PENDAHULUAN
Produksi municipal solid waste (MSW) secara global terus terjadi peningkatan dengan prediksi jumlah MSW mencapai 2.2 triliun ton pada tahun 2025 (Hoornweg and Bhada-Tat, 2012). Peningkatan volume sampah merupakan suatu tantangan tersendiri dalam menangani dan mengontrol secara berkelanjutan, diluar proses daur ulang dan proses pemulihan, TPA masih menjadi pilihan utama pembuangan sampah di berbagai negara, khususnya negara berkembang. Komposisi sampah di Indonesia terdiri dari 50%-70% organik dan sisanya merupakan sampah anorganik. Berdasarkan data dari Badan Statistik Indonesia (2014), persentase sampah dipilah dan dimanfaatkan sebesar 10.09%, sampah dipilah namun tidak dimanfaatkan sebesar 8.75%, dan sampah yang tanpa pemilahan sebesar 81.16%. Dalam artian lagi kemungkinan besar 19.84% sampah yang sudah dipilah tetap dicampur dan dibuang ke TPA.
Dengan persentase sampah organik yang dominan, dimana sampah organik yang bersifat biodegradable mengalami proses degradasi di TPA. Degradasi sampah organik yang terjadi mengakibatkan penurunan volume dan massa sampah (Shi dkk, 2015). Pengurangan volume dan massa sampah mempengaruh densitas sampah pada TPA. Densitas sampah merupakan salah satu komponen penting dalam sistem pengolahan sampah, khususnya dalam desain TPA dan pengelolahannya. Dengan adanya perubahan densitias, menyebabkan kondisi kemiringan TPA tidak stabil, khususnya menyebabkan peningkatan tegangan geser, muatan, tekanan lateral, dan pergeseran sementara dari TPA, selain itu kekuatan teganga pada TPA akan menurun dengan adanya pengairan dan perubahan tekanan pori air (Sayilacksha dkk, 2015).
Adanya pergerakan dan perubahan ukuran TPA akibat degradasi tentu saja merubah sifat, kemilingan, kestabilan TPA sehingga kemungkinan terjadinya kecelakaan semakin besar (Varga, 2014). Efek lain dari kondisi ini adalah kemungkinan terjadi pencemaran air tanah dan sumber air lainnya yang berada di sekitar TPA.
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan nilai densitas sampah yang sesuai dengan kondisi persampahan di Indonesia agar desain dan monitoring TPA efektif dan sesuai dengan kondisi di Indonesia. Penelitian ini difokuskan pada perubahan fenomena degradasi sampah organik terhadap terhadap stabilitas TPA.
METODOLOGI PENELITIAN
Pada penentuan nilai densitas (ɤ) pada sampah organik dan melakukan permodelan menggunakan Plaxis terdapat beberapa tahap yang terdiri dari tahap persiapan, tahap running, tahap analisa, dan interpretasi hasil. Tahap persiapan dimulai dari studi literatur mengenai teknik pengukuran densitas dan beberapa penelitian-penelitan yang berkaitan dengan dekomposisi sampah, densitas, dan stabilitas TPA. Selanjutnya dilakukan pengambilan sampel sampah yang terdiri dari campuran sampah sisa makanan dan kardus dengan komposisi 20:1. Komposisi ini berdasarkan atas tipikal persentase terbesar komposisi sampah di Indonesia, khususnya di Kota Bandung. Persiapan reaktor, bahan-bahan kimia untuk analisa, serta karakteristik awal dilakukan dalam tahap persiapan. Analisa karakteristik awal terdiri diri analisa suhu, pH, total organic carbon (TOC), kadar air, dan densitas pada sampel.
Tahap penelitian dilakukan variasi waktu (umur sampah) dalam reaktor, sehingga terdapat beberapa parameter yang diukur dalam rentang waktu tertentu. TOC, kadar volatile, dan densitas sampah dianalisa setiap enam hari sekali. Daya hantar listrik (DHL), pH, suhu, dan kadar air diukur setiap dua hari sekali. Waktu penelitian selama enam puluh hari. Setiap reaktor dimasukkan tanpa dilakukan kompaksi, hanya mengukur densitas awal sampah segar, sedangkan kompaksi dilakukan setiap enam hari sekali atau pada saat pengukuran densitas akhir (Bolyard dan Reinhart, 2016). Setelah didapatkan data, maka dilakukan permodelan mengenai stabilitas TPA menggunakan program Plaxis 8.0. Tahap analisa dan penarikan kesimpulan dilakukan setelah semua data yang dibutuhkan telah didapatkan
Desain Reaktor
Reaktor terbuat dari drum HDPE berukuran 35L dengan diameter 31,5 cm dan tinggi reaktor. Bagian atas reaktor terdapat pipa dan keran sebagai tempat keluar gas berupa metan (\(CH_4\)) dan karbondioksida (\(CO_2\)). Bagian bawah terdapat pipa dan keran untuk mengambil sampel lindi dan dianalisa. Penelitian ini menggunakan dua puluh buah reaktor (sepuluh reaktor untuk penelitian dan sepuluh untuk duplo penelitian). Gambar 1 merupakan reaktor yang digunakan dalam penelitian.
Gambar 1. Reaktor penelitian
Densitas Sampah dan Void Ratio
Pengukuran densitas sampah menggunakan ASTM D1557-12: Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristic Modified Effort (56,00 ft-lb/ft³(2,700 kN-m(m³))¹. Sedangkan pengukuran void ratio menggunakan ASTM D-854. Pengukuran densitas dilakuka setiap enam hari sekali di Laboratorium Limbah Padat dan B3 Insitutu Teknologi Bandung Kampus Jatinangor.
Kesetimbangan Massa Karbon
Kesetimbangan massa karbon didapatkan dengan melakukan pengukuran chemical organic compound(COD) di lindi, sedangkan untuk sampah padat dilakukan pengukuran corganik dan volatile organic compoung (VOC). Produksi gas yang didapat dari proses degradasi tidak diukur, namun hanya melakukan perhitungan pengurangan dari data karbon input (pada hari keenol) dengan penjumlahan dari karbon total dari lindi dan sampah padat selama proses degradasi. Rumus kesetimbangan massa dapat diliat pada Persamaan 1.
\[C_{tot} = C_{eas} + C_{liauid} + C_{solid} \tag{1}\]
Dimana \(C_{tot}\) merupakan konsentrasi total karbon, \(C_{gas}\) merupakan konsentrasi gas yang terbentuk selama proses degradasi, \(C_{liquid}\) karbon total di lindi yang terbentuk, dan \(C_{solid}\) konsentrasi karbon di sampah padat.
\[\frac{dx}{dt^{\text{mob}}} = \sum (X_{\text{si}}Q_{\text{si}}) - X_{\text{l}} \cdot Q_{\text{l}} + X_{\text{g}}Q_{\text{g}} + r \cdot V\] (2)
Dimana \(\frac{dx}{dt_{mob}}\) merupakan akumulasi konsentrasi. \(\sum (X_{si}Q_{si})\) merupakan jumlah sampah yang masuk yang dijumlahkan kuantitas setiap kategori aliran molekul dikali dengan karon di setiap mergeoligi. \(X_1.Q_1\) adalah massa karbon yang terdapat pada karbon. \(X_gQ_g\) merupakan massa karbon yang terdapat pada gas terproduksi selama proses degradasi. rV adalah reaksi yang terjadi pada proses dalam volum reaktor ditambah dengan kinetik.
Permodelan Plaxis
Permodelan mengunnakan software Plaxis 8.6 2D pada saat akhir penelitian guna mengetahui faktor keselamatan dari proses degradasi dan perubahan densitas dari waktu ke waktu. Data yang didapatkan dari penelitian dan diaplikasikan dalam permodelan ini adalah nilai densitas \((x_d)\), sedangkan nilai rasio poisson, kohesi (kPa), sudut fraksi internal \((\phi)\) didapatkan dari data Hadinata (2011).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Sampel
Sampah organik terdiri dari campuran sampah sisa makanan dan kardus yang telah dicacah dan diayak dengan ukuran diameter 1 cm dengan perbandingan 20:1. Karakteristik awal sampah organik dapat dilihat pada Tabel 1.
| Tabel 1. | Karakteristik awal sampel |
|---|
| No. | Parameter | Nilai |
|---|---|---|
| 1 | pH | 3,5 |
| 2 | Suhu | 25,5 ºC |
| 3 | C-Organic | 32,953% |
| 4 | Volatile Organic Compound (VOC) | 97,70% |
Dalam penelitian ini dilakukan dua perlakuan fisik terhadap sampel, yaitu dengan cara dikompaksi dan tanpa kompaksi. Perlakuan tanpa dikompaksi dikondisikan densitas sampel sebesar 0,6 gram/cm3 dengan nilai void ratio sebesar 2,202 dan safety factor sebesar 1,820. Sedangkan sampah yang terkompasi memiliki densitas awal 0,829 gram/cm3 dengan nilai void ratio sebesar 6,892 dan safety factor sebesar 1,350.
Gambar 2. Perubahan parameter kimia degradasi sampah organik
Distribusi perubahan konsentrasi c-organic dari waktu ke waktu bersifat fluktuatif. Hal ini disebabkan sampel sampah setiap waktu berasal dari reaktor yang berbeda, selain itu komposisi sampah bersifat heterogen sehingga terdapat berbagai macam tingkat degradasi yang dapat mempengaruhi distribusi karbon pada sampah tersebut . Fenomena serupa terjadi pada distribusi VOC dan Lindi dimana terjadi perubahan fluktuatif karena sampel sampah yang bersifat heterogen, Berdasarkan penelitian Ogata dkk., (2014), proses degradasi sampah secara anaerobik pada landfill dipegaruhi oleh kehetrogenan sampah yang mempengaruhi distrubusi karbon pada fase gas dan cair. Peningkatan konsetrasi COD disebabkan oleh proses sirkulasi air
72 Jurnal Teknik Lingkungan Vol. 23 No. 1 − Fildzah Raudina, Benno Rahardyan, Enri Damanhuri, Febrian Hadinata
lindi yang dilakukan untuk melakukan pengecekan terhadap pH, suhu, dan DHL pada lindi. Berdasarkan Xu dkk (2014), resirkulasi lindi meningkatkan proses hidrolitik pada mikroorganisme untuk berkontak langsung dengan sampah padat, sehingga enzim semakin aktif dan meningkatan kandungan organik serta konsentrasi asam lemak volatil yang terukur dalam COD. Dapat dikatakan bahwa proses resirkulasi lindi sangat memepengaruhi proses hidrolisis dan asidogenesis dibandingkan proses metanogenesis (yang cenderung mencegah proses tersebut).
Pengaruh Degradasi Sampah Terhadap Sifat Fisik Sampah
Kedua perlakuan dilakukan pengukuran densitas basah - kering, kadar air, dan void ratio yang ditampilkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Kondisi awal sampah tanpa kompaksi dan terkompaksi
Perlakuan Densitas Basah Kadar Air (%) Densitas Kering(gram/cm3 ) Void Ratio
(gram/cm3 ) Tanpa Kompaksi 0,6 58,59% 0,378 2,202 Terkompaks 0,849 20,80% 0,703 6,892
Berat total yang dibutuhkan dalam reaktor adalah 12 kg.
Gambar 3. Perubahan karakteristik fisik sampah organik selama proses degradasi
Perubahan densitas mempengaruhi perubahan kandungan air dan void ratio pada sampah. Pola perubahan densitas basah sampah terkompaksi sama dengan sampah tidak terkompaksi, namun nilai densitas basah lebih besar karena perubahan volume yang terjadi lebih besar, yaitu ± 1,2 kali lebih besar daripada sampah tanpa kompaksi.
Besar perubahan densitas basah sampah terkompaksi berkisar 0,672 – 2,052 gram/cm3 dengan rata-rata densitas basah 0,898 gram/cm3 . Perubahan kadar air selama enam puluh hari memiliki pola meningkat dari ke waktu dan memiliki rentang antara 46,9% - 77,4% dengan ratarata 67,1 %. Perubahan densitas basah terhadap kandungan air pada sampah memiliki kolerasi positif ( p<0,05, r = 0,59). Semakin tinggi nilai densitas sampah, semakin besar pula kadar air sampah tersebut (Julrat dan Trabesi, 2017). Peningkatan kadar air dalam sampah juga disebabkan oleh proses sirkulasi lindi yang dilakukan untuk mengontrol parameter sampah. Kadar air yang tinggi juga menghambat terbentuknya gas (r = -0.569) dan proses metanogenesis (White dan Beaven, 2013; Chen dkk., 2016). Kadar air dari sampah terkompaksi mencapai 75%, yaitu lebih rendah daripada sampah tanpa kompaksi. Hal ini disebabkan air yang terdapat pada sampel terikat atau terjebak dalam pori sampah. Perubahan densitas basah dengan kadar air tidak saling berkolerasi, namun berbanding lurus (p>0,05, r = 0,8). Sama halnya dengan kadar air pada sampah, densitas kering berbanding lurus dengan proses degradasi dan densitas(p<0,05, r = 19,042) serta kadar air (Jurat dan Trabelsi,2017). Densitas kering berhubungan dengan besar daya kompaksi yang diterima oleh sampah. Hubungan void ratio dengan densitas basah untuk perlakuan tanpa kompaksi sendiri berbanding terbalik namun (p>0,05, r= - 0,024), Void ratio sangat berkolerasi lurus dengan perubahan densitas (p<0,05, r= 48,795). Perubahan densitas dan void ratio sangat mempengaruhi proses degradasi yang terjadi pada sampah padat (p<0,05).
Densitas kering, dan kadar air berbanding terbalik, dimana ketika nilai ketiga parameter tersebut semakin meningkat, maka nilai void ratio semakin menurun. Densitas kering sampah berbanding terbalik dan tidak saling berhubungan dengan perubahan densitas basah (p>0,05, r= - 0.302). Densitas kering berhubungan dengan kadar air selama proses degradasi sampah. Void ratio merupakan ruang kosong yang terdapat di antara sampah atau lapisan tanah. Ketika densitas meningkat, maka volume sampah tersebut semakin berkurang, sehingga nilai void ratio semakin menurun (Sayilacksha dkk, 2015). Semakin tinggi nilai densitas dan void ratio, maka semakin dekat pula jarak kontak substrat antar mikroorganisme yang terdapat pada sampah, dan juga pertambahan nilai COD dan pH pada lindi (Ko dkk., 2016).
Gambar 4. Hubungan C-Organic dengan densitas
Aliran distribusi karbon dalam tahap degradasi sampah organik masih didominasi berada di sampah padat dimana persentase karbon rata-rata mencapai 90% dengan c-organic memeiliki pengaruh positif terdahap perubahan densitas (r=1,081) . Nilai karbon solid padat sendiri berkolerasi negatif terhadap pembentukan gas (p<0,05, r = -0,941) dan berbanding lurus terhadap jumlah massa karbon pada sampel padat (p= 0,00), walau tidak tidak berpengaruh terhadap pembentukan jumlah massa karbon di lindi, namun pola pernjumlahan massa karbonnya berbanding lurus (p>0,05, r= 0,216). Fenomena ini disebabkan sampel sampah yang merupakan sisa makanan atau sampah sisa dapur yang memiliki kandungan asam volatil lemak tinggi. Asam
volatil lemak terbentuk karena proses degradasi protein, lemak, gula, dan holoselulosa (pada sampah organik) dalam tahap hidrolisis dan asidogenesis (Chen dkk., 2016). Asam volatil lemak merupakan penghambat proses terbentuknya gas (gas terbentuk dengan rentan suhu 30º-60ºC dengan pH berkisar 6,8-7,5, sedangkan pH dan suhu kurang dari kedua rentan tersebut), khususnya menghambat proses metanogenesis , dan menyebabkan pH pada lindi rendah (Ye dkk.,2013), sehingga CO2 gas yang seharusnya terbentuk menjadi asam CO2 pada lindi (Brandstätter dkk., 2015). Salinitas dan kandungan amonium (ditunjukkan nilai DHL) pada lindi juga memberikan efek pada saat proses degradasi, yaitu menghambat prosese terbentuknya gas dan metanogensis, walau tidak berkolerasi (p>0,05, r= -0,295), namun memberikan dampak berkebalikan. Pembentukan gas dalam proses degradasi anaerobik merupakan hasil minor, atau kemungkinan besar sulit untuk terbentuk (Brandstätter dkk.,2015). Dalam penelitian ini tidak ada pengukuran secara detail mengenai senyawa-senyawa kimia secara detail yang terdapat pada sampah padat, lindi, dan gas yang terbentuk.
Pengaruh Proses Degradasi Sampah Terhadap Stabilitas TPA
Perhitungan faktor keamaan menggunakan program Plaxis 8.6 dengan memasukkan unit weight density saturated dan unsaturated, serta permeabilitas yang didapatkan dari hasil penelitian. Tanah dasar yang digunakan adalah merupakan tanah lempung dengan pelapis tanah liat. Perhitungan faktor keamanan untuk dua perlakuan, yaitu sampah tanpa kompaksi dan sampah terkompaksi.
Perubahan tanah baik perlakuan tanpa kompaksi dan terkompasi sama dan tidak ada perbedaan berarti. Perubahan terjadi di antara lapisan pertama dan kedua.
Gambar 6. Titik tekan pori dan faktor keamanan TPA
Tekanan pori terbesar untuk sampah tanpa kompaksi mencapai 39,5 kN/m2 , sedangkan sampah terkompaksi hanya mencapai 16 kN/m2 . Pembentukan gas berkolerasi negatif terhadap
titik tekan pori sampah (p<0,19, r=-0,526). Semakin tinggi titik tekan pori, maka semakin kecil void ratio pada sampel sampah tersebut, sehingga memperbesar luas kontak antar mikroorganisme untuk mendegradasi sampah (Ko dkk.,2016 ). Namun dikarenakan kandungan total asam volatil lemak pada sampah organik, khususnya sampah makanan tinggi, maka proses metanogenesis dan pembentukkan gas terhambat, maka kandungan karbon organik berpindah ke lindi dimana pH rendah dan DHL yang tinggi (Xu dkk., 2014; Xu dkk., 2015). Faktor keamaan sampah tanpa kompaksi memiliki rentan antara 1,43 – 1,91 dengan rata-rata faktor keamaanan 1,685, sehingga faktor keamanan sampah terkompaksi secara keseluruhan dapat dikatakan dalam kategori aman untuk kategori TPA sementara dan secara rata-rata termasuk dalam kategori aman untuk TPA permanen. Faktor keamaan terkompaksi memiliki rentan faktor keamaan 1,26 - 1,93 dengan rata-rata faktor keamanan 1,535, walau beberapa titik di bawah standar faktor keamaan untuk TPA sementara dan 5 titik di bawah standar faktor keamaan TPA permanen. Namun secara rata-rata faktor keamanan sampah terkompaksi melewati standar TPA sementara dan permanen. Perubahan faktor keamaan sampah dan stabilitas tanah (Varga, 2014; Gao dkk., 2015; )dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu (1) sampah semakin berat dan mengecilnya volume sampah. Dalam artian lain nilai densitas sampah semakin meningkat, (2) perubahan nilai tekanan pori dan void ratio sampah akibat proses resirkulasi lindi. Nilai titik tekan pori dan void ratio mengecil akibat proses degradasi dan konsentrasi lindi semakin meningkat akibat kontak antar mikroorganisme di sampah, sehingga kerapatan sampah semakin meningkat akan dapat mengurangi kestabilan TPA; dan (3) Permukaan yang terus basah (salah satunya akibat resirkulasi lindi, dapat mengurangi kestabilan dan faktor keamaan TPA).
KESIMPULAN
Degradasi sampah secara anaerobik tidak menghasilkan gas, sehingga kemungkinan besar gas CO2 yang seharunya terbentuk cenderung berubah menjadi asam yang terdapat pada lindi karena pH lindi bersifat asam dengan rentang pH 2,02 -4,56 dan nilai DHL yang terus meningkat 2,505 – 30,6 mS/cm. Semakin kecil void ratio dan tekanan pori sampah, maka semakin besar kontak mikroorganisme di sampah yang dapat mempercepat proses degradasi sampah, dimana proses degradasi ini penurunan karakteristik fisik ini dipengaruhi oleh sirkulasi lindi. Faktor keamaan sampah tanpa kompaksi memiliki rentan antara 1,43 – 1,91 dengan ratarata faktor keamaanan 1,685, Faktor keamaan terkompaksi memiliki rentan faktor keamaan 1,26 - 1,93 dengan rata-rata faktor keamanan 1,535, kedua perlakuan secara rata-rata faktor keamanan sampah terkompaksi melewati standar TPA sementara dan permanen.