## PENENTUAN VARIASI RASIO C/N OPTIMUM SAMPAH CAMPURAN (DEDAUNAN DAN SISA MAKANAN) TERHADAP KINERJA COMPOST SOLID PHASE MICROBIAL FUEL CELLS (CSMFC)
Erika Lucitawati 1,*) , Arya Rezagama 2 , Ganjar Samudro 3
1,2,3 ) Departemen Teknik Lingkungan , Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro,  Jl. Prof. Soedarto, SH, Kampus Undip Tembalang, Semarang, Indonesia 50275
e-mail: erika.lucitawati@gmail.com

## Abstrak
Rasio C/N merupakan salah satu faktor penting pada proses pengomposan dan produksi listrik dalam  compost  solid  phase  microbial  fuel  cells  (CSMFC).  Rasio  C/N  menggambarkan  nutrisi yang  tersedia  bagi  mikroorganisme  dalam  CSMFC.  Besarnya  nilai  rasio  C/N  yang  terdapat dalam  substrat  yang  digunakan  mempengaruhi  kinerja  CSMFC.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk menentukan nilai rasio C/N yang optimum terhadap kinerja CSMFC. Variasi nilai rasio C/N yang digunakan  yaitu  30:1,  40:1  dan  50:1.  Kadar  air  diatur  pada  60  %.  Penelitian  dilakukan  secara batch  selama  23  hari.  Parameter  yang  diujikan  berupa  suhu,  pH,  kadar  C  Organik,  N  total,  P total, K total, rasio C/N, power density, dan Coulombic efficiency. Hasil penelitian menunjukkan bahwa  kinerja  CSMFC  yang  optimum  terdapat  dalam  reaktor  dengan  rasio  C/N  30:1  dengan nilai  suhu,  pH,  kadar  C  Organik,  N  total,  P  total,  K  total,  power  density,  dan  Coulombic efficiency  secara  berturut-turut  sebesar  7,1,  27,5 O C,  20,31%,  1,63%,  0,19%,  0,21%,  12,47, 48,02 mW/m 2 dan 0,19%.
Kata kunci: rasio C/N, kinerja CSMFC

## Abstract
C/N ratio is one of important factors which affects composting and power generation in compost solid  phase  microbial  fuel  cells  (CSMFC).  C/N  ratio  describes  available  nutritions  for microorganisms in CSMFC. C/N ratio values in substrate which is used influences performance of  CSMFC.  Aim  of  this  study  is  to  determine  optimum  C/N  ratio  value  in  CSMFC.  This  study uses  variation  of  C/N  ratio  of  30:1,  40:1,  and  50:1.  This  study  is  carried  aout  in  batch  for  23 days. Parameters which are used in this study are temperature, pH, organic C, total N, total P, total  K,  C/N  ratio,  power  density,  and  Coulombic  efficiency.  Result  of  this  study  shows  that optimum CSMFC performance is in reactor with C/N ratio 30:1 and temperature, pH, organic C, total  N,  total  P,  total  K,  power  density,  and  Coulombic  efficiency  values  are 7,1,  27,5 O C, 20,31%, 1,63%, 0,19%, 0,21%, 12,47, 48,02 mW/m 2 dan 0,19% respectively.
Keywords: C/N ratio, CSMFC performance

## Pendahuluan
Compost  solid  phase  microbial  fuel  cells (CSMFC)  merupakan  salah  satu  alternatif teknologi  pengolahan  sampah  organik  yang dapat menghasilkan energi ramah lingkungan. Pengomposan  merupakan  cara  pengolahan
sampah  organik  yang  sering  diterapkan  di masyarakat, namun hasil samping pengomposan,  yaitu  gas  metan  dan  karbon dioksida,  akan  dilepaskan  dalam  jumlah tertentu  bergantung  jenis  pengomposan  yang dilakukan.  Seperti yang diketahui, gas tersebut  termasuk  ke  dalam  gas  rumah  kaca
yang  dapat  merusak  lapisan  ozon.  Selain  itu, pengomposan  membutuhkan  waktu  tinggal yang  lama  dan  nilai  produk  yang  rendah. Reimers et  al. (2001)  memperkenalkan konsep Solid  Phase  Microbial  Fuel  Cell (SMFC)  yang  memanfaatkan  bakteri  untuk memetabolisme  akumulasi  residu  organik, sehingga  menghasilkan  daya  listrik  yang berkelanjutan.  SMFC  menjadi  teknologi  yang mengadopsi  mekanisme  fermentasi  tanah kompos  untuk  menghasilkan  listrik  dari  daur ulang  sampah  organik.  Bakteri  digunakan dalam  proses  pada  SMFC  ini  dan  berperan sebagai biokatalis untuk mengoksidasi senyawa  organik  yang  tersedia  sehingga dapat  menghasilkan  listrik  (Wang, et  al. , 2013).
CSMFC  memanfaatkan  bakteri  dalam mengolah  residu  organik  serta  menghasilkan potensi listrik yang berkelanjutan. Keunggulan CSMFC  ini  adalah  tingginya  reduksi  bahan organik,  dihasilkannya  lumpur  yang  lebih sedikit dan dapat diproses lebih lanjut menjadi kompos, dihasilkannya pupuk cair, dihasilkannya  biogas,  dan  dihasilkannya energi  listrik  secara  langsung.  Telah  banyak penelitian MFC dengan menggunakan berbagai  macam  sampah  padat  organik  agar dapat  menghasilkan  energi  listrik.  Penelitian dengan  menggunakan  kombinasi  substrat berupa  limbah  kacang-kacangan,  kopi,  dan sekam  padi  menunjukkan  bahwa  kadar  air sebesar  60  %  dapat  menghasilkan power density sebesar  4,6  mW/m 2 (Wang, et  al. , 2015).  Produksi  listrik  yang  dihasilkan  pada SMFC  dengan  substrat  berupa  sampah campuran  kantin-daun  yaitu  sebesar  43,8 mW/m 2 dengan  penurunan  konsentrasi  COD sebesar 90 % (Muthi’ah, 2017).
Penelitian  ini  memiliki  tujuan  untuk mengetahui  kinerja  CSMFC  dalam  produksi kompos dan listrik dengan parameter tegangan,  arus,  hambatan,  pH  dan  suhu apabila menggunakan sumber sampah organik  padat  berupa  sampah  dedaunan  dan sisa  makanan  dengan  varisiasi  kadar  air sebesar  40  %  dan  60  %  serta  variasi  rasio C/N sebesar 30:1, 40:1, dan 50:1.

## Metodologi Penelitian
Penelitian dilakukan dengan
menggunakan  4  reaktor single  chamber yang terdiri  atas  3  unit  reaktor  variasi  dan  1  unit reaktor  kontrol.  Penelitian  dilakukan  dengan metode dekstruktif di mana reaktor digunakan sekali pada tiap pengukuran sampel. Pengambilan  sampel  dilakukan  pada  H 0, H 1 , H 3 ,  H 5 ,  H 10 ,  H 15 ,  H 20 dan  H 23 .  Pada  H 0 , dilakukan pengambilan sampel sebelum dimasukkan  ke  dalam  reaktor.  Dengan demikian,  reaktor  yang  dibutuhkan  sebanyak 21  reaktor.  Penelitian  dilakukan  dengan variabel  bebas  berupa  rasio  C/N,  variabel terikat  berupa  parameter  kualitas  kompos (suhu, pH, kadar C organik, N total, rasio C/N, P total, dan K total) dan produksi listrik ( power density,  Coulombic  efficiency ),  serta  variabel kontrol berupa kadar air, volume substrat dan penambahan  aktivator.  Campuran  sampah dimasukkan ke dalam reaktor hingga mencapai  volume  2/3  reaktor  (Samudro, et al., 2017).

## Hasil dan Pembahasan

## 1.  Produksi Kompos
Gambar 1. Grafik Perubahan Suhu dan pH dalam Pengomposan
Berdasarkan  Gambar  1,  suhu  dan  pH pada proses pengomposan mengalami peningkatan  sampai  hari  ke-  7  akibat peningkatan  aktivitas  mikroorganisme  dalam menguraikan bahan organik. Suhu
pengomposan  tertinggi  terjadi  dalam  rasio C/N  30:1  sebesar  45 O C    dan  terendah  pada 50:1 sebesar 43 O C. Setelah terjadi peningkatan,  suhu  kembali  menurun  dan stabil sampai hari ke- 23. Penurunan suhu ini
terjadi  akibat  nutrisi  untuk  mikrorganisme mulai  berkurang.  Sedangkan,  peningkatan nilai  pH  terjadi  akibat  adanya  produksi ammonia dalam ammonifikasi dan mineralisasi  nitrogen  organik  karena  aktivitas mikroorganisme (Huang, et al. , 2004). Setelah terjadi peningkatan, nilai pH kembali menurun secara  bertahap  dan  mencapai  nilai  yang mendekati  netral  pada  akhir  pengomposan.
Penurunan  yang  terjadi  disebabkan  oleh volatilisasi  nitrogen  ammonia  dan  pelepasan ion  H + akibat  proses  nitrifikasi  oleh  bakteri nitrifikasi  (Huang, et  al. ,  2004).Penelitian  ini sejalan  dengan  Kamolmanit  &  Reungsang (2006)  serta  Ismayana, et  al. (2014)  yang menunukkan  bahawa  rasio  C/N  30:1  akan menghasilkan suhu pengomposan yang optimum.
Gambar 2. Grafik Perubahan Kadar C Organik, N Total, P Total, K Total, dan Rasio C/N dalam Pengomposan
Berdasarkan Gambar 2, kandungan unsur-unsur  hara  mengalami  perubahan selama  pengomposan.  Kandungan  C  organik dan  rasio  C/N  mengalami  penurunan  akibat bahan  organik  yang  ada  dalam  substrat digunakan  oleh  mikroorganisme  sebagai sumber  energi  dan  dioksidasi  menjadi  CO 2 (Bernal, et.  al., 2009;  Azim et  al. ,  2014). Ketersediaan karbon dalam proses dekomposisi sangat dibutuhkan sebagai penyedia  energi  untuk  mikroorganisme  agar bekerja secara optimal (Mehl, 2008). Kandungan  N  total,  P  total,  dan  K  total  pada seluruh reaktor mengalami peningkatan selama  pengomposan.  Akan  tetapi,  pada kandungan  N  total  mengalami  penurunan pada  hari  ke-5  akibat  volatilisasi  N  sebagai NH 3 karena  meningkatnya  pH  pengomposan (Spencer  &  Heyst,  2013) . Mikroorganisme membutuhkan  nitrogen  dalam  pembentukan protein  (Kumar, et.  al. ,  2015).  Kandungan  P total  dan  K  total  seluruh  reaktor  meningkat hingga akhir pengomposan karena dekomposisi  bahan  organik  dan  kehilangan
masa selama pengomposan (Lü, et al. , 2013). Selain  itu,  peningkatan  P  dan  K  yang  terjadi akibat  adanya  kehilangan  C  organik,  H,  O, dan  N  membentuk  CO 2 dan  H 2 O  (Larney, et al. ,  2006;  Kamolmanit  &  Reungsang,  2006). Fosfor  merupakan  salah  satu  unsur  yang penting dalam metabolisme organisme karena terdapat  di  dalam  asam  nukleat,  yaitu fosfolipid  yang  membentuk  membran  selular, molekul  ATP  dan  ADP  serta  senyawa intermediet  dalam  respirasi  dan  fotosintesis (Fuentes, et  al. ,  2006).  Secara  keseluruhan, hasil  pengomposan  seluruh  variasi  rasio  C/N telah  memenuhi  persyaratan  dalam  SNI  19- 7030-2004.  Rasio  C/N  30:1  memiliki  waktu pada  pengomposan  yang  lebih  cepat.  Pada hari  ke-15,  reaktor  dengan  rasio  C/N  30:1 telah  memenuhi  persyaratan  yang  terdapat dalam  SNI  19-7030-2004.  Hal  ini  sejalan dengan  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Wang et al. (2015) dengan nilai rasio C/N mendekati 30:1  (31,4:1)  menghasilkan  pengomposan yang  lebih  optimum  dengan  suhu  yang  lebih tinggi.
2.  Produksi Listrik
(a) (b) (b) (c)
Gambar 3. Produksi Listrik dalam CSMFC (a)
Power Density (b) Coulombic Efficiency (c)
Efisiensi Energi
Berdasarkan  Gambar  3,  dapat  dilihat bahwa nilai power density, Coulombic efficiency, dan  efisiensi  energi  pada  setiap reaktor CSMFC mengalami peningkatan pada tahap  awal  pengoperasian.  Nilai power density tertinggi terdapat pada rasio C/N 30:1 sebesar  48,02  mW/m 2 dan  terendah  pada 50:1  sebesar  6,40  mW/m 2 .  Produksi  daya perlu  dinormalisasi  agar  menggambarkan produksi  daya  oleh  sistem  secara  spesifik (Logan,  2008). Nilai Coulombic  efficiency tertinggi  terdapat  pada  reaktor  30:1  sebesar 0,19%  dan  terendah  pada  50:1  sebesar 0,04%.  Setelah  mencapai  nilai  maksimum, nilai Coulombic  efficiency menurun  hingga akhir  proses  karena  pemanfaatan  akseptor elektron  alternatif  oleh  bakteri  dan  proses
kompetitif  dan  pertumbuhan  mikroorganisme. Couloumbic efficiency merupakan  banyaknya elektron  yang tersimpan dalam biomasa yang kemungkinan  dapat  dipanen  sebagai  arus listrik  dalam  sistem. Nilai  efisiensi  energi tertinggi  yang  diperoleh  pada  reaktor  30:1 sebesar  0,00240%  dan  terendah  pada  50:1 Sebesar 0,00046%. Efisiensi energi merupakan  faktor  yang  perlu  diperhatikan dalam  mengevaluasi  kinerja  sebuah  MFC dalam  memproduksi  listrik  (Logan et  al. ,
2006). Nilai yang diperoleh tersebut menunjukkan  bahwa  rasio  C/N  yang  lebih tinggi memiliki nilai efisiensi energi yang lebih rendah. Fenomena ini menggambarkan bahwa  peningkatan  produksi  listrik  tidak sebanding  dengan  peningkatan  konsentrasi awal  substrat.  Kompetisi  antar  komunitas mikroba dalam sistem yang semakin meningkat  dapat  menghasilkan  beragam aktivitas  metabolik  yang  mengurangi  densitas daya listrik keluaran (Utami, et al., 2017). Reaktor dengan rasio C/N 30:1
menghasilkan power density yang lebih tinggi. Hal  ini  sejalan  dengan  penelitian  Wang et  al.
(2015)  yang  menunjukkan  bahwa  rasio  C/N 31,4:1  menghasilkan power  density yang optimum  sebesar  1,278  mW/m 2 karena  rasio C/N 30:1 merupakan nilai yang optimal dalam pengomposan  dan  mempengaruhi  kinerja daya  optimum  dalam  SMFC.  Nilai Coulombic efficiency yang  dihasilkan  oleh  reaktor
CSMFC  tergolong  lebih  rendah  dibandingan dengan  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Liu et al. (2004) yang menghasilkan nilai Coulombic efficiency sebesar  3 – 12 % dengam substrat air  limbah.  Hal  ini  terjadi  karena  adanya akseptor  elektron  lain  (sulfat  dan  nitrat)  dan difusi  oksigen  dari  kompartemen  katoda menuju anoda (Lu, et al. , 2009). Nilai efisiensi energi yang diperoleh sejalan dengan penelitian  Utami et  al. (2017)  dengan menggunakan  substrat  glukosa  pada  MFC akan  menghasilkan  efisiensi  energi  dengan nilai maksimum sebesar 0,000179 %.

## Kesimpulan
Berdasarkan analisis yang telah dilakukan,  rasio  C/N  yang  semakin  rendah akan  mempercepat  proses  pengomposan. Variasi  rasio  C/N  30:1  merupakan  variasi optimum  dalam  pengomposan  dan  produksi listrik berdasarkan analisis skoring. Hasil yang diperoleh  yaitu  kadar  C  organik  sebesar 20,31, kadar N total sebesar 1,63 %, kadar P total  sebesar  0,21  %,  kadar  K  total  sebesar 2,49,  rasio  C/N  sebesar  12,47,  pH  sebesar 7,1  dan  suhu  27,5 O C,  serta  menghasilkan
power density sebesar 48,02 mW/m 2 , Couloumbic efficiency sebesar 0,19 %.
Ucapan  Terima  Kasih :  Ucapan  terima  kasih disampaikan  kepada  Bapak  Ganjar  Samudro yang  telah  mendanai  dan  Bapak  Arya Rezagama  yang  telah  membimbing  dalam penelitian ini.

## Daftar Pustaka
Azim, K., Ouyahia, K., Amellouk, A., Perissol, A.,  Thami  Alami,  I.,  &  Soudi,  B.  (2014).
Dynamic Composting Optimization Through CN Ratio Variation as A Startup Parameter. In ISOFAR Scientific
Conference (pp.  787 –790).  Istanbul: Organic World Congress.
Bernal, M. P., Alburquerque, J. A., & Moral, R.
(2009).  Composting  of  Animal  Manures
And  Chemical  Criteria  For  Compost Maturity Assessment. A Review. Bioresource Technology , 100 (22), 5444 – 5453.
http://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.11. 027
Fuentes, B., Bolan, N., Naidu, R., & Mora, M. D.  L.  L.  (2006).  Phosphorus  in  Organic Waste-Soil  Systems. Revista  de  La
Ciencia  Del  Suelo  Y  Nutrición  Vegetal ,
6 (2), 64 –83. http://doi.org/10.4067/S0718- 27912006000200006
Huang,  G.  F.,  Wong,  J.  W.  C.,  Wu,  Q.  T.,  &
Nagar,  B.  B.  (2004).  Effect  of  C/N  on Composting of Pig Manure With Sawdust. Waste  Management , 24 (8), 805 –813. http://doi.org/10.1016/j.wasman.2004.03. 011
Ismayana,  A.,  Indrasti,  N.  S.,  &  Erica,  N.
(2014). Pengaruh Rasio C / N Awal Dan Laju Aerasi Pada Proses Co-
Composting  Blotong  dan  Abu  Ketel.
Jurnal Bumi Lestari , 14 (1), 39 –45. Kamolmanit,  N.,  &  Reungsang,  A.  (2006). Effect  of  Carbon  To  Nitrogen  Ratio  on the  Composting  of  Cassava  Pulp  With Swine  Manure. Journal  of  Water  and Environment Technology , 4 (1), 18. Retrieved from https://www.jstage.jst.go.jp/article/jwet/4/ 1/4_1_33/_pdf Kumar,  S.,  &  Kumar,  S.  (2015).  Composting of Municipal Solid Waste. Environmental Science, Toxicology and Food Technology , 8551 , 20 –29. http://doi.org/10.3109/07388551.2010.49 2207
Larney,  F.  J.,  Sullivan,  D.  M.,  Buckley,  K.  E.,
&  Eghball,  B.  (2006).  The  Role  of
Composting In Recycling Manure Nutrients. Canadian  Journal  of  Soil Science , 86 (4), 597 –611. http://doi.org/10.4141/S05-116 Liu, H., Liu, H., Ramnarayanan, R., Ramnarayanan,  R.,  Logan,  B.  E.,  &
Logan,  B.  E.  (2004).  Production  Of Electricity During Wastewater Treatment Using  A  Single  Chamber  Microbial  Fuel Cell. Environmental Science & Technology , 38 (7), 2281 –5. http://doi.org/10.1021/es034923g
Logan,  B.  E.  (2008).  Power  Generation.  In
Microbial  Fuel  Cells (pp.  44 –60).  New Jersey:  John  Wiley  &  Sons,  Inc.  All. http://doi.org/10.1002/9780470258590.c h4
Logan,  B.  E.,  Hamelers,  B.,  Rozendal,  R., Schroder,  U.,  Keller,  J.,  Fraguia,  S.,  … Rabaey,  K.  (2006).  Critical  Review Microbial  Fuel  Cells :  Methodology  and Technology. Environmental  Science  &
Technology , 40 (17), 5181 –5192.
http://doi.org/10.1021/es0605016
Lü, D. an, Yan, B. xing, Wang, L. xia, Deng, Z.
qiang, & Zhang, Y. bin. (2013). Changes In  Phosphorus  Fractions  And  Nitrogen Forms  During  Composting  Of  Pig Manure  With  Rice  Straw. Journal  of Integrative  Agriculture , 12 (10),  1855 –
1864. http://doi.org/10.1016/S2095-
3119(13)60400-1
Lu,  N.,  Zhou,  S.  gui,  Zhuang,  L.,  Zhang,  J. tao,  &  Ni,  J.  ren.  (2009).  Electricity Generation  From  Starch  Processing Wastewater  Using  Microbial  Fuel  Cell Technology. Biochemical  Engineering
Journal , 43 (3), 246 –251.
http://doi.org/10.1016/j.bej.2008.10.005
Muthi’ah, H. (2017). Pengaruh Variasi Volume Sampah  Padat  Organik  dan  Sumber Bakteri  Terhadap  Kinera  Solid  Phase Microbial Fuel Cell (SMFC) . Semarang. Samudro, G., Nugraha, W. D., & Priyambada,
I.  B.  (2017).  Kajian  Pemilihan  Sumber Mikroorganisme  Solid  Phase  Microbial Fuel  Cell  (SMFC)  Berdasarkan  Jenis Dan  Volume  Sampah  ,  Power  Density Dan  Efisiensi  Penurunan  COD. Sains Dan Teknologi Lingkungan , 9 , 114 –121. Spencer,  J.  L.,  &  Van  Heyst,  B.  J.  (2013). Effect Of Different Intermediate Amendments  On  Ph  And  Ammonia Emissions Of Composted Poultry Mortalities. Journal  of  Applied  Poultry Research , 22 (4), 700 –714.
http://doi.org/10.3382/japr.2012-00632
Utami,  T.  S.,  Arbianti,  R.,  &  Mulyana,  G.  M.
(2017). Evaluasi Produksi Listrik Sumber Energi  Terbarukan  Sel  Elektrokimia Berbasis  Mikroba  Pada  Volume  Reaktor
Yang  Berbeda. Seminar  Nasional  Sains Dan Teknologi 2017 , (November), 1 –8.
Wang, C. T., Lee, Y. C., & Liao, F. Y. (2015). Effect of Composting Parameters on The Power  Performance  of  Solid  Microbial Fuel  Cells. Sustainability  (Switzerland) ,
7 (9), 12634 –12643.
http://doi.org/10.3390/su70912634
Wang,  C.  T.,  Liao,  F.  Y.,  &  Liu,  K.  S.  (2013).
Electrical  Analysis  of  Compost  Solid Phase  Microbial  Fuel  Cell. International Journal  of  Hydrogen  Energy , 38 (25),
11124 –11130. http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.02. 120