Analisis Komprehensif Proses Transformasi Biologis Nitrogen dalam Limbah

Di bidang pengolahan air limbah, transformasi biologis nitrogen adalah proses inti untuk mencapai penghilangan nitrogen dan fosfor serta memenuhi standar emisi. Proses ini tidak melibatkan reaksi tunggal, melainkan penyelesaian terkoordinasi dari tiga langkah utama: amonifikasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi. Bersama-sama, langkah-langkah ini secara bertahap mengubah nitrogen organik kompleks dan nitrogen anorganik dalam air limbah menjadi gas nitrogen yang tidak berbahaya, sehingga secara mendasar mengurangi kandungan nitrogen di badan air.

Perkenalan
Nitrogen dalam limbah terutama ada dalam bentuk nitrogen organik (seperti protein dan urea) dan nitrogen amonia. Pembuangan langsung dapat menyebabkan masalah lingkungan seperti eutrofikasi badan air. Metode pengolahan biologis, dengan keunggulan efisiensi tinggi dan ekonomis, telah menjadi teknologi utama untuk menghilangkan nitrogen dari limbah. Prinsip intinya adalah memanfaatkan aktivitas metabolisme berbagai mikroorganisme dalam kondisi lingkungan tertentu untuk mengubah unsur nitrogen secara bertahap, yang pada akhirnya mencapai pembuangan gas dari badan air ke atmosfer. Berikut ini secara sistematis akan membedah mekanisme inti dari proses tersebut.

Amonifikasi adalah langkah pertama dalam penghilangan nitrogen dari air limbah, mengacu pada konversi senyawa nitrogen organik menjadi senyawa nitrogen organik
Proses ini terutama difasilitasi oleh bakteri amonifikasi. Bergantung pada kandungan oksigen di lingkungan, transformasi dapat dikategorikan menjadi dua jalur: transformasi aerobik dan transformasi anaerobik
1. Transformasi aerobik
Dalam kondisi aerobik, mikroorganisme seperti Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus, dan Proteus vulgaris fakultatif berpartisipasi dalam reaksi, terutama mendegradasi nitrogen organik melalui dua mekanisme utama:
• Deaminasi oksidatif: Melalui katalisis oksidase, asam amino secara bertahap kehilangan gugus aminonya untuk menghasilkan asam keto dan amonia.
Mengambil alanin sebagai contoh:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(Alanin → Asam iminopropionat → Asam piruvat + Amonia)
• Hidrolisis amonia: Melalui aksi enzim hidrolitik, nitrogen-yang mengandung senyawa organik seperti urea dihidrolisis untuk menghasilkan amonia.
Reaksi hidrolisis urea:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakteri yang terlibat dalam proses ini termasuk bakteri aerob seperti Enterococcus faecalis dan Bacillus urea.

2. Konversi anaerobik
Dalam lingkungan anaerobik atau kekurangan oksigen, mikroorganisme anaerobik dan anaerobik fakultatif menyelesaikan amonifikasi melalui tiga jalur:
• Reduksi dan deaminasi:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Penghilangan amonia-berbasis air:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidrasi dan deaminasi:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

Nitrifikasi adalah reaksi inti kedua yang mengoksidasi NH3−N menjadi NOx−N, yang diselesaikan secara sinergis oleh bakteri nitrit dan bakteri nitrat, dan dibagi menjadi dua tahap: nitritasi dan nitrifikasi
1. Mekanisme reaksi
• Reaksi nitritasi (didominasi oleh bakteri nitrit):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reaksi nitrifikasi (didominasi oleh nitrobakteri):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Rumus reaksi keseluruhan:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. Karakteristik proses utama
• Kebutuhan oksigen yang tinggi: Konsumsi teoritis sebesar 4,2 g per penghilangan 1 g, oleh karena itu reaksi nitrifikasi perlu dilakukan dalam kondisi aerasi yang memadai.
• Tingkat pertumbuhan yang rendah: Bakteri nitrifikasi mempunyai hasil sel yang sangat rendah, dan mereka lebih rentan terhadap aktivitas yang tidak mencukupi selama bulan-bulan musim dingin. Oleh karena itu, konsentrasi lumpur yang tinggi perlu dipertahankan untuk memastikan efisiensi pengolahan.
• Konsumsi alkalinitas: Reaksi menghasilkan H dalam jumlah besar+. Secara teoritis, 7,54 g alkalinitas (dihitung sebagai CaCO3) dikonsumsi untuk setiap 1 g oksidasi. Kestabilan pH sistem perlu dijaga dengan menambahkan zat basa.

Denitrifikasi adalah langkah terakhir dalam penghilangan nitrogen dari air limbah. Ini mengacu pada proses di mana bakteri denitrifikasi mereduksi NOx−N dan oksida nitrogen lainnya menjadi gas nitrogen atau gas nitrogen oksida sebagai akseptor elektron dalam kondisi anaerobik atau kekurangan oksigen (DO < 0,3~0,5mg/L).
1. Mekanisme reaksi
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Reaksi reduksi lengkap (mengambil senyawa organik sebagai donor elektron sebagai contoh):
NO3−+5[H] (donor elektron) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donor elektron) → 0,5N2 + H2O + OH−

2. Persyaratan sumber karbon dan karakteristik mikroba

• Konsumsi sumber karbon: Secara teoritis, 2,86g sumber karbon diperlukan untuk mengubah 1g nitrogen nitrat menjadi N2, dan 1,71g bahan organik diperlukan untuk mengubah 1g nitrogen nitrit.
• Keanekaragaman donor elektron: [H] dapat disediakan oleh senyawa organik, sulfida, dll., sehingga menawarkan berbagai pilihan sumber karbon untuk optimalisasi proses.
• Karakteristik mikroba: Bakteri denitrifikasi sebagian besar merupakan bakteri fakultatif, yang melakukan respirasi menggunakan O2 sebagai akseptor elektron terminal ketika ada oksigen, dan menggunakan NOx−N untuk respirasi ketika tidak ada oksigen. Karakteristik ini merupakan landasan inti dari proses denitrifikasi anoksik.
 

Ringkasan
Transformasi biologis nitrogen dalam limbah merupakan proses berantai yang saling berhubungan:
Amonifikasi memecah molekul nitrogen organik, melepaskan nitrogen amonia;
Nitrifikasi melibatkan oksidasi bertahap nitrogen amoniak menjadi nitrogen nitrat dalam lingkungan aerobik;
Denitrifikasi mereduksi nitrogen nitrat menjadi gas nitrogen di lingkungan anoksik, yang pada akhirnya mencapai penghilangan nitrogen dari badan air ke atmosfer.
Pengoperasian yang efisien dari proses ini bergantung pada kontrol yang tepat terhadap parameter-parameter utama seperti kandungan oksigen, alkalinitas, sumber karbon, dan suhu, dan berfungsi sebagai dukungan teknis inti untuk mencapai penghilangan nitrogen yang stabil di pabrik air limbah perkotaan modern dan pengolahan air limbah industri.