Dalam pengoperasian pengolahan air limbah sehari-hari, ada dua istilah yang sering terdengar: nitrifikasi dan denitrifikasi. Banyak orang yang baru mengenal pengolahan air limbah cenderung bingung dengan kedua konsep ini. Meskipun namanya mirip, keduanya memiliki karakter "硝", mereka sebenarnya memainkan peran yang sangat berbeda dalam pengolahan air limbah.
Secara sederhana, nitrifikasi bertanggung jawab untuk mengubah nitrogen amonia menjadi nitrat, sedangkan denitrifikasi bertanggung jawab untuk mengubah nitrat menjadi gas nitrogen. Salah satunya adalah proses oksidasi, dan yang lainnya adalah proses reduksi. Kedua proses ini seperti perlombaan lari estafet, dan hanya jika keduanya diselesaikan secara terkoordinasi barulah nitrogen dalam limbah dapat benar-benar dihilangkan.
Setelah poin ini dipahami, logika di balik berbagai proses penghilangan nitrogen, seperti A/O, AAO, dan saluran oksidasi, menjadi lebih jelas.
I. Nitrifikasi: mengubah nitrogen amonia menjadi nitrat
Dalam limbah domestik dan banyak air limbah industri, nitrogen terutama terdapat dalam bentuk nitrogen amonia. Jika nitrogen amonia langsung dibuang ke badan air, hal ini dapat dengan mudah menyebabkan eutrofikasi dan juga memberikan efek toksik pada organisme akuatik seperti ikan. Oleh karena itu, instalasi pengolahan air limbah perlu mengubah nitrogen amonia terlebih dahulu.
Proses transformasi ini dikenal sebagai nitrifikasi.
Nitrifikasi sebenarnya merupakan proses oksidasi yang dilakukan oleh mikroorganisme, yang secara garis besar dapat dibagi menjadi dua tahap:
Langkah pertama adalah oksidasi nitrogen amonia menjadi nitrit
Langkah 2: Nitrit selanjutnya dioksidasi menjadi nitrat
Seluruh proses memerlukan oksigen yang cukup, sehingga nitrifikasi biasanya terjadi di lingkungan aerobik, seperti tangki aerasi atau tangki biokimia MBR.
Mikroorganisme yang terlibat dalam proses ini dikenal sebagai bakteri nitrifikasi. Mereka berbeda dari bakteri heterotrofik biasa karena mereka termasuk dalam kategori autotrofik, yang terutama memperoleh energi dari zat anorganik. Laju pertumbuhannya relatif lambat dan sensitif terhadap perubahan lingkungan.
Hal ini juga yang menyebabkan banyak instalasi pengolahan air limbah cenderung mengalami penurunan kapasitas nitrifikasi selama musim dingin.
II. Denitrifikasi: mengubah nitrat menjadi gas nitrogen
Meskipun nitrifikasi telah memecahkan masalah nitrogen amonia, nitrogen dalam air belum benar-benar hilang pada saat ini; ia hanya bertransformasi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Untuk benar-benar "menghilangkan" nitrogen dari air limbah, langkah kedua - denitrifikasi - perlu diselesaikan.
Denitrifikasi adalah proses reduksi. Dalam lingkungan anaerobik, mikroorganisme memanfaatkan oksigen dalam nitrat, secara bertahap mereduksinya menjadi gas nitrogen. Jalur reaksinya kira-kira sebagai berikut:
Nitrat → Nitrit → Nitrous Oksida → Nitrous Oksida → Nitrogen
Gas nitrogen (N₂)* yang akhirnya dihasilkan akan dilepaskan ke udara dalam bentuk gas, sehingga nitrogen dalam limbah benar-benar hilang. Mikroorganisme yang menyelesaikan proses ini disebut bakteri denitrifikasi. Berbeda dengan bakteri nitrifikasi, mereka termasuk bakteri heterotrofik dan membutuhkan karbon organik sebagai sumber energi.
Hal ini juga yang menyebabkan banyak instalasi pengolahan air limbah perlu menambahkan sumber karbon selama penghilangan nitrogen.
AKU AKU AKU. Beberapa perbedaan utama antara nitrifikasi dan denitrifikasi
Jika kita melihat kedua proses ini bersama-sama, kita akan menemukan bahwa keduanya bertentangan secara diametral dalam banyak aspek.
1. Kondisi oksigen berbeda
Nitrifikasi harus terjadi dalam lingkungan aerobik, biasanya memerlukan kadar oksigen terlarut dipertahankan sekitar 2 mg/L.
Denitrifikasi memerlukan lingkungan anaerobik dengan oksigen terlarut dijaga di bawah 0,5 mg/L. Jika oksigen terlalu banyak, bakteri denitrifikasi akan lebih memilih memanfaatkan oksigen daripada nitrat.
Sederhananya, nitrifikasi tumbuh subur dalam oksigen, sedangkan denitrifikasi dihambat oleh oksigen.
2. Berbagai jenis mikroorganisme
Nitrifikasi terutama dilakukan oleh bakteri nitrifikasi, termasuk nitrosomonas dan nitrobacter
Bakteri ini termasuk bakteri autotrof yang pertumbuhannya lambat dan membutuhkan umur lumpur yang lebih lama.
Denitrifikasi dilakukan oleh bakteri denitrifikasi yang termasuk dalam kategori bakteri heterotrofik dan memiliki laju pertumbuhan yang relatif lebih cepat.
3. Persyaratan sumber karbon yang berbeda
Bakteri nitrifikasi terutama memanfaatkan zat anorganik untuk energi dan umumnya tidak bergantung pada sumber karbon organik.
Bakteri denitrifikasi membutuhkan karbon organik sebagai donor elektron. Oleh karena itu, ketika bahan organik yang tersedia dalam air limbah tidak mencukupi, seringkali perlu menambahkan sumber karbon eksternal seperti natrium asetat, metanol, dan glukosa.
Dalam pengoperasian banyak pabrik air limbah, sumber karbon yang tidak mencukupi seringkali merupakan faktor penting yang mempengaruhi efisiensi penghilangan nitrogen.
4. Lokasi kejadiannya berbeda-beda
Dalam proses penghilangan nitrogen pada umumnya, keduanya biasanya diatur dalam zona reaksi yang berbeda.
Misalnya, dalam proses A/O atau AAO:
Tangki anoksik - Denitrifikasi Tangki aerobik - Nitrifikasi
Nitrat yang dihasilkan melalui nitrifikasi kembali ke zona anoksik melalui resirkulasi internal, yang selanjutnya diubah oleh bakteri denitrifikasi.
5. Hasil akhir yang berbeda
Hasil nitrifikasi adalah penurunan nitrogen amonia dan peningkatan nitrat
Hasil denitrifikasi adalah: reduksi nitrat dan produksi gas nitrogen
Dengan kata lain, nitrogen hanya dapat keluar dari badan air setelah denitrifikasi selesai.
IV. mereka sebenarnya adalah perlombaan estafet
Dari perspektif holistik, nitrifikasi dan denitrifikasi bukanlah dua proses yang independen, melainkan dua langkah berturut-turut dalam penghilangan nitrogen secara biologis.
Seluruh proses konversi nitrogen dapat secara sederhana dipahami sebagai:
Nitrogen amoniak → Nitrogen nitrit → Nitrogen nitrat → Nitrogen nitrit → Gas nitrogen
Nitrifikasi bertanggung jawab untuk mengubah nitrogen amonia menjadi nitrat, sedangkan denitrifikasi bertanggung jawab untuk mereduksi nitrat kembali menjadi gas nitrogen.
Keduanya terhubung seperti lari estafet.
Jika yang terjadi hanya nitrifikasi dan tidak ada denitrifikasi, maka nitrat yang ada di dalam air akan tetap menyebabkan eutrofikasi.
Jika tidak terjadi nitrifikasi, maka akan terjadi kekurangan “bahan baku” untuk denitrifikasi.
Ini juga alasan mengapa sebagian besar proses penghilangan nitrogen menggabungkan zona aerobik dan anoksik.
V.Kesimpulan
Dalam bidang pengolahan air limbah, banyak konsep yang tampak serupa, namun logika dasarnya berbeda.
Nitrifikasi dan denitrifikasi adalah pasangan yang khas.
Yang satu terjadi di lingkungan aerobik, sedangkan yang lainnya terjadi di lingkungan anaerobik;
Yang satu bertanggung jawab untuk mengoksidasi nitrogen amonia, dan yang lainnya bertanggung jawab untuk mereduksi nitrat;
Hanya ketika keduanya digabungkan, proses penghilangan nitrogen biologis secara lengkap dapat terbentuk.
Setelah memahami hal ini, ketika kita melihat berbagai proses penghilangan nitrogen, seperti A/O, AAO, dan saluran oksidasi, kita dapat melihat bahwa semuanya dioptimalkan dan digabungkan berdasarkan dua langkah ini.
Banyak proses kompleks dalam pengolahan limbah, pada analisis akhir, sebenarnya menciptakan “lingkungan kerja” yang cocok untuk mikroorganisme ini.