Week 11 perancangan tpa sampah (gas bio)

Perancangan TPA Sampah

Instalasi Gas BioInstalasi Gas Bio

Jurusan Teknik Lingkungan

Fakultas Teknik

Universitas Diponegoro

Prinsip Alur Desain Persampahan

Sampling SampahPerumahan Non-Perumahan

Timbulan Sampah

Desain Pengelolaan dan

Pengolahan Sampah

Kg/orang/hari L/orang/hari

Material Balance

by Ganjar Samudro

Metodologi Perancangan TPA

Desain Pengelolaan dan

Material Balance

Desain Pengelolaan dan

Pengolahan Sampah

Desain TPA

by Ganjar Samudro

Fakta Pembentukan Gas

• Pada awalnya sampah yang ditimbun akan

mengalami proses degradasi secara aerob.

• Sejalan dengan teknik operasional yang saat ini

dianut, yaitu sampah ditimbun lapis perlapis dan dianut, yaitu sampah ditimbun lapis perlapis dan

setiap periode tertentu ditutup dengan tanah

penutup, maka kondisi aerob tidak dapat lama

bertahan dalam.

• Kondisi yang paling dominan kemudian adalah

kondisi anaerob, sehingga memunculkan timbulnya

gas-bio, khususnya gas metana CH4 dan CO2.

Kondisi Operasional: Aerob

• Relatif tidak menimbulkan bau,

• Proses degradasi lebih cepat,

• Lindi yang dihasilkan akan lebih ringan

• Memungkinkan kondisi eksotermis• Memungkinkan kondisi eksotermis

Namun hal ini sulit dicapai pada kondisi

pengoperasian yang biasa. Beberapa usaha yang

sudah dirintis adalah menerapkan lahan-urug

semi aerob atau lahan-urug aerob dengan suplai

udara. ???

Pembentukan Gas Landfill

• Hasil proses dekomposisi material organik secara anaerobik. Tahapan

proses dekomposisi:

a. Hydrolisis, yaitu pemecahan rantai karbon panjang menjadi rantai

karbon yang lebih sederhana pada proses degradasi sampah oleh

mikroorganisme.

b. Acidogenesis, dari senyawa dengan rantai karbon yang lebih pendek b. Acidogenesis, dari senyawa dengan rantai karbon yang lebih pendek

dirubah menjadi asam-asam organik (butirat, propionat, aseton,

propanol, butanol, etanol dan laktat) akibat adanya aktivitas dari

mikroorganisme acidogen.

c. Acetogenesis, dari senyawa asam-asam organik (butirat, propionat,

dll) menjadi Asetat, Format, CO2 dan H2.

d. Methanogenesis, adalah tahap degradasi yang menghasilkan gas

methan dan gas lain akibat aktivitas mikrooganisme pembentuk

methan.

CODBOD

Degradasi Sampah Anaerobik

5 Fase Pembentukan Gas

• Pada tahap awal disebut dengan fase aerobik, dimana

terjadi saat awal penimbunan sampah di TPA dan

oksigen (O2) masih ada di dalam tumpukan sampah.

• Fase kedua dan ketiga disebut dengan fase transisi

asam yang terkait erat dengan proses acidogenesis dan asam yang terkait erat dengan proses acidogenesis dan

mulai terbentuk gas CO2.

• Gas mulai terbentuk pada tahap metagonesis yaitu fase

ke-4 yang menghasilkan CH4 dan CO2.

• Fase ke-5 adalah fase pematangan dimana sampah

sudah menjadi produk yang lebih stabil.

Grafik 5 fase Pembentukan Gas

Teori Stanforth

• Stanforth et al. (1979) memperkenalkan model proses degradasi yang dapat terjadi

dalam sebuah lahan-urug, berdasarkan teori klasik dari proses degradasi materi

organik. Model tersebut membagi proses degradasi menjadi 2 fase, yaitu :

a. Fase aerob, ditandai oleh likuifaksi dan hidrolisa materi organik, yang

mengakibatkan turunnya pH dan larutnya mineral-mineral (I dan II)

b. Fase anaerob, dibagi menjadi 2 tahap, yaitu (III dan IV):

Tahap 1 : setelah oksigen berkurang, maka bakteri anaerob fakultatif menjadi

dominan, likuifaksi terus berlangsung, sejumlah besar asam-asam volatil serta CO2

akan dihasilkan dari sistem ini, dan materi anorganik akan lebih banyak lagi larut,

terutama karena turunnya pH.

Tahap 2 : fase ini bisa berlangsung karena meningkatnya alkalinitas, sehingga pH

menjadi naik, dan memungkinkan bakteri-bakteri metan dapat hidup; asam-asam

volatil akan dikonversi menjadi metan dan CO2, dan materi organik terlarut

menjadi berkurang karena kelarutannya menjadi berkurang akibat pH yang naik.

Unsur-Unsur Gas

• Karakteristik gas yang dihasilkan dari proses dekomposisi sampah

ditentukan oleh karakteristik sampah yang ditimbun.

Potensi Gas Methan di Indonesia

Studi Kasus

• Untuk setiap ton metana yang terlepaskan, hal

itu setara dengan pelepasan 72 ton gas karbon

dioksida.

CH = 72 * COCH4 = 72 * CO2

• Contoh kasus Kota Semarang:

Produksi CH4 per tahun = 18.000.000 Ton

Setara dengan Produksi CO2 per tahun =

1.296.000.000 Ton ≈ 1.296.000 MT

CH4 to Electricity Potency

• Produksi CO2 per tahun = 1.296.000.000 Ton =

324.000.000.000 Liter solar = Rp.

1.458.000.000.000.000,00 =

1.833.962.264.150,943 kWh1.833.962.264.150,943 kWh

Contoh Karakteristik Sampah

Komponen Berat (ton/hari) Persen

Sampah organik 1.867,70 71,85

Kertas 323,63 12,45

Plastik 197,56 7,60Plastik 197,56 7,60

Logam 23,40 0,90

Kaca/ gelas 23,40 0,90

Karet 14,04 0,54

Kain 50,43 1,94

Lain-lain 99,30 3,82

Jumlah 2.599,45 100,00

Stoikiometri Sampah ke Gas Metan

• Produksi gas yang dihasilkan pada landfill sangat

bergantung dari komposisi sampah yang ada.

• Timbulan gas landfill akan dihitung berdasarkan

berat kering masing-masing komposisi sampah.berat kering masing-masing komposisi sampah.

•• Contoh soalContoh soal :

Dari hasil analisa sampah kota diperoleh data sbb :

Komponen Sampah Cepat Sampah sulit urai

C (12)

H (1)

O (16)

N (14)

68.3

110.6

50.1

1.0

19.5

29.0

9.2

1.0

• Rumus molekul sampah cepat urai = C68.3 H110.6 O50.1 N1.0

= C68 H111 O50 N1

• Rumus molekul sampah sulit urai = C19.5 H29 O9.2 N1.0

= C20 H29 O9 N1

• Prakiraan volume gas methan (CH4) yang terbentuk apabila :

Densitas CH4 = 0.77 kg/m3 = 0.77 g/l

• Jawaban :Menentukan Persamaan Reaksi

Untuk sampah cepat urai :

C68 H111 O50 N + (4x68 – 111 – 2x50 – 3x1) H20 �

4

(4x68 + 111 – 2x50 -3x1)CH + (4x68 - 111 + 2x50 + 3x1)CO +1 NH

Kalkulasi (lanjutan)

(4x68 + 111 – 2x50 -3x1)CH4 + (4x68 - 111 + 2x50 + 3x1)CO2 +1 NH3

8 8

C68 H111 O50 N + 14,5 H20 ���� 35 CH4 + 33 CO2 + NH3

BM 1741 18 16 44 17

Berat total 1741 261 560 1452 17

(14,5x18) (35x16) (33x44)

• Untuk sampah sulit urai, dicari dengan cara yang sama

• Volume CH4 yang dihasilkan sampah cepat urai :

Berat Total CH4 x Berat Sampah Kering

Kalkulasi (lanjutan)

Berat sampah organik x densitas

560 gram x ? gram =

1741 gram x 0,77 kg/m3

Contoh Perkiraan

Komposisi Elemen Sampah

No. KomponenBerat

(ton/hari)

Kandungankelembabana

(% berat)

Persen komposisib (ton/hari)

C H O N S Abu

1Sampah

organik1161.8 70 73 6.4 37.6 2.6 0.4 5

2 Kertas 201.3 6 43.4 5.8 44.3 0.3 0.2 6

3 Plastik 122.9 2 60 7.2 22.8 103 Plastik 122.9 2 60 7.2 22.8 10

4 Logam 14.6 3 4.5 0.6 4.3 0.1 90.5

5 Kaca/ gelas 14.6 2 0.5 0.1 0.4 0.1 98.9

6 Karet 8.7 2 69.7 8.7 1.6 20

7 Kain 31.4 10 48 6.4 40 2.2 0.2 3.2

8 Lain-lain 61.8 8 24.3 3 4 0.5 0.2 68

Jumlah 1617.0

Sumber: Komposisi Elemen Sampah Kabupaten

Keterangan:

a Tabel 3.5 Tchobanoglous, 2001

b Tabel 4.3 Tchobanoglous, 2001

Contoh Perhitungan

Komposisi Elemen Sampah

No. KomponenBerat kering(ton/hari)

Persen komposisib (ton/hari)

C H O N S Abu

1Sampah

organik348,54 254 16,3 6,12 0,159 0,000637 3.18.10-5

2 Kertas 189,24 82,1 4,76 2,11 0,00633 1,27.10-5 7.60.10-7

3 Plastik 120,43 72,3 5,20 1,19 0

30 %73 %

3 Plastik 120,43 72,3 5,20 1,19 0

4 Logam 14,12 0,635 0,00381 0,000164 1.64.10-7 0

5 Kaca/ gelas 14,26 0,0713 0,0000713 2,85.10-7 2.85.10-10 0

6 Karet 8,56 5,96 0,519 0 0

7 Kain 28,23 13,6 0,867 0,347 7.63E-03 1,53.10-5 4.88.10-7

8 Lain-lain 56,83 13,8 0,414 0,0166 8.29E-05 1,66.10-7 1.13.10-7

Jumlah

(ton/hari)780,21 443 0,281 9,78 1.73E-01 6,65.10-4 3.32.10-5

Jumlah

(lb/hari)353.904,25 0,201 0,0127 0,00444 7.86E-05 3,02.10-7 1.51.10-8

Contoh

Perhitungan Komposisi Molar

C H O N S

lb/mol 12.01 1.01 16 14.01 32.06

lb/hari 0.200880735 0.012726 0.004437521 7.86E-05 3.02E-07

Total mol 0.016726123 0.0126 0.000277345 5.61E-06 9.41E-09

Mol ratio bila N = 1 2982.059746 2246.347 49.44717307 1

0,20 / 12,010,016726123 / 5,61.10-6

Kalkulasi Akhir

• C2982H2246O49N + 2397 H2O → 1759 CH4 + 1223 CO2 + 1 NH3

(38.828) (43.141,5) (28.146) (53.806,5) (17)• Berat spesifik gas methan dan karbondioksida masing-masing adalah 0,0448 lb/ft3 dan 0,1235 lb/ft3.

Methan:

= [(28.146) x (644.961,63)]/[(38.828) x (0,0448 lb/ft3)]

= 18.153.090.038 / 1.739,4944

= 10.435.843 ft3Ρ = 0,0448 lb/ft3

= 295.334,4 m3

• Karbondioksida:

= [(53.806,5) x (644.961,63)]/[(38.828) x (0,1235 lb/ft3)]

= 34.703.127.945 / 4.795,258

= 7.236.968 ft3

= 204.806,2 m3

• Jumlah total gas secara teoritis yang dihasilkan setiap unit berat kering dari penghancuran bahan organik adalah sebagai

berikut: (Vol/lb)

= (10.435.843 ft3 + 7.236.968 ft3) / 644.961,63 lb

= 17.672.811 / 644.961,63 lb

= 27,40134 ft3/lb

= 1,709563 m3/kg

Ρ = 0,0448 lb/ft

Ρ = 0,1235 lb/ft3

Faktor Produksi Gas

• Unsur-unsur pembentukan sampah seperti karbon, hidrogen dan nitrogen serta

oksigen yang diperoleh dari analysis karakteristik sampah, yaitu ultimate analysis.

• Tergantung dari kecepatan degradasi sampah yang dibedakan atas sampah yang

cepat terurai dan lambat terurai. Waktu untuk penguraian bahan organik yg

mudah terurai adalah 5 tahun, sedangkan waktu penguraian bahan organik yang

lambat terurai adalah 15 tahun

Emisi Gas Metan: Jenis Sampah

Purwanta, W., 2009

Total Emisi Metan TPA Sampah

Indonesia dan Skenario Mitigasi

Purwanta, W., 2009

Komposisi Sampah Masuk TPA

Contoh Pipa Gas HDPE

Komponen Pengelolaan Gas

• Perpipaan horizontal dan vertikal : pembawa

gas

• Kompresor: penyedot gas bio

• Storage: Pengumpul /penyimpan gas bio• Storage: Pengumpul /penyimpan gas bio

• Instalasi pemurni gas bio

Sistem Penyaluran Gas

• Guna mengalirkan gas yang terbentuk ke udara bebas, atau

menuju ke pemanfaatan gas bio dibutuhkan ventilasi.

• Metode untuk mengendalikan pergerakan gas adalah:

a. Menempatkan materi impermeable pada atau di luar

perbatasan landfill untuk menghalangi aliran gas.perbatasan landfill untuk menghalangi aliran gas.

b. Menempatkan materi granular pada atau di luar

perbatasan landfill untuk penyaluran dan atau

pengumpulan gas.

c. Pembuatan ventilasi di dalam lokasi landfill.

d. Pembuatan ventilasi di sekeliling perbatasan landfill

(perimeter).

• Ventilasi horizontal : merupakan ventilasi

yang bertujuan untuk membentuk aliran gas

dalam satu sel.

• Ventilasi vertikal : merupakan ventilasi yang

Sistem Penyaluran Gas

• Ventilasi vertikal : merupakan ventilasi yang

mengarahkan gas yang terbentuk mengalir ke

udara bebas.

• Ventilasi akhir : merupakan ventilasi yang

dibangun pada saat timbunan akhir sudah

terbentuk.

Sistem Penyaluran Gas

• Lapisan impermeabel akan membatasi dan mengisolasi sampah yang

ditimbun sehingga dapat membantu pengaliran gas.

• Lapisan impermeabel yang dapat dipergunakan adalah membran sintesis,

clay, beton dan aspal. Tanah clay dapat menjaga nilai saturasi tanah, yang

dapat menciptakan rongga untuk pergerakan gas.

• An Hua (1981) menunjukan bahwa aliran gas dalam arah horisontal adalah • An Hua (1981) menunjukan bahwa aliran gas dalam arah horisontal adalah

37,5 kali lebih besar dibandingkan dengan aliran gas dalam arah vertikal.

• Sistem pengumpul gas horizontal biasanya dibangun setelah terbentuk 2

lapisan atau lebih kemudian diteruskan hingga selesainya timbunan. Jarak

sistem vertikal biasanya 25 m, sedang jarak horizontal sekitar 30 m.

• Ventilasi horizontal biasanya berbentuk saluran-saluran kerikil, yang

berfungsi juga untuk pengaliran lindi. Sistem pengumpul horizontal

dengan perpipaan lebih diutamakan pada landfill yang luas.

Kriteria Desain Pipa Vertikal

• Pipa gas dengan casing PVC atau PE : 100- 150

mm

• Lubang bore: 50 - 100 cm

• Perforasi: 8 - 12 mm• Perforasi: 8 - 12 mm

• Kedalaman: 80 %

• Geomembran: jarak antar pipa = 45 – 60 m

(Tchobanoglous, 1993)

• Clay dan tanah penutup: jarak antar pipa = 30 m

(Tchobanoglous, 1993)

Potensi Produksi Gas

• Metode 1: uji sumur

Bila yang diuji adalah landfill di negara berkembang, maka jumlah yang

diperoleh dikalikan faktor (disarankan = 0,5) akibat adanya pemadatan

yang tidak merata, serta kondisi lain sehingga tidak semua gas terkumpul

dengan baik.

• Metode 2: perkiraan kasar• Metode 2: perkiraan kasar

Setiap ton sampah yang dikubur diperkirakan akan menghasilkan gas

sebesar 6 m3 per tahun

Porsi gas metan dianggap 50%, umur sampah lebih tidak lebih dari 10

tahun, produksi gas dianggap dijamin antara 5-15 tahun.

• Metode 3: estimasi dengan persamaan

Persamaan first order decay model:

first order decay model

• LFG = jumlah gas yang dihasilkan (m3/tahun)

• Lo = potensi metan di sampah

• R = rata-rata sampah masuk ke sarana per tahun (kg)

• k = konstanta decay untuk timbulan metan

• t = waktu (tahun) sejak landfill digunakan• t = waktu (tahun) sejak landfill digunakan

• c = waktu (tahun) sejak landfill ditutup

“waste-in-place”

• Proyek recovery gas di USA

LFG = 2 [4,32 + 2,91 W – 1,1 W x D]

dimana:

LFG = gas yang dihasilkan pada tahun berjalan (juta LFG = gas yang dihasilkan pada tahun berjalan (juta

m3)

W = Jumlah sampah di tempat kurang dari 30 tahun

(juta ton)

D = indikator daerah kering, ≤ 1 (=1 bila presipitasi <

63,5 mm/tahun)

Hasil Akhir

• Hasil dari model decay maupun model waste-

in-place perlu dikali faktor efisiensi

pengumpulan, yaitu = 70%-85%.

• Contoh tabel berikut menggunakan faktor • Contoh tabel berikut menggunakan faktor

efisiensi pengumpulan sebesar 75 %.

Tugas

• Hitung kembali potensi produksi gas dari tabel

tersebut.

Pemanfaatan Gas: RT

• Pipa distribusi terbuat dari polyethylene berwarna hitam dengan diameter 1" klas 8.

Pipa

jenis ini digunakan karena lebih kuat dari pada pipa pralon.

• Campuran gas yang dapat terbakar/menyala terdiri dari 5-15 % metana murni dengan

85 -95 % udara (Perry, 1973). Jadi satu volume gas TPA dari sumur berkualitas 60 %

metana kira-kira perlu dicampurkan dengan 5-10% volume udara untuk dapat terbakar.

Campuran ini biasanya terjadi di dalam kompor pada orificenya. Perbandingan gas ini Campuran ini biasanya terjadi di dalam kompor pada orificenya. Perbandingan gas ini

sangat tergantung dari kuantitasdan kualitas gas yang diproduksi.

• Perbandingan luas lubang untuk udara yang masuk dengan lubang pengeluaran gas

adalah 10 : 100.

• Luas pancaran orifice 0,25 mm2

• Perbandingan luas pancaran gas: lubang pemasukan udara dan lubang pengeluaran gas

(flame port) = 1 : 5 : 100.

• Alat pembakaran perlu diatur agar kecepatan gas pada spuyer tidak terlalu karena

diameter spuyer besar, menyebabkan udara yang masuk terlalu banyak sehingga terjadi

pembuangan nyala. Sebaliknya apabila kecepatan gas terlalu rendah maka nyala api

tidak stabil.