Baca artikel ini untuk mempelajari tentang pengolahan sekunder air limbah.
Pengolahan sekunder juga dikenal sebagai pengolahan biologis. Ia mampu meredam zat organik terlarut dan / atau tersuspensi yang dapat terurai secara hayati. Dengan pengolahan sekunder juga memungkinkan untuk menghilangkan senyawa nitrogen dan fosfor terlarut dari aliran air limbah.
Zat organik yang mengalami degradasi di hadapan mikro-organisme (mikroba, yang ada di mana-mana) disebut sebagai zat yang dapat terurai secara hayati. Mikro-organisme menghasilkan enzim (zat protein kompleks) yang bertindak sebagai katalis untuk proses biodegradasi. Proses ini terjadi melalui serangkaian reaksi, yang disebut sebagai jalur biokimia.
Reaksi dapat terjadi dengan adanya oksigen terlarut. Ini disebut sebagai reaksi aerobik (proses). Beberapa reaksi terjadi tanpa oksigen sama sekali. Itu disebut proses anaerobik / obligat anaerobik. Reaksi yang terjadi dalam kondisi aerobik akan berbeda dengan reaksi dalam kondisi anaerobik.
Ada beberapa mikroba yang mampu melakukan reaksi biologis baik dalam kondisi aerobik maupun anaerobik. Mikroba ini disebut sebagai mikroba fakultatif dan prosesnya disebut sebagai mikroba fakultatif.
Untuk pengolahan biologis air limbah yang mengandung zat organik (terlarut dan/atau tersuspensi), sejumlah mikroba digunakan dan kondisi yang dipertahankan dapat bersifat aerobik atau anaerobik. Untuk pemahaman yang lebih baik tentang proses ini, perlu untuk mengenal karakteristik dasar dari berbagai jenis mikroba, yang dibahas secara singkat di bawah ini.
Dasar Mikroba:
Sebelum penemuan mikroskop, makhluk hidup diklasifikasikan menjadi dua kelompok, yaitu tumbuhan dan hewan. Tumbuhan tidak bergerak, sedangkan hewan bergerak. Setelah penemuan mikroskop, mikroba/mikroorganisme menjadi terlihat. Mereka memiliki ciri dasar makhluk hidup, yaitu mampu memperbanyak diri, tetapi secara struktural mereka berbeda dengan tumbuhan makro dan hewan. Makhluk hidup mikroskopis disebut sebagai protista.
Protista memiliki struktur yang relatif sederhana. Mereka mungkin uniseluler atau multiseluler. Bahkan pada sel multiseluler, sel-selnya tidak berbeda secara internal dan tidak tersusun sebagai jaringan. Tumbuhan makro dan hewan memiliki jaringan, yang melakukan fungsi berbeda. Klasifikasi protista diberikan pada Tabel 9.3.
Gambar 9.19A dan 9.19B menunjukkan struktur tipikal sel prokariota dan eukariota.
Selain protista ada beberapa partikel sub-mikroskopik yang dikenal sebagai virus. Ini hanya terlihat di bawah mikroskop elektron. Ukurannya berkisar antara 0,02-0,08 pm. Pada dasarnya mereka adalah DNA atau RNA yang dikelilingi oleh cangkang protein. Mereka tidak mampu bereproduksi sendiri. Mereka menginfeksi sel inang dan menginduksi mereka untuk menggandakan diri dan dengan demikian menghasilkan lebih banyak virus.
Prokariota:
Prokariota adalah uniseluler dan biasanya berdiameter lebih kecil dari 5 μm. Mereka memiliki struktur yang sangat sederhana dan dibatasi oleh membran. Kebanyakan dari mereka memiliki dinding sel yang kaku. Di dalam sel terdapat nukleus dan sitoplasma. Nukleus tidak dipisahkan dari sitoplasma oleh membran. Enzim yang mengambil bagian dalam respirasi dan reaksi fotosintesis terletak di membran sel atau lipatannya. Prokariota bukanlah fagotropik, yaitu mereka tidak dapat mengonsumsi makanan.
Mereka mengeluarkan enzim hidrolitik ekstraseluler, yang menghidrolisis partikel organik tersuspensi dan melarutkan molekul organik besar menjadi yang lebih kecil. Mereka menghidrolisis molekul yang lebih kecil kemudian memasuki sel dengan berbagai mekanisme. Prokariota biasanya bergerak dengan bantuan flagela, yaitu fibril heliks yang menonjol melalui membran sel. Pada dasarnya, ada dua kelompok prokariota, yaitu bakteri dan alga biru-hijau.
Bakteri:
Bakteri bersifat uniseluler. Ukurannya berkisar antara 0,2 hingga 2 µm. Mereka diklasifikasikan menjadi tiga kelompok: myxobacteria, spirochetes dan eubacteria. Tergantung pada bentuknya mereka disebut sebagai cocci (bulat), bacilli (seperti batang), dan spirilla (spiral).
Myxobacteria berbentuk batang, memiliki dinding halus tipis. Mereka bergerak dengan aksi meluncur. Mereka mendapatkan makanannya dengan membelah (melisis) organisme lain, seperti bakteri, jamur, alga, dll. Spirochetes berbentuk helicoidal, memiliki dinding fleksibel yang halus. Ada yang relatif panjang dibandingkan dengan lebarnya. Mereka hidup di lumpur dan air dan bersifat anaerobik. Beberapa bersifat parasit.
Eubacteria:
Bakteri, selain myxobacteria dan spirochetes, dikelompokkan sebagai eubacteria. Bentuknya mungkin seperti batang hingga bulat atau spiral. Beberapa dari mereka memiliki flagela dan motil, sementara yang lain tidak bergerak. Mereka telah disubklasifikasikan menurut karakteristik metabolisme dan energiknya. Secara umum, mereka uniseluler, tetapi beberapa membentuk agregat, sementara yang lain berserabut.
Alga Biru-Hijau:
Mereka mungkin uniseluler atau multi-seluler. Mereka berkembang biak dengan pembelahan biner. Multiseluler adalah filamen sel identik yang disatukan oleh dinding luar yang sama. Sebagian pendek dari filamen yang mengandung beberapa sel dibebaskan dan filamen yang dibebaskan tumbuh dengan pembelahan biner sel dalam satu bidang.
Filamen uniseluler tidak bergerak sedangkan filamen multiseluler dapat meluncur. Ganggang biru-hijau bersifat fotosintesis. Warnanya umumnya biru kehijauan. Beberapa spesies memiliki warna merah, ungu, coklat dan hitam. Beberapa spesies dapat memperbaiki nitrogen atmosfer.
Eukariota:
Eukariota memiliki struktur yang lebih kompleks daripada prokariota. Diameternya lebih dari 20 malam. Setiap sel memiliki beberapa organel, seperti nukleus, mitokondria, retikulum endoplasma, aparatus Golgi, vakuola, lisosom, ribosom, kloroplas, dll. Masing-masing memiliki fungsi tertentu. Setiap sel memiliki membran sel luar. Beberapa memiliki dinding sel. Organel internal dibatasi oleh membran.
Sel eukariotik tanpa dinding sel menunjukkan gerakan amoeboid karena gerakan sitoplasma, yang disebut aliran sitoplasma. Mereka yang memiliki dinding sel bergerak dengan bantuan flagela. Eukariota telah diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu ganggang, protozoa dan jamur.
Alga eukariotik :
Ini mungkin uniseluler atau multi-seluler. Dalam sel multiseluler, sel-selnya tidak berbeda satu sama lain. Mereka berfotosintesis, beberapa memiliki dinding sel dan karenanya bersifat osmotrofik. Mereka yang tidak memiliki dinding sel menelan organisme yang lebih kecil secara fagotrofik. Mereka dapat tumbuh di media anorganik. Ini tidak penting dalam pengolahan air limbah.
Namun, mereka secara simbiosis membantu bakteri karena menghasilkan oksigen selama fotosintesis. Proliferasi ganggang di hadapan nutrisi anorganik menyebabkan masalah selama penyaringan karena periode berjalan berkurang. Ada enam kelompok utama ganggang eukariotik, kebanyakan dari mereka memiliki flagela, kecuali ganggang merah. Mereka berbeda dari yang lain dalam warna pigmen kloroplas, komposisi dinding sel, dan komposisi makanan cadangan.
Protozoa:
Ini adalah uniseluler, non-fotosintesis dan motil. Beberapa bersifat parasit dan yang lainnya bersifat fagotrofik. Sebagian besar bersifat aerobik dan beberapa bersifat anaerobik. Yang fagotrofik menelan organisme yang lebih kecil dan bahan organik. Kelompok suctoria memangsa protozoa. Mereka membantu dalam bio-flokulasi.
Protozoa telah dikelompokkan menjadi lima kelompok besar: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate dan Suctoria. Mastigophora memiliki flagela. Umumnya mereka bersifat parasit. Ada yang bersifat patogen, ada yang tidak.
Sarkodina:
Modus pergerakan utama kelompok ini adalah pergerakan tipe amoeboid dengan bantuan pseudopoda. Beberapa memiliki flagela. Beberapa fagosit, sementara beberapa parasit. Amuba yang menyebabkan disentri amuba pada manusia termasuk dalam kelompok ini. Sporozoa adalah parasit osmotropik. Beberapa tidak bergerak, sementara yang lain bergerak dengan aksi meluncur. Mereka tidak memiliki peran dalam pengolahan air limbah. Mereka bersifat patogen.
Ciliata:
Kelompok ini penting dalam pengolahan air limbah. Mereka fagotropik. Mereka memiliki rambut pendek seperti proyeksi (Cilia). Dengan bantuan Cilia mereka bergerak dan menangkap makanan. Ada dua sub kelompok, satu tipe renang bebas dan tipe mengintai lainnya.
Suctoria:
Mereka memiliki Cilia pada tahap awal siklus hidup mereka. Kemudian mereka mengembangkan tentakel. Dengan bantuan tentakel mereka memangsa protozoa lain.
Jamur:
Jamur sebagian besar berinti banyak dan memiliki struktur yang dikenal sebagai miselium. Sebagian besar bersifat aerobik, sementara beberapa bersifat anaerobik. Mereka hidup di semua jenis bahan organik, bahkan pada residu organik yang terdegradasi oleh bakteri. Kelompok utama adalah: Phycomycetes, Ascomycota’s, Basidionycetes, dan Fungi—Imperfecti. Ragi adalah jamur uniseluler. Jamur bereproduksi baik dengan tunas atau dengan pembelahan biner. Mereka memiliki beberapa aplikasi industri.
Secara umum jamur tidak berguna dalam pengolahan air limbah. Selain protista, beberapa hewan aerobik multiseluler heterotrofik kecil yang dikenal sebagai Rotifier mungkin ada di unit pengolahan air limbah aerobik. Mereka memiliki dua set silia yang berputar di kepala mereka. Itu digunakan untuk motilitas serta untuk menangkap makanan.
Interaksi Mikroba dalam Pengolahan Air Limbah:
Untuk pengolahan air limbah hampir selalu komunitas mikroba yang memiliki berbagai spesies organisme masuk ke dalam unit pengolahan. Organisme ini dapat masuk ke unit pengolahan dari lingkungan sekitar maupun bersama dengan air limbah itu sendiri. Sangat sering sebagian dari biomassa (mikroba) yang dihasilkan selama pengolahan air limbah didaur ulang ke unit pengolahan. Untuk pengurangan polutan tertentu terkadang beberapa organisme tertentu ditambahkan.
Air limbah selalu mengandung berbagai bahan kimia (polutan) dan untuk pengurangannya keberadaan berbagai jenis mikroba sangat membantu dan terkadang penting. Organisme ini berinteraksi satu sama lain selama proses berlangsung.
Populasi spesies mikroba individu dapat mengalami perubahan dengan variasi kualitatif dan kuantitatif dari karakteristik aliran air limbah yang memasuki unit pengolahan, tetapi sistem dapat memiliki stabilitas keseluruhan jika terdapat spektrum mikroba yang luas dalam sistem.
Namun, jika komunitas terbatas, yaitu, beberapa spesies terpilih digunakan dalam situasi partikulat, sistem dapat dengan mudah terganggu karena kejutan perubahan aliran/karakteristik aliran air limbah yang sedang diolah. Interaksi antara berbagai spesies mikroba yang ada dalam sistem pengolahan air limbah dapat dari jenis berikut: netral, baik hati, dan antagonis.
Interaksi Netral:
Ketika spesies yang ada dalam suatu ekosistem tidak menggunakan substrat (makanan) yang sama, kebutuhan lingkungannya berbeda dan mereka tidak menggunakan produk metabolisme dan produk sampingan satu sama lain, maka interaksi dikatakan netral. Dalam komunitas mikro-organisme di ekosistem mana pun, interaksi seperti itu sangat jarang terjadi.
Interaksi Baik:
Dalam suatu ekosistem terkadang satu organisme membantu organisme lain dalam aktivitas metabolismenya atau dalam menjaga kebutuhan lingkungannya dan mereka tidak saling merugikan. Interaksi antara organisme semacam itu disebut sebagai interaksi kebajikan.
Ada dua jenis interaksi kebajikan, yaitu Komensalisme dan Mutualisme. Terkadang produk metabolisme atau produk sampingan dari satu organisme digunakan oleh organisme lain. Interaksi antara dua spesies seperti itu disebut sebagai interaksi komensalisme.
Contoh interaksi tersebut adalah:
(1) Glukosa atau faktor pertumbuhan yang dihasilkan oleh satu organisme dimanfaatkan oleh organisme lain
(2) Fenol (racun bagi beberapa organisme) dikonsumsi oleh satu organisme dalam suatu ekosistem sehingga organisme lain yang ada dalam sistem tersebut tidak dirugikan.
Ketika organisme yang ada dalam suatu ekosistem saling membantu maka interaksi disebut sebagai mutualisme. Contohnya adalah interaksi antara ganggang dan bakteri dalam unit pengolahan aerobik. Alga selama fotosintesis menghasilkan O 2 , yang membantu bakteri aerob dalam aktivitas metabolismenya. Bakteri penghasil CO2 selama respirasi membantu alga dalam fotosintesis.
Interaksi Antagonis:
Terkadang satu jenis organisme bersaing dengan yang lain dari sumber daya yang sama atau satu jenis mencegah pertumbuhan yang lain atau ada hubungan predator-mangsa antara dua jenis organisme. Dalam situasi seperti itu interaksi antar spesies dikatakan antagonistik.
Beberapa contoh interaksi antagonistik adalah:
(1) Bakteri aerob fakultatif dan obligat berlomba-lomba mencari oksigen terlarut,
(2) Alga menghasilkan O 2 selama fotosintesis dan dengan demikian mencegah pertumbuhan anaerob obligat, dan
(3) Protozoa memangsa bakteri.
Fisiologi Mikroba:
Sel mikroba mengandung sekitar 80 persen air. Bagian yang tersisa terdiri dari C, O 2 , H 2 , N 2 , P dan S. Logam seperti Na, K, Ca, Mg, Fe juga terdapat dalam sel mikroba. Konstituen C, O 2 , H 2 dan N 2 sel sering didekati (berdasarkan bebas abu) dengan rumus C 5 H 7 O 2 N. Untuk sintesis (reproduksi) mikroba baru selain H 2 dan O 2 (yang dapat diperoleh dari air) unsur utama yang dibutuhkan adalah C dan N 2 .
Jumlah P dan S yang relatif kecil diperlukan dan jumlah yang sangat kecil dari logam yang disebutkan di atas juga diperlukan. Mikroba memperoleh berbagai konstituen untuk reproduksinya dari lingkungannya (ekosistem). Mikroba juga membutuhkan energi untuk pergerakannya serta untuk melakukan aktivitas metabolisme (katabolik dan anabolik).
Sumber konstituen yang disebutkan di atas diperlukan untuk reproduksi mikroba dalam sistem pengolahan air limbah adalah:
N2 Sumber :
Untuk sintesis protein dan asam nukleat, senyawa pembawa nitrogen harus ditambahkan ke unit pengolahan air limbah jika senyawa tersebut tidak ada sebagai konstituen dari polutan yang ada.
O2 Sumber :
Autotrof menggunakan CO 2 dan H 2 O sebagai sumber O 2 . Heterotrof menggunakan senyawa organik yang mengandung oksigen dan H 2 O.
C Sumber:
Autotrof menggunakan CO 2 sebagai sumber karbon sedangkan heterotrof menggunakan senyawa organik sebagai sumber karbon.
S Sumber:
Belerang yang dibutuhkan untuk sintesis protein diperoleh dari senyawa pembawa belerang yang biasanya terdapat dalam air limbah.
Sumber P:
Fosfor yang diperlukan untuk sintesis asam nukleat dan fosfolipid diperoleh dari fosfat anorganik dan senyawa organofosfor yang biasanya terdapat dalam air limbah. Untuk transfer energi untuk pergerakan serta untuk aktivitas metabolisme senyawa organofosfat ATP (Adenosine triphosphate), ADP (Adenosine di-phosphate) dan AMP (Adenosine monophosphate) diperlukan. Ini disintesis oleh mikroba memanfaatkan fosfor (anorganik / organik) yang ada dalam air limbah.
Penggolongan mikroba berdasarkan sifat metabolisme dan energiknya disajikan pada Tabel 9.4.
Dari Tabel 9.4 terlihat bahwa chemoheterotrophic paling berguna untuk pengolahan air limbah yang mengandung zat organik. Fotoautotrof berguna karena memperkaya air limbah dengan oksigen terlarut, yang dihasilkan selama fotosintesis.
Kriteria berikut digunakan untuk klasifikasi chemoheterotrophic:
- Proses dimana mereka memenuhi kebutuhan energinya,
- Kisaran suhu di mana mereka lebih aktif.
Kemoheterotrof yang menggunakan O2 terlarut untuk mengoksidasi senyawa organik untuk menghasilkan energi disebut aerob. Mereka yang menghasilkan energi dengan menguraikan senyawa organik (proses fermentasi) tanpa adanya O 2 terlarut disebut anaerob. Ada kelompok ketiga, yang berperilaku aerobik dengan adanya oksigen terlarut dan anaerobik tanpa adanya oksigen terlarut. Kelompok ini disebut mikroba fakultatif. Klasifikasi chemoheterotrophic menurut rentang suhu di mana mereka lebih aktif diberikan pada Tabel 9.5.
Reaksi metabolisme dan energik, yang dilakukan oleh kemoheterotrofik dikelompokkan sebagai rute Katabolik, rute Amfibolik, rute Anaplerotik, dan rute Anabolik. Melalui langkah-langkah ini organisme memperoleh energinya dan mensintesis senyawa seperti asam nukleat, protein, polisakarida, lipid, dll. Dan akhirnya menghasilkan sel mikroba baru. Kegiatan khusus yang dilakukan di sepanjang rute yang disebutkan di atas dirangkum di bawah ini.
Rute katabolik:
Umumnya aktivitas katabolik dilakukan dalam dua tahap. Pada tahap pertama bahan organik tersuspensi yang ada dalam air limbah dilarutkan dan molekul organik terlarut yang lebih besar dihidrolisis (meludah) menjadi molekul yang lebih kecil. Enzim ekstraseluler mengambil bagian dalam reaksi ini. Jumlah energi yang relatif kecil yang dibebaskan selama langkah ini tidak tersedia untuk sel (mikroba) karena reaksi terjadi di luar sel. .
Selama tahap kedua dari proses katabolik, molekul organik yang lebih kecil telah dihasilkan berdifusi di dalam sel. Di sana pemisahan lebih lanjut dari molekul-molekul yang tersebar serta beberapa reaksi oksidasi terjadi. Energi yang dibebaskan selama langkah ini tersedia untuk sel.
Rute Amfibol:
Bahan awal untuk reaksi ini adalah bahan (molekul) yang dihasilkan selama tahap kedua dari proses katabolik. Sebagai hasil dari reaksi amfibolik beberapa senyawa perantara diproduksi untuk biosintesis dan beberapa reaksi oksidasi juga berlangsung.
Selama proses aerobik produk akhir dari reaksi oksidasi adalah CO 2 dan H 2 O. Produk oksidasi selama proses anaerobik adalah CO 2 dan beberapa molekul organik lainnya (bukan komponen untuk biosintesis). Ini disebut sebagai produk fermentasi.
Rute Anaplerotik:
Perantara yang dihasilkan selama proses amfibolik tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan total proses biosintesis. Oleh karena itu, beberapa perantara lagi diproduksi melalui rute ini.
Rute Anabolik:
Selama proses ini intermediet yang dihasilkan oleh rute amfibolik dan rute anaplerotik selanjutnya dipolimerisasi dan akhirnya komponen sel yang berbeda dihasilkan. Pada akhirnya itu mengarah pada produksi sel-sel baru. Perlu disebutkan di sini bahwa semua aktivitas (reaksi kimia) yang terjadi di dalam sel adalah enzim (senyawa berprotein kompleks) yang dikatalisis.
Kinetika enzimatik:
Semua reaksi kimia yang terjadi di dalam sel mikro-organisme (intraseluler) atau langsung di luar sel (ekstra-seluler) dikatalis oleh enzim. Enzim bersifat spesifik reaksi, yaitu setiap enzim mampu melakukan reaksi spesifik dengan menggunakan substrat (reaktan) tertentu.
Seperti katalis anorganik, enzim dapat diracuni (dihambat) oleh beberapa bahan kimia. Enzim juga terpengaruh pada suhu yang lebih tinggi dan kondisi pH yang merugikan, yang mungkin disebabkan oleh beberapa perubahan struktural yang terjadi di dalamnya.
Kinetika reaksi enzimatik telah dipelajari oleh beberapa ilmuwan. Mereka telah mengembangkan persamaan laju berdasarkan model yang mereka usulkan. Beberapa di antaranya dibahas di bawah ini. Persamaan dasarnya disebut sebagai persamaan Michaelis-Menten.
Reaksi enzimatik tanpa adanya inhibitor diasumsikan terjadi melalui dua langkah. Pada langkah pertama, molekul substrat (reaktan) (S) bergabung dengan molekul enzim (E) untuk membentuk kompleks enzim-substrat (ES). Reaksi ini dianggap reversibel. Pada langkah kedua, kompleks (ES) mengalami reaksi ireversibel dimana molekul enzim dibebaskan dan satu atau lebih produk terbentuk. Keseluruhan proses dapat direpresentasikan sebagai
Untuk memodelkan reaksi pembentukan kompleks enzim-substrat, dua hipotesis telah diajukan. Menurut salah satu hipotesis, reaksi ini mencapai kesetimbangan secara instan. Menurut yang lain, reaksi ini mencapai kondisi ‘pseudo-steady-state’ secara instan, yaitu laju pembentukan kompleks ES menjadi sama dengan laju hilangnya kompleks oleh reaksi balik. Persamaan akhir yang dikembangkan untuk laju hilangnya substrat/laju pembentukan produk adalah identik terlepas dari mana hipotesis yang disebutkan di atas diterima.
Persamaan. (9.29) dikenal sebagai persamaan Michaelis-Menen. Untuk mengevaluasi konstanta kinetik (K m dan untuk reaksi spesifik, konsentrasi substrat, [5] vs. waktu, data t diperoleh secara eksperimental. Data yang diperoleh dapat diplot dengan berbagai cara (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.20A, B , C & D) untuk estimasi K m dan V m Gambar 9.20A, B, C & D didasarkan pada bentuk modifikasi persamaan Michaelis-Menten.
Reaksi Penghambatan:
Reaksi enzimatik dapat terhambat (diperlambat) dengan berbagai cara. Inhibitor dapat berupa beberapa bahan kimia (I) selain substrat, substrat itu sendiri (pada konsentrasi tinggi) dan produk (pada konsentrasi tinggi). Reaksi penghambatan telah banyak disebut sebagai ‘Penghambatan Kompetitif’, ‘Penghambatan Tidak Kompetitif’, ‘Penghambatan Non-kompetitif’, ‘Penghambatan Sub negara’ dan ‘Penghambatan Produk’.
Representasi simbolis dari berbagai jenis reaksi penghambatan dan ekspresi laju masing-masing adalah sebagai berikut:
Penghambatan Kompetitif:
dimana [I ] = konsentrasi inhibitor,
K 1 = konstanta kesetimbangan untuk reaksi disosiasi EI.
Penghambatan tidak kompetitif:
Penghambatan Non-Kompetisi:
Penghambatan Substrat:
Penghambatan Produk:
dimana K p = konstanta kesetimbangan untuk reaksi disosiasi PES. Harus ditunjukkan di sini bahwa model dan persamaan laju yang disebutkan di atas didasarkan pada premis bahwa penghambatan terjadi karena tidak tersedianya beberapa molekul enzim untuk reaksi pembentukan kompleks enzim-substrat karena beberapa reaksi sekunder.
Proses Pertumbuhan Mikroba:
Mikroba membutuhkan karbon, oksigen, hidrogen, nitrogen, dan beberapa elemen lain untuk sintesis komponen sel, yang akhirnya mengarah pada reproduksi sel baru. Organisme membutuhkan energi untuk melakukan reaksi sintesis dan untuk pemeliharaan kegiatan selain untuk reproduksi.
Kebutuhan energi pemeliharaan berarti energi yang dibutuhkan untuk menjalankan fungsi sel, seperti motilitas, osmoregulasi, fagositosis, aliran sitoplasma, dll. Energi pemeliharaan juga mencakup energi yang dibutuhkan untuk mensintesis beberapa komponen sel, yang diperlukan untuk penggantian komponen yang rusak. Beberapa komponen sel terurai karena energi bebasnya lebih tinggi dibandingkan dengan komponen penyusun asli dari mana mereka disintesis.
Ketika campuran zat organik yang disiapkan secara khusus (disebut sebagai media) diinokulasi (seperti yang terjadi dalam operasi batch) dengan beberapa spesies organisme, maka populasi mikroba dalam campuran tersebut melewati proses pertumbuhan yang khas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.21 . Substansi organik yang ada dalam suatu media, yang bertindak sebagai sumber karbon bagi mikroba, disebut sebagai substrat.
Harus ditunjukkan di sini bahwa total populasi mikroba yang ada dalam suatu ekosistem setiap saat terdiri dari dua kelompok, yaitu ‘organisme hidup’ dan ‘organisme mati’. Organisme yang layak adalah mereka yang mampu bereproduksi sedangkan yang ‘mati’ hidup tetapi tidak mampu bereproduksi. Mereka menggunakan energi untuk melakukan semua jenis aktivitas kecuali reproduksi.
Gambar 9.21 menunjukkan bahwa laju pertumbuhan populasi mikroba selama operasi batch melewati fase yang berbeda. Ini biasanya disebut sebagai Tahap I, II, III dan IV.
Fase I disebut sebagai ‘fase lag’. Selama fase ini populasi (sel yang hidup) meningkat secara perlahan karena organisme membutuhkan waktu untuk menyesuaikan diri dengan lingkungannya.
Fase II dikenal sebagai ‘fase log’ karena selama periode ini populasi meningkat secara eksponensial dengan memanfaatkan substrat yang tersedia dalam medium.
Fase III dikenal sebagai ‘fase stasioner’. Selama periode ini populasi sel yang hidup tetap hampir statis karena tidak tersedianya substrat yang cukup. Laju produksi sel-sel baru selama periode ini hampir sama dengan laju konversi sel hidup menjadi sel mati. Selama fase ini, substrat yang tersedia terutama digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi pemeliharaan sel.
Fase IV disebut sebagai ‘fase pembusukan’. Tidak ada media yang tersedia selama periode ini. Sel-sel memetabolisme makanan yang disimpan untuk memenuhi kebutuhan energi pemeliharaan mereka. Secara bertahap beberapa sel mengalami lisis, yaitu hancur dan dengan demikian memberikan zat organik ke sel yang tersisa untuk memenuhi kebutuhan energi pemeliharaannya. Lisis menghasilkan penurunan populasi sel, yang disebut sebagai ‘pembusukan’ sel
Selama Fase I sampai III substrat yang tersedia dalam media memenuhi kebutuhan energi pertumbuhan dan atau pemeliharaan organisme. Periode ini disebut sebagai periode eksogen. Selama fase IV, dengan tidak adanya substrat apapun, sel-sel memetabolisme makanan yang disimpannya serta zat-zat yang dibebaskan sebagai hasil dari lisis beberapa sel. Periode ini disebut sebagai periode endogen.
Telah disebutkan sebelumnya bahwa chemoheterotrophic memainkan peran utama dalam pengolahan air limbah secara biologis. Mereka memanfaatkan substrat (polutan) yang ada dalam air limbah untuk memenuhi bahan (untuk biosintesis) dan kebutuhan energi mereka. Dua hipotesis alternatif telah diajukan untuk menjelaskan bagaimana mikroba mencapai hal ini.
Menurut salah satu sel hipotesis mensintesis organel mereka dan cadangan endogen (makanan) memanfaatkan substrat. Secara berurutan sebagian dari cadangan endogen terdegradasi untuk memenuhi kebutuhan energi pemeliharaan sel.
Menurut hipotesis lain substrat digunakan untuk memenuhi kebutuhan sintesis serta untuk memenuhi kebutuhan energi pemeliharaan secara bersamaan. Secara konseptual dan logis hipotesis ini lebih realistis. Harus ditunjukkan di sini bahwa menurut hipotesis ini pada akhir periode eksogen, sel akan memenuhi kebutuhan energi pemeliharaannya dengan mengorbankan cadangan endogen.
Lebih mudah merumuskan model matematika berdasarkan hipotesis pertama meskipun hipotesis ini tidak logis. Model matematis yang didasarkan pada hipotesis kedua akan menjadi rumit, karena harus mengandung istilah untuk mewakili proses eksogen dan proses endogen serta kriteria kapan istilah proses endogen akan menjadi penting.
Dalam proses pengolahan air limbah yang berkelanjutan, influen yang mengandung polutan (dengan populasi mikroba rendah atau hampir nol) memasuki peralatan proses (bioreaktor) yang sudah mengandung populasi besar mikroba dari spesies yang berbeda. Sebuah limbah meninggalkan bioreaktor hampir habis dari polutan biodegradable. Efluen akan mengandung lebih banyak mikroba daripada yang ada di influen.
Peningkatan jumlah sel ini dihasilkan dari biodegradasi massa polutan yang ada dalam influen. Sebagian dari massa polutan yang terdegradasi digunakan untuk mereproduksi sel-sel baru sementara sebagian lainnya digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Sangat sulit, jika bukan tidak mungkin untuk menghitung berapa banyak massa polutan terdegradasi yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Tetapi pengembangan korelasi kuantitatif dari laju pertumbuhan massa sel dengan laju penipisan massa polutan sangat mungkin terjadi.
Dari sudut pandang pengolahan air limbah, seseorang akan tertarik untuk mengembangkan ekspresi laju keseluruhan penipisan massa polutan dalam aliran influen sehingga hal yang sama dapat digunakan untuk merancang peralatan proses yang sesuai.
Kinetika Pertumbuhan Sel:
Sel berkembang biak dengan pembelahan biner sel yang layak. Oleh karena itu tingkat pertumbuhan sel (massa) (tanpa adanya predator, kematian sel dan pembusukan sel) selama operasi batch akan tergantung pada konsentrasi sel yang layak dalam bioreaktor setiap saat. Ini dapat dinyatakan sebagai—
di mana, r G , X v = laju produksi sel yang layak (massa) per satuan volume bioreaktor,
[X V ] = konsentrasi sel yang layak (massa) setiap saat, dan
µ= konstanta laju pertumbuhan spesifik.
Nilai numerik |i untuk kombinasi mikroba-substrat tertentu bergantung pada konsentrasi substrat, konsentrasi nutrisi mikro, pH, suhu, dll., dalam bioreaktor.
Penyidik, berdasarkan uji coba eksperimental mereka pada pH terkontrol, suhu dan konsentrasi nutrisi mikro telah memperoleh korelasi umum untuk µ sebagai fungsi dari konsentrasi substrat [S] seperti yang ditunjukkan pada Persamaan. (9.36)
Nilai numerik µm dan K s ditemukan bergantung pada pH, suhu, dan konsentrasi mikronutrien untuk setiap sistem mikroba-substrat tertentu.
Persamaan (9.36) dikenal sebagai persamaan Monod. Bentuknya mirip dengan persamaan Michaelis-Menten untuk reaksi enzimatik [Persamaan. (9.29)].
Kombinasi Persamaan. (9.35) dan (9.36), menghasilkan Persamaan. (9.37)
Harus ditunjukkan di sini bahwa dalam unit pengolahan air limbah terdapat campuran populasi mikroba dan berbagai polutan (bahan kimia). Untuk unit seperti itu µm dan K s tidak dapat dikompilasi dengan menggabungkan data dari literatur untuk sistem mikroba-substrat tertentu. Untuk setiap situasi individu H m dan K s harus dievaluasi secara eksperimental.
Selama pengolahan biologis air limbah, mikroba yang ada memanfaatkan sumber karbon (substrat, yaitu senyawa organik yang dapat terurai secara hayati) untuk reproduksi serta untuk memenuhi kebutuhan energi pemeliharaan. Dalam kondisi aerob langkah-langkah pembangkitan energi akan menghasilkan CO 2 dan H 2 O sebagai produk akhir, sedangkan dalam kondisi anaerob produk reaksi terutama adalah CO 2 dan CH 4 .
Karena substrat digunakan untuk pertumbuhan massa sel serta untuk menghasilkan energi, laju massa pertumbuhan sel akan lebih kecil daripada penggunaan substrat. Hubungan antara keduanya biasanya dinyatakan sebagai
di mana y disebut sebagai hasil, yaitu massa sel yang layak diproduksi per satuan massa substrat yang digunakan. Karena aliran air limbah selalu mengandung sejumlah senyawa organik (polutan), konsentrasi substrat biasanya dinyatakan, [S], baik dalam satuan BOD atau COD dalam satuan mg O 2 / L dan bukan dalam satuan konsentrasi masing-masing polutan yang ada.
Yield, y, akan memiliki nilai maksimum jika kebutuhan energi pemeliharaannya nihil. Dalam situasi seperti itu y diwakili oleh simbol y g . Bahkan jika energi pemeliharaannya nol g akan memiliki nilai kurang dari satu karena proses biosintesis (pertumbuhan) membutuhkan energi. Nilai numerik y ditemukan tergantung pada substrat yang digunakan, konsentrasinya, spesies organisme yang digunakan dan faktor lingkungan seperti suhu, pH, dll.
Studi eksperimental telah mengungkapkan bahwa nilai numerik y adalah sekitar 0,5 ketika air limbah diolah secara aerobik. Tetapi dalam kondisi pengolahan anaerobik nilai y ditemukan sekitar 0,1
Pada menggabungkan Persamaan. (9.35) dan (9.38) diperoleh Persamaan. (9.39),
Perlu dicatat bahwa selama proses biologis beberapa sel hidup menjadi ‘mati’ dan beberapa mengalami lisis (pembusukan). Oleh karena itu tingkat pertumbuhan bersih sel-sel yang layak dapat dinyatakan sebagai —
Telah disebutkan sebelumnya bahwa mikroba yang ada dalam sistem apa pun ada dua jenis, yaitu ‘hidup’ dan ‘mati’. Konsentrasi populasi sel total (massa) pada saat tertentu akan menjadi jumlah dari konsentrasi masing-masing jenis pada saat itu,
dimana, [X] = konsentrasi massa sel total.
Ekspresi untuk tingkat perubahan massa sel total selama proses eksogen dapat diperoleh dengan menggabungkan Persamaan. (9.40), (9.41) dan (9.42)
Reaksi biokimia pada dasarnya adalah reaksi kimia yang dikatalisis oleh enzim (ekstra/intraseluler). Oleh karena itu, konstanta laju spesifik, misalnya p, b dan y bergantung pada suhu. Nilai numerik mereka meningkat dengan kenaikan suhu. Ketergantungan suhu mereka dapat diwakili oleh hubungan tipe Arrhenius,
Namun, seringkali hubungan tersebut dinyatakan secara empiris sebagai
di mana k 0 sesuai dengan suhu dasar f 0 dinyatakan dalam °C dan k sesuai dengan suhu operasi t °C. Nilai numerik O ditemukan berkisar antara 1,03 hingga 1,1. Umumnya diambil sebagai 1,08.
Nilai numerik dari parameter kinetik yang dievaluasi secara eksperimental, µm , K s , Ï ‘dan b bergantung pada kombinasi substrat-organisme, serta konsentrasi nutrisi, pH dan suhu yang dipertahankan selama penyelidikan tertentu.
Telah diamati bahwa untuk substrat yang mudah terdegradasi nilai numerik µm tinggi, sedangkan untuk substrat yang sulit terdegradasi nilai µm rendah. Nilai numerik K s rendah untuk substrat yang mudah terdegradasi dan tinggi untuk substrat yang sulit terdegradasi. Beberapa nilai tipikal dari parameter kinetik untuk proses pengolahan air limbah aerobik kultur campuran tercantum dalam Tabel 9.6
Secara umum, diasumsikan bahwa b v = b d .
Telah ditemukan bahwa laju pertumbuhan massa sel yang layak untuk proses aerobik dan proses anaerobik mengikuti Persamaan. (9.37). Data percobaan menunjukkan bahwa untuk proses anaerobik µm lebih rendah dan K s lebih tinggi dibandingkan dengan proses aerobik pada Tabel 9.6.
