Bioteknologi Dekomposisi Bahan Organik

BIOTEKNOLOGI DEKOMPOSISI BAHAN

ORGANIK

Bahan Organik

Limbah pertanian (tanaman atau hewan), Hasil samping industri manufaktur, Sisa kebun, Limbah lain-lain (misalnya makanan, kayu,

perca, lumpur, dll.), Segala sesuatu yang dapat dibiodegradasi

Bahan Organik dari Dapur Kulit buah, Cangkang telur, Kertas bungkus (hindari yang dilapis plastik), Sisa sayuran, Tea bags, Bubuk kopi

Bahan Organik dari Kebun/Halaman Rumah

Potongan rumput, Ranting kecil-

Terutama ranting muda dan lunak, Gulma

Hati-hati terhadap gulma ganas, Bunga-bunga mati, Dedaunan, Tanaman tua

Sumber Bahan Organik Lainnya Jerami, Sisa kandang, Rambut, Bulu

Semua bahan dipotong-potong kecil

Bahan yang Tidak Disarankan untuk Dikomposkan:

Kotoran hewan peliharaan, Sisa hewan (daging, ikan, tulang, lemak, telur,

susu), Potongan kayu besar, Gulma yang ganas, Bahan bukan organik

Mengapa Dikomposkan?

■ Limbah organik berpotensi sebagai sumber pencemaran nutrien.

■ Kompos menguntungkan bagi tanah – 11 kg N, 5,9 kg P (sebagai P2O5), dan 3,2 kg K (sebagai K2O) per ton kompos.

■ Berkelanjutan dari sudut pandang lingkungan.

Dekomposisi Bahan Organik (1) Campuran bahan organik dengan komposisi

yang kompleks mulai dari gula sederhana dan pati hingga molekul kompleks seperti selulosa dan lignin merupakan bahan kompos.

Mikroba pengompos mula-mula mengkonsumsi senyawa yang mudah didegradasi.

Dekomposisi bahan organik dalam proses pengomposan terjadi bertahap.

Dekomposisi Bahan Organik (2) Bahan kompos yang mengandung bahan sulit

terdekomposisi seperti lignin membutuhkan waktu pengomposan lebih lama (dekomposisi lignin terjadi lebih cepat pada fase pendinginan).

Senyawa yang beracun terhadap tanaman hilang pada fase pematangan.

Dekomposisi Bahan Organik (3)

Pengomposan

Proses dekomposisi bahan organik oleh organisme termasuk bakteri, fungi, aktinomisetes, cacing, dan serangga.

Proses pengomposan aerobik (ada oksigen bebas, dikehendaki karena

lebih cepat) anaerobik (tanpa oksigen bebas, kurang

dikehendaki karena lambat dan bau).

Mikroba Pengompos Bacillus sp. termofil merupakan

bakteri berbentuk batang yang sering ditemukan dalam kompos Bacillus sp. Sering ditemukan pula alam bentuk rangkaian. Perhatikan bahwa bakteri ini menghasilkan spora yang menyebabkannya mampu bertahan pada suhu tinggi (di atas 65C).

Apakah kompos? Produk yang dihasilkan dari dekomposisi

terkendali bahan organik secara biologis dalam keadaan aerobik

Stabil dalam bentuk yang menguntungkan bagi pertumbuhan tanaman

Keamanan biologisnya terjaga oleh panas yang dihasilkan selama proses pembentukannya

Menyediakan humus, nutrien, dan unsur mikro bagi tanah

Keuntungan Pemberian Kompos ke Dalam Tanah Memperbaiki struktur tanah, mengurangi BV

tanah, meningkatkan permeabilitas (mengurangi potensi erosi)

Mengurangi pemadatan, meningkatkan kemampuan tanah menahan air

Mengubah dan menstabilkan pH Meningkatkan kapasitas pertukaran kation

(memungkinkan tanah menahan nutrien lebih lama, mengurangi pencucian nutrien)

Menghidupi biota tanah – tanah lebih sehat Menekan pertumbuhan penyakit tanaman

Keuntungan Lain Pemberian Kompos

■ Mengikat logam berat dan pencemar lainnya, mengurangi kemungkinannya tercuci dan terserap mahluk hidup

■ Mendegradasi pencemar berbasis minyak bumi dalam tanah

■ Memacu restorasi lahan basah (wetland) dengan menstimulasi karakter lahan basah

■ Kompos yang lebih kasar digunakan sebagai mulsa untuk mengendalikan erosi

■ Berfungsi sebagai penyaring dan mengurangi pencemar dalam air permukaan

Proses Pengomposan (1)

Kondisi lingkungan yang mendukung proses pengomposan: Kecukupan air Kecukupan oksigen Kecukupan nutrien untuk mikroba Kesesuaian suhu (hangat)


Output Panas Uap air Karbon Dioksida Nutrien dan mineral (kompos)

Proses terjadi secara alami, tetapi dapat dipercepat dengan mengendalikan elemen-elemen esensial

Diagram Proses Pengomposan

Pelaksanaan Pengomposan (1) Di bagian dasar pengomposan ditebarkan (15-25

Cm) bahan pengembang (bulking material). Bahan dengan kandungan karbon tinggi seperti

dedaunan kering dan dahan. Ditambahkan pupuk kandang, sisa makanan,

dan potongan rumput (berat sama). Ditebarkan lagi (15-25 Cm) bahan pengembang

(bulking material). Bahan-bahan dicampur merata

Pelaksanaan Pengomposan (2)

Beri sungkup bila pengomposan skala kecil. Balikkan kompos 1-2 kali seminggu.

Untuk menjamin kecukupan udara. Mencegah kekeringan di bagian luar dan atas

kompos.

Monitor kelembaban dan tambahkan air bila diperlukan.

Waktu Waktu yang dibutuhkan untuk mengubah bahan

baku kompos menjadi kompos matang tergantung pada:

Bahan baku yang digunakan Campuran bahan baku Suhu Kelembaban, dan Frekuensi penghawaan.

Untuk memperoleh waktu pengomposan terpendek, perlu diperhatikan kecukupan air, kecukupan nitrogen dan kecukupan udara.

Pematangan (1) Pematangan terjadi pada suhu mesofilik dalam

waktu bisa sampai 6 bulan, tergantung bahan yang dikomposkan.

Pada fase ini tingkat konsumsi oksigen, penghasilan panas, dan evaporasi berlangsung melambat.

10

20

30

40

50

60

70

80

Time

Tem

per

atu

re (

ºC)

thermophilic stage

mesophilic stage

intensive decomposition curing

stable & mature compost

pasteurised orfresh compost

Pematangan (2) Pematangan merupakan

proses aerobik sehingga perlu kecukupan hawa.

Ukuran tumpukan harus kecil (tinggi ~1 m) dan kelembaban tidak boleh berlebih (>70%) bila tidak menggunakan pemompaan.

Tumpukan besar memerlukan pemompaan untuk menjaga suasana aerobik.

Sistem Pengomposan Komersial Setidaknya ada 8 sistem pengomposan

komersial.

Semua sistem mengatur suhu, oksigen, dan kelembaban.

Paling umum: Sistem turned windrow

Turned windrows

Turned windrow

Most common system for waste of low odour generating potential Low capital costs unless concrete pads are installed High operating costs Very flexible system - a range of organic materials can be composted

and adjustments can be made within a composting cycle Aeration by turning with front-end loader or specialised machine Slow rate of decomposition due to varying conditions in pile Stable compost in 3-12 months Windrows can be outdoors or formed under a roof (no sides) Great care needed for effective odour and leachate control

Passively aerated windrow

Passively aerated windrow

Cheapest system; no turning Windrows must be covered with finished compost to reduce odours May be more space efficient than turned windrows Reduced flexibility - careful preparation of starting materials

essential Little control of temperature and aeration during composting Compost in 10-12 weeks; further curing usually required

Aerated static pile

Aerated static pile

Medium capital costs Medium operating costs Forced aeration Reduced flexibility - careful preparation of feedstock is essential Space efficient Piles usually must be covered (e.g. with compost) to reduce odours Some control of temperature and aeration resulting in faster

composting (6-12 weeks); further curing usually required

Aerated covered windrow

Aerated covered windrow

Medium capital costs Medium operating costs Cover for windrows reusable Forced aeration; computer control of composting possible Reduced flexibility - careful preparation of feedstock essential Space efficient Improved control of temperature and aeration resulting in faster

composting (3-6 weeks); further curing usually required

Rotating drums

Rotating drum

High capital cost Medium operating costs Less preparation of starting materials required due to constant

mixing and size reduction Rapid initial decomposition in drum (up to seven days) Further decomposition required in windrows or aerated static piles Provides mixing and aeration by means of drum rotation and forced

aeration

Agitated bed or channel

Agitated bed or channel

High capital cost Medium operating costs Flexible system – both forced aeration and mechanical mixing used Space efficient Beds are covered in a fully enclosed building or roof Good capacity for odour and leachate control Rapid composting: 2-4 weeks; further curing usually required

In-vessel (horizontal configuration)

In-vessel (horizontal configuration)

High capital cost Automated system Uniform temperature and oxygen profile throughout contents of

vessel Composting vessels can be housed in a building or outdoors Excellent control of odours and leachate Can be located with minimal buffer distances Very fast composting (7-14 days) Further curing in windrows or in-vessel usually required

In-vessel (vertical configuration)

In-vessel (vertical configuration)

High capital cost Automated system Uniform temperature and oxygen profile throughout contents of

vessel Composting vessels can be housed in a building or outdoors Excellent control of odours and leachate Can be located with minimal buffer distances Very fast composting (7-14 days) Further curing in windrows or in-vessel usually required

Waktu yang Dibutuhkan oleh Berbagai Sistem Pengomposan

Active compostingtime

Method Materials Range

(weeks)

Typical

(weeks)

Curing(weeks

)

Windrow –infrequent turninga

Garden organicsManure +amendments

26 – 5212 – 32

3624

164 – 8

Windrow –frequent turning b

Garden organics +manure

4 – 16 8 4 – 8

Passively aeratedwindrow

Manure + bedding orFood organics +garden organics

10 – 128 – 10

––

4 – 84 – 8

Aerated static pile Biosolids +woodchips

3 – 5 4 4 – 8

Rectangularagitated bay

Biosolids + gardenorganics or manure +sawdust

2 – 4 3 4 – 8

Rotating drums Biosolids / foodorganics + gardenorganics

0.5 – 2 – 8 c

In-vessel (verticalconfiguration)

Biosolids / foodorganics + gardenorganics

1 – 2 – 8 c

Masalah yang Sering Muncul dalam Pengomposan

Masalah Penyebab/Pemecahan

Bau busuk Terlalu basah/ tambahkan bahan pengembang

Bau tidak busuk, tidak ada dekomposisi

N terlalu sedikit/ tambahkan sumber NUkuran terlalu besar/ perkecil ukuran

Tumpukan kering Kurang bahan hijauan atau kelembaban/ tambahkan bahan hijauan dan air

HIPERLINK TINGKAT 1 (AIR)

Kandungan air (1) Air dibutuhkan pada semua reaksi enzimatik,

oleh karenanya kecukupan air harus terjaga agar pengomposan berlangsung cepat.

Terjadi kehilangan air melalui penguapan selama proses pengomposan.

Penguapan berfungsi mengendalikan over hetaed pada proses pengomposan.

Kandungan air (2) Kandungan air optimum – 50% sampai 60%

(basah) < 30% - proses pengomposan berhenti < 50% - proses pengomposan lambat karena

mikroba kekeringan >60% - pemadatan, terbentuk kondisi anaerobik,

pembusukan/fermentasi (bau)

Penyiraman selama proses pengomposan Satu meter kubik sampah kebun membutuhkan –

200 sampai 300 liter air

Kandungan air (3) Pengomposan dalam skala kecil pada musim

kering perlu diberi sungkup plastik untuk mempertahankan kelembaban.

Hindari penambahan air yang terlalu banyak. Terlalu banyak air melindi nutrien terlarut (misalnya,

nitrogen) Terlalu banyak air mengurangi ketersediaan

oksigen, membentuk zona anaerob, memperlambat proses pengomposan, dan terbentuk bau busuk.

Kandungan air (4) Kelembaban

Sisa makanan 70% Pupuk kandang dan lumpur 72% - 84% Gergajian kayu 19% - 65% Cardboard rusak 8% Kertas cetakan 3% - 8%

HIPERLINK TINGKAT 1 (OKSIGEN)

Pentingnya Oksigen Konsumsi karbon untuk mendapatkan energi

memerlukan oksigen sebagai elektron akseptor. Konsentrasi oksigen di udara 21%, tetapi

aktifitas mikroba aerob memerlukan konsentrasi oksigen di atas 5%.

Konsentrasi oksigen optimum untuk pengomposan adalah 10-14%.

Mikroba anaerobik (tumbuh tanpa oksigen bebas) menyebabkan bau busuk pada kompos

Porositas dan Penghawaan

Porositas optimum 35% - 50% > 50% - kehilangan energi lebih besar daripada

panas yang dihasilkan suhu pengomposan lebih rendah

< 35% - suasana anaerobik (bau)

Penghawaan – mengendalikan suhu, mengurangi kelembaban dan CO2, dan mencukupkan oksigen

Aliran udara yang dibutuhkan sebanding dengan aktivitas biologisl

Konsentrasi O2 < 5% - suasana anaerobik

Sifat Fisik Campuran Bahan Kompos Sifat fisik bahan (porositas dan struktur)

dipengaruhi oleh ukuran partikel dan bentuk. Sifat fisik mempengaruhi proses pengomposan

melalui pengaruhnya pada aerasi. Sifat fisik campuran kompos dapat disesuaikan

melalui pemilihan bahan yang akan dikomposkan dan pengecilan ukuran.

Bahan yang ditambahkan untuk menyesuaikan sifat fisik disebut bahan pengembang (bulking agents).

Ukuran & Distribusi Partikel (1)

Keseimbangan: Luas permukaan untuk pertumbuhan mikroba

(biofilm) Porositas yang cukup untuk penghawaan (35% -

50%)

Ukuran optimum tergantung jenis bahan

Ukuran & Distribusi Partikel (2)

Partikel yang lebih besar (> 1”) Luas permukaan kecil Bagian dalam partikel tidak terkomposkan karena

kekurangan oksigen

Partikel yang lebih kecil (< 1/8”)■ Cenderung memadat■ Menghambat masuknya udara ke dalam tumpukan

Mekanisme aerasi – turned windrows Dalam sistem pengomposan turned windrows,

aerasi terjadi melalui mekanisme konveksi dan difusi.

Perlu porositas tinggi (>20% v/v).

HOT!

Convective air flow in a turned windrow

Profil Oksigen Dengan naiknya suhu konsentrasi oksigen

menjadi tidak merata.

Pembalikan atau pemompaan udara diperlukan untuk menjamin ketersediaan udara.

Aerasi diperlukan agar kecepatan dekomposisi tetap tinggi dan tidak terbentuk bau busuk.

Profil Oksigen - turned windrow

Distance from exterior surface of pile (m)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Oxy

gen

conc

entr

atio

ns th

ree

days

af

ter

turn

ing

(%, v

/v)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Time (days)

0 2 4 6 8 10 12 14

Oxygen concentration at centre of pile (%

, v/v)

0

5

10

15

20

T TT

Mekanisme aerasi – aerated static piles

Pada sistem pengomposan aerated static pile atau in-vessel digunakan pemompaan.

Kadang diperlukan penyungkupan agar terbentuk panas merata.

HIPERLINK TINGKAT 1 (NUTRIEN)

Nutrien Penting dalam Pengomposan Karbon (C) dalam bahan organik adalah sumber

energi dan dasar building block sel mikroba.

Nitrogen (N) bersama C merupakan unsur paling penting, sering merupakan faktor pembatas.

Mikroba membutuhkan 25-30 bagian karbon untuk setiap bagian nitrogen untuk membentuk protein (C:N 25-30:1).

Bahan dengan nisbah C:N optimum menghasilkan kecepatan dekomposisi yang tinggi.

Nisbah C:N ratio dan nutrien lainnya Nisbah C:N 20-40:1 sesuai untuk pengomposan.

Setelah proses pengomposan nisbah C:N secara bertahap turun menjadi 10-20:1.

Bahan dengan nisbah C:N rendah (<15:1) cepat terdekomposisi, tetapi mudah menghasilkan bau busuk karena cepatnya konsumsi oksigen yang mengakibatkan suasana anaerob.

Mikroba juga memerlukan fosfor, sulfur, dan unsur mikro tetapi pengaruhnya langsung belum banyak diteliti.


Nutrien yang sering ditambahkan adalah nitrogen, fosfat, dan kapur.

Nisbah C:P optimum 75-150:1 Pupuk kandang merupakan sumber nitrogen. Abu kayu (bukan arang) merupakan sumber

fosfor dan kalium. Kapur merupakan sumber kalsium untuk

mengendalikan keasaman

Keseimbangan Nutrien dalam Pengomposan (2)

Nisbah C/N – target 20-40:1 > 40:1 – tidak cukup makanan bagi populasi mikroba < 20:1 – kehilangan nitrogen dalam bentuk amonia

(bau menyengat)

Nisbah C:N Berbagai Bahan Kompos

Sisa makanan C:N ~ 15:1

Sisa kebun C:N ~ 50 - 80:1

Serutan kayu C:N ~ 200 - 300:1

Pupuk kandang C:N ~ 5 - 10:1

Nisbah C:N Berbagai Bahan KomposFeedstock Moisture Structure C:N %N

Mixed tree and shrub prunings dry to moist good 70-90 0.5-1

Eucalyptus bark dry good 250 0.2

Eucalyptus sawdust dry average 500 0.1

Pinus radiata bark dry good 500 0.1

Pinus radiata sawdust dry average 550 0.09

Grass clippings moist to wet poor 9-25 2-6

Food organics moist to wet average 14-16 1.9-2.9

Vegetable produce wet poor 19 2.7

Fruit wet poor 20-49 0.9-2.6

Fish moist to wet poor 2.6-5 6.5-14.2

Mixed solid waste - average 34-80 0.6-1.3

Biosolids moist to wet poor 5-16 2-6.9

Wool scour waste:

(1) raw decanter sludge

(2) raw flocculated sludge

moist

moist

poor

poor

13.8

19

0.81

1.61

Tannery waste (hair) dry to moist average 3.1-4.3 11.7-14.8

Mixed abattoir wastes moist to wet poor 2-4 7-10

Chicken manure (layers) dry to moist poor 3-10 4-10

Chicken manure (broiler) dry to moist poor 12-15 1.6-3.9

Newsprint dry poor 398-852 0.06-0.14

Paper dry poor 127-178 0.2-0.25

Wheaten straw dry good 100-150 0.3-0.5

Seaweed (kelp) dry to moist average 25 1.5

Sawdust dry poor 200-750 0.06-0.8

HIPERLINK TINGKAT 1 (SUHU)

Suhu Pengomposan Suhu merupakan pengendali proses yang

penting – perlu dimonitor dengan seksama Suhu optimum: 55o C. – 65o C. Suhu di atas 55o C akan membunuh patogen,

fecal coliform & parasit Suhu di pengomposan terbuka mencapai 55o C

selama 15 hari

Suhu optimum dicapai dengan mengatur aliran udara melalui pembalikan dan ukuran tumpukan

Pengelolaan Suhu Mengapa suhu selama pengomposan meningkat

? Panas dihasilkan dari metabolisme senyawa organik,

misalnya glukosa:

C6H12O6 + 6O2 -----> 6CO2 + 6H2O + KALOR

Akumulasi kalor mengakibatkan peningkatan suhu.

Pengomposan skala kecil (<1-2 m3) mungkin tidak menghasilkan panas karena hilang melalui konveksi.

Perubahan Suhu selama Pengomposan (1)


Suhu membatasi aktifitas mikroba sehinga juga membatasi kecepatan degradasi bahan organik.

Kecepatan dekomposisi bahan organik tertinggi terjadi pada suhu 35-55 ºC.

Kondisi termofilik terjadi sejak suhu mencapai 45ºC.


Saat pembentukan kompos yang stabil dan matang juga tercermin dari suhu .

Suhu di atas 55ºC dibutuhkan untuk mendeaktifasi benih gulma, patogen tanaman, hewan, dan manusia.

Profil Suhu Suhu dalam sistem pengomposan tidak

seragam. Perbedaan antara bagian permukaan dan

bagian tengah sistem pengomposan windrow dapat mencapai 20-45C.

Pada sistem pengomposan in-vessel perbedaan hanya 2-5C.

Diperlukan pemaparan sekurangnya 3 hari pada suhu 55C guna membunuh benih gulma, mikroba patogen dan parasit.

Pemaparan ini merupakan kunci dari upaya minimalisasi resiko dalam proses pengomposan.


Time (weeks)

0 2 4 6 8 10 12 14

Tem

pera

ture

(°C

)

10

20

30

40

50

60

70

80

centre

outer surface (10 cm deep)

Time (weeks)

0 2 4 6 8 10 12 14

Tem

pera

ture

(°C

)

10

20

30

40

50

60

70

80

centre

outer surface (10 cm deep)

Turned windrow In-vessel

Perubahan Suhu dan Suksesi Mikroba (1) Suhu mempengaruhi komposisi dalam populasi

mikroba. Periode awal proses pengomposan dicirikan

oleh aktifitas mikroba (terutama bakteri) mesofilik yang meningkat pesat dan ditunjukkan oleh peningkatan suhu.

Setelah suhu meningkat, mikroba mesofilik akan mati dan mikroba termofilik mulai mendominasi.

Perubahan Suhu dan Suksesi Mikroba (2) Ketika suhu mencapai 65-70ºC, aktifitas

mikroba termofilik juga menjadi terhambat, kecuali bakteri pembentuk spora.

Kecepatan dekomposisi menjadi lambat. Selama masa penurunan suhu, jamur dan

aktinomisetes mulai mengkolonisasi dan mendekomposisi bahan yang lebih sulit terombak seperti selulosa dan lignin.

HIPERLINK TINGKAT 2 (PEMBUSUKAN)

Terbentuknya Bau Busuk selama Pengomposan (1)

Terbentuknya bau busuk terkait dengan munculnya suasana anaerobik.

Bau busuk pada pengomposan dihasilkan oleh gas atau asap (partikel padat di fasa gas).

Terbentuknya Bau Busuk selama Pengomposan (2)

Compound Formula Characteristic odour Threshold

(nL/L)

Ethanal CH3CHO Pungent 2

Butanoic acid CH3CH2CH2COOH Rancid 0.28

Ammonia NH3 Pungent 37

Trimethyl amine (CH3)3N Pungent 4

3-methylindole (skatole) C6H5C(CH3)CHNH Faecal 7.5x10-5

Hydrogen sulfide H2S Rotten egg 1.1

Carbon oxysulfide COS Pungent -

Dimethyl sulfide CH3SCH3 Foul 20

Dimethyl disulfide CH3SSCH3 Foul -

Diethyl sulfide CH3CH2SCH2CH3 Foul 0.25

Methanethiol CH3SH Decaying cabbage 1.1

Ethanethiol CH3CH2SH Decaying cabbage 0.016

1-Propanethiol CH3CH2CH2SH Unpleasant 0.075

1-Butanethiol CH3CH2CH2CH2SH Skunk like 1.4

NH3 adalah gas paling bermasalah

Penanganan Bau Busuk Bau busuk dapat mudah diatasi pada sistem

pengomposan in-vessel atau aerated static pile.

Gas berbau dialirkan ke biofilter (dapat menggunakan kompos jadi).

Bakteri dalam biofilter dapat memanfaatkan gas berbau sebagai nutrien.

HIPERLINK TINGKAT 2 (pH)

pH Optimum 6.5 – 8.0

Aktifitas bakteri merajai

Di bawah 6.5 Fungi lebih dominan daripada bakteri Proses pengomposan dapat terhambat Dapat dicegah dengan menjaga O2 > 5%

Di atas 8.0 Terbentuk gas amonia, bila bahan kompos

mengandung banyak N Populasi mikroba menurun

Perubahan pH selama Proses Pengomposan

TERIMA KASIH ATAS

PERHATIANNYA

Bioteknologi Dekomposisi Bahan Organik

Documents

Transcript of Bioteknologi Dekomposisi Bahan Organik