inside.
Figure 3. Take a look inside a granule [look inside slide show].
Settling Properties: According to Stoke's law, sedimentation rates are a function of particles size squared. Due to their large particle sizes, anaerobic sludge granules have exceptional settling properties. The rapid settling velocities permits the application of high hydraulic loads to UASB and EGSB reactors without having to be concerned about wash-out of biologically active sludge particles (responsible for the bioconvresions). Because high hydraulic loads are tolerated, UASB and EGSB systems can handle wastewater streams with relatively low concentrations of substrate, even as low as a few hundred milligrams COD per liter (previously considered impossible for anaerobic treatment). As is illustrated in Figure 4, granular sludge settles extremely rapidly and is completely clarified within a few minutes. By comparison dispersed sludge (like that from an anaerobic digester at a municipal treatment plant) has not even begun to clarify in the same time scale. Flocculent sludge, also clarifies rapidly but not as fast and as granular sludge.
Figure 4. Comparison of the settling properties of granular, flocculent and disperse sludge after 5 minutes of settling time .
Stoke's Law
v = 2r2g(d- Stoke's Law D)/9N
v = velocity of sinking
r = radius sludge particle
g = gravity
d = density of sludge particle
D = density of water
N = viscosity
________________________________________

Bahasan Lengkap Mengenai Biogas

**Berikut berbagai referensi seputar biogas yang pernah dikumpulkan selama masa penelitian. Semoga bermanfaat**

(Untuk melihat jurnal seputar biogas, lihat posting sebelumnya. Tersedia versi Indonesia dan English)

------------------------------
BISMILLAHIRRAHMANIRRAHIM
Akses : mei2005 minggu II
RESUME OF BioGAS
Lil Akh Abi Muhammad Mahmud Hasan as Salafy Hafidhohullah wa ghofaro lahu wa li walidaihi ... TIP ’01 UGM Yogyakarta 07438

Anonim, Selasa Paing, 10 Mei 2005. Teknologi Biogas www.balipost.co.id
1. Biogas adalah gas mudah terbakar yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob (bakteri yang hidup dalam kondisi kedap udara). Pada umumnya semua jenis bahan organik bisa diproses untuk menghasilkan biogas.
2. Jenis bahan organik yang diproses sangat mempengaruhi produktivitas sistem biogas. Di samping itu, faktor-faktor lainnya seperti temperatur digester atau ruangan tertutup kedap udara, pH, tekanan udara serta kelembaban udara turut berpengaruh.
3. Sebuah penelitian menunjukkan bahwa aktivitas metabolisme dari bakteri methanogenik akan optimal pada nilai rasio C/N sekitar 8-20.
4. Adapun proses pembuatan biogas adalah sebagai berikut. Bahan organik dimasukkan ke dalam digester, sehingga bakteri anaerob akan membusukkan bahan organik tersebut yang selanjutnya akan menghasilkan gas yang disebut biogas. Biogas yang telah terkumpul di dalam digester lalu dialirkan melalui pipa penyalur gas menuju tangki penyimpan gas atau langsung ke lokasi penggunaannya, misalnya kompor.
5. Biogas dapat dipergunakan dengan cara yang sama seperti cara penggunaan gas lainnya yang mudah terbakar. Pembakaran biogas dilakukan dengan mencampurnya dengan oksigen (O2). Meski demikian, untuk mendapatkan hasil pembakaran yang optimal perlu dilakukan proses pemurnian/penyaringan karena biogas mengandung beberapa gas lain yang tidak menguntungkan.
6. Komposisi gas yang terdapat di dalam biogas adalah methana (CH4) sebesar 40-70%, karbondioksida (CO2) sebesar 30-60% serta sedikit hidrogen (H2) dan hidrogen sulfida (H2S). Keuntungan lain yang diperoleh dari proses pembuatan biogas adalah lumpur yang dapat digunakan sebagai pupuk.

Indriyati, Rabu, 18 May 2005. Pengaruh Waktu Tinggal Substrat Terhadap Efisiensi Reaktor Tipe Totally Mix. www.iptek.net.id
1. Limbah cair yang berasal dari agro industri, peternakan atau pabrik pengolahan hasil pertanian, umumnya mengandung konsentrasi bahan organik yang sangat tinggi.
2. Bahan organik tersebut terdiri dari karbohidrat, protein, lemak dan selulosa atau ligno selulosa yang dapat didegradasi secara biologi. Kadangkala limbah cair tersebut mengandung nitrogen, phosphat dan natrium
3. Bahan organik yang terdiri dari polisakarida, protein dan lemak tidak dapat didegradasi oleh bakteri metan secara langsung, karena bakteri tersebut hanya mengkonsumsi asam format, asam asetat, methanol, hidrogen dan karbon dioksida sebagai substrat. Degradasi senyawa organik polimer memerlukan beberapa macam bakteri fakultatif dan bakteri obligat anaerobik.
Tahapan proses degradasi tersebut adalah :
• Hidrolisis molekul organik polimer .
• Fermentasi gula dan asam amino.
• B – oksidasi anaerobik asam lemak rantai panjang dan alkohol.
• Oksidasi anaerobik produk antara seperti asam lemak (kecuali asam asetat).
• Dekarboksilasi asam asetat menjadi metan.
• Oksidasi hidrogen menjadi metan.
4. Kecepatan penguraian biopolimer, tidak hanya tergantung pada jumlah jenis bakteri yang ada dalam reaktor, akan tetapi juga efisiensi dalam mengubah substrat dengan kondisi-kondisi waktu tinggal substrat di dalam reaktor, kecepatan alir efluen, temperatur dan pH yang yang terjadi di dalam bioreaktor.
Bilamana substrat yang mudah larut dominan, reaksi kecepatan terbatas akan cenderung membentuk methan dari asam asetat dan dari asam lemak dengan kondisi stabil atau steady state.Faktor lain yang mempengaruhi proses antara lain waktu tinggal atau lamanya substrat berada dalam suatu reaktor sebelum dikeluarkan sebagai sebagai supernatan atau digested sludge (efluen). Minimum waktu tinggal harus lebih besar dari waktu generasi metan sendiri, agar mikroorganisme didalam reaktor tidak keluar dari reaktor atau yang dikenal dengan istilah wash out.
5. Besar atau kecilnya pencemaran limbah organik diukur oleh Chemical Oxygen Demand (COD), Biological Oxygen Demand (BOD) untuk limbah cair, sedangkan untuk yang berbentuk sludge atau lumpur diukur oleh Total Volatile Solid (TVS).
6. Keuntungan pemilihan proses secara anaerobik adalah proses anaerobik tidak membutuhkan energi untuk aerasi, lumpur atau sludge yang dihasilkan sedikit, polutan yang berupa bahan organik hampir semuanya dikonversi ke bentuk biogas (gas metan) yang mempunyai nilai kalor cukup tinggi.
7. Kelemahan proses degradasi ini adalah ini adalah kemampuan pertumbuhan bakteri metan sangat rendah, membutuhkan waktu dua sampai lima hari untuk penggandaannya, sehingga membutuhkan reaktor yang bervolume cukup besar.

Setiawan,Yuli. 27 Mei 2005. Mengubah Limbah Ternak Jadi Energi.www. iatpi.org
1. Lewat proses fermentasi, limbah yang baunya amat merangsang itu dapat diubah menjadi biogas. Energi biogas ini punya kelebihan yang nyata ketimbang energi nuklir atau batubara. Selain itu, biogas tak memiliki polusi yang tinggi. Dengan begini, sanitasi lingkungan pun makin terjaga.
2. Sejak terjadinya krisis energi pada 1973, masalah energi menjadi topik utama dunia. Negara-negara maju mulai berlomba-lomba mencari terobosan baru dalam menghasilkan energi alternatif yang jauh lebih murah ketimbang minyak dan gas. Mereka pun menerapkan kebijakan diversifikasi energi. Tentunya ketergantungan pada energi tak terbarukan tadi makin berkurang. Ini wajar saja, sebab setiap krisis yang terjadi selalu memberikan efek pada kenaikan harga BBM. Plus ketersediannya yang kurang memadai.
Salah satu energi alternatif tadi, biogas. Energi ini punya masa depan yang cerah. Kita punya banyak bahan baku energi itu.
3. Biogas biasanya dikenal sebagai gas rawa atau lumpur. Gas campuran ini didapat dari proses perombakan kotoran ternak menjadi bahan organik oleh mikroba dalam kondisi tanpa oksigen. Proses ini populer disebut anaerob. Selama proses fermentasi itu berjalan, biogas pun terbentuk. (lihat gambar proses aliran pembentukan Biogas).
4. Dari proses fermentasi ini, akan dihasilkan campuran biogas yang terdiri atas, metana (CH4), karbon dioksida, hidrogen, nitrogen dan gas lain seperti H2S. Metana yang dikandung biogas ini jumlahnya antara 54 – 70%, sedang karbon dioksidanya antara 27 – 43%. Gas-gas lainnya memiliki persentase hanya sedikit saja.
5. Mikroba yang bekerja butuh makanan yang terdiri atas karbohidrat, lemak, protein, fosfor dan unsur-unsur mikro. Lewat siklus biokimia, nutrisi tadi akan diuraikan dan dihasilkan energi untuk tumbuh. Dari proses pencernaan anaerobik ini akan dihasilkan gas metan, Bila unsur-unsur dalam makanan tadi tak berada dalam kondisi yang seimbang alias kurang, bisa dipastikan produksi enzim untuk menguraikan molekul karbon komplek oleh mikroba akan terhambat. Untuk menjamin semuanya berjalan lancar, unsur-unsur nutrisi yang dibutuhkan mikroba harus tersedia secara seimbang, Pertumbuhan mikroba yang optimum biasanya membutuhkan perbandingan unsur C : N : P sebesar 100 : 2,5 : 0,5.
6. Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat (proses) penguraian dalam suatu unit biogas saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, seperti antiobiotik, desinfektan dan logam berat.
7. Gas metan hasil fermentasi ini akan menyumbang nilai kalor yang dikandung biogas. Besarnya antara 590 – 700 K.cal/m3. Nilai kalor biogas sumber utamanya memang dari gas metan itu. Plus sedikit dari H2 serta CO, sedang karbon dioksida dan gas nitrogen tak berkontribusi apa-apa dalam soal nilai panas tadi. Dalam hal tingkat nilai kalor yang dimiliki biogas punya keunggulan yang signifikan ketimbang sumber energi lainnya, seperti coalgas (586 K.cal/m3) ataupun watergas (302 K.cal/m3). Nilai kalor biogas itu kalah oleh gas alam (967 K.cal/m3). Bahkan, menurut D. Wibowo dalam papernya Gas Bio Sebagai Suatu Sumber Energi Alternatif, setiap kubik biogas setara dengan setengah kilogram gas alam cair (liquid petroleum gases/LPG), setengah liter bensin dan setengah liter minyak diesel. Biogas pun sanggup membangkitkan tenaga listrik sebesar 1,25 – 1,50 kilo watt hour (kwh).

Sriharjo,Sadono. 2001. Sinergi Produksi Bersih Pada Peningkatan Daya Saing Industri. Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia, Vol.3, No.4 (Juli 2001), hal. 47-52 /HUMAS-BPPT/ANY
1. Tuntutan global atas implementasi aktifitas ekonomi berkelanjutan (Sustainable Economic Activities) telah menjadi isu penting bagi masyarakat internasional dewasa ini. Tuntutan konsumen akan produk hijau (green product) merupakan tantangan masyarakat industri pada era pasar bebas baik GATT, WTO, APEC maupun AFTA. Terlebih dengan implementasi EMS (Environmental Management System) pada serial ISO 14000 yang akan menjadi instrumen kunci bagi semua produk industri manufaktur untuk berakses baik pada pasar domestik maupun internasional di masa mendatang.
2. Bila kita melihat berbagai strategi yang diperlukan dalam pengelolaan lingkungan terutama dalam hal meminimasi maupun menghilangkan limbah maka terlihat ada empat strategi yakni pencegahan, daur ulang, perlakuan serta pembuangan. Pencegahan (prevention strategy), merupakan strategi pengurangan limbah yang terbaik karena telah dilakukan berbagai usaha secara dini untuk mengurangi terbentuknya limbah selama proses produksi berlangsung. Dalam beberapa kasus, strategi ini memerlukan berbagai inovasi proses yang cukup berarti akan tetapi juga mampu memberikan keuntungan ekonomi maupun ekologi yang sangat prospektif. Daur ulang (recycle strategy), strategi ini diimplementasikan bila terbentuknya limbah sudah tidak dapat dihindarkan lagi sehingga salah satu strategi untuk meminimasi terbentuknya limbah adalah dengan melakukan daur ulang maupun pemanfaatan kembali. Dalam beberapa kasus, pemanfaatan limbah ini dapat memberikan nilai komersial karena limbah dapat dijadikan produk yang bernilai ekonomi. Perlakuan (treatment strategy), apabila limbah tidak dapat diminimasi maupun dikurangi dengan strategi daur ulang maupun pemanfaatan kembali maka perlakuan terhadap limbah harus dilakukan dengan mengurangi baik secara kualitas maupun kuantitas daripada limbah yang terbentuk. Namun demikian, implementasi strategi yang berdasarkan pada paradigma akhir pipa (end pipe paradigm) telah berhasil dalam mereduksi kuantitas limbah namun tidak seefektif bila menggunakan paradigma dalam pipa (in pipe paradigm). Pembuangan (disposal strategy), merupakan startegi yang paling tidak efektif karena secara fisik limbah tetap akan menjadi beban lingkungan. Seringkali pembuangan limbah menjadi persoalan yang sangat problematik terutama berkaitan dengan tempat penimbunan akhir limbah yang menjadi isyu internasional. Karena fenomena inilah maka telah dibuat instrumen internasional berupa Konvensi Basel yang mengatur tentang transit limbah antar negara yang telah diratifikasi sekitar 160 negara di dunia

(anonym)
1. Sistim pengubah sampah domestik menjadi energi, yaitu gas methan merupakan salah satu alternatif reduksi sampah yang menghasilkan sumber daya baru. Menurut Ridlo (1998: E-30), waktu tinggal sampah organik sekitar 30 hari di dalam reaktor. Biogas yang dihasilkan oleh reaktor didominasi oleh gas methan  55-60 % dan sisanya CO2. Biogas yang dihasilkan dapat digunakan untuk keperluan rumah tangga seperti memasak dan penerangan. Selain menghasilkan biogas, reaktor juga menghasilkan produk samping berupa padatan dan cairan yang memiliki kualitas seperti pupuk.

Menuai Biogas dari Limbah. Kamis, 07 April 2005. www.pikiran–rakyat.com
1. segala jenis bahan yang dalam istilah kimia termasuk senyawa organik, entah berasal dari sisa dan kotoran hewan ataupun sisa tanaman, dapat dijadikan bahan biogas.
2. Pembuatan dan penggunaan biogas sebagai energi seperti layaknya energi dari kayu bakar, minyak tanah, gas, dan sebagainya sudah dikenal sejak lama, terutama di kalangan petani Inggris, Rusia dan Amerika Serikat. Sedangkan di Benua Asia, tercatat negara India sejak masih dijajah Inggris sebagai pelopor dan pengguna energi biogas yang sangat luas, bahkan sudah disatukan dengan WC biasa.
3. Di Indonesia, pembuatan dan penggunaan biogas mulai digalakkan pada awal tahun 1970-an, terutama karena bertujuan memanfaatkan buangan atau sisa yang berlimpah dari benda yang tidak bermanfaat menjadi yang bermanfaat, serta mencari sumber energi lain di luar kayu bakar dan minyak tanah.
4. Berdasarkan bahan-bahan untuk membuat biogas, cara dan lingkungan untuk menghasilkannya, sebenarnya biogas dapat dihasilkan di manapun. Pembuatan biogas bisa dalam bentuk yang sederhana (untuk kepentingan rumah-tangga terbatas) ataupun dalam bentuk yang sedang atau besar (untuk kepentingan bersama beberapa rumah atau lebih). Juga menyangkut tempat atau bejana untuk membuatnya. Secara sederhana dari drum bekas yang masih kuat atau sengaja dibuat dalam bentuk bejana dari tembok atau bahan-bahan lainnya.
5. Untuk sekadar memberikan gambaran, berikut ini akan diuraikan beberapa catatan yang berhubungan dengan pembuatan dan penggunaan biogas yang dapat dilakukan di lingkungan pedesaan, baik secara mandiri (perorangan) ataupun bersama-sama dengan tetangga, bahkan dalam bentuk usaha sekalipun.
6. Biogas seperti pula gas lain yang sudah umum digunakan sebagai energi, dapat digunakan untuk banyak kepentingan, terutama untuk kepentingan penerangan dan memasak. Masalahnya sekarang karena lampu atau kompor yang sudah umum dan biasa dipergunakan untuk gas lain selain biogas tidak cocok untuk pemakaian biogas, sebelumnya memerlukan perubahan atau penyesuaian tertentu terlebih dahulu. Hal ini berkaitan karena bentuk dan sifat biogas berbeda dengan bentuk dan sifat gas lain yang sudah umum.
7. Pusat Teknologi Pembangunan (PTP) ITB misalnya, telah sejak lama membuat lampu atau kompor yang dapat menggunakan biogas, yang asalnya dari lampu petromak atau kompor yang sudah ada. Perubahan dan penyesuaian dari lampu petromak atau kompor gas biasa yang dapat menggunakan biogas didasarkan kepada pertimbangan keselamatan dan penggunaan.
8. Seperti misalnya sifat biogas yang tidak berwarna, tidak berbau dan sangat cepat menyala. Karenanya kalau lampu atau kompor mempunyai kebocoran, akan sulit diketahui secepatnya. Berbeda dengan sifat gas lainnya, sepeti gas-kota atau elpiji, maka karena berbau akan cepat dapat diketahui kalau terjadi kebocoran pada alat yang digunakan.
9. Sifat cepat menyala biogas, juga merupakan masalah tersendiri. Artinya dari segi keselamatan pengguna. Sehingga tempat pembuatan atau penampungan biogas harus selalu berada jauh dari sumber api yang kemungkinan dapat menyebabkan ledakan kalau tekanannya besar.
10. Kompor biogas yang telah disusun dan diujicoba PTP ITB tersusun dari rangka, pembakar, spuyer, cincin penjepit spuyer dan cincin pengatur udara, yang kalau sudah diatur akan mempunyai spesifikasi temperatur nyala api dapat mencapai 560°C dengan warna nyala biru muda pada malam hari, dan laju pemakaian biogas 350 liter/jam, serta harganya diperkirakan antara Rp 2.500,00 sampai Rp. 3.000,00 saja (catatan tahun 1978).
Sedang lampu biogas yang juga telah diubah dan diujicoba dari lampu petromak yang terdiri dari tiang pipa dan katup pengatur jarum spuyer, tiang pipa dan nosel spuyer, pipa pencampur gas dan udara, mur penjepit reflektor, ruang pembakar, kaus, semprong (kaca pelindung berbentuk silinder) dan reflektor, ternyata mempunyai harga antara Rp 4.500,00 sampai Rp 6.000,00 saja (tahun 1973). Untuk lebih jelasnya kepada mereka yang membutuhkan keterangan lebih terperinci mengenai kompor dan lampu biogas ini, sebaiknya berhubungan dengan Pusat Teknologi Pembangunan ITB, JIn. Ganesa 10, Bandung. Drum bekas
11. Seperti sudah diuraikan sebelumnya, biogas dapat dibuat dari sisa, buangan ataupun kotoran. Yang penting sisa dan buangan tersebut berbentuk senyawa organik, seperti yang berasal dari tanaman ataupun hewan.
12. Bahan yang dapat digunakan untuk membuat bak, alat atau bejana pembuat dan penampung biogas, juga tidak perlu dari bahan yang mahal atau sukar untuk didapatkannya. Drum bekas asal masih kuat, merupakan bahan yang paling umum dipergunakan.
13. Biogas merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan sangat tinggi dan cepat daya nyalanya. Karenanya sejak biogas berada pada bejana pembuatnya sampai digunakan untuk penerangan ataupun memasak, harus selalu dihindari kehadirannya dari api yang dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Hal ini berhubungan dengan kemungkinan terjadinya kebocoran pada peralatan yang tidak diketahui.
14. Membuat biogas bukan semata-mata tergantung kepada bahan yang dipergunakan, kepada alat atau bejana yang digunakan, tetapi juga masih ada faktor-faktor lain yang menyertainya, yang langsung ataupun tidak langsung akan berpengaruh terhadap hasil.
15. Misalnya kita sudah memasukkan bahan-bahan yang diperlukan dalam bejana pembuat yang disertai dengan starter yang dibutuhkan. Tetapi ternyata beberapa hari kemudian, bejana penampung hasil tidak naik-naik. Kalau hal ini terjadi ada dua kemungkinan penyebabnya. Pertama bejana penampung hasil bocor, hingga secepatnya harus dicari dan ditambal atau proses pembuatan biogas tidak berjalan.
16. Bahan pembuat biogas merupakan bahan organik berkandungan nitrogen tinggi. Selama proses pembuatan kompos yang akan keluar dan tergunakan adalah unsur-unsur C, H, dan 0 dalam bentuk CH4 dan CO2. Karenanya nitrogen yang ada akan tetap bertahan dalam sisa bahan, kelak menjadi sumber pupuk organik ***

Suprihatin, Agung, dkk. 1996. PPPGT / VEDC. Malang
1. Biogas adalah gas-gas yang dapat digunakan sebagai bahan bakar yang dihasilkan dari proses pembusukan sampah organik secara anaerobik. Bahan bakunya dapat diambil dari kotoran hewan atau bahan sisa-sisa tanaman atau campuran dari keduanya. Secara garis besar, biogas dapat dibuat dengan cara mencampur sampah organik dengan air kemudian dimasukkan ke dalam tempat yang kedap udara. Selanjutnya dibiarkan selama lebih kurang 2 (dua) minggu.
2. Sampah yang dibuat biogas ini mempunyai kelebihan, antara lain:
• Mengurangi jumlah sampah
• Menghemat energi, dan merupakan sumber energi yang tidak merusak lingkungan.
• Nyala api bahan bakar biogas ini terang/bersih, tidak berasap seperti arang kayu atau kayu bakar. Dengan menggunakan biogas, dapur serta makanan akan tetap bersih.
• Residu dari biogas dapat dimanfaatkan untuk pupuk ladang.
3. Sampah Organik terdiri dari bahan-bahan penyusun tumbuhan dan hewan yang diambil dari alam atau dihasilkan dari kegiatan pertanian, perikanan atau yang lain. Sampah ini dengan mudah diuraikan dalam proses alami. Sampah rumah tangga sebagian besar merupakan bahan organik. Termasuk sampah organik, misalnya sampah dari dapur, sisa tepung, sayuran, kulit buah, dan daun.
Sampah Anorganik berasal dari sumber daya alam tak terbarui seperti mineral dan minyak bumi, atau dari proses industri. Beberapa dari bahan ini tidak terdapat di alam seperti plastik dan aluminium. Sebagian zat anorganik secara keseluruhan tidak dapat diuraikan oleh alam, sedang sebagian lainnya hanya dapat diuraikan dalam waktu yang sangat lama. Sampah jenis ini pada tingkat rumah tangga, misalnya berupa botol, botol plastik, tas plastik, dan kaleng.
Kertas, koran, dan karton merupakan perkecualian. Berdasarkan asalnya, kertas, koran, dan karton termasuk sampah organik. Tetapi karena kertas, koran, dan karton dapat didaur ulang seperti sampah anorganik lain (misalnya gelas, kaleng, dan plastik), maka di buku ini dimasukkan

Pengukuran Laju Produksi Biogas pada Pengolahan Limbah Cair Industri Tahu dengan Menggunakan Reaktor UASB

PENGUKURAN LAJU PRODUKSI BIOGAS PADA PENGOLAHAN LIMBAH CAIR INDUSTRI TAHU DENGAN MENGGUNAKAN REAKTOR UASB

(Studi Kasus di Sentra Industri Tahu Gamping, Sleman, DIY)

Wagiman1, Jumeri1, Mahmud Hasan2

1Staf Pengajar Jurusan TIP FTP UGM

2 Alumni Jurusan TIP FTP UGM

ABSTRACT

Whey is a part of tofu wastewater contains high organic material, relatively fluctuate at Chemical Oxygen Demand (COD), and low pH. Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor is very positive to reduce organic material and change it to biogas as an alternative energy source.

The UASB reactor was operated in the upflow system in which the whey flows upward through an anerobic sludge blanket comprising about half the volume of the reactor. The UASB fed by whey in two metods : batch with circulation and batch without circulation.

The results obtained show that batch without circulation method better than batch with circulation. Batch without circulation method can produce 251.964,75 mL biogas/kg COD; 88 % COD removal (4 days); and increase 98,23 % of pH value (4 days). Batch with circulation method can produce 109,917,51 mL biogas/kg COD; 85,32 % COD removal (4 days); and increase 84,75 of pH value. In industry scale, 1953,231 L biogas is produced from 300 kg of soy beans or 1200 L whey/day.

PENDAHULUAN

Tahu adalah makanan bergizi yang populer di masyarakat yang berasal dari ekstrak protein kedelai yang digumpalkan dengan asam, ion kalsium, atau bahan penggumpal lainnya (Rans, 2005). Industri tahu menghasilkan limbah padat dan cair dalam jumlah besar dan mengandung bahan organik cukup tinggi. Limbah padat belum terlalu mencemari lingkungan karena bisa digunakan untuk membuat tempe serta pakan ternak sapi, kerbau, kambing, babi, dan ikan (Nurhasan dan Pramudyanto, 1991). Limbah cair merupakan buangan pabrik tahu terbanyak yang mengandung sisa air susu tahu yang tidak tergumpal menjadi tahu, sehingga limbah cair pabrik tahu masih mengandung zat-zat organik seperti protein, karbohidrat dan lemak. Limbah cair industri tahu yang paling berbahaya apabila dibuang secara langsung ke lingkungan adalah whey yang merupakan hasil samping proses penggumpalan dengan kandungan bahan organiknya sangat tinggi (Suryandono, 2004) dan pHnya rendah karena mengandung sisa cuka yang digunakan untuk pembuatan tahu. Pembuangan limbah cair ke lingkungan tanpa melalui IPAL akan mengakibatkan bau busuk dan pencemaran lingkungan.

Secara fisik, whey berwarna kuning, kental, dan berbau menyengat jika tersimpan lebih dari 24 jam. Limbah cair tahu secara alami sudah mengandung mikroorganisme karena kandungan bahan organiknya tinggi (Santika (1987) dalam Wagiman, et.all. (2003))

Tabel 2.2 Karakteristik limbah cair tahu (whey)

Parameter Satuan Nilai

1.pH - 4-5

2. COD mg/L 30.000 – 40.000

3. BOD mg/L 10.000 – 15.000

4. N-NH3 mg/L 30 – 40

5. N-total mg/L 300 – 350

6. Protein % 0,30 – 0,40

7. Padatan tersuspensi mg/L 6.000 – 8.000

Sumber : Wagiman, et.all (2003)

Dengan melihat karakteristik limbah cair tahu di atas, maka limbah cair tahu tergolong limbah cair yang mengandung bahan organik yang tinggi dan pada umumnya biodegradable atau mudah diurai oleh mikrobia. Kondisi tersebut akan sangat menguntungkan untuk diolah dengan proses biologis, yaitu memanfaatkan kehidupan mikrobia untuk menguraikan zat organik. Penanganan limbah secara aerobik menimbulkan kendala berupa timbulnya busa dan degradasi protein yang sedikit karena protein bermassa molekul besar hanya dapat didegradasi secara efektif oleh mikroorganisme anaerobik (Metcalf dan Eddy, 1991). Penanganan secara anaerobik dirasa lebih tepat karena mampu menerima kandungan bahan organik yang tinggi, dapat menghasilkan energi, dan menghasilkan surplus lumpur yang rendah (Pusteklim, tanpa tahun).

Pengolahan limbah organik secara anaerobik menghasilkan biogas yang bisa digunakan sebagai sumber energi. Pembentukan biogas terjadi selama proses fermentasi berjalan (Setiawan, 2005). Biogas adalah gas mudah terbakar, tidak berwarna, dan tidak berbau yang mengandung 40-70 % metana (CH4), 30-60 % karbondioksida (CO2) serta sedikit hidrogen (H2) dan hidrogen sulfida (H2S) (Anonim,2005). Metana yang terkandung dalam biogas mempunyai nilai kalor antara 590 – 700 K.cal/m3 yang berpotensi sebagai sumber energi. Salah satu reaktor anaerobik yang banyak digunakan sebagai pengonversi bahan organik menjadi biogas adalah UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) (Field, 2003) yang bermula dari ide Dr. Gatze Lettinga dan koleganya pada akhir tahun 1970-an (1976-1980) di Wageningen University (Belanda). Prinsip kerja reaktor ini adalah aliran influen masuk dari bawah reaktor menembus lapisan lumpur mikrobia dalam reaktor sehingga kontak antara lumpur mikrobia dengan limbah cair semakin banyak. Namun dorongan ke atas tersebut tidak boleh terlalu kuat agar lumpur mikrobia tidak ikut keluar bersama efluen ( (Pusteklim, 2002).

Produksi biogas yang dihasilkan dan penurunan tingkat pencemaran limbah setelah melalui IPAL perlu diketahui sebagai dasar dalam perancangan IPAL yang memanfaatkan biogas.

Pengolahan limbah cair tahu dengan ABR menunjukkan bahwa degradasi bahan organik dapat mencapai 91,78 %, sehingga COD keluaran ABR berkisar antara 400-700 mg/L (Wagiman, 2003) dan belum mencapai standard baku mutu limbah cair industri tahu yang disyaratkan pemerintah sebesar 100 mg/L..

Penelitian mengenai penanganan limbah cair tahu whey yang dilakukan oleh Anwar (2005) menggunakan reaktor ABR (Anaerobic Baffled Reactor) menunjukkan bahwa produksi biogas yang dihasilkan dengan metode batch tanpa sirkulasi dan dengan sirkulasi adalah 1.469 dan 1.727,78 mL/hari

Pengolahan limbah cair tahu whey dengan reaktor UASB diharapkan dapat memproduksi biogas dan menurunkan kandungan bahan organik lebih banyak.

METODE PENELITIAN

Penelitian dilakukan dengan dua metode yaitu metode batch tanpa sirkulasi (BTS) dan batch dengan sirkulasi (BDS) untuk mengetahui banyaknya biogas yang dihasilkan dari kedua metode, serta efisien dalam menurunkan nilai COD dan menetralkan nilai pH limbah cair industri tahu serta potensi biogas skala industri. Mikrobia yang digunakan adalah lumpur mikrobia reaktor UASB di Klaten milik PUSTEKLIM Dian Desa ditambah dengan Bio2000 sehingga memenuhi separuh volume reaktor. Sisa volume reaktor diisi dengan whey tahu. Total volume reaktor sebesar 7,8 L dengan diameter alas 4 inch dan tinggi 1 m.

Volume gas dicatat setiap hari (selama 12 hari) untuk mengetahui laju produksi gas per hari, sedangkan uji COD dan pH dilakukan pada sampel limbah cair yang diambil setiap 4 hari sekali. Dari data-data tersebut diketahui produksi biogas per hari, penurunan COD, dan kenaikan pH, sehingga dapat ditentukan berapa HRT yang optimal untuk pengolahan limbah cair tahu dengan metode ini.

Gambar Reaktor UASB dan Penampung Gas

Keterangan : lubang A, B, C, dan D merupakan kran pengambilan sampel

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Produksi Biogas

Penelitian menunjukkan bahwa produksi biogas metode BTS maupun BDS berubah sesuai dengan perubahan waktu tinggal. Perubahan jumlah produksi biogas mengikuti pola logaritmik yang berarti bahwa jumlah produksi biogas di awal periode meningkat tajam dan setelah penambahan waktu tinggal tertentu tidak lagi efektif meningkatkan jumlah produksi biogas. Grafik yang terbentuk sebagaimana pada gambar berikut dengan persamaan kurva produksi biogas metode BTS dan BDS adalah y = 2.6734 Ln (x) + 2.4147 dan y = 0,8069 Ln (x) + 2,1943. Kesesuaian persamaan trendline dengan data aktual yang ada ditunjukkan dengan nilai R2.yang mendekati 1. R2 metode BTS dan BDS masing-masing sebesar 0,9856 dan 0,934 yang menunjukkan bahwa persamaan tersebut cukup mewakili data yang ada.

Gambar 4.1 Produksi Kumulatif Biogas

Produksi biogas maksimal tercapai pada hari pertama lalu berangsur-angsur menurun sehingga pertambahan produksi biogas pada kedua metode semakin mengecil karena kandungan bahan organik dalam limbah semakin sedikit.. Anwar (2005) menyatakan bahwa penurunan pertambahan produksi biogas terjadi seiring dengan menurunnya kandungan bahan organik dalam limbah cair tahu. Penurunan kandungan bahan organik ini ditunjukkan oleh penurunan COD.

Produksi biiogas metode BTS selama 12 hari lebih besar dari metode BDS. Hal ini bertentangan dengan pernyataan Marchaim (1992) yang mengungkapkan bahwa penambahan perlakuan sirkulasi mampu meningkatkan produksi biogas yang dihasilkan karena kontak antara limbah cair dengan mikrobia semakin besar, sehingga penelitian lanjutan tentang penyebab hal ini perlu dilakukan.

Kenaikan volume akumulatif biogas mulai mengecil pada hari ke-4 sampai hari ke-5 sebesar 11,2 % dengan penurunan tajam laju produksi biogas sebesar 48,88 % untuk metode BTS, serta 5,9 % dan 2,4 % untuk metode BDS.

Kenaikan volume kumulatif biogas semakin mengecil pada hari ke-5 sampai hari ke-6 sebesar 5,76 % dengan penurunan laju produksi biogas sebesar 42,89 % untuk metode BTS, serta 6,12 % dan 2,41 % untuk metode BDS, sehingga waktu tinggal optimal dalam produksi biogas adalah 4 hari. Hal ini diperkuat dengan perhitungan SPSS metode Duncan berikut yang menunjukkan bahwa produksi biogas hari ke-5 sampai ke-12 berbeda nyata dengan hari-hari sebelumnya. Penggantian limbah cair harus dilakukan pada hari kelima agar produksi limbah tetap tinggi.

Tabel Perhitungan produksi biogas dengan SPSS metode Duncan

BTS Subset for alpha = .05

1 2

Duncan(a) 12 .1500

11 .1650

10 .2000

9 .2575

7 .2805

8 .3020

6 .4065

5 .7100

3 1.0515

2 1.3350 1.3350

4 1.3910 1.3910

1 2.5695

Sig. .082 .065

B. Penyisihan Bahan Organik

Penyisihan bahan organik dinyatakan dengan nilai COD (Wagiman, 2005) yang menunjukkan jumlah oksigen yang digunakan dalam proses oksidasi secara kimia terhadap zat-zat organik dalam limbah cair yang ekivalen dengan nilai konsentrasi kalium dikromat (K2Cr2O7) (Ginting, 1992). Angka COD merupakan ukuran bagi pencemaran air oleh bahan-bahan organik yang secara alamiah dapat dioksidasikan melalui proses biologis, dan mengakibatkan berkurangnya oksigen terlarut dalam air (Algert,1987).

Penyisihan bahan organik pada limbah cair whey tahu dengan metode BTS dan BDS selama 12 hari ditunjukkan dalam gambar berikut.

Gambar Penurunan nilai COD

Influen yang digunakan dalam penelitian merupakan limbah cair (whey) yang dibuang industri tahu ke lingkungan tanpa melewati IPAL sehingga nilai COD influen cukup tinggi yang menunjukkan besarnya kandungan bahan organik dalam influen (Indriyati, 2005).

Kandungan bahan organik menurun setelah melewati reaktor sebagaimana yang ditunjukkan oleh nilai CODnya. Secara kumulatif, penurunan COD pada hari ke-4, 8, dan 12 bertambah yaitu berturut-turut 88%, 95%, dan 98,57% untuk metode BTS serta 85,32%; 87,13%; dan 96,91% untuk metode BDS.

Penurunan COD disebabkan oleh aktivitas mikrobia di dalam reaktor, yaitu dengan jalan merombak bahan organik dalam limbah cair menjadi gas-gas metana, karbondioksida, hidrogen dan lain-lain yang sifatnya menguap dan meninggalkan cairan limbah (Anonim, 1994).

Besarnya penurunan COD karena pengolahan limbah cair berada di lingkungan tropis pada suhu di atas 12 OC sehingga efisiensi perubahan COD diatas 60 % (Marchaim,1992).

Waktu tinggal optimal untuk menghasilkan biogas adalah 4 hari, sehingga effluen masih harus mendapatkan penanganan limbah selanjutnya karena penurunan COD sampai hari keempat sebesar 1380 mg/L dan 840 mg/L atau 88 % dan 85,32 % dari COD influen belum mencapai standard baku mutu yang ditetapkan pemerintah sebesar 100 mg/L

C. pH

Kenaikan nilai pH pada pengolahan limbah cair dengan metode BDS dan BTS dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar Perubahan pH

Nilai pH influen metode BTS dan BDS cukup rendah, yaitu sebesar 3,879 dan 3,988 karena limbah cair tahu banyak mengandung asam asetat yang digunakan untuk penggumpalan protein dalam proses pembuatan tahu (Anonim, 1994). Nilai ini jauh di bawah baku mutu limbah cair tahu yang ditetapkan oleh pemerintah DIY sebesar 6 – 9 (SK Gubernur DIY no. 281/KPTS/1998 dalam Wagiman, 2004). Nilai pH rendah dapat membahayakan kehidupan biota air sehingga keseimbangan ekosistem air dapat terganggu (Wagiman, 2004).

Nilai pH pada sebuah digester biogas juga merupakan fungsi waktu tinggal (FAO, 1996). Pada periode awal cenderung rendah lalu naik pada periode berikutnya yang menunjukan bahwa proses asidogenesis dan metanogenesis berlangsung secara terpisah (Bell dan Buckley (2003) dalam Wagiman et all, 2004).

Pada metode BTS, pH limbah cair cenderung naik setelah melewati reaktor dengan kenaikan sebesar 98,23 % (dari 3,879 menjadi 7,691) pada hari keempat, lalu menurun sebesar 1,28 % (dari 7,691 menjadi 7,592) pada hari kedelapan, dan naik lagi sebesar 5,23 % (dari 7,592 menjadi 7,990) pada hari keduabelas.

Pada metode BDS juga mengalami perubahan pH pada setiap periode. Kenaikan pH pada periode pertama sebesar 84,75 % (dari 3,988 menjadi 7,369), lalu naik sebesar 1,39 % (dari 7,369 menjadi 7,472) pada hari kedelapan, dan kemudian turun sebesar 1,47 % (dari 7,472 menjadi 7,361) pada hari keduabelas mendekati pH netral.

Penurunan pH pada digester terjadi pada BTS periode kedua dan metode BDS periode ketiga karena bakteri mendegradasi sebagian senyawa menjadi asam. FAO (1996) menyatakan bahwa bakteri pembentuk asam memproduksi sejumlah besar asam-asam organik sehingga pH dalam digester turun. Peningkatan pH disebabkan karena proses digesti yang berlanjut sehingga menyebabkan konsentrasi NH4+ meningkat (FAO, 1996).

Peningkatan pH tersebut disertai produksi biogas yang cukup besar seperti tercatat dalam kurva laju produksi biogas saat awal sistem operasi. FAO (1996) menyatakan bahwa produksi biogas optimum tercapai saat nilai pH dalam digester berkisar antara 6 dan 7.

Penelitian menunjukkan produksi biogas mencapai maksimal pada hari pertama, berarti proses hidrolisis dan asidifikasi berlangsung cepat dan kemungkinan kenaikan pH menjadi 6 dan 7 terjadi pada hari itu juga. McLean (1995) menyatakan bahwa waktu tinggal limbah dalam UASB selama 8,5 jam dengan efisiensi penurunan COD sebesar 70-90 %. Reaksi metanogenik tersebut nampak berupa munculnya gas yang mengakibatkan gelembung-gelembung udara pada tabung air penampung gas pada beberapa jam setelah penambahan influen.

Kekurangan penelitian ini adalah tidak dilakukan penghitungan volume gas dalam jangka waktu lebih pendek dan tidak dilakukan uji pH setiap hari sehingga tidak diketahui lebih pasti kapan mulai dan berakhirnya suatu tahap.

D. Potensi Biogas

Biogas mempunyai kisaran komposisi gas metan (CH4) antara 54-70 % (Yuli, 2005) dan mengandung kalor 8900 kcal/m3 metana murni (Harahap,1978).sehingga metode BDS dan BTS yang diopersikan selama 4 hari pada penelitian ini mampu menghasilkan kalori sebagaimana pada tabel berikut.

Tabel Produksi biogas metode BTS dan BDS

Parameter Satuan BTS BDS

Biogas mL/hari 1.587 859,5

Metana mL/hari 856,98 464,13

Kalori Kcal/hari 7,627 4,132

Efisiensi produksi biogas % 38,87 16,96

Jika suatu industri tahu mengolah 300 kg kedelai/hari dan jumlah kecutan yang dihasilkan sebanyak 1800 L/hari serta jumlah whey yang digunakan untuk kecutan hari berikutnya sekitar 30 % (Wagiman, 2003), maka air kecutan yang dibuang sekitar 1200 L/hari.

Dengan asumsi 1 L solar setara dengan Rp 4.300,00 dan 1 m3 biogas setara dengan 0,61 L minyak diesel (Anonim, 2005), maka biogas yang diperoleh selama 4 hari setara dengan Rp 5.117,46 atau Rp 460.571,87/tahun (360 hari) atau setara dengan 107,12 L solar dengan efisiensi 38,87 % dari total nilai tambah yang seharusnya bisa diperoleh (lampiran).

KESIMPULAN DAN SARAN

1. Pengolahan satu kg COD limbah cair tahu dengan reaktor UASB metode BTS mampu menghasilkan 251.964,75 mL biogas atau 136.060,97 mL metana. Pengolahan dengan metode BDS mampu menghasilkan 109.917,51 mL biogas atau 59.355,46 mL metana

2. Pengolahan limbah cair tahu dengan reaktor UASB optimal dilakukan selama 4 hari dengan kemampuan metode BTS dalam menurunkan COD sebesar 88 % dan menaikkan pH sebesar 98,23 %. Pengolahan metode BDS mampu menaikkan COD sebesar 85,32 % dan menaikkan pH sebesar 84,75 %. Pengolahan limbah cair tahu selama 12 hari metode BTS mampu menurunkan COD sampai baku mutu limbah cair yang diperkenankan, sedang metode BDS belum mampu menurunkan COD sampai baku mutu limbah cair yang diperkenankan sebesar 100 mg/L. Kedua metode mampu menaikkan pH sampai range pH limbah cair yang diperkenankan.

3. Aplikasi UASB pada pengolahan whey industri tahu dari 1.200 L whey/hari diperkirakan mampu manghasilkan 1.953,231 L biogas/tahun atau setara dengan 107,12 L solar atau senilai Rp 460.571,87

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2005. Biogas Plants. www. Crtnepal.org.

Anonim. 1994. …. Lembaga Penelitian UGM. Yogyakarta

Anonim, 10 Mei 2005. Teknologi Biogas www.balipost.co.id

FAO. 1996. A System Approach to Biogas Technology. www.fao.org.

Field, Jim. 15 September 2002. Anaerobic Granular Sludge Bed Reactor Technology. www. Uasb.org.

Field, Jim. 20 September 2002. Granulation. www. Uasb.org.

Harahap, D. Filino; Apandi; Ginting. 1978. Teknologi Gas Bio. Surya International. Pusat Teknologi Pembangunan ITB. Bandung

Indriyati. 2005. Pengaruh Waktu Tinggal Substrat Terhadap Efisiensi Reaktor Tipe Totally Mix. www.iptek.net.id

Marchaim, Uri. 1992. Biogass Processes for Sustainable Development. Israel

Metcalf dan Eddy. 1991. Wastewater Engineering Treatment Disposal Resue. John Willy and Sons. Toronto

Nurhasan, Pramudyanto,B.B., 1991. Penanganan Air Limbah Pabrik Tahu. Yayasan Bina Kasta Lestari Bintarti. Semarang

Pusteklim. ... . Pengolahan Air Limbah Industri Tahu. Pusteklim. Yogyakarta

Pusteklim. 2002. Uplift Anaerobic Sludge Blanket (UASB). Pusteklim. Yogyakarta

Rans. 26 Januari 1999. Tahu. www. warintek.progressio.or.id

Setiawan,Yuli. 27 Mei 2005. Mengubah Limbah Ternak Jadi Energi. www. iatpi.org

Suryandono, AG. 2004. Identifikasi Laju Produksi Biogas pada Pengolahan Limbah Cair Tahu Menggunakan Anaerobic Baffled Reactor (ABR). Jurusan TIP FTP UGM. Yogyakarta

Wagiman, Atris, S dan Jumeri. 2001. Optimasi Kebutuhan Limpur Aktif Untuk Proses Pengolahan Limbah Cair Pada Sentra Industri Tahu “Ngudi Lestari”. Lembaga Penelitian UGM. Jogjakarta

Wagiman; Suryandono, Ag. 2004. Kajian Kombinasi Anaerobic Baffled reactor (ABR) dan Sistim Lumpur Aktif Untuk Pengolahan Limbah Cair Tahu. Lembaga Penelitian UGM. Yogyakarta

Wagiman. 2005. Identifikasi Potensi Produksi Biogas dari Limbah Cair Tahu dengan menggunakan Reaktor UASB. TIP FTP UGM. Yogyakarta

LAMPIRAN

Asumsi :

Kapasitas kedelai = 300 kg/hari

Jumlah limbah cair = 4.320 L/hari

Bila :

3,9 L limbah cair (4 hari) = 6,348 L biogas

4.320L limbah cair (4 hari) = 7.031,631 L biogas = Rp 18.422,87 (4 hari)

= Rp 1.658.058,54 (1 tahun)

Teoritis :

Bahan organik terolah per hari selama 4 hari :

= 6.976,8 gr COD/hari

= 0,35 L CH4/gr COD* 6.976,8 gr COD/hari

= 2441,88 L CH4/hari = 4.522 L biogas/hari

= Rp 11.847,64/hari = Rp 47.390,56 (4 hari)

= Rp 4.265.150,40 (1 tahun)

Efisiensi :

= (Rp 1.658.058,54 : Rp 4.265.150,40) * 100 %

= 38,87 %

PRODUSEN UDANG PENACID DIPERINGATKAN TENTANG IMN

Infectious myonecrosis (IMN) kini tengah menyebar di daerah tambak penghasil udang dan petani telah diperingatkan untuk tetap mengamati gejala ini karena berpotensi menimbulkan kerugian besar.

IMN adalah penyakit yang berkaitan dengan virus yang disebabkan infectious myonecrosis virus (IMNV). Menurut Jaringan Pusat Akuakultur di Asia-Pasifik (NACA) penyakit ini mampu mempengaruhi kondisi udang putih Pasifik (Penaeus vannamei), udang windu (P. monodon) dan udang biru (P. stylirostris). Penyakit IMN ini selalu dikaitkan dengan kerugian besar dalam industri budidaya udang yang diperkirakan berkisar antara 40 – 70 %.

Awalnya kejadian ini dilaporkan dari Brazil, namun setelah itu wabah dilaporkan muncul di Jawa Timur, Kecamatan Situbondo di Indonesia pada bulan Mei 2006. Pada tahun 2009, beberapa provinsi lain mulai terpengaruh.

Dengan penyebaran penyakit ini, timbul adanya ancaman yang tinggi terhadap negara-negara tetangga penghasil P. vannamei. Dugaan wabah yang tengah muncul harus segera dilaporkan kepada pihak berwenang.

Dialihbahasakan oleh : Mahmud Hasan, S.TP
(Sumber : www.thefishsite.com, 4 Januari 2011)