Yth. Peserta Diskusi ZOA-BIOTEK-2001 Berikut ini kami postingkan bagian pertama dari dua bagian paper dari rekan kita Agus Supriyanto, dengan judul: Aplikasi Wastewater Sludge Untuk Proses Pengomposan Serbuk Gergaji yang merupakan telaah aplikatif yg menarik. Untuk versi web, silakan klik di: http://sinergy-forum.net/zoa/paper/html/paperAgusSupriyanto. html Silakan simak dan selamat berdiskusi. Moderator ZOA-Biotek Sesi Lingkungan SinergY-PPI-Tokodai Dhany Arifianto Son Kuswadi ---------------------------------------------------------------------- Aplikasi Wastewater Sludge Untuk Proses Pengomposan Serbuk Gergaji Agus Supriyanto PT NovartisBiochemie, Citeurep Bogor Indonesia Ringkasan Pengomposan bukanlah suatu ide atau hal yang baru. Pengomposan merupakan suatu proses penguraian mikrobiologis alami dari bahan buangan organik maupun dari wastewater sludge. Saat ini proses pengomposan dari bahan buangan tersebut menjadi suatu produk akhir yang lebih bernilai telah berkembang dengan pesat, terutama oleh mereka yang lebih peduli terhadap pelestarian lingkungan; karena proses ini dipandang sebagai alternatif terbaik dalam management pengelolaan sampah padat. Berdasarkan komposisi konstituen dasar dari bahan buangan organik dan wastewater sludge, kombinasi pemanfaatan kedua jenis bahan tersebut merupakan synergi yang saling melengkapi. Bahan buangan organik seperti limbah serbuk gergaji dari perajin tradisional masih belum dimanfatkan secara optimal sedangkan wastewater sludge dari industri yang ramah lingkungan umumnya masih dibuang percuma dan belum menemukan bentuk penyelesaian masalah secara tuntas. Dasar utama dari pencampuran awal adalah faktor C/N ratio, moisture content, populasi mikroba dan porositas campuran. Selama proses, faktor temperatur dan kondisi kandungan oksigen harus diamati untuk menjamin berlangsungnya proses pengomposan secara aerobik. Pembalikan tumpukan massa kompos bersamaan dengan pengontrolan moisture content perlu dilakukan secara terjadwal untuk optimalisasi dan efisiensi proses. Produk kompos yang dihasilkan dari bahan yang ramah lingkungan dan melalui proses yang terkontrol tersebut akan sangat berguna sebagai "soil conditioner" dengan prospek aplikasi yang sangat luas dan cerah di masa yang akan datang. Kerjasama dan dukungan semua pihak dan lapisan masyarakat, terutama terhadap solusi masalah limbah sebagai bagian dari siklus alami harus segera dirintis sebagai suatu bagian yang terintegrasi dan tak terpisahkan dari mata rantai kegiatan, baik industri, produksi maupun kehidupan masyarakat umum. 1. Pengomposan Dalam usaha untuk mengatasi masalah wastewater sludge yang semakin meningkat jumlahnya dan cara-cara penanganan serta pembuangan akhir yang lebih tepat untuk masa mendatang, ada beberapa alternatif utilisasi dan pembuangan akhir dari wastewater sludge tersebut yang dapat dipertimbangkan, yaitu: Land-filling, masalah dengan keterbatasan kapasitas, tempat yang cocok dan aman, biaya dlsb. Incineration/ pembakaran, ada berbagai masalah berdasarkan pada pengalaman sebelumnya akibat dari pembakaran sampah/ limbah padat. Pengomposan, dipandang sebagai alternatif terbaik dengan pertimbangan sbb: Biaya investasi relatif lebih murah Pengoperasiannya dapat digabung dengan operasional pengolahan wastewater Penjualan produk akhir kompos dapat mengurangi biaya operasional Mengembalikan produk kompos ke dalam tanah dengan biaya yang lebih kompetitif dibanding cara land-filling ataupun incineration. Secara ekosistem, cara ini lebih alami dalam mengikuti siklus kehidupan dan daur ulang. Sejak awal dekade 1970-an, pengomposan mulai mendapat perhatian sebagai alternatif yang cost-effective dan environmentally sound untuk proses stabilisasi dan pembuangan akhir dari wastewater sludge. Semakin ketatnya peraturan tentang polusi udara dan persyaratan tentang sludge disposal serta antisipasi makin sulit dan keterbatasan lahan landfill telah mempercepat pengembangan proses pengomposan sebagai suatu opsi yang viable dari wastes management secara umum, khususnya sludge management. Proses pengomposan itu sendiri merupakan biodegradasi dari bahan organik menjadi suatu produk yang stabil. Proses pengomposan yang sempurna akan menghasilkan produk yang tidak mengganggu baik selama penyimpanan maupun aplikasinya, seperti bau busuk, bakteri pathogen. Selama proses pengomposan, temperatur akan mencapai range pasteurization dari 50 - 70 oC, sehingga bakteri pathogen dari wastewater sludge (jika dari pengolahan limbah domestic atau municipal) akan mati. Meskipun proses pengomposan dapat berlangsung dalam kondisi aerobik maupun anaerobik, proses aerobik lebih cocok diaplikasikan pada pengomposan dari wastewater sludge, terutama dari municipal. Proses pengomposan aerobic lebih mempercepat proses penguraian dan berlangsung pada temperatur yang relatif tinggi sehingga sekaligus berguna untuk menghilangkan bakteri pathogen yang berasal dari kotoran manusia. Disamping itu pengomposan aerobik juga meminimalkan potensi bau yang ditimbulkan. Secara umum kompos sangat bermanfaat sebagai soil conditioner dengan adanya kandungan bahan organik yang tinggi, karena sifat kestabilannya maka bahan organik dalam kompos akan terdegradasi secara perlahan dan tertahan secara efektif untuk waktu yang lebih lama dibandingkan bahan organik dari limbah yang belum dikomposkan. Kandungan makro dan mikro nutrisi yang berasal dari wastewater sludge sangat bermanfaat untuk pertumbuhan tanaman, baik perkebunan, pertanian maupun hortikultura & hobbies. Disamping itu produk kompos juga akan meningkatkan kualitas tanah yang berpasir, tanah liat maupun kondisi tanah yang telah jenuh (more balance soils). Sedangkan dari sisi mikrobanya, aplikasi kompos sangat bermanfaat untuk reklamasi dari tanah yang telah kehilangan atau rusak top soilnya, seperti akibat cutting-filling pada pembukaan lahan untuk industri dan real-estate, akibat aktivitas pertambangan terbuka atau pada tanah yang sebelumnya terlalu banyak menggunakan pupuk kimia karena akan meningkatkan populasi mikroba tanah yang berfungsi untuk penyediaan nutrisi yang siap diserap oleh akar tanaman. Peningkatan sifat-sifat tanah dari penggunaan kompos antara lain: Meningkatkan kandungan air dan retensi air untuk kondisi tanah berpasir. Meningkatkan sifat agregasi. Meningkatkan aerasi, permeability dan sifat infiltrasi air untuk kondisi tanah liat. Meningkatkan daya tembus akar. Meningkatkan populasi mikroba tanah. Menurunkan tingkat kekerasan lapisan permukaan tanah. Disamping berbagai faktor positif tersebut, sisi negatif dari kompos yang berasal dari wastewater sludge juga harus diwaspadai. Keberadaan senyawa organik yang persistent atau nonbiodegradable, bakteri pathogen ataupun logam berat di dalam sludge yang telah dikomposkan merupakan hambatan untuk pembuangan akhir ataupun aplikasi akhir ke lingkungan dan tanaman, terutama yang dikonsumsi untuk manusia, baik langsung maupun tidak langsung. Untuk itu perlu dilakukan pengujian dan evaluasi kualitas wastewater sludge sebelum dikomposkan, mulai dari proses pengolahan sludge, karakteristik limbah sebelum diolah, sampai bahan kimia yang digunakan dalam proses manufacturing sampai sludge dewatering, interaksi dan sifat-sifat bahan kimia tersebut. @ Proses pengomposan wastewater sludge sedikit berbeda dibandingkan proses pengomposan sampah. Secara prinsip ada beberapa keuntungan dari pengomposan wastewater sludge dibandingkan sampah pada umumnya, yaitu: Tidak membutuhkan material management yang kompleks Tidak memerlukan teknik pemisahan yang rumit Lebih seragam dalam komposisi Proses operasionalnya lebih mudah Tidak terkontaminasi oleh bahan buangan lain, seperti: plastik, logam, kaca, dll. Hasil komposnya lebih cocok untuk dipasarkan. Disamping itu dari sudut ekonomis, pengomposan sludge sering hanya dipandang sebagai metoda alternatif dan tidak dievaluasi pada potensial profitabilitinya, seperti pada operasional pengomposan sampah. 2. Proses Mikrobiologi Pengomposan merupakan proses penguraian aerobik - thermophilic dari konstituen organik (misalnya dari sampah / buangan organik alami dan excess sludge dari biological wastewater treatment) menjadi produk akhir yang relatif stabil, menyerupai humus. Ada 3 group mikroorganisme yang berperan, yaitu: bakteria, actinomycetes dan fungi. Fungsi bakteria akan mengurai senyawa golongan protein lipid dan lemak pada kondisi thermophilic serta menghasilkan energi panas. Actinomycetes dan fungi yang selama proses pengomposan berada pada kondisi mesophilic dan thermophilic berfungsi untuk mengurai senyawa-senyawa organik yang kompleks dan selulosa dari bahan organik atau dari bulking agent. Faktor kondisi lingkungan selama operasional sangat berpengaruh terhadap aktivitas mikroorganisme dalam proses oksidasi - dekomposisi tersebut dan pada akhirnya berpengaruh terhadap kecepatan dan siklus proses pengomposan serta kualitas kompos yang dihasilkan. Selama proses pengomposan ada 3 tahapan berbeda dalam kaitannya dengan temperatur yang diamati, yaitu: mesophilic, thermophilic dan cooling (tahap pendinginan). Pada tahap awal mesophilic temperatur proses akan naik dari suhu lingkungan ke ~ 40 oC dengan adanya fungi & bacteria pembentuk asam. Temperatur proses akan terus meningkat ke tahap thermophilic antara 40 - 70 oC, dimana mikroorganisme akan digantikan oleh bakteria thermopilic, actinomycetes dan thermophilic fungi. Pada range thermopilic temperatur, proses degradasi dan stabilisasi akan berlangsung secara maksimal. Tahap pendinginan ditandai dengan penurunan aktivitas mikroba dan penggantian dari mikroorganisme thermophilic dengan bacteria & fungi mesophilic. Selama tahap cooling, proses penguapan air dari material yang telah dikomposkan akan masih terus berlangsung, demikian pula stabilisasi pH dan penyempurnaan pembentukan humic acid. 2.1. Deskripsi Proses Proses pengomposan dapat diklasifikasikan dalam 2 sistem, yaitu: Sistem terbuka (Unconfined process): Windrow (Turned windrow) Aerated static pile (Forced aeration static windrow) Individual pile Extended pile Sistem tertutup (Confined processes) Sistem terbuka bukanlah tidak tertutup sama sekali tetapi masih memerlukan atap untuk perlindungan terhadap hujan. Pada sistem terbuka umumnya digunakan peralatan/ mesin yang portable untuk proses pencampuran dan pengadukan/ pembalikan. Sedangkan pada sistem tertutup digunakan fasilitas kontainer atau reaktor tertutup. Meskipun setiap teknik pengomposan mempunyai ciri tersendiri, tetapi proses dasarnya serupa. Tahap dasar proses pengomposan adalah sebagai berikut: Jika diperlukan, ditambahkan bulking agent sebagai fungsi pengatur / pengontrol porositas dan moisture, atau Penambahan bahan organik lain sebagai sumber nutrisi, umumnya sumber senyawa Karbon (contohnya serbuk gergaji, jerami, sekam dan kulit padi dll.) yang dicampurkan ke wastewater sludge untuk mendapatkan campuran yang sesuai bagi kelangsungan proses pengomposan. Campuran tersebut harus cukup berpori, stabil secara struktural dan proses pengomposan dapat berlangsung dengan sendirinya. Temperatur dapat mencapai 55 - 65 oC sehingga bakteri pathogen akan mati, disamping itu juga untuk mendorong proses penguapan sehingga kandungan air dari produk akhir akan menurun. Kompos disimpan selama beberapa waktu kemudian untuk stabilisasi pada temperatur rendah, mendekati temperatur sekeliling. Jika diperlukan, pengaliran udara kering pada cured compost yang terlalu basah untuk kemudahan transportasi dan aplikasi selanjutnya. Pemisahan bulking agent, jika pada awalnya digunakan dan akan didaur- ulang. Pengomposan merupakan wujud aktivitas kerjasama dari berbagai mikroorganisme (bakteria, actinomycetes dan fungi) yang didukung oleh berbagai kondisi / faktor penting dari lingkungan yang memungkinkan terjadinya proses mikrobiologis, yaitu: Moisture (kandungan air) Temperature pH Konsentrasi Nutrient Ketersediaan dan supply Oksigen A. Moisture (Kandungan air) Penguraian senyawa organik sangat tergantung pada faktor moisture. Limit terendah dari aktivitas bakteria adalah antara 12 - 15 %; meskipun sebenarnya moisture content < 40 % merupakan batas dari kecepatan penguraian optimum. Idealnya kandungan moisture antara ~ 50 - 60 %. Jika moisture content dari campuran > 60 % maka integritas struktural yang baik juga tidak akan dicapai. Selama proses pengomposan sebagian air akan teruapkan sehingga perlu dilakukan pengaturan dengan penyemprotan, misalnya bersamaan dengan pembalikan pada proses windrow, untuk menjaga kondisi moisture content yang optimum selama proses pengomposan. Pada kondisi akhir, tahap pendinginan, moisture content diharapkan supaya terus menurun untuk mencapai mendapatkan produk akhir yang lebih mudah penanganannya, penyimpanan dan aplikasi akhir. Dewatered wastewater sludge umumnya masih terlalu basah untuk mencapai kondisi optimum pengomposan. Untuk menurunkannya, umumnya digunakan campuran bahan lain seperti serpihan kayu, serbuk gergaji atau bahan organik lain yang relatif kering. Pendekatan yang paling praktis - ekonomis dari setiap lokasi harus didasarkan pada beberapa faktor, yaitu: Perhitungan kesetimbangan massa yang masih memungkinkan terjadinya proses pengomposan berlangsung secara optimum dan efisien Kemudahan operasional dan tenaga kerja, Periode waktu yang dibutuhkan Luas lahan yang dibutuhkan Kondisi dan faktor lingkungan secara keseluruhan B. Temperature Kondisi paling optimum pengomposan dari pencapaian temperatur antara 55 - 65 oC, tetapi harus < 80 oC. Kondisi temperatur tersebut juga diperlukan untuk proses inaktivasi dari bakteri pathogen di dalam sludge (jika ada). Moisture content, kecepatan aerasi, ukuran dan bentuk tumpukan, kondisi lingkungan sekitar dan kandungan nutrisi sangat mempengaruhi distribusi temperatur dalam tumpukan kompos. Sebagai contoh, kecenderungan temperatur akan lebih rendah jika kondisi moisture berlebih karena panas yang dihasilkan akan digunakan untuk proses penguapan. Sebaliknya kondisi moisture yang rendah akan menurunkan aktivitas mikroba dan menurunkan kecepatan pembentukan panas. C. pH Kondisi pH optimum untuk pertumbuhan bakteria pada umumnya adalah antara 6.0 - 7.5 dan 5.5 - 8.0 untuk fungi. Selama proses dan dalam tumpukan umumnya kondisi pH bervariasi dan akan terkontrol dengan sendirinya. Kondisi pH awal yang relatif tinggi, misalnya akibat penggunaan CaO pada sludge, akan melarutkan Nitrogen dalam kompos dan selanjutnya akan diemisikan sebagai ammoniak. Tidaklah mudah untuk mengatur kondisi pH dalam tumpukan massa kompos untuk pencapaian pertumbuhan biologis yang optimum, dan untuk itu juga belum ditemukan kontrol operasional yang efektif. D. Konsentrasi Nutrient Unsur Karbon dan Nitrogen keduanya dibutuhkan sebagai sumber energi untuk pertumbuhan mikrorganisme, yaitu 30 bagian Karbon (C) dan 1 bagian Nitrogen (N) atau C/N ratio = 30 dalam perbandingan berat. Untuk itu maka proses pengomposan yang paling efisien mempersyaratkan kebutuhan C/N ratio antara 25 - 35 sebagai perbandingan yang paling ideal. Unsur C dalam ratio tersebut dipandang sebagai biodegradable carbon. Ratio C/N yang rendah, atau kandungan unsur N yang tinggi akan meningkatkan emisi dari Nitrogen sebagai ammoniak. Sedangkan ratio C/N yang tinggi, atau kandungan unsur N yang relatif kurang / rendah akan menyebabkan proses pengomposan berlangsung lebih lambat dan Nitrogen menjadi faktor penghambat (growth-rate limiting factor). Tidak ada macro-nutrients atau trace-nutrients lain yang ditemukan sebagai faktor penghambat pada proses pengomposan wastewater sludge. E. Kebutuhan Oksigen Persyaratan konsentrasi optimum dari oksigen di dalam massa kompos antara 5 - 15 % volume. Peningkatan kandungan oksigen melewati 15 %, misalnya akibat pengaliran udara yang terlalu cepat atau terlalu sering dibalik akan menurunkan temperatur dari sistem. Setidaknya diperlukan kandungan Oksigen > 5 % untuk menjaga kestabilan kondisi aerobik, meskipun pada kondisi konsentrasi oksigen di dalam tumpukan yang hanya ~ 0.5 % tidak didapati adanya kondisi anaerobik. F. Kriteria perencanaan dan prosedur Kriteria pokok untuk keberhasilan pengomposan adalah: Material & campuran yang akan dikomposkan cukup berpori Stabil secara struktural Mengandung bahan yang mudah untuk diurai secara mikrobiologis sehingga proses penguraian akan dapat berlangsung dengan sendirinya. Dengan demikian maka panas yang dihasilkan dari oksidasi volatile material cukup untuk mencapai temperatur reaksi dan mencapai kekeringan tertentu yang dibutuhkan. Reaksi pengomposan akan berlangsung dengan sendirinya jika perbandingan dari massa antara total air pada awal proses dan total zat organik yang terurai selama pengomposan, sebagai simbol W < 10. Faktor penting lain yang perlu dipertimbangkan dalam proses perencanaan adalah faktor fleksibilitas, seperti perubahan dan fluktuasi solid content dalam sludge, volume, perubahan supply dan kualitas bahan organik lain serta hambatan akibat kerusakan peralatan. Untuk menjamin proses pengomposan berlangsung sesuai prosedur, temperatur dan kandungan oksigen dalam tumpukan massa kompos harus sering dimonitor secara terus menerus dan teratur. Disamping itu pemantauan kandungan logam berat, bakteri pathogen dan parameter lingkungan seperti kualitas udara dan air serta kesehatan kerja pelaksana lapangan perlu dilakukan untuk menjamin kualitas kompos yang dihasilkan dan proses operasional yang aman. Pada windrow dan pengomposan mekanis, porositas dan stabilitas struktural diatur dengan cara pencampuran sludge dengan recycled compost atau bulking agent untuk mencapai moisture content ~ 40 - 60 %. Pada aerated pile umumnya digunakan serpihan kayu sebagai bulking agent. Setelah proses pengomposan selesai, bulking agent dapat diayak dan dipisahkan untuk digunakan kembali. Bagian yang halus akan terikut dalam fraksi kompos sehingga harus dikompensasi dengan sejumlah tertentu bulking agent baru pada titik pencampuran awal. Tingkat degradability campuran dapat ditingkatkan dengan penambahan bahan organik yang mudah terurai dengan kandungan unsur karbonnya tinggi. Material ini diharapkan relatif kering sehingga akan menekan nilai W dengan meningkatkan fraksi volatile dan menurunkan fraksi moisture dari campuran. Persamaan umum: Xr = [ Xc ( Sm-Sc ) Xa ( Sm-Sa ) Xb ( Sm-Sb ) ] / ( Sr-Sm ) ( 1 ) dan W = [ Xc ( 1-Sc ) Xa ( 1-Sa ) Xb (1-Sb ) Xr ( 1-Sr ) ]/[XcScVcKc XaSaVaKa XbSbVbKb XrSrVrKr ] ( 2 ) dimana : X = Total berat per hari , S = Fraksi solid content, V = Volatile solid content, K = Fraksi volatile solid yang terdegradasi, c = sludge cake basah, a = amandment atau bahan organik lain, r = recycle, b = external bulking agent, dan m = mixture atau campuran Jika W < 10 maka campuran kompos mempunyai cukup energi untuk meningkatkan temperatur dan penguapan air. Nilai ratio W tersebut bukanlah persyratan mutlak karena kondisi iklim setempat juga berpengaruh terhadap termodinamika system. Pada daerah panas dan kering nilai W boleh > 10 sedangkan pada musim dingin nilai W harus < 10. Nilai W dapat diturunkan dengan penambahan bahan organik lain yang relatif kering. Jika masih juga belum tercapai < 10 maka penambahan tersebut dapat ditingkatkan dan nilai fraksi yang direcycled dapat dihitung kembali sampai nilai W tercapai. Harus diingat juga persyaratan C/N ratio ! Jika petunjuk tersebut dijalankan maka campuran akan mempunyai cukup energi untuk terjadinya proses pengomposan. Nilai aktual dari parameter proses tersebut sangat spesifik untuk tiap lokasi sehingga design yang paling ekonomis tergantung pada keakuratan data dari karakteristik pengomposan yang akan berpengaruh terhadap kesetimbangan massa dan termodinamika. Bersambung ke bagian 2/terakhir
