Bagaimana Metana Dihasilkan dari Pengelolaan Air Limbah

Pada postingan sebelumnya (yang ini) telah diulas bahwa pengelolaan air limbah yang efektif mengurangi pelepasan metana dan nitrogen oksida. Kali ini kita ulas sedikit bagaimana Metana (CH₄) dihasilkan. Metana (CH₄) dihasilkan dalam proses pengolahan air limbah melalui dekomposisi anaerobik — yaitu penguraian bahan organik tanpa kehadiran oksigen. Proses ini biasanya terjadi di beberapa tahap, tergantung pada bagaimana air limbah dikelola. Secara sederhana diuraikan dari poin-poin sebagai berikut :

Proses Dekomposisi Senyawa Organik Air Limbah

1. Kandungan Organik dalam Air Limbah

Air limbah dari rumah tangga, industri, dan pertanian biasanya mengandung bahan organik seperti sisa makanan, lemak, protein, dan karbohidrat.

2. Proses Dekomposisi Anaerob

Jika air limbah dikumpulkan di tempat seperti kolam stabilisasi (wastewater lagoons) atau sludge digesters (digester lumpur), bakteri anaerob akan mulai memecah bahan organik tersebut. Proses ini terjadi dalam beberapa tahap:

A. Hidrolisis: Molekul organik besar (protein, karbohidrat) dipecah menjadi senyawa yang lebih sederhana.

Proses hidrolisis adalah tahap awal dalam dekomposisi anaerobik, di mana molekul organik kompleks (seperti karbohidrat, protein, dan lemak) dipecah menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan bantuan enzim dan air.

Berikut adalah reaksi kimia dasar yang terjadi dalam proses hidrolisis:

1. Hidrolisis Karbohidrat (polisakarida menjadi monosakarida):

   $$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{\text{enzim}} nC_6H_{12}O_6$$

   Contoh: pati (polisakarida) dipecah menjadi glukosa (monosakarida).

2. Hidrolisis Protein (polipeptida menjadi asam amino):

   $$\text{Protein} + H_2O \xrightarrow{\text{protease}} \text{asam amino}$$
   

   Contohnya, protein seperti albumin dipecah menjadi asam amino seperti alanin, glisin, dll.

3. Hidrolisis Lemak (lipid menjadi asam lemak dan gliserol):

   $$\text{Lipid}+3H_{2}O\stackrel{\text{lipase}}{\to }\text{Gliserol}+3\text{Asam lemak}$$

   Misalnya, trigliserida dipecah menjadi gliserol dan asam lemak bebas.

B. Asidogenesis: Senyawa sederhana dikonversi menjadi asam organik, alkohol, dan gas seperti hidrogen dan karbon dioksida. Asidogenesis adalah tahap kedua dalam proses dekomposisi anaerobik setelah hidrolisis. Pada tahap ini, senyawa organik sederhana yang dihasilkan dari hidrolisis (seperti monosakarida, asam amino, dan asam lemak) dipecah oleh bakteri asidogenik menjadi:

• Asam organik (seperti asam asetat, propionat, butirat)
• Alkohol (etanol, metanol)
• Gas-gas seperti karbon dioksida (CO₂), hidrogen (H₂), dan amonia (NH₃)

Berikut beberapa contoh reaksi kimia utama dalam asidogenesis:

1. Dari glukosa menjadi asam propionat:

$$C_6{H}_{12}{O}_6+2H_2\to 2C{H}_{3}C{H}_{2}CO{O}^{-}+2H^{+}+2H_{2}O$$

Glukosa diubah menjadi asam propionat, ion hidrogen, dan air.

2. Dari glukosa menjadi asam butirat:

$$C_6{H}_{12}{O}_6\to C{H}_{3}C{H}_{2}C{H}_{2}COOH+2C{O}_2+2H_{\mathrm{2<span\; style="font-family:\; verdana;\; text-align:\; justify;"></span>}}$$

Glukosa dikonversi menjadi asam butirat, karbon dioksida, dan hidrogen.

3. Dari glukosa menjadi etanol dan asam asetat:

$$C_6{H}_{12}{O}_6\to C{H}_{3}C{H}_{2}OH+C{H}_{3}COOH$$

Glukosa dipecah menjadi etanol dan asam asetat.

4. Dari glukosa menjadi asam asetat dan hidrogen:

$$C_6{H}_{12}{O}_6+2H_{2}O\to 2C{H}_{3}COOH+2C{O}_2+4H_{\mathrm{2<span\; style="font-family:\; verdana;\; text-align:\; justify;"></span>}}$$

Glukosa dikonversi menjadi asam asetat, karbon dioksida, dan hidrogen.

Asidogenesis penting karena ....

• Produk utama seperti asam asetat akan digunakan dalam tahap berikutnya, asetogenesis dan metanogenesis.
• Gas hidrogen dan karbon dioksida juga penting karena menjadi bahan baku bagi bakteri metanogen untuk menghasilkan metana (CH₄).

C. Asetogenesis: Asam organik diubah menjadi asam asetat, karbon dioksida, dan hidrogen.

Asetogenesis adalah tahap ketiga dalam proses dekomposisi anaerobik, di mana senyawa organik sederhana (seperti asam lemak dan alkohol) diubah menjadi asam asetat (CH₃COOH), karbon dioksida (CO₂), dan hidrogen (H₂). Reaksi ini penting karena asam asetat nantinya akan menjadi bahan baku untuk proses metanogenesis.

Berikut adalah beberapa reaksi kimia utama dalam asetogenesis:

1. Dari propionat menjadi asam asetat:

$$C{H}_{3}C{H}_{2}CO{O}^{-}+3H_{2}O\to C{H}_{3}CO{O}^{-}+H^{+}+HC{O}_3^{-}+3H_2$$

Propionat dipecah menjadi asam asetat, ion bikarbonat, dan gas hidrogen.

2. Dari butirat menjadi asam asetat:

$$C{H}_{3}C{H}_{2}C{H}_{2}CO{O}^{-}+2H_{2}O\to 2C{H}_{3}CO{O}^{-}+H^{+}+2H_{\mathrm{2<span\; style="font-family:\; verdana;\; text-align:\; justify;"></span>}}$$

Butirat diubah menjadi dua molekul asam asetat dan gas hidrogen.

3. Dari etanol menjadi asam asetat:

$$C{H}_{3}C{H}_{2}OH+H_{2}O\to C{H}_{3}CO{O}^{-}+H^{+}+2H_{\mathrm{2<span\; style="font-family:\; verdana;\; text-align:\; justify;"></span>}}$$

Etanol dioksidasi menjadi asam asetat dan gas hidrogen.

Tujuan dari proses asetogenesis .....

• Menghasilkan asam asetat sebagai makanan bagi bakteri metanogen pada tahap berikutnya (metanogenesis).
• Menghasilkan hidrogen (H₂) yang juga digunakan oleh bakteri metanogen untuk mengubah karbon dioksida menjadi metana.

Proses ini menjaga keseimbangan antara produksi dan konsumsi hidrogen. Jika hidrogen tidak digunakan dengan cukup cepat (oleh bakteri metanogen), reaksi asetogenesis bisa melambat atau bahkan berhenti. Makanya, ada interaksi erat antara bakteri asetogenik dan metanogenik agar proses ini berjalan lancar.

D. Metanogenesis: Akhirnya, bakteri metanogen mengubah asam asetat dan gas hidrogen menjadi metana dan karbon dioksida. Metanogenesis adalah tahap terakhir dalam proses dekomposisi anaerobik, di mana mikroorganisme metanogen mengubah senyawa organik sederhana menjadi metana (CH₄) dan karbon dioksida (CO₂). Proses ini sangat penting karena menghasilkan biogas yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan.

Ada tiga jalur utama dalam reaksi kimia metanogenesis:

1. Dari asam asetat (Asetoklastik):

Sebagian besar metana dihasilkan dari pemecahan asam asetat:

$$CH_3COOH \rightarrow CH_4 + CO_2$$

• Asam asetat dipecah menjadi metana (CH₄) dan karbon dioksida (CO₂).
• Proses ini dipicu oleh bakteri seperti Methanosarcina dan Methanosaeta.

2. Dari karbon dioksida dan hidrogen (Hidrogenotrofik):

Metanogen juga bisa memanfaatkan hidrogen (H₂) dan karbon dioksida (CO₂) untuk menghasilkan metana:

$$C{O}_2+4H_2\to C{H}_4+2H_{2}O$$

Penjelasan:

• Karbon dioksida bertindak sebagai penerima elektron, dan hidrogen menjadi donor elektron.
• Proses ini biasanya dilakukan oleh bakteri seperti Methanobacterium dan Methanococcus.

3. Dari metanol atau senyawa satu karbon lainnya (Metilotrofik)

Beberapa metanogen mampu mengubah metanol atau senyawa metil lainnya menjadi metana:

$$4C{H}_{3}OH\to 3C{H}_4+C{O}_2+2H_{2}O$$

• Metanol (CH₃OH) dipecah menjadi metana dan karbon dioksida.
• Mikroba yang berperan termasuk Methanosarcina.

Metanogenesis Penting karena .....

• Energi terbarukan: Metana yang dihasilkan bisa dikumpulkan dan dimanfaatkan sebagai biogas untuk bahan bakar.
• Mitigasi perubahan iklim: Jika metana dilepaskan ke atmosfer, ia 25 kali lebih kuat dalam memerangkap panas dibanding CO₂, jadi menangkap dan memanfaatkannya membantu mengurangi dampak perubahan iklim.
• Stabilisasi proses anaerob: Metanogenesis menjaga keseimbangan proses penguraian, mencegah penumpukan hidrogen yang bisa memperlambat reaksi anaerob lainnya.

3. Sumber Metana

Kolam Limbah (Lagoons): Jika kolam tidak diaerasi, bakteri anaerob akan menghasilkan metana.

Lumpur Aktif: Ketika lumpur limbah disimpan tanpa cukup oksigen, metana akan dilepaskan.

Tempat Pembuangan Akhir (TPA): Air limbah yang meresap ke dalam tanah di TPA juga memicu proses anaerob, menghasilkan gas metana.

4. Dampak dan Pengelolaan

Jika metana dilepas begitu saja ke atmosfer, itu berbahaya karena potensi pemanasan globalnya 25 kali lebih besar daripada karbon dioksida dalam jangka waktu 100 tahun. Oleh karena itu, banyak fasilitas pengolahan limbah modern kini menggunakan reaktor anaerob untuk menangkap metana dan mengubahnya menjadi biogas — yang bisa digunakan sebagai sumber energi terbarukan.