Memahami Lumpur Aktif (II) – Cara Menjaga Mikroorganisme Tetap 'Reproduksi'!

Kata Pengantar: Dokumen sebelumnya membahas asal usul dan struktur komunitas mikroba lumpur aktif. Dokumen ini berfokus pada "bagaimana menjaga reproduksi mikroorganisme". Kita semua tahu bahwa ketika lingkungan cocok untuk reproduksi, organisme (tumbuhan, hewan, dan mikroorganisme) secara alami memasuki kondisi reproduksi; ketika lingkungan memburuk, organisme berhenti bereproduksi. Jika kita menggunakan “hasrat reproduksi” manusia sebagai analogi, generasi muda saat ini menghadapi tiga tantangan besar: pendidikan, layanan kesehatan, dan perumahan. Ketiga aspek ini sangat mempengaruhi keinginan mereka untuk memiliki anak. Tentu saja, mikroorganisme tidak memiliki banyak kebutuhan, mereka juga tidak memerlukan mobil atau rumah. Selama lingkungan perairan memenuhi persyaratan suhu, oksigen terlarut, pH, dan nutrisi, mereka dapat tumbuh dengan cepat!

Mikroorganisme memiliki kurva pertumbuhannya sendiri, dan proses pertumbuhannya berubah seiring dengan tersedianya unsur hara. Dalam lingkungan tertentu, tidak terpengaruh oleh faktor eksternal, kurva pertumbuhan mikroorganisme sesuai dengan diagram di bawah ini. Proses pertumbuhan meliputi empat tahap: adaptasi (tahap penyesuaian), tahap pertumbuhan logaritmik, tahap perlambatan pertumbuhan, dan respirasi endogen. Ketika mikroorganisme memasuki lingkungan baru, terdapat masa adaptasi dimana jumlahnya relatif stabil.

Kurva Pertumbuhan Lumpur (yaitu Kurva Pertumbuhan Mikroba)

Konsentrasi mikroorganisme memiliki nilai awal, yang mewakili jumlah lumpur yang ditambahkan selama permulaan awal tangki pengolahan biologis. Seiring waktu, konsentrasi lumpur meningkat secara bertahap. Umumnya konsentrasi lumpur dalam tangki pengolahan biologis aerobik dapat dipertahankan antara 3000-5000 mg/L. Konsentrasi lumpur bergantung pada konsentrasi BOD influen; semakin tinggi konsentrasi BOD maka semakin tinggi konsentrasi lumpur yang dapat dipertahankan.

Dalam pengoperasian tangki pengolahan biologis yang sebenarnya, konsentrasi lumpur dipertahankan antara fase pertumbuhan perlambatan dan fase respirasi endogen. Dapat dilihat bahwa konsentrasi lumpur bervariasi tergantung pada mode pengoperasian tangki pengolahan biologis.

Dalam aerasi biasa, juga dikenal sebagai aerasi aliran sumbat, polutan berkurang secara bertahap selama proses penggerak, dan pertumbuhan lumpur dikendalikan selama fase pertumbuhan perlambatan. Mungkin ada yang bertanya, bagaimana cara mengendalikannya? Hal ini dicapai melalui resirkulasi lumpur dan tindakan pembuangan lumpur!

Pencampuran sempurna berarti seluruh bagian tangki pengolahan biologis beroperasi pada kondisi yang sama (misalnya konsentrasi polutan, pH, oksigen terlarut, dll.). Proses pengolahan biologis yang dioperasikan secara intermiten (seperti proses SBR yang disebutkan sebelumnya) umumnya dapat mencapai hal ini dengan baik, dan keadaan lumpur dikendalikan selama fase perlambatan pertumbuhan.

Aerasi yang diperluas (SRT) menggunakan laju pembebanan volumetrik yang sangat rendah dalam desainnya, sehingga menghasilkan konsentrasi lumpur yang relatif rendah di tangki pengolahan biologis. Proses ini beroperasi pada fase respirasi endogen pada kurva pertumbuhan, memerlukan laju pembebanan organik yang rendah dan waktu aerasi yang lama, biasanya 20-30 hari untuk SRT dan 24 jam untuk HRT. Proses ini umumnya tidak menggunakan tangki sedimentasi primer.

Kurva Konsentrasi Oksigen Terlarut

Tanpa suplementasi oksigen terlarut dari luar, oksigen terlarut dalam air secara bertahap berkurang seperti yang ditunjukkan pada gambar. Tentu saja, oksigen terlarut harus ditambahkan ke dalam tangki pengolahan biologis untuk mempertahankan nilai yang relatif konstan.

Kurva Konsentrasi Polutan

BOD, sampai batas tertentu, dapat menyatakan konsentrasi polutan di dalam air (seperti disebutkan sebelumnya, nilai COD paling baik digunakan dalam desain volume tangki). Seiring waktu, konsentrasi polutan menurun hingga tingkat yang dapat dibuang.

Pada suhu yang sesuai, oksigen dan nutrisi terlarut yang cukup, dan tidak adanya zat penghambat, faktor penentu yang mengendalikan pertumbuhan lumpur aktif adalah rasio F/M antara jumlah makanan (bahan organik dalam air limbah, disebut juga substrat) dan jumlah mikroorganisme (lumpur aktif), yang juga dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti laju degradasi substrat organik, laju pemanfaatan oksigen, serta sifat flokulasi dan adsorpsi lumpur aktif.

Tahap Adaptasi (Adjustment Stage): Disebut juga tahap penyesuaian, ini merupakan tahap awal budidaya lumpur aktif. Mikroorganisme tidak berkembang biak, namun perubahan kualitatif mulai terjadi. Tahap ini sesuai dengan bagian horizontal awal dari kurva pertumbuhan dalam diagram dan umumnya berdurasi singkat. Pada tahap akhir adaptasi, sistem enzim mikroba secara bertahap beradaptasi dengan lingkungan baru, perkembangan individu telah mencapai tingkat tertentu, sel mulai membelah, dan mikroorganisme mulai berkembang biak.

Tahap Pertumbuhan Logaritmik: Laju pertumbuhan lumpur aktif meningkat, rasio F/M relatif besar, substrat organik melimpah, dan aktivitas lumpur aktif tinggi. Mikroorganisme secara bersamaan menyerap substrat organik dengan kecepatan tertinggi dan mensintesis sel dengan kecepatan tertinggi, sehingga mencapai proliferasi. Pada tahap ini, lumpur aktif mempunyai kapasitas yang tinggi untuk menghilangkan bahan organik, dan pertumbuhan lumpur tidak dibatasi oleh kondisi nutrisi tetapi hanya oleh konsentrasi mikroba. Namun, lumpur memiliki sifat flokulasi yang buruk, sulit mengendap, dan efisiensi pengolahannya buruk.

Tahap Pertumbuhan Melambat: Laju pertumbuhan lumpur aktif menurun, rasio F/M terus menurun, dan laju pertumbuhan dibatasi oleh unsur hara organik. Ini adalah tahap operasi khas dari proses lumpur aktif. Pada tahap ini, sebagian besar bahan organik dalam air limbah dapat dihilangkan, dan lumpur memiliki sifat flokulasi dan pengendapan yang baik.

Tahap Metabolisme Endogen: Sebagian besar nutrisi habis. Karena tidak dapat memperoleh nutrisi yang cukup, lumpur aktif mulai menggunakan penyimpanan internalnya, yaitu berada dalam tahap-oksidasi mandiri. Pada tahap ini, lumpur memiliki tingkat anorganikisasi yang tinggi dan sifat pengendapan yang baik, tetapi flokulasinya buruk, dan lumpur secara bertahap berkurang. Namun, karena sisa respirasi endogen sebagian besar sulit-untuk-menguraikan dinding sel dan sitoplasma, lumpur aktif tidak dapat hilang sepenuhnya.

Banyak faktor yang dapat mempengaruhi pertumbuhan mikroba, termasuk nutrisi, suhu, pH, oksigen terlarut, dan zat beracun. Tentu saja, jenis mikroorganisme yang berbeda memiliki rentang toleransi yang berbeda terhadap faktor-faktor ini. Jenis mikroorganisme umum dalam lumpur aktif mencakup bakteri aerob (kategori luas, mencakup banyak subkategori seperti bakteri nitrifikasi), bakteri hidrolitik, bakteri fermentasi, bakteri hidrogen, bakteri asam asetat, metanogen, bakteri pereduksi sulfat, dan protozoa anaerobik. Oleh karena itu, selama faktor-faktor ini dijaga dalam kisaran normal, pertumbuhan mikroba yang cepat dapat dicapai.

Nutrisi
Selama aktivitas kehidupan mikroorganisme, mereka perlu terus menerus menyerap nutrisi penting dari badan air di sekitarnya, termasuk: sumber karbon, sumber nitrogen, garam anorganik, dan faktor pertumbuhan tertentu. Air limbah yang akan diolah harus mengandung zat-zat tersebut dalam jumlah yang cukup.

Karbon adalah komponen struktural penting sel mikroba. Mikroorganisme yang terlibat dalam pengolahan lumpur aktif memiliki kebutuhan sumber karbon yang relatif tinggi, umumnya tidak kurang dari 100 mg/L (dihitung sebagai BOD5).

Nitrogen merupakan unsur penting dalam komposisi protein dan asam nukleat dalam sel mikroba. Sumber nitrogen dapat berasal dari senyawa nitrogen anorganik seperti N2, NH3, dan NO3, serta nitrogen organik-yang mengandung senyawa seperti protein dan asam amino.

Fosfor merupakan elemen penting untuk sintesis nukleoprotein, lesitin, dan senyawa fosfor lainnya, memainkan peran penting dalam metabolisme mikroba dan transformasi material. Koenzim I, koenzim II, dan adenosin monofosfat (ATP) semuanya mengandung fosfor. Mikroorganisme memperoleh fosfor terutama dari senyawa fosfor anorganik. Sumber fosfor yang tidak mencukupi akan mempengaruhi aktivitas enzim sehingga berdampak pada fungsi fisiologis mikroorganisme.

Umumnya perbandingan tiga unsur hara utama (karbon, nitrogen, dan fosfor) adalah BOD:N:P=100:5:1. Selain itu, unsur jejak seperti belerang, natrium, kalium, kalsium, magnesium, dan zat besi juga berperan penting dalam proses pertumbuhan mikroorganisme.

Oksigen terlarut

Spesies mikroba yang terlibat dalam pengolahan air limbah dibagi menjadi spesies aerobik dan anaerobik, dan tangki pengoperasiannya meliputi tangki aerobik, tangki anoksik, tangki hidrolisis, dan tangki anaerobik. Berdasarkan pengalaman operasional, konsentrasi oksigen terlarut dalam tangki aerobik harus dijaga antara 2-4 mg/L. Dalam tangki hidrolisis dan anoksik, yang merupakan lingkungan anaerobik fakultatif, konsentrasi oksigen terlarut tertentu diperbolehkan, umumnya antara 0,2-0,5 mg/L. Tangki anaerobik adalah lingkungan yang sangat anaerobik; untuk memastikan proses hidrolisis dan fermentasi, keberadaan oksigen terlarut tidak diperbolehkan.

Oksigen terlarut sangat penting untuk pengoperasian instalasi pengolahan air limbah. Jika oksigen terlarut dalam tangki aerobik terlalu rendah, pertumbuhan bakteri nitrifikasi dan bakteri aerobik lainnya akan terhambat, sementara bakteri berfilamen akan berkembang biak dengan cepat sehingga menyebabkan penggumpalan lumpur.

nilai pH: Aktivitas fisiologis mikroorganisme berkaitan erat dengan pH lingkungan. Mikroorganisme hanya dapat melakukan aktivitas fisiologis normal pada kondisi pH yang sesuai. Kisaran pH optimal untuk mikroorganisme yang terlibat dalam pengolahan air limbah biologis umumnya antara 6,5 ​​dan 8,5. Kelompok bakteri yang berbeda memiliki rentang toleransi yang berbeda pula; bakteri pengasam hidrolitik memiliki kisaran pH antara 5,5 dan 7,5, sedangkan bakteri aerob memiliki kisaran pH antara 6,5 ​​dan 8,5.

Suhu
Suhu sangat penting untuk pertumbuhan mikroba. Sebagian besar mikroorganisme yang terlibat dalam pengolahan lumpur aktif bersifat termofilik, dengan kisaran suhu optimal 10-45 derajat. Untuk memastikan pengoperasian yang benar, suhu air di tangki pengolahan biologis umumnya dijaga antara 15-35 derajat; pertumbuhan mikroba melambat di bawah 5 derajat. Selain itu, bakteri anaerob memiliki toleransi suhu yang jauh lebih tinggi dibandingkan bakteri aerob, sehingga sebagian besar tangki anaerobik dilengkapi dengan alat insulasi dan pemanas.

Zat Beracun
Yang dimaksud dengan "zat beracun" adalah zat anorganik dan organik tertentu yang menghambat aktivitas fisiologis mikroorganisme. Ini terutama mencakup ion logam berat (seperti seng, tembaga, nikel, timbal, kromium, dll.) dan beberapa senyawa non-logam (seperti fenol, aldehida, sianida, sulfida, dll.). Efek racun dari zat beracun pada mikroorganisme bersifat kuantitatif; toksisitas dan penghambatan hanya terlihat ketika zat beracun mencapai konsentrasi tertentu di lingkungan. Selama konsentrasi berbagai zat beracun dalam air limbah berada di bawah tingkat ini, fungsi fisiologis mikroorganisme tidak terpengaruh.

Penghapusan mikroba dan degradasi polutan terutama bergantung pada dua proses: adsorpsi dan metabolisme (asimilasi dan disimilasi).

Proses Adsorpsi: Dalam waktu singkat setelah air limbah bersentuhan dan bercampur dengan lumpur aktif, polutan organik di dalam air menunjukkan tingkat penghilangan yang tinggi. Fenomena penghilangan berkecepatan tinggi-awal ini adalah hasil kombinasi adsorpsi fisik dan biologis. Selama proses ini, substrat organik dalam cairan campuran berkurang dengan cepat. Hal ini karena lumpur aktif memiliki luas permukaan yang besar dan diperkaya dengan sejumlah besar mikroorganisme pada permukaannya, ditutupi oleh lapisan kental yang kaya polisakarida. Ketika substrat organik tersuspensi dan koloidal dalam air limbah bersentuhan dengan flok lumpur aktif, substrat tersebut dengan cepat menggumpal dan teradsorpsi, sebuah fenomena yang dikenal sebagai "adsorpsi awal".

Proses adsorpsi awal berlangsung sangat cepat, umumnya selesai dalam waktu 30 menit. Laju penghilangan adsorpsi BOD air limbah dapat mencapai 70%, dan untuk air limbah yang mengandung bahan organik tersuspensi dan koloidal dalam jumlah besar, BOD dapat menurun sebesar 80%–90%. Laju adsorpsi awal terutama bergantung pada aktivitas mikroorganisme dan derajat difusi hidrolik serta dinamika hidrolik di dalam reaktor. Yang pertama menentukan efisiensi adsorpsi dan flokulasi mikroorganisme lumpur aktif, sedangkan yang kedua menentukan tingkat kontak antara flok lumpur aktif dan substrat organik.

Proses Metabolik: Polutan organik yang teradsorpsi pada permukaan sel mikroba lumpur aktif dimetabolisme. Bahan organik molekul kecil dan terlarut-secara langsung menembus dinding sel ke dalam sel di bawah aksi enzim permeabilisasi, di mana ia mengalami metabolisme. Bahan organik molekul besar yang bersifat koloid dan tersuspensi, seperti pati dan protein, pertama-tama dihidrolisis menjadi molekul kecil terlarut oleh enzim ekstraseluler-hidrolase-sebelum memasuki sel. Begitu berada di dalam sel, polutan organik secara bertahap teroksidasi dan terurai menjadi produk anorganik yang stabil, seperti CO2 dan H2O, melalui katalisis berbagai enzim intraseluler, sehingga melepaskan energi untuk sintesis sel. Dalam proses ini, bahan organik diubah menjadi zat anorganik sederhana dan stabil melalui reaksi biokimia, sehingga menghasilkan penghilangan polutan.