Penjelasan Sederhana Tentang Pengolahan Biofilm: Menyediakan Rumah Bagi Bakteri Yang Kuat Dan Khawatir-Pengolahan Air Limbah Gratis

Proses lumpur aktif adalah teknologi pengolahan air limbah biologis yang paling banyak digunakan. Dalam sistem lumpur aktif, mikroorganisme yang memurnikan air limbah berada dalam kondisi pertumbuhan tersuspensi-mereka berkumpul dalam kelompok kecil, membentuk flok, dan tersuspensi dalam larutan campuran dalam kondisi aerasi, lalu diaduk mengikuti aliran air. Mikroorganisme dan air limbah bersentuhan penuh, menghilangkan polutan di dalam air.

Sistem ini bekerja dengan sangat baik, namun memiliki satu kelemahan: sistem ini rumit. Jika volume air limbah yang masuk tiba-tiba meningkat, konsentrasinya tiba-tiba meningkat, atau suhu air tiba-tiba turun, atau pH berfluktuasi secara drastis, mikroorganisme dapat "bertindak"-efek pengolahan akan menurun, atau bahkan terjadi penggemburan lumpur, sehingga mempengaruhi operasi normal sistem.

Oleh karena itu, para insinyur bertanya-tanya apakah mereka dapat mengubah pendekatan mereka, sehingga memungkinkan mikroorganisme untuk “menetap” di lokasi tetap, bukannya terus-menerus mengambang di air?

Ini adalah proses biofilm. Sederhananya, proses biofilm menggunakan mikroorganisme yang tumbuh pada media filter atau media pembawa untuk mengolah air limbah.

Ide inti dari teknologi biofilm sederhana: menyediakan "rumah" tetap bagi mikroorganisme tempat mereka dapat menetap, berkembang biak, dan membentuk "komunitas mikroba". Air limbah mengalir melalui komunitas ini, dan polutan di dalamnya dikonsumsi oleh “penduduk”.

"Rumah" ini secara profesional disebut bahan pengemas atau pengangkut. Proses biofilm yang berbeda menggunakan pembawa yang sangat berbeda. Jenis yang paling umum adalah:

Jenis pertama: Bahan pengepakan dalam oksidasi kontak biologis – "bola filamen plastik" yang digantung di tangki

Tangki oksidasi kontak diisi dengan rangkaian bahan pengemas, menyerupai sikat plastik besar. Air limbah diangin-anginkan dari dasar tangki dan dialirkan ke atas, menyebabkan bahan pengemas ini bergoyang perlahan di dalam air, ditutupi dengan biofilm-coklat kekuningan. Jenis bahan pengemas ini memiliki luas permukaan spesifik yang besar; 1 meter kubik dapat menyediakan “ruang hidup” seluas 800 hingga 900 meter persegi.

Tipe kedua: Cakram dalam cakram yang berputar secara biologis – "cakram yang berputar"

Cakram berputar biologis tidak menggunakan bahan pengemas; "rumah" mereka adalah cakram itu sendiri – lusinan cakram besar, berdiameter 2 hingga 3 meter, dirangkai pada poros yang berputar dan diputar perlahan oleh motor dengan pengurangan kecepatan. Jenis pertama melibatkan cakram filter biologis, setengahnya terendam air limbah dan setengahnya lagi terkena udara. Mikroorganisme tumbuh di kedua sisi cakram, menyerap polutan saat terendam dan menyerap oksigen dari udara saat terkena permukaan. Desain ini memiliki konsumsi energi yang relatif rendah, tidak memerlukan aerasi tambahan, dan ekonomis dalam pengoperasiannya.

Jenis ketiga: Bahan pengemas untuk filter aerasi biologis (BAF) – "lapisan filter yang terbuat dari kerikil keramik kecil"

BAF menggunakan kerikil keramik kecil dengan diameter 3 hingga 6 milimeter, ditumpuk seperti kerikil kecil di dalam tangki. Air limbah mengalir dari bawah ke atas, sedangkan aerasi terjadi secara bersamaan dari bawah. Desain partikel kecil ini memiliki dua keuntungan: pertama, luas permukaan spesifik yang besar, menghasilkan biomassa per satuan volume yang tinggi; kedua, celah antar partikel memerangkap padatan tersuspensi, membuat limbah BAF menjadi sangat jernih.

Jenis keempat: Bahan pengemas untuk biofilter biologis (MBBR) – "lembaran plastik kecil yang berjatuhan di dalam air"

MBBR menggunakan lembaran plastik kecil yang digantung, berbentuk seperti roda atau silinder kecil, dengan massa jenis sedikit lebih ringan dari air. Di bawah aerasi, bahan pengemas ini terus-menerus jatuh dan mengalir di dalam tangki, sehingga biofilm dapat bersentuhan dengan air limbah saat bergerak. Bahan pengemas terus bergerak; biofilm yang menua terhapus, dan biofilm baru terus tumbuh, sehingga menghilangkan kebutuhan akan pencucian balik secara manual. Ia memiliki kemampuan-pembersihan mandiri yang kuat dan tidak akan menyumbat tangki.

Tipe kelima: Pembawa fluidized bed biologis – “partikel-partikel kecil yang berjatuhan seperti bubur”

Lapisan terfluidisasi biologis menggunakan pembawa yang lebih kecil, biasanya pasir 0,3 hingga 1 mm, karbon aktif, atau partikel kokas. Didorong oleh-aliran air atau udara berkecepatan tinggi, partikel-partikel kecil ini terus-menerus berjatuhan dan menjadi cair seperti bubur. Karena ukuran pembawa sangat kecil, setiap meter kubik pembawa dapat menyediakan 2000 hingga 3000 meter persegi ruang hidup, sehingga menghasilkan konsentrasi mikroba dan laju pembebanan volumetrik tertinggi di antara semua proses biofilm. Teknologi ini memiliki efisiensi pengolahan yang sangat tinggi dan ukuran tapak yang sangat kecil, namun desain dan pengoperasiannya juga relatif rumit.

Berbagai jenis "rumah" ini masing-masing memiliki skenario penerapannya sendiri. Oksidasi kontak cocok untuk pengolahan air limbah-berukuran kecil hingga sedang, MBBR cocok untuk retrofit dan perluasan, BAF cocok untuk pengolahan tingkat lanjut, cakram berputar biologis cocok untuk skenario-volume kecil, hemat-energi, dan fluidized bed biologis cocok untuk air limbah industri-konsentrasi tinggi atau skenario dengan ruang terbatas.

Ketika bahan pengemas dimasukkan ke dalam air limbah dan air limbah terus mengalir melaluinya, proses ini dimulai.

Langkah 1: Mikroorganisme Melewati dan Menetap

Air limbah mengandung sejumlah besar mikroorganisme. Saat mengalir melintasi permukaan bahan pengemas, ada yang tersangkut. Keterikatan awal ini bergantung pada interaksi elektrostatis dan gaya van der Waals.

Langkah 2: Dari Penyelesaian Sementara ke Penyelesaian-Jangka Panjang

Mikroorganisme yang terjebak mulai mengeluarkan zat lengket yang disebut zat polimer ekstraseluler (API). Zat ini bertindak seperti lem, mengikat mikroorganisme dengan kuat pada permukaan bahan pengemas, membentuk "kerangka arsitektur" biofilm.

Langkah 3: Menetap dan Menyebar Berkembang biak

Setelah menetap, mikroorganisme mulai tumbuh dan berkembang biak. Satu menjadi dua, dua menjadi empat… Segera, lapisan tipis lapisan mikroba menutupi permukaan bahan pengemas. Ini adalah biofilmnya.

Langkah 4: Pembentukan Komunitas yang Dewasa

Seiring waktu, biofilm menjadi lebih tebal, dan “penghuni” di dalamnya menjadi lebih beragam. Tidak hanya bakteri, jamur, protozoa, dan metazoa juga akan muncul. Diantaranya terbentuk rantai makanan: bakteri memakan polutan, protozoa memakan bakteri, dan metazoa memakan protozoa. Dengan demikian, ekosistem kecil yang lengkap terbentuk.

Proses ini secara profesional disebut pembentukan biofilm. Untuk air limbah perkotaan pada umumnya, pada suhu yang sesuai, pembentukan biofilm dapat diselesaikan dalam waktu sekitar 7 hingga 20 hari.

Meskipun biofilm hanya berupa membran tipis, struktur internalnya cukup berlapis. Tergantung pada kualitas air limbah dan kondisi pasokan oksigen, lapisan ini mungkin tidak selalu membentuk tiga lapisan yang lengkap; dalam beberapa skenario, hanya lapisan aerobik dan anaerobik yang dapat terbentuk.

Lapisan yang paling dekat dengan bahan pengemas adalah lapisan anaerobik. Lapisan ini terletak paling jauh dari air limbah, sehingga menyulitkan oksigen untuk berdifusi. Hal ini terutama dihuni oleh bakteri anaerob. Mereka tidak membutuhkan oksigen, memperoleh energi dengan menguraikan bahan organik kompleks, namun efisiensi penguraiannya relatif rendah.

Lapisan yang paling dekat dengan air limbah adalah lapisan aerobik. Lapisan ini memiliki oksigen yang relatif melimpah, dan dihuni oleh bakteri aerob, yang merupakan “kekuatan utama” dalam proses tersebut; degradasi bahan organik terutama terjadi di sini.

Jika air limbah memerlukan denitrifikasi, lapisan anoksik akan terbentuk di tengahnya, tempat bakteri fakultatif dapat melakukan denitrifikasi, mengubah nitrat menjadi gas nitrogen. Justru karena struktur berlapis inilah biofilm dapat menyelesaikan reaksi aerobik dan anaerobik secara bersamaan dalam satu lapisan-sesuatu yang sulit dicapai dalam proses lumpur aktif pertumbuhan tersuspensi.

Biofilm tidak tumbuh tanpa batas waktu. Ketika mencapai ketebalan tertentu, mereka akan terlepas dan diperbarui. Penyebab utamanya adalah lapisan anaerobik di dalamnya menjadi semakin tebal. Ketika lapisan anaerobik mencapai ketebalan tertentu, mikroorganisme di dekat permukaan pembawa, karena kekurangan bahan organik untuk nutrisi, memasuki fase respirasi endogen, sehingga melemahkan kemampuannya untuk menempel pada pembawa. Di bawah gaya geser aliran air eksternal, biofilm yang menua akan terlepas sedikit demi sedikit. Biofilm yang terlepas mengalir keluar bersama aliran air, dan mikroorganisme baru segera menempel pada tempat yang terlepas. Dengan cara ini, biofilm lama terlepas dan biofilm baru tumbuh, sehingga mempertahankan aktivitas biofilm tingkat tinggi.

Mekanisme ini menghasilkan laju produksi lumpur yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan proses lumpur aktif. Meskipun pembuangan lumpur secara berkala masih diperlukan, hal ini menghilangkan kebutuhan akan pengendalian yang sering dan tepat yang diperlukan dalam proses lumpur aktif, sehingga sangat menyederhanakan pengoperasian dan pengelolaan.

Pada lumpur aktif, mikroorganisme tersuspensi dalam cairan campuran, sedangkan pada biofilm, mikroorganisme diimobilisasi pada bahan pengemas. Mengenai ketahanan terhadap beban kejut, proses lumpur aktif umumnya kurang efektif, dengan fluktuasi kualitas dan kuantitas air yang mudah menyebabkan penurunan efisiensi pengolahan; proses biofilm jauh lebih kuat dan lebih kuat.

Dalam hal kemampuan beradaptasi terhadap-air limbah dengan konsentrasi rendah, mikroorganisme lumpur aktif rentan mengalami kekurangan pakan, sehingga mengakibatkan penurunan aktivitas; proses biofilm mempertahankan aktivitas tinggi bahkan dengan konsentrasi influen yang sangat rendah.

Mengenai penggemburan lumpur, proses lumpur aktif rentan terhadap penggemburan lumpur; proses biofilm tidak terjadi, karena mikroorganisme tidak dapat bergerak.

Dalam hal biomassa per satuan volume, proses lumpur aktif biasanya menghasilkan 2 hingga 4 gram per liter, sedangkan proses biofilm dapat mencapai 10 hingga 20 gram per liter, 3 hingga 5 kali lebih tinggi.

Dalam nitrifikasi dan denitrifikasi secara bersamaan, proses lumpur aktif memerlukan resirkulasi antar tangki yang berbeda; proses biofilm, karena strukturnya yang bertingkat, dapat mencapai hal ini dalam tangki yang sama.

Bagaimana cara memilih? Sederhananya: untuk air limbah kota yang stabil dalam volume besar, proses lumpur aktif adalah teknologi yang matang; untuk air limbah dengan fluktuasi volume dan kualitas yang besar, konsentrasi rendah, atau memerlukan denitrifikasi secara simultan, proses biofilm lebih menguntungkan.

Proses utama meliputi: oksidasi kontak biologis, MBBR, filter biologis aerasi (BAF), cakram berputar biologis, unggun terfluidisasi biologis, dan filter biologis tradisional (biasa,-beban tinggi, tipe menara). Meskipun proses ini berbeda bentuknya, prinsip intinya sama-memungkinkan mikroorganisme menempel pada pembawa untuk membentuk biofilm, menggunakan membran ini untuk memurnikan air limbah.

Perbedaan utamanya ada dua: pertama, jenis "rumah"-cakram tetap, bahan pengemas yang mengisi tangki, partikel keramik kecil yang ditumpuk ke dalam lapisan filter, lembaran plastik kecil yang berjatuhan, atau mikropartikel terfluidisasi; kedua, bagaimana oksigen disuplai-ventilasi alami, putaran cakram, atau aerasi buatan.

Proses biofilm melibatkan pembangunan habitat bagi mikroorganisme, memungkinkan mereka menetap dan membantu mengolah air limbah.

Setelah mikroorganisme berpindah ke "rumahnya", mereka mengeluarkan zat lengket untuk berlabuh, tumbuh, dan berkembang biak, membentuk biofilm terstruktur-lapisan aerobik bagian luar yang bertanggung jawab untuk menguraikan bahan organik, dan lapisan anaerobik bagian dalam yang bertanggung jawab untuk penguraian lebih lanjut (lapisan anoksik dapat terbentuk di antaranya, bergantung pada kualitas air). Air limbah mengalir melaluinya, dan polutan secara bertahap diserap oleh setiap lapisan. Ketika biofilm tumbuh hingga ketebalan tertentu, lapisan lama terlepas, dan lapisan baru terus bertambah. Tidak perlu khawatir tentang penumpukan lumpur atau penyesuaian pembuangan lumpur secara berkala, sehingga pengoperasian dan pengelolaan menjadi lebih mudah!