Teknologi biokimia untuk pengolahan air limbah. Pengolahan air limbah biokimia
n1.doc
| 1. Metode biokimia pengolahan air limbah. Inti dari metode ini. | |
| 2. Pola penguraian zat organik | 5 |
| 3. Pengaruh berbagai faktor terhadap proses pemurnian biokimia | |
| 4. Klasifikasi metode biokimia | 8 |
| 4.1. Metode pembersihan aerobik | 9 |
| 4.2. Metode pengobatan anaerobik | 15 |
| Bibliografi | 17 |
1. Metode biokimia pengolahan air limbah. Inti dari metode ini.
Oksidasi biologis adalah metode pengolahan air limbah yang banyak digunakan, yang memungkinkan untuk menghilangkan banyak zat organik dan beberapa zat anorganik (hidrogen sulfida, sulfida, amonia, nitrit, dll.) darinya. Pengolahan air limbah biokimia didasarkan pada kemampuan mikroorganisme untuk menggunakan polutan organik terlarut dan koloid sebagai sumber nutrisi dalam proses kehidupannya. Banyak jenis polutan organik dari air limbah kota dan industri diproses secara biologis, sehingga menyebabkan kerusakan sebagian atau seluruhnya. Jika bersentuhan dengan zat organik, mikroorganisme menghancurkan sebagiannya, mengubahnya menjadi air, karbon dioksida, ion nitrit dan sulfat, dll. Bagian lain dari zat tersebut digunakan untuk pembentukan biomassa. Beberapa zat organik mampu teroksidasi dengan mudah, sementara yang lain tidak teroksidasi sama sekali atau sangat lambat.
Meluasnya penggunaan metode biokimia disebabkan oleh kelebihannya: kemampuannya untuk menghilangkan berbagai senyawa organik dan anorganik yang terdapat dalam air dalam air limbah dalam keadaan terlarut, koloid dan tidak larut, termasuk yang beracun; kesederhanaan desain perangkat keras, biaya pengoperasian yang relatif rendah, dan kedalaman pembersihan. Kerugiannya termasuk biaya modal yang tinggi, perlunya kepatuhan yang ketat terhadap sistem pembersihan, efek toksik pada mikroorganisme dari sejumlah senyawa organik dan anorganik, dan kebutuhan untuk mengencerkan air limbah jika terdapat konsentrasi pengotor yang tinggi.
Untuk menentukan kemungkinan pasokan air limbah industri ke instalasi pengolahan biokimia, ditetapkan konsentrasi maksimum zat beracun yang tidak mempengaruhi proses oksidasi biokimia (MK b) dan pengoperasian fasilitas pengolahan (MK bos). Dengan tidak adanya data tersebut, kemungkinan oksidasi biokimia ditentukan oleh indikator biokimia BOD p/COD. Untuk air limbah domestik, rasio ini kira-kira 0,86, dan untuk air limbah industri, rasio ini bervariasi dalam kisaran yang sangat luas: dari 0 hingga 0,9. Air limbah dengan rasio BOD p/COD rendah biasanya mengandung kontaminan beracun, yang sebelum ekstraksi dapat meningkatkan rasio ini, yaitu. memberikan kemungkinan oksidasi biokimia. Oleh karena itu, air limbah tidak boleh mengandung zat beracun dan pengotor garam logam berat. Pemurnian biokimia dianggap selesai jika BOD n air yang dimurnikan kurang dari 20 mg/l dan tidak lengkap jika BOD n > 20 mg/l. Definisi ini bersifat kondisional, karena bahkan dengan pemurnian biokimia yang lengkap, hanya terjadi pembebasan sebagian air dari jumlah pengotor yang terkandung di dalamnya.
Oksidasi biologis dilakukan oleh komunitas mikroorganisme (biocenosis), termasuk berbagai bakteri, protozoa, serta alga, jamur, dll., yang saling berhubungan menjadi satu kompleks melalui hubungan yang kompleks (metabiosis, simbiosis, dan antagonisme). Peran dominan dalam komunitas ini adalah bakteri, yang jumlahnya bervariasi dari 10 6 hingga 10 14 sel per 1 g biomassa kering. Dalam proses oksidasi biokimia dalam kondisi aerobik, komunitas mikroorganisme disebut lumpur aktif atau biofilm. Lumpur aktif terdiri dari mikroorganisme hidup dan substrat padat dan penampakannya menyerupai serpihan koagulan dengan warna mulai dari coklat keputihan sampai coklat tua. Akumulasi bakteri dalam lumpur aktif dikelilingi oleh lapisan lendir (kapsul) dan disebut zooglea. Mereka membantu memperbaiki struktur lumpur, sedimentasi dan pemadatannya.
Lumpur aktif merupakan koloid amfoter yang mempunyai muatan negatif pada kisaran pH 4-9 dan memiliki kapasitas adsorpsi yang tinggi karena berkembangnya total permukaan sel bakteri. Kapasitas adsorpsi lumpur aktif menurun seiring waktu karena jenuhnya air limbah dengan kontaminan. Proses pemulihan terjadi karena adanya aktivitas vital mikroorganisme yang menghuni lumpur aktif, disebut regenerasi. Meskipun terdapat perbedaan yang signifikan dalam air limbah yang diolah, komposisi unsur kimia lumpur aktif cukup mirip, meskipun tidak sama. Kesamaan ini adalah hasil dari kesamaan basisnya – sel bakteri. Komposisi sel meliputi H, N, S, C, O, P, abu, protein, serta berbagai elemen jejak - B, V, Fe, Co, Mn, Mo, Cu, dll. H, N, C dan O membentuk kelompok zat organogenik, unsur-unsur tersebut masuk ke dalam sel bakteri berupa air, protein, lemak dan karbohidrat; 80-85% berat mikroba adalah air.
Bahan kering lumpur aktif merupakan kompleks zat mineral (10-30%) dan organik (70-90%). Sebagian besar senyawa organik adalah protein. Komposisi bagian abu sel meliputi unsur mikro - Ca, K, Mg, S, Mn, Cu, Na, Fe, Zn, dll. Selain itu, untuk membangun sel bakteri, diperlukan unsur biogenik - fosfor, nitrogen, kalium. Kualitas lumpur ditentukan oleh laju sedimentasi dan derajat penjernihan air. Keadaan lumpur dicirikan oleh indeks lumpur, yaitu perbandingan volume bagian lumpur aktif yang diendapkan dengan massa lumpur kering (dalam gram) setelah diendapkan selama 30 menit. Semakin tinggi indeks lumpur, semakin buruk lumpur yang mengendap.
2. Pola penguraian zat organik
Mekanisme penghilangan zat dari air limbah dan konsumsinya oleh mikroorganisme sangat kompleks. Secara umum proses ini dapat dibagi menjadi tiga tahap:
1) perpindahan massa suatu zat dari cairan ke permukaan sel akibat difusi molekuler dan konvektif;
2) difusi suatu zat melalui membran semipermeabel pada permukaan sel, akibat perbedaan konsentrasi zat di dalam dan di luar sel;
3) proses transformasi zat (metabolisme) yang terjadi di dalam sel, dengan pelepasan energi dan sintesis zat seluler baru.
Laju tahap pertama ditentukan oleh hukum difusi dan kondisi hidrodinamik di fasilitas pengolahan biokimia. Turbulensi aliran menyebabkan disintegrasi serpihan lumpur aktif menjadi koloni kecil mikroba dan menyebabkan pembaruan cepat antarmuka antara mikroorganisme dan lingkungan.
Proses perpindahan suatu zat melalui membran sel semipermeabel dapat dilakukan dengan dua cara: dengan melarutkan zat yang berdifusi ke dalam bahan membran, sehingga zat tersebut masuk ke dalam sel, atau dengan menempelkan zat penembus ke suatu pembawa tertentu. protein, melarutkan kompleks yang dihasilkan dan berdifusi ke dalam sel, di mana kompleks tersebut terurai dan protein - transporter dilepaskan untuk menyelesaikan siklus baru.
Peran utama dalam pengolahan air limbah dimainkan oleh proses transformasi zat di dalam sel mikroorganisme, sehingga terjadi oksidasi zat dengan pelepasan energi (transformasi katabolik) dan sintesis zat protein baru, yang terjadi dengan pengeluaran energi (transformasi anabolik).
Laju transformasi kimia dan urutannya ditentukan oleh enzim yang berperan sebagai katalis dan merupakan senyawa protein kompleks dengan berat molekul hingga ratusan ribu bahkan jutaan. Aktivitasnya bergantung pada suhu, pH dan keberadaan berbagai zat dalam air limbah.
Reaksi total oksidasi biokimia dalam kondisi aerobik dapat direpresentasikan sebagai berikut:
Oksidasi bahan organik
C x H y O z (x + 0,25y - 0,5z)O 2 ? xС0 2 + 0,5уН 2 О + ?Н;
Sintesis sel bakteri
C x H y O z + nNH 3 + n(x + 0,25у - 0,5z - 5)0 2 ? n(C 5 H 7 N0 2) + n(x-5)C0 2 + 0,5n(y-4)H 2 O - ?H;
Oksidasi bahan seluler
N(C 5 H 7 N0 2) + 5n0 2 ? 5nC0 2 + 2nH 2 0 + nNH 3 + ?Н.
Transformasi kimia adalah sumber energi yang dibutuhkan mikroorganisme. Organisme hidup hanya dapat menggunakan energi kimia terikat. Pembawa energi universal dalam sel adalah asam adenosin trifosfat (ATP).
Mikroorganisme mampu mengoksidasi banyak zat organik, namun hal ini memerlukan waktu adaptasi yang berbeda. Banyak alkohol, glikol, asam benzoat, aseton, gliserin, ester, dll. mudah teroksidasi. Senyawa nitro, beberapa surfaktan dan senyawa organik terklorinasi teroksidasi dengan buruk.
Proses oksidasi aerobik mengkonsumsi oksigen terlarut dalam air limbah. Untuk menjenuhkan air limbah dengan oksigen, dilakukan proses aerasi, yaitu memecah aliran udara menjadi gelembung-gelembung, yang jika memungkinkan tersebar merata di dalam air limbah. Dari gelembung udara, oksigen diserap oleh air dan kemudian ditransfer ke mikroorganisme. Proses ini terjadi dalam dua tahap. Yang pertama melibatkan transfer oksigen dari gelembung udara ke sebagian besar cairan, yang kedua melibatkan transfer oksigen yang diserap dari sebagian besar cairan ke sel mikroorganisme, terutama di bawah pengaruh denyut turbulen.
Cara paling andal untuk meningkatkan pasokan oksigen ke air limbah adalah dengan meningkatkan intensitas fragmentasi aliran gas, yaitu. mengurangi ukuran gelembung gas. Laju konsumsi oksigen bergantung pada banyak faktor yang saling terkait: jumlah biomassa, laju pertumbuhan dan aktivitas fisiologis mikroorganisme, jenis dan konsentrasi nutrisi, akumulasi produk metabolisme beracun, jumlah dan sifat nutrisi, dan kandungan oksigen. dalam air.
3. Pengaruh berbagai faktor terhadap proses pemurnian biokimia
Efektivitas pengolahan biologis bergantung pada sejumlah faktor, beberapa di antaranya dapat diubah dan diatur dalam rentang yang luas, sementara pengaturan lainnya, seperti, misalnya, komposisi air limbah yang masuk ke pengolahan, secara praktis tidak mungkin dilakukan. Faktor utama yang menentukan throughput sistem dan tingkat pengolahan air limbah meliputi: keberadaan oksigen dalam air, keseragaman aliran air limbah dan konsentrasi pengotor di dalamnya, suhu, pH lingkungan, pencampuran, keberadaan kotoran dan nutrisi beracun, konsentrasi biomassa, dll.
Kondisi pembersihan yang paling menguntungkan adalah sebagai berikut. Konsentrasi zat yang dapat teroksidasi secara biokimia dalam air limbah yang diolah tidak boleh melebihi nilai yang diizinkan MK b atau MK bos, yang biasanya ditentukan secara eksperimental. Konsentrasi air limbah yang lebih tinggi harus diencerkan. Batas konsentrasi maksimum zat yang masuk ke fasilitas pengolahan biologis diberikan dalam literatur referensi.
Pasokan oksigen udara ke fasilitas pengolahan biokimia harus terus menerus dan dalam jumlah sedemikian rupa sehingga air limbah yang diolah yang keluar dari tangki pengendapan sekunder mengandung setidaknya 2 mg/l. Laju pelarutan oksigen dalam air tidak boleh lebih rendah dari laju konsumsinya oleh mikroorganisme. Selama periode awal oksidasi, laju konsumsi oksigen bisa sepuluh kali lebih tinggi dibandingkan pada akhir proses, hal ini bergantung pada sifat pencemaran air dan sebanding dengan jumlah biomassa.
Suhu optimal untuk proses aerobik yang terjadi di instalasi pengolahan air limbah dianggap 20-30 °C, meskipun suhu optimal untuk bakteri dari berbagai kelompok sangat bervariasi, dari -8 °C hingga +85 °C. Peningkatan suhu melebihi norma fisiologis mikroorganisme menyebabkan kematiannya, dan penurunan suhu hanya mengurangi aktivitas mikroorganisme. Dengan meningkatnya suhu, kelarutan oksigen dalam air menurun, sehingga pada musim panas perlu dilakukan aerasi yang lebih intensif, dan pada musim dingin perlu untuk mempertahankan konsentrasi mikroorganisme yang lebih tinggi dalam lumpur yang bersirkulasi dan meningkatkan durasinya. aerasi.
Reaksi lingkungan optimal untuk sebagian besar bakteri adalah netral atau mendekatinya, meskipun ada spesies yang berkembang dengan baik dalam lingkungan asam (jamur, ragi) atau sedikit basa (actinomycetes).
Untuk proses normal sintesis materi seluler, dan oleh karena itu untuk proses pengolahan air limbah yang efektif, harus terdapat konsentrasi semua nutrisi yang cukup - karbon organik (BOD), nitrogen, fosfor.
Selain unsur dasar sel (C, O, N, H), komponen lain – unsur mikro (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co, dll) diperlukan untuk pembangunannya dalam jumlah kecil. Kandungan unsur-unsur tersebut dalam perairan alami tempat terbentuknya air limbah biasanya cukup untuk oksidasi biokimia. Kekurangan nitrogen menghambat oksidasi polutan organik dan menyebabkan terbentuknya lumpur yang sulit mengendap. Kurangnya fosfor memulai perkembangan bakteri berfilamen, yang merupakan penyebab utama pembengkakan lumpur aktif, pengendapan dan pembuangan yang buruk dari fasilitas pengolahan, pertumbuhan lumpur yang lebih lambat dan penurunan intensitas oksidasi. Unsur biogenik paling baik diserap dalam bentuk senyawa yang ditemukan dalam sel mikroba: nitrogen - dalam bentuk NH 4, dan fosfor - dalam bentuk garam dalam asam fosfat. Jika ada kekurangan nitrogen, fosfor, atau kalium, berbagai pupuk nitrogen, kalium, dan fosfor ditambahkan ke air limbah. Unsur-unsur tersebut terkandung dalam air limbah rumah tangga, sehingga banyak bahan kimia yang dapat memberikan efek toksik pada mikroorganisme sehingga mengganggu fungsi vitalnya. Zat-zat tersebut, yang masuk ke dalam sel bakteri, berinteraksi dengan komponen-komponennya dan mengganggu fungsinya, antara lain: S in, Ag, Cu, Co, Hg, Pv, dll. Jumlah partikel tersuspensi tidak boleh lebih dari 100 mg/l untuk filter biologis dan 150 mg/l untuk tangki aerasi.
Intensitas dan efisiensi pengolahan air limbah tidak hanya bergantung pada kondisi kehidupan mikroorganisme, tetapi juga kuantitasnya, yaitu. dosis lumpur aktif yang disimpan dalam tangki aerasi biasanya 2-4 g/l. Peningkatan konsentrasi mikroorganisme dalam air limbah dapat mempercepat proses pengolahan biologis, namun pada saat yang sama perlu untuk meningkatkan jumlah oksigen terlarut dalam air, yang dibatasi oleh keadaan jenuh, dan memperbaiki kondisi perpindahan massa. . Untuk pengolahan biologis perlu menggunakan lumpur aktif “muda” yang berumur 2-3 hari. Tidak membengkak, lebih tahan terhadap fluktuasi suhu dan pH, dan serpihan kecilnya mengendap lebih baik. Kondisi penting untuk meningkatkan pengolahan biologis dan mengurangi volume fasilitas pengolahan adalah regenerasi lumpur aktif, yang terdiri dari aerasi tanpa adanya substrat nutrisi.
Untuk menciptakan kondisi yang paling menguntungkan bagi perpindahan massa nutrisi dan oksigen ke permukaan sel mikroba, diperlukan pencampuran air limbah dan lumpur aktif. Dalam hal ini, turbulisasi cairan menyebabkan penghancuran serpihan lumpur aktif, pembaruan permukaannya, pasokan nutrisi dan oksigen yang lebih baik ke sel, dan menciptakan kondisi kehidupan yang lebih menguntungkan bagi mikroorganisme.
4. Klasifikasi metode biokimia
Metode pengobatan biokimia aerobik dan anaerobik telah diketahui. Metode aerobik didasarkan pada penggunaan kelompok mikroorganisme aerobik, yang kehidupannya memerlukan pasokan oksigen yang konstan dan suhu 20-40°C. Ketika suhu dan kondisi oksigen berubah, komposisi dan jumlah mikroorganisme berubah; mereka dibudidayakan dalam lumpur aktif atau biofilm. Metode anaerobik terjadi tanpa oksigen dan digunakan terutama untuk mengolah lumpur. Seluruh rangkaian fasilitas pengolahan hayati dapat dibagi menjadi tiga kelompok berdasarkan lokasi biomassa aktif di dalamnya:
1) biomassa aktif dipasang pada bahan yang tidak bergerak, dan air limbah meluncur dalam lapisan tipis di atas bahan pemuatan - biofilter;
2) biomassa aktif berada di dalam air dalam keadaan bebas (tersuspensi) - tangki aerasi, saluran sirkulasi oksidasi, tangki oksi;
3) kombinasi kedua opsi lokasi biomassa - biofilter submersible, biotank, tangki aerasi dengan pengisi.
Pengolahan biologis juga dapat dilakukan dalam kondisi alami di fasilitas pengolahan tanah dan di kolam biologis.
4.1. Metode pembersihan aerobik.
Pengolahan di lahan irigasi, lahan filtrasi, dan kolam biologis dibedakan dari biaya konstruksi dan pengoperasian yang relatif rendah, kapasitas penyangga selama pembuangan air limbah secara besar-besaran, fluktuasi pH, suhu, dan tingkat penghilangan nutrisi yang cukup dari air. Kerugiannya termasuk pekerjaan musiman dan rendahnya laju oksidasi kontaminan. Bidang irigasi dan bidang filtrasi adalah metode pengolahan tanah.
Bidang irigasi adalah lahan pertanian yang dirancang khusus untuk pengolahan air limbah dan sekaligus menanam tanaman. Di bidang filtrasi, pemurnian dilakukan tanpa partisipasi tanaman. Pengolahan air limbah di lahan irigasi didasarkan pada pengaruh mikroflora tanah, oksigen udara, sinar matahari dan aktivitas tanaman. Lapisan tanah aktif setebal 1,5-2 m terlibat dalam pengolahan air limbah sampai tingkat tertentu. Mineralisasi bahan organik terjadi terutama di lapisan tanah setengah meter bagian atas. Pada saat yang sama, kesuburan tanah meningkat, yang berhubungan dengan pengayaan tanah dengan nitrat, fosfor, dan kalium. Namun, komposisi garam total air limbah tidak boleh melebihi 4-6 g/l untuk mencegah salinisasi tanah. Air limbah dialirkan ke lahan irigasi secara berkala dengan selang waktu 5 hari. Di musim dingin, untuk daerah dengan musim dingin yang dingin, air limbah dibekukan. Untuk menampung air limbah yang digunakan di lahan irigasi, digunakan kolam penampungan dengan kapasitas sama dengan enam bulan akumulasi air di dalamnya.
Biologis kolam- reservoir buatan atau alami di mana pengolahan air limbah terjadi di bawah pengaruh proses pemurnian alami. Mereka dapat digunakan baik untuk pengolahan sendiri maupun untuk pengolahan pasca-pengolahan air limbah yang telah melalui pengolahan biologis. Ini adalah perairan dangkal (0,5-1 m), dihangatkan dengan baik oleh matahari dan dihuni oleh organisme air.
Dalam proses yang terjadi di biopond, terjadi siklus alami penghancuran polutan organik yang lengkap. Dampak berbagai faktor terhadap pengoperasian kolam dapat menciptakan kondisi aerobik dan aerobik-anaerobik di dalamnya. Kolam yang terus-menerus beroperasi dalam kondisi aerobik disebut aerasi, sedangkan kolam dengan kondisi bervariasi disebut fakultatif.
Kondisi aerobik di kolam dapat dipertahankan baik dengan suplai oksigen alami dari atmosfer dan fotosintesis, atau dengan suplai udara paksa ke dalam air. Oleh karena itu, dibedakan antara kolam dengan aerasi alami dan buatan. Waktu tinggal air pada kolam dengan aerasi alami berkisar antara 7 sampai 60 hari. Bersama dengan air limbah, lumpur aktif, yang merupakan bahan benih, dikeluarkan dari tangki pengendapan sekunder. Efisiensi pembersihan di kolam ditentukan oleh waktu dalam setahun; selama periode dingin, efisiensinya menurun tajam.
Kolam dengan aerasi buatan memiliki volume yang jauh lebih kecil dan tingkat pemurnian yang diperlukan biasanya dicapai dalam 1-3 hari.
Biofilter - struktur pengolahan biologis buatan - adalah struktur bulat atau persegi panjang yang terbuat dari batu bata atau beton bertulang, diisi dengan bahan penyaring, pada permukaannya terbentuk biofilm. Air limbah disaring melalui lapisan pemuatan yang ditutupi dengan lapisan mikroorganisme, karena aktivitas vitalnya dilakukan pemurnian. Biofilm bekas (mati) dicuci dengan air limbah yang mengalir dan dikeluarkan dari biofilter.
Berdasarkan jenis bahan pembebanannya, biofilter dibagi menjadi dua kategori: dengan pembebanan volumetrik (granular) dan datar. Batu pecah, kerikil, kerikil, terak, tanah liat yang diperluas, cincin keramik dan plastik, kubus, bola, silinder, dll digunakan sebagai pemuatan granular. Pemuatan datar terdiri dari jaring logam, kain dan plastik, kisi-kisi, balok, lembaran bergelombang, film, dll., sering kali digulung menjadi gulungan.
Biofilter dengan pembebanan volumetrik dibagi menjadi tetes, beban tinggi, dan menara. Biofilter tetes adalah desain yang paling sederhana, diisi dengan bahan fraksi halus setinggi 1-2 m dan memiliki kapasitas hingga 1000 m 3 /hari; biofilter ini mencapai tingkat pemurnian yang tinggi. Pada filter beban tinggi, digunakan potongan pemuatan yang lebih besar, dan tingginya 2-4 m. Ketinggian pemuatan pada filter menara mencapai 8-16 m sampai dengan 50 ribu m 3 /hari, baik untuk pengolahan hayati lengkap maupun tidak lengkap.
Filter biologis dengan pembebanan datar memiliki kapasitas oksidasi yang jauh lebih tinggi dibandingkan filter dengan pembebanan volumetrik. Kapasitas oksidasi adalah laju pelarutan oksigen selama aerasi air terdeoksigenasi sempurna pada tekanan atmosfer dan suhu 20 °C (g O 2 /h)); Dekat dengan itu adalah konsep daya oksidatif - laju reaksi oksidasi polutan (g O 2 / (m 3 h)).
Posisi perantara antara tangki aerasi dan biofilter ditempati oleh biofilter submersible dan biofilter biotank.
Biofilter submersible (cakram) adalah reservoir yang di dalamnya terdapat poros berputar dengan cakram terpasang di atasnya, yang bersentuhan secara bergantian dengan air limbah dan udara. Ukuran piringan 0,5-3 m, jarak antar piringan 10-20 mm, bisa dari logam, plastik dan semen asbes, jumlah piringan pada porosnya dari 20 hingga 200 . Biofilter biotank adalah wadah yang berisi elemen pemuatan baki yang disusun dalam pola kotak-kotak. Elemen-elemen ini diairi dari atas dengan air, yang mengisinya, mengalir ke bawah melalui tepinya. Biofilm terbentuk di permukaan luar unsur-unsur, dan biomassa yang menyerupai lumpur aktif terbentuk di dalamnya. Desainnya memberikan kinerja tinggi dan efisiensi pembersihan.
Berdasarkan prinsip aliran udara ke dalam ketebalan beban aerasi, biofilter dapat dengan aerasi alami dan paksa.
Selama periode permulaan filter biologis, lapisan film biologis ditumbuhkan pada potongan pakan. Agen utama film ini adalah populasi mikroba. Mikroorganisme biofilm menggunakan kotoran organik dalam air limbah sebagai sumber nutrisi dan respirasi, dan massa biofilm meningkat. Ketika ketebalan film meningkat, film tersebut mati dan tersapu oleh air limbah yang mengalir. Air yang dimurnikan dalam biofilter, bersama dengan partikel biofilm mati, memasuki tangki pengendapan sekunder. Daur ulang bahan aktif biologis biasanya tidak dilakukan karena tingginya kapasitas retensi struktur massa biofilm.
Saat menerima air limbah dengan BOD > 300 mg/l, untuk menghindari seringnya pendangkalan pada permukaan biofilter, dilakukan resirkulasi - pengembalian sebagian air murni untuk mengencerkan air limbah asli. Resirkulasi air murni meningkatkan kandungan oksigen terlarut dalam campuran, mempertahankan beban hidrolik yang lebih seragam, dan menyamakan konsentrasi biofilm sepanjang ketinggian struktur. Namun, hal ini meningkatkan kebutuhan volume tangki pengendapan dan meningkatkan konsumsi energi untuk memompa air.
Pendistribusian air limbah ke seluruh permukaan biofilter dilakukan dengan alat penyiram stasioner (sprinkler) atau alat penyiram jet berputar dengan suplai air siklik selama 5-10 menit.
Penggunaan biofilter dibatasi oleh kemungkinan terjadinya pendangkalan, penurunan kekuatan oksidatif selama pengoperasian, munculnya bau yang tidak sedap, dan sulitnya pertumbuhan lapisan film yang seragam.
Membersihkan di tangki aerasi. Pengolahan biologis aerobik terhadap air limbah dalam jumlah besar dilakukan di tangki aerasi - struktur beton aerasi yang diperkuat dengan lumpur aktif yang mengambang bebas dalam volume air yang diolah, yang biopopulasinya menggunakan polusi air limbah untuk mata pencaharian mereka.
Aero tank dapat diklasifikasikan menurut kriteria berikut:
1) menurut struktur aliran - tangki aerasi-pemindah, tangki aerasi-pencampur dan tangki aerasi dengan saluran masuk cairan limbah yang tersebar (tipe menengah);
2) menurut metode regenerasi lumpur aktif - tangki aerasi dengan regenerator lumpur terpisah atau gabungan;
3) menurut beban pada lumpur aktif - beban tinggi (untuk pengolahan tidak lengkap), biasa dan beban rendah (dengan aerasi yang diperpanjang);
4) berdasarkan jumlah tahapan - satu, dua dan banyak tahap;
5) menurut mode pemasukan air limbah - aliran, semi aliran, dengan tingkat operasi variabel, kontak;
6) berdasarkan jenis aerasi - pneumatik, mekanis, gabungan hidrodinamik atau pneumomekanis;
7) menurut karakteristik desain - persegi panjang, bulat, gabungan, poros, tangki filter, tangki flotasi, dll.
Aerotank digunakan dalam kisaran laju aliran air limbah yang sangat luas mulai dari beberapa ratus hingga jutaan meter kubik per hari.
Dalam mixer tangki aerasi, beban lumpur dan laju oksidasi kontaminan praktis tidak berubah sepanjang struktur. Mereka paling cocok untuk mengolah air limbah industri pekat (BODp hingga 1000 mg/l) dengan fluktuasi signifikan dalam laju aliran dan konsentrasi kontaminan. Dalam pemindah tangki aerasi, beban kontaminan pada lumpur dan laju oksidasinya bervariasi dari nilai tertinggi pada awal konstruksi hingga nilai terendah pada akhir konstruksi. Struktur seperti itu digunakan jika adaptasi lumpur aktif yang cukup mudah dipastikan. Dalam tangki aerasi dengan pasokan air yang tersebar sepanjang tangki, beban satuan pada lumpur berkurang dan menjadi seragam. Fasilitas tersebut digunakan untuk mengolah campuran air limbah industri dan kota. Pengoperasian tangki aerasi terkait erat dengan pengoperasian normal tangki pengendapan sekunder, dari mana lumpur aktif kembali terus dipompa ke dalam tangki aerasi. Alih-alih tangki pengendapan sekunder, flotator dapat digunakan untuk memisahkan lumpur dari air.
Dalam skema satu tahap tanpa regenerator, tidak mungkin mengintensifkan proses pengolahan air limbah. Dengan adanya regenerator, proses oksidasi berakhir dan lumpur memperoleh sifat aslinya. Skema satu tahap tanpa regenerasi lumpur digunakan pada BOD 150 mg/l. Skema dua tahap digunakan ketika konsentrasi awal polutan organik dalam air tinggi, serta ketika terdapat zat di dalam air yang laju oksidasinya sangat bervariasi. Pada pengolahan tahap pertama, BOD air limbah berkurang 50-70%.
Untuk memastikan kemajuan normal proses oksidasi biologis, udara harus terus disuplai ke tangki aerasi. Sistem aerasi adalah suatu kompleks struktur dan peralatan khusus yang menyuplai cairan dengan oksigen, menjaga lumpur tetap tersuspensi dan secara konstan mencampur air limbah dengan lumpur. Untuk sebagian besar jenis tangki aerasi, sistem aerasi memastikan bahwa fungsi-fungsi ini dijalankan secara bersamaan. Berdasarkan metode dispersi udara dalam air, sistem aerasi berikut digunakan dalam praktiknya: pneumatik, mekanis, pneumomekanis, dan jet. Di negara kita, sistem aerasi pneumatik semakin meluas.
Tangki aerasi modern adalah struktur yang fleksibel secara teknologi, yaitu tangki beton bertulang tipe koridor yang dilengkapi dengan sistem aerasi. Kedalaman kerja tangki aerasi diambil dari 3 hingga 6 m, perbandingan lebar koridor dengan kedalaman kerja adalah 1:1 hingga 2:1. Untuk tangki aerasi dan regenerator, jumlah bagian minimal harus dua; dengan produktivitas sampai 50 ribu m 3 /hari ditetapkan 4-6 seksi, dengan produktivitas lebih tinggi 8-10 seksi, semuanya berfungsi. Setiap bagian terdiri dari 2-4 koridor.
Tangki aerasi perpindahan adalah struktur koridor panjang di mana air dan lumpur aktif disuplai ke awal struktur, dan campuran lumpur dibuang di ujungnya. Dalam hal ini, praktis tidak ada pencampuran air yang masuk dengan air yang diterima sebelumnya. Tangki aerasi tersebut terdiri dari beberapa koridor dan dapat dengan atau tanpa regenerator bawaan. Panjang tangki aerasi tersebut mencapai 50-150 m dan volumenya 1,5 hingga 30 ribu m 3. Untuk sebagian besar, mode perpindahan sesuai dengan desain tangki aerasi tipe seluler. Mereka berbentuk persegi panjang, dibagi menjadi beberapa kompartemen dengan partisi melintang. Campuran dari kompartemen pertama masuk ke kompartemen kedua (dari bawah), dari kompartemen kedua ke ketiga mengalir melalui partisi (dari atas), dan seterusnya. Di setiap sel, mode pencampuran lengkap ditetapkan, dan jumlah dari sejumlah pencampur berurutan menghasilkan pengganti yang hampir ideal. Hal ini mencegah pergerakan kembali air, dan tidak terjadi pencampuran memanjang.
Air limbah dan lumpur di tangki aerasi-mixer disuplai dan dibuang secara merata di sepanjang sisi panjang struktur. Campuran yang masuk diyakini sangat cepat (dalam perhitungan secara instan) tercampur dengan isi seluruh tangki aerasi. Hal ini memungkinkan untuk mendistribusikan kontaminan organik dan oksigen terlarut secara merata dan memastikan pengoperasian struktur dalam kondisi konstan dan beban tinggi. Lebar koridor pencampur tangki aerasi 3-9 m, jumlah koridor 2-4, panjang sampai 150 m.
Dibandingkan dengan pemindah tangki aerasi, mixer tangki aerasi memiliki konsentrasi sisa pengotor yang tinggi dalam air murni. Oleh karena itu, disarankan untuk menggunakannya untuk pengolahan air limbah pekat pada tahap pertama, dan pemindah tangki aerasi - pada tahap kedua.
Tangki aero- mixer dapat saling bertautan dengan tangki pengendapan sekunder dan dibuat terpisah dari tangki pengendapan tersebut. Tangki pengendapan aero (aero-accelerators) kompak, memungkinkan Anda meningkatkan resirkulasi campuran lumpur tanpa menggunakan stasiun pompa khusus, meningkatkan rezim oksigen tangki pengendapan dan meningkatkan dosis lumpur menjadi 3-5 g/ l, sehingga meningkatkan kekuatan oksidatif.
Tangki aerasi tipe perantara menggabungkan elemen tangki aerasi pemindah dan tangki aerasi pencampur. Ini termasuk tangki aerasi dengan pasokan air yang tersebar dan pasokan lumpur aktif yang terkonsentrasi, serta rangkaian mixer tangki aerasi. Mereka menciptakan kondisi untuk konsentrasi rata-rata lumpur aktif yang lebih tinggi daripada di tangki aerasi-pengganti, dan memberikan kualitas pembersihan yang lebih tinggi daripada di tangki-mixer aerasi. Mereka dilakukan dalam bentuk struktur dua atau empat koridor. Biaya modal untuk pembangunan tangki aerasi tersebut berkurang setidaknya 15% dibandingkan dengan biaya yang dibahas di atas, dengan tetap menjaga kualitas pembersihan yang tinggi.
Oxytanks ditujukan untuk pengolahan air limbah biokimia, di mana oksigen teknis digunakan sebagai pengganti udara. Berkat ini, tercipta kondisi untuk meningkatkan dosis lumpur aktif (hingga 6-10 g/l), konsumsi energi untuk aerasi berkurang, daya oksidatif meningkat (5-10 kali lebih tinggi dibandingkan tangki aerasi), dan efisiensi penggunaan oksigen adalah 90-95%.
Skema khas untuk pengolahan biokimia mencakup, sebagai suatu peraturan, sejumlah instalasi untuk rata-rata air limbah, pengolahan mekanisnya, fasilitas pengolahan biologis yang sebenarnya, perangkat untuk persiapan dan takaran reagen, pasca pengolahan air limbah dan pengolahan lumpur. Skema dapat berupa satu tahap atau multi tahap. Menurut skema di atas, pengolahan bersama air limbah industri dan domestik dilakukan. Dengan pembersihan seperti itu, prosesnya berlangsung lebih mantap dan tuntas, karena Air limbah domestik mengandung nutrisi dan juga mengencerkan air limbah industri. Air limbah, yang telah diolah sebelumnya di fasilitas pengolahan mekanis, dikirim untuk pengolahan biologis dalam tangki aerasi dengan regenerator. Lumpur aktif yang dikeluarkan di tangki pengendapan sekunder dibagi menjadi dua aliran: lumpur yang bersirkulasi dipompa ke regenerator menggunakan stasiun pompa, dan kemudian ke tangki aerasi; kelebihan lumpur dikirim untuk diklarifikasi ke tangki pengendapan primer. Air murni diklorinasi dan dikirim ke reservoir atau dikembalikan ke produksi. Lumpur yang dipisahkan diproses dalam reaktor dan dikeringkan di lapisan lumpur. Gas yang dilepaskan selama proses pencernaan dibakar di ruang ketel.
4.2. Metode pembersihan anaerobik.
Proses pencernaan anaerobik dapat digunakan untuk menetralkan lumpur limbah dan mengolah air limbah pekat terlebih dahulu. Tergantung pada jenis produk akhir, jenis fermentasi berikut dibedakan: alkohol, asam propionat, asam laktat, metana, dll. Produk akhir fermentasi adalah alkohol, asam, aseton, gas fermentasi (CO 2, H 2, CH 4).
Fermentasi metana digunakan untuk mengolah air limbah. Proses ini rumit dan terdiri dari banyak tahapan; dalam fermentasi metana, ada dua fase yang dibedakan. Pada fase pertama fermentasi (asam), zat organik kompleks dipecah dengan pembentukan asam organik, serta alkohol, amonia, aseton, H 2 S, CO 2, H 2, dll., sebagai akibatnya yang mana air limbah diasamkan hingga pH = 5-6. Kemudian, di bawah pengaruh bakteri metana (fase basa), asam dihancurkan dengan pembentukan CH 4 dan CO 2. Laju transformasi pada kedua fase diyakini sama. Rata-rata derajat penguraian senyawa organik adalah 40%.
Proses fermentasi metana dilakukan dalam reaktor - tangki tertutup rapat yang dilengkapi dengan perangkat untuk memasukkan lumpur yang telah diproses dan membuang lumpur yang difermentasi.
Proses fermentasi dilakukan pada kondisi mesofilik (30-35 °C) dan termofilik (50-55 °C). Dalam kondisi termofilik, penghancuran senyawa organik terjadi lebih intensif. Digester merupakan suatu tangki beton bertulang dengan dasar berbentuk kerucut, dilengkapi dengan alat untuk menangkap dan mengeluarkan gas, serta dilengkapi dengan pemanas dan pengaduk. Digester dengan diameter hingga 20 m dan volume berguna hingga 4000 m 3 digunakan.
Proses fermentasi air limbah dilakukan dalam dua tahap. Dalam hal ini, sebagian sedimen dari pencerna kedua dikembalikan ke pencerna pertama, sehingga tercampur dengan baik. Selama fermentasi, gas dilepaskan dengan kandungan rata-rata CH 4 - 63-65%, CO 2 - 32-34%. Nilai kalor gas adalah 23 MJ/kg; dibakar dalam tungku ketel uap. Uap yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan sedimen di reaktor atau untuk keperluan lainnya.
Bibliografi
Teknologi perlindungan lingkungan /Rodionov A.I., Klushin V.N., Torocheshnikov N.S. Buku teks untuk universitas. – M.: Kimia, 1989.
Komarova L.F., Kormina L.A. Metode rekayasa untuk perlindungan lingkungan. Teknologi untuk melindungi atmosfer dan hidrosfer dari polusi industri: Buku Teks. – Barnaul, 2000.
Metode ini digunakan untuk memurnikan air limbah domestik dan industri dari banyak zat organik terlarut dan beberapa zat anorganik (hidrogen sulfida, amonia, sulfida, nitrit, dll.). Proses pemurnian didasarkan pada kemampuan mikroorganisme untuk menggunakan zat-zat tersebut untuk nutrisi dalam proses kehidupan – zat organik bagi mikroorganisme merupakan sumber karbon. Pengolahan air limbah biokimia dapat terjadi dalam kondisi aerobik (oksidasi biokimia) dan anaerobik (dekomposisi biologis).
Perawatan anaerobik terjadi di bawah pengaruh mikroorganisme anaerobik, akibatnya jumlah polutan organik yang terkandung dalam air limbah berkurang karena konversinya menjadi gas (metana, karbon dioksida) dan garam terlarut, serta pertumbuhan biomassa tanaman anaerobik. Dekomposisi terjadi dalam 2 fase: pertama, bahan organik diubah menjadi asam organik dan alkohol (kelompok mikroorganisme pertama), dan kemudian asam organik dan alkohol menjadi metana dan karbon dioksida (kelompok mikroorganisme kedua).
Prosesnya secara keseluruhan bergantung pada pemeliharaan lingkungan yang menguntungkan bagi kedua kelompok mikroorganisme, dan keseimbangan antar fase harus sedemikian rupa sehingga asam dihilangkan dengan kecepatan yang sama saat pembentukannya. Metode anaerobik digunakan terutama untuk pencernaan kelebihan lumpur aktif yang dihasilkan selama pengolahan anaerobik.
Pemurnian dalam kondisi anaerobik terjadi dengan adanya oksigen terlarut dalam air, yang merupakan modifikasi dari proses alami pemurnian diri reservoir yang terjadi di alam. Untuk biotreatment air limbah industri, proses yang paling umum adalah yang menggunakan lumpur aktif, yang dilakukan di tangki aerasi. Lumpur aktif terbentuk karena partikel tersuspensi yang tidak tertahan selama pengendapan, dan karena zat koloid dengan mikroorganisme yang berkembang biak di dalamnya. Lumpur aktif dalam cairan aerasi secara signifikan mempercepat proses oksidasi dan menciptakan kondisi untuk proses adsorpsi zat organik.
Penghancuran zat organik menjadi karbon dioksida dan produk oksidasi tidak berbahaya lainnya terjadi karena biocenosis, yaitu. kompleks dari semua bakteri dan mikroorganisme protozoa yang berkembang dalam struktur tertentu. Konsumsi komponen organik air limbah oleh mikroorganisme terjadi dalam 3 tahap: 1) perpindahan massa bahan organik dan oksigen dari cairan ke permukaan sel; 2) difusi materi dan oksigen melalui membran sel semipermeabel; 3) metabolisme produk yang tersebar, disertai dengan peningkatan biomassa, pelepasan energi, karbon dioksida, dll.
Intensitas dan efisiensi pengolahan air limbah biologis ditentukan oleh laju penguraian bakteri.
Pengolahan air limbah secara biologis dapat dilakukan dalam kondisi alami atau buatan.
Dalam kondisi alami, digunakan sebidang tanah yang disiapkan khusus (ladang irigasi dan filtrasi) atau kolam biologis. Ini adalah reservoir tanah dengan kedalaman 0,5¸1 m, di mana proses yang sama terjadi seperti selama pemurnian diri reservoir.
Bidang irigasi– bidang tanah yang disiapkan secara khusus yang digunakan secara bersamaan untuk pengolahan air limbah dan keperluan pertanian, yaitu. untuk menanam tanaman biji-bijian dan silase, herba, sayuran, serta untuk menanam semak dan pohon. Bidang filtrasi dimaksudkan hanya untuk pengolahan air limbah biologis.
Ladang irigasi dan kolam biologi terletak pada dataran yang mempunyai kemiringan bertahap sehingga air mengalir secara gravitasi dari suatu daerah ke daerah lain. Pembersihan kontaminan terjadi melalui proses penyaringan air melalui tanah, dimana partikel tersuspensi dan koloid tertahan, membentuk lapisan tipis pada pori-pori tanah. Penetrasi oksigen ke lapisan dalam tanah sulit dilakukan, sehingga oksidasi paling parah terjadi di lapisan atas tanah, yaitu. pada kedalaman hingga 0,2¸0,4 m.
Kolam biologis– dirancang untuk pengolahan biologis dan pasca pengolahan air limbah yang dikombinasikan dengan fasilitas pengolahan lainnya. Dibuat dalam bentuk kolam bertingkat yang terdiri dari 3-5 anak tangga. Proses pengolahan air limbah dilakukan dengan skema berikut: bakteri menggunakan oksigen yang dilepaskan oleh alga selama fotosintesis, serta oksigen dari udara, untuk mengoksidasi polutan. Alga mengonsumsi karbon dioksida, fosfat, dan nitrogen amonia yang dilepaskan selama dekomposisi biokimia bahan organik. Oleh karena itu, agar kolam berfungsi normal, perlu dijaga nilai pH dan suhu air limbah yang optimal. Suhu harus minimal 6°C, dan oleh karena itu kolam tidak digunakan di musim dingin.
Ada kolam dengan aerasi alami dan buatan. Kedalaman kolam dengan aerasi permukaan alami tidak melebihi 1 m. Saat mengaerasi kolam secara artifisial menggunakan aerator mekanis atau meniupkan udara melalui kolom air, kedalamannya meningkat menjadi 3 m. Kerugian dari kolam adalah kapasitas oksidasi yang rendah, pengoperasian musiman, dan kebutuhan akan area yang luas.
Fasilitas untuk pengolahan biologis buatan Berdasarkan letak biomassa aktif di dalamnya, dapat dibagi menjadi 2 kelompok: 1) biomassa aktif tersuspensi dalam air limbah yang telah diolah (aerotanks, oxytanks); 2) biomassa aktif difiksasi pada bahan yang tidak bergerak, dan air limbah mengalir di sekitarnya dalam lapisan film tipis (biofilter).
Tangki aero Mereka adalah tangki beton bertulang, berbentuk persegi panjang, dibagi dengan partisi menjadi koridor terpisah.
Air limbah setelah fasilitas pengolahan mekanis dicampur dengan lumpur aktif kembali (biocenosis) dan, secara berturut-turut melewati koridor tangki aerasi, memasuki tangki pengendapan sekunder. Waktu tinggal air limbah yang telah diolah dalam tangki aerasi, tergantung komposisinya, berkisar antara 6 hingga 12 jam. Selama ini, sebagian besar polutan organik diproses oleh biocenosis lumpur aktif. Untuk menjaga lumpur aktif dalam suspensi, mencampurkannya secara intensif dan menjenuhkan campuran yang diolah dengan oksigen udara, berbagai sistem aerasi (biasanya mekanis atau pneumatik) dipasang di tangki aerasi. Dari tangki aerasi, campuran air limbah yang telah diolah dan lumpur aktif masuk ke tangki pengendapan sekunder, dari situ lumpur aktif yang telah mengendap di dasar dibuang ke reservoir stasiun pemompaan menggunakan alat khusus (pompa lumpur), dan dimurnikan. air limbah disuplai untuk pemurnian lebih lanjut atau didesinfeksi. Dalam proses oksidasi biologis, biomassa lumpur aktif meningkat. Untuk menciptakan kondisi optimal bagi kehidupannya, kelebihan lumpur dikeluarkan dari sistem dan dikirim ke fasilitas pengolahan lumpur, dan bagian utama berupa lumpur kembali dikembalikan ke tangki aerasi.
Kompleks fasilitas pengolahan, termasuk tangki aerasi, memiliki kapasitas puluhan hingga 2¸3 juta m3 air limbah per hari.
Alih-alih udara, oksigen murni dapat disuplai untuk aerasi pneumatik air limbah. Untuk proses ini, digunakan oxytank, yang desainnya agak berbeda dari tangki aerasi. Kapasitas oksidatif oxytenks 3 kali lebih tinggi.
Biofilter menemukan aplikasi luas dengan konsumsi harian air limbah domestik dan industri hingga 20-30 ribu m 3 per hari. Komponen terpenting dari biofilter adalah material pemuatan. Menurut jenis bahan pembebanannya, dibagi menjadi 2 kategori: dengan pembebanan volumetrik dan datar. Biofilter adalah tangki berbentuk bulat dan persegi panjang yang diisi dengan material pemuatan. Material volumetrik yang terdiri dari kerikil, lempung mengembang, terak dengan ukuran pecahan 15¸80 mm, setelah disortir pecahannya, diisi dengan lapisan setinggi 2¸4 m. Bahan planar dibuat dalam bentuk elemen keras (cincin, tubular terbuat dari balok plastik, keramik, logam) dan lunak (kain gulung), yang dipasang pada badan biofilter pada lapisan setebal 8 m.
Air limbah yang disuplai di atas permukaan material pemuatan didistribusikan secara merata melaluinya, sementara lapisan biologis (biocenosis) terbentuk di permukaan material, mirip dengan lumpur aktif di tangki aerasi. Bahan pemuatan ditopang oleh dasar kisi, melalui lubang-lubang di mana air limbah yang telah diolah memasuki dasar padat biofilter dan dibuang dari biofilter ke tangki pengendapan sekunder menggunakan baki.
Biofilter dengan pemuatan volumetrik efektif untuk pengolahan biologis lengkap. Biofilter dengan pemuatan datar juga dapat digunakan untuk pengolahan biologis lengkap, namun lebih bijaksana untuk menggunakannya sebagai tahap pertama dari pengolahan biologis dua tahap ketika ada ledakan emisi air limbah industri dengan konsentrasi tinggi atau ketika kompleks pengolahan sedang dibangun kembali.
Saat mengoperasikan fasilitas pengolahan biologis, perlu untuk mematuhi peraturan teknologi pengoperasiannya, untuk menghindari kelebihan beban dan terutama ledakan komponen beracun, karena pelanggaran tersebut dapat berdampak buruk pada kehidupan organisme. Oleh karena itu, dalam air limbah yang dikirim untuk pengolahan biologis, kandungan minyak dan produk minyak bumi tidak boleh lebih dari 25 mg/l, surfaktan - tidak lebih dari 50 mg/l, garam terlarut - tidak lebih dari 10 g/l.
Pengolahan biologis tidak menjamin kehancuran total semua bakteri patogen dalam air limbah. Oleh karena itu, setelah itu, air didesinfeksi dengan cairan klorin atau pemutih, ozonasi, radiasi ultraviolet, elektrolisis atau ultrasound.
Disinfeksi air limbah yang telah diolah dilakukan untuk memusnahkan bakteri patogen, virus, dan mikroorganisme yang terkandung di dalamnya; efek desinfeksi harus hampir 100%. Oleh karena itu, setelah pemurnian menyeluruh, senyawa klorin atau zat pengoksidasi kuat lainnya (ozon) dimasukkan ke dalam air limbah, yang melindungi badan air dari masuknya patogen ke dalamnya.
Yang paling berbahaya bagi perairan alami, kesehatan manusia, hewan dan ikan adalah berbagai limbah radioaktif yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir selama pengolahan bahan bakar nuklir. Pengolahan air limbah yang mengandung kontaminasi radioaktif bergantung pada tingkat aktivitas dan salinitas. Perairan dengan kandungan salinitas rendah diolah dengan pertukaran ion dan filter aluvial. Pada kandungan garam yang tinggi, metode elektrodialisis dan penguapan digunakan, dan sisa kontaminan dihilangkan menggunakan unit penukar ion. Semua air limbah dengan radioaktivitas di atas tingkat yang diizinkan dialirkan ke reservoir bawah tanah khusus atau dipompa ke kolam drainase bawah tanah yang dalam.
Limbah mengandung zat yang berasal dari organik dan anorganik, dan lebih banyak zat organik. Dan jika cara termudah untuk menghilangkan inklusi anorganik adalah secara mekanis, maka diperlukan metode lain untuk menghilangkan kotoran organik. Salah satu yang utama adalah pengolahan air limbah biologis. Anda akan mempelajari tentang fitur, variasi, dan teknologinya di artikel ini.
Air adalah kehidupan, tetapi kita mengkonsumsinya dalam keadaan bersih dan mengembalikannya dalam keadaan kotor. Jika saluran air tidak dibersihkan, masa “kelembaban yang berharga” yang digambarkan oleh banyak penulis fiksi ilmiah akan segera tiba. Alam dapat memurnikan air dengan sendirinya, namun proses ini berlangsung sangat lambat. Jumlah penduduk bertambah, volume konsumsi air juga meningkat, sehingga masalah pengolahan air limbah yang terorganisir dan menyeluruh menjadi sangat akut. Teknologi pemurnian air yang paling efektif adalah biologis. Namun, sebelum mempertimbangkan prinsip dasar pengoperasiannya, Anda perlu memahami komposisi air.
Komposisi air limbah domestik
Setiap rumah dengan air mengalir juga memiliki sistem saluran pembuangan. Ini memastikan proses normal untuk mengangkut air limbah dari apartemen dan rumah ke stasiun pengolahan. Pipa saluran pembuangan berisi air biasa, namun tercemar. Hanya terdapat 1% pengotor di dalamnya, namun hal inilah yang membuat air limbah tidak layak untuk dimanfaatkan lebih lanjut. Hanya setelah dimurnikan, air dapat digunakan kembali untuk minum dan penggunaan sehari-hari.
Komposisi pasti air limbah tidak dapat disebutkan namanya, karena bergantung pada tempat pengambilan sampel khusus, tetapi bahkan di tempat yang sama jumlah dan kumpulan pengotor dapat bervariasi. Paling sering, air mengandung partikel padat, pengotor biologis, dan inklusi anorganik. Dengan bahan anorganik semuanya sederhana - bahkan filter paling sederhana pun menghilangkannya, tetapi dengan bahan organik Anda harus berjuang. Jika tidak ada tindakan yang dilakukan, zat-zat ini mulai hancur dan membentuk sedimen yang membusuk (sehingga menimbulkan “bau limbah” yang khas). Selain itu, tidak hanya bahan organik yang membusuk yang mulai membusuk, tetapi juga air.
Singkatnya, air limbah mengandung lemak, surfaktan, fosfat, senyawa klorida dan nitrogen, produk minyak bumi, dan sulfat. Mereka tidak dapat menghilang dari air dengan sendirinya - mereka membutuhkan pembersihan menyeluruh. Masalah ini sangat akut terutama pada rumah-rumah yang memiliki sistem drainase dan pasokan air otonom, karena setiap lokasi memiliki tangki septik dan sumur air. Jika saluran air tidak dibersihkan, saluran air tersebut dapat berakhir di keran - dan situasi ini dapat mengancam jiwa.
Metode pengolahan air limbah domestik dan industri
Air limbah dapat memurnikan dirinya sendiri dalam kondisi alami, tetapi hanya jika volumenya kecil. Karena sektor industri sangat berkembang saat ini, sejumlah besar air limbah dihasilkan di saluran keluarnya. Dan untuk mendapatkan air bersih, seseorang harus menyelesaikan masalah limbah - yaitu memurnikannya. Ada beberapa metode pengolahan air limbah - mekanis, kimia, fisika-kimia dan biologi. Mari kita lihat lebih dekat fitur masing-masingnya.
Pembersihan mekanis melibatkan penggunaan teknik seperti filtrasi dan sedimentasi. Alat utamanya adalah kisi-kisi, ayakan, penyaring, perangkap dan perangkap. Ketika air mengalami pemurnian primer, ia memasuki tangki pengendapan - wadah yang dirancang untuk mengendapkan air limbah dengan pembentukan sedimen. Pembersihan mekanis digunakan di sebagian besar sistem modern, tetapi jarang digunakan sebagai metode independen. Masalahnya adalah tidak cocok untuk menghilangkan komponen kimia dan kotoran organik.
Pemurnian kimia dilakukan dengan menggunakan reagen – bahan kimia khusus yang bereaksi dengan pengotor yang terkandung dalam air dan membentuk endapan yang tidak larut. Hasilnya, kandungan zat tersuspensi yang larut berkurang sebesar 25%, dan kandungan zat tersuspensi yang tidak larut sebesar 95%.
Pemurnian fisika-kimia melibatkan penggunaan teknik seperti oksidasi, koagulasi, ekstraksi, dan sebagainya. Proses-proses ini memungkinkan untuk menghilangkan inklusi anorganik dari air dan menghancurkan kotoran organik yang teroksidasi buruk. Metode pembersihan fisik dan kimia yang paling populer adalah elektrolisis.
Pengolahan biologis adalah proses yang didasarkan pada penggunaan mikroorganisme tertentu dan prinsip aktivitas vitalnya. Bakteri secara spesifik bekerja pada polutan organik tertentu, dan air dimurnikan.
Metode pengolahan air limbah biologis dan manfaatnya. Stasiun dan fasilitas untuk pengolahan air limbah biologis
Metode pengolahan air limbah biologis meliputi tangki aerasi, filter biologis, dan yang disebut biopond. Setiap metode memiliki karakteristiknya masing-masing, yang akan kami ceritakan di bawah ini.
Tangki aero
Metode pengolahan biologis ini melibatkan interaksi air limbah yang sebelumnya dimurnikan secara mekanis dan lumpur aktif. Interaksi terjadi dalam wadah khusus - setidaknya terdiri dari dua bagian dan dilengkapi dengan sistem aerasi. Lumpur aktif mengandung sejumlah besar mikroorganisme aerobik, yang, dalam kondisi tertentu, menghilangkan berbagai polutan dari air limbah. Lumpur adalah sistem biocenosis yang kompleks di mana bakteri, yang mendapat pasokan oksigen secara teratur, mulai menyerap kotoran organik. Pemurnian biologis terjadi terus-menerus dalam satu kondisi utama - udara harus masuk ke dalam air. Ketika pemrosesan organik selesai, tingkat konsumsi oksigen (BOD) turun dan air disuplai ke bagian berikutnya.
Di bagian lain, bakteri nitrifikasi terlibat dalam pekerjaan ini, yang memproses unsur seperti nitrogen dari garam amonium menjadi nitrit. Proses ini dilakukan oleh satu bagian mikroorganisme, sementara bagian lainnya memakan nitrit untuk membentuk nitrat. Setelah proses ini selesai, air limbah yang telah diolah dialirkan ke tangki pengendapan sekunder. Di sini lumpur aktif mengendap, dan air murni dikirim ke reservoir.
Biofilter adalah stasiun pengolahan biologis yang populer di kalangan pemilik rumah pedesaan. Ini adalah perangkat kompak yang mencakup reservoir dengan material pemuatan. Dalam bentuk film aktif di dalam biofilter terdapat mikroorganisme yang melakukan proses yang sama seperti pada kasus pertama.
Jenis instalasi:
- dua tahap;
- filtrasi tetes.
Kinerja perangkat dengan penyaringan tetes rendah, tetapi menjamin tingkat pemurnian air limbah yang maksimal. Tipe kedua lebih produktif, tetapi kualitas pembersihannya kira-kira sama dengan tipe pertama. Kedua filter tersebut terdiri dari apa yang disebut “badan”, distributor, sistem drainase dan distribusi udara. Prinsip pengoperasian biofilter mirip dengan prinsip pengoperasian tangki aerasi.
Kolam biologis
Untuk melakukan pengolahan air limbah dengan metode ini, harus ada reservoir buatan terbuka yang di dalamnya akan dilakukan proses pemurnian diri. Metode ini adalah yang paling efektif; bahkan kolam dangkal hingga kedalaman satu meter pun bisa digunakan. Luas permukaan yang signifikan memungkinkan air memanas dengan baik, yang juga memiliki efek yang diperlukan pada proses vital mikroorganisme yang terlibat dalam pemurnian. Metode ini paling efektif di musim panas - pada suhu sekitar 6 derajat ke bawah, proses oksidasi terhenti. Di musim dingin, pembersihan tidak dilakukan sama sekali.
Jenis kolam:
- budidaya ikan (dengan pengenceran);
- multi-tahap (tanpa pengenceran);
- kolam pengolahan tersier.
Dalam kasus pertama, air limbah dicampur dengan air sungai dan kemudian dikirim ke kolam. Yang kedua, air dikirim ke reservoir tanpa pengenceran segera setelah mengendap. Cara pertama membutuhkan waktu sekitar dua minggu, dan cara kedua membutuhkan waktu satu bulan. Keuntungan dari sistem multi-tahap adalah harganya yang relatif murah.
Apa keuntungan dari pengolahan air limbah biologis?
Pengolahan air limbah secara biologis menjamin produksi hampir 100% air bersih. Namun perlu diingat bahwa biostation tidak digunakan sebagai metode independen. Anda bisa mendapatkan air jernih hanya jika Anda terlebih dahulu menghilangkan kotoran anorganik dengan cara lain, dan kemudian menghilangkan bahan organik menggunakan metode biologis.
Bakteri aerobik dan anaerobik - apa itu?
Mikroorganisme yang digunakan dalam proses pengolahan air limbah dibagi menjadi aerobik dan anaerobik. Yang aerobik hanya ada di lingkungan yang mengandung oksigen dan sepenuhnya memecah bahan organik menjadi CO2 dan H2O, sekaligus mensintesis biomassanya sendiri. Rumus untuk proses ini adalah sebagai berikut:
CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + biomassa bakteri,
dimana CxHyOz merupakan zat organik.
Mikroorganisme anaerobik biasanya bertahan tanpa oksigen, namun pertumbuhan biomassanya kecil. Bakteri jenis ini diperlukan untuk fermentasi senyawa organik bebas oksigen dengan pembentukan metana. Rumus:
CxHyOz -> CH4 + CO2 + biomassa bakteri
Teknik anaerobik sangat diperlukan pada konsentrasi bahan organik yang tinggi - yang melebihi batas maksimum yang diperbolehkan untuk mikroorganisme aerob. Dengan kandungan organik yang rendah, mikroorganisme anaerobik justru tidak efektif.
Tujuan metode biologis pemurnian air
Mayoritas polutan limbah adalah zat yang berasal dari organik. Sumber utama polutan dan konsumen air limbah yang diolah:
- Layanan perumahan dan komunal, perusahaan industri makanan dan kompleks peternakan.
- Usaha industri kimia, penyulingan minyak, pulp dan kertas, serta kulit.
Komposisi air limbah dalam kasus ini akan berbeda. Satu hal yang pasti - hanya dengan pembersihan menyeluruh dengan penggunaan metode biologis yang wajib, hasil ideal dapat dicapai.
Prinsip pengolahan biologis dan daftar peralatan yang dibutuhkan
Dengan mempertimbangkan prinsip pengolahan biologis saat ini, peralatan dipilih untuk mengatur instalasi pengolahan biologis. Opsi utama:
- kolam biologis;
- bidang filter;
- biofilter;
- tangki aerasi;
- metatenk;
- menyaring sumur;
- filter pasir dan kerikil;
- saluran sirkulasi oksidasi;
- bioreaktor.
Harap dicatat bahwa teknik yang berbeda dapat digunakan untuk pengolahan air limbah buatan dan alami.
Pengolahan air limbah menggunakan metode biologis: kelebihan dan kekurangan
Metode biologis efektif untuk memurnikan air limbah dari bahan organik, tetapi hasil yang sangat baik hanya dapat dicapai melalui penggunaan metode yang berbeda secara terpadu. Selain itu, kemungkinan bakteri tidak terbatas - mikroorganisme menghilangkan kotoran organik kecil. Biaya instalasi pengolahan biologis relatif rendah.
Semua metode pengolahan air limbah
Sebelum memasuki sistem pengolahan biologis, air limbah harus menjalani pemurnian mekanis, dan setelah itu - desinfeksi (klorinasi, ultrasound, elektrolisis, ozonasi, dll.) dan desinfeksi. Oleh karena itu, sebagai bagian dari pengolahan air limbah yang komprehensif, metode kimia, mekanik, membran, dan reagen juga digunakan.
Setiap air limbah mengandung komponen yang berasal dari organik dan anorganik. Jika inklusi anorganik yang besar dan padat dapat dengan mudah dihilangkan dengan menggunakan metode filtrasi mekanis, maka tidak mungkin untuk menghilangkan komponen organik kompleks yang ada dalam air dalam bentuk suspensi. Ini memerlukan pengolahan air limbah biokimia. Teknik ini tidak kalah efektif dan tidak semahal metode pembersihan buatan. Selain itu, metode pembersihan ini tidak memerlukan proses yang rumit untuk mendaur ulang reagen yang digunakan.
Metode pembersihan biokimia didasarkan pada penggunaan bakteri khusus, yang, selama aktivitas hidupnya, memecah senyawa organik kompleks menjadi unsur yang lebih sederhana - air, karbon dioksida, dan sedimen mineral.
Bakteri ini selalu ada di tanah dan air, dan berkontribusi terhadap pemurnian alami tanah dan air. Namun karena konsentrasinya rendah, proses pembersihan alami berlangsung agak lambat.
Di instalasi pengolahan air limbah yang menggunakan pengolahan biokimia, terdapat koloni besar bakteri yang terlibat dalam pengolahan air limbah. Pada saat yang sama, kondisi yang menguntungkan diciptakan dalam struktur ini untuk kehidupan mikroorganisme, yang memungkinkan untuk secara signifikan mempercepat proses pemurnian air dalam struktur dibandingkan dengan pemurnian alami di alam.
Biasanya, pemurnian biokimia menggunakan salah satu dari dua jenis bakteri atau kombinasi keduanya:
- Mikroorganisme aerobik memproses senyawa organik kompleks. Sebagai hasil oksidasi, mereka terurai menjadi air, sedimen mineral dan karbon dioksida. Ciri utama bakteri ini adalah mereka membutuhkan oksigen, sehingga bangunan yang menggunakannya dilengkapi dengan aerator dan kompresor.
- Mikroorganisme anaerobik selalu ada dalam jumlah kecil di air limbah. Bakteri ini tidak memerlukan oksigen. Namun mereka membutuhkan karbon dioksida dan nitrat untuk menjalankan aktivitas hidupnya. Organisme ini mengeluarkan metana selama hidupnya, sehingga perlu digunakan sistem ventilasi pada bangunan.
Metode pemurnian biokimia
Saat ini metode biokimia pengolahan air limbah berikut digunakan:
- Kolam biologis.
- Desain menggunakan metode pembersihan aerobik - tangki aerasi dan biofilter.
- Alat pengolahan dengan dekomposisi anaerobik (septic tank, settling tank dan digester).
Biopond
Ini adalah reservoir buatan dengan kedalaman kecil (0,5-1 m), di mana air limbah mengalami proses yang sangat mirip dengan pemurnian diri secara alami. Kolam-kolam ini mendapat panas matahari yang baik, sehingga menciptakan kondisi yang menguntungkan bagi kehidupan bakteri.
Efek sanitasi tertinggi dari kolam dicapai pada musim panas. Dengan demikian, koloni E. coli dihancurkan sebesar 99%, mikroorganisme berbahaya dari kelompok usus dihancurkan sepenuhnya, oksidasi lingkungan berkurang sebesar 90 persen, dan konsentrasi amonium dan nitrogen organik berkurang sebesar 97%.
Penting: metode pembersihan ini juga bisa digunakan di musim dingin. Kolam bisa berfungsi di bawah lapisan es. Hanya salju yang perlu dibersihkan agar sinar matahari dapat mencapai bakteri.
Kolam biologis tersedia dalam beberapa jenis:
- Waduk yang mengalir, dimana air limbah diencerkan dengan air sungai. Setelah settling tank, air limbah dicampur dengan air dengan perbandingan 1 banding 3-5. Di sini cairan dimurnikan selama 14-21 hari. Kolam ini cocok untuk budidaya ikan dan beternak bebek. Kerugiannya adalah perlunya membangun tangki pengendapan dan kebutuhan air sungai.
- Kolam mengalir yang limbahnya tidak diencerkan dengan air sungai. Metode pengolahan ini melibatkan mengalirkan air limbah melalui 4-5 reservoir. Kolam pertama harus memiliki pembatas untuk menampung sedimen padat, sedangkan kolam terakhir cocok untuk budidaya ikan.
- Waduk untuk pengolahan air limbah digunakan di instalasi pengolahan biologis di mana tidak mungkin untuk memproses air limbah dalam jumlah besar atau di mana diperlukan pemurnian tingkat tinggi. Biasanya keseluruhan sistem terdiri dari 2-3 kolam, di mana ikan juga bisa dipelihara.
- Kolam anaerobik kedalamannya mencapai beberapa meter. Metode pembersihan anaerobik digunakan di sini. Kerugian utama dari kolam tersebut adalah metana terus-menerus dilepaskan ke lingkungan, dan bakteri patogen dapat masuk ke air tanah.
- Hubungi reservoir. Prinsip pemurnian di sini didasarkan pada fakta bahwa dalam air yang tergenang, proses oksidasi biokimia berlangsung lebih cepat. Sistem ini terdiri dari serangkaian kartu paralel. Air berpindah dari satu perairan ke perairan lainnya setiap hari. Proses pembersihan lengkap selesai dalam 5-10 hari.
Stasiun pengolahan dekomposisi aerobik
Struktur tersebut termasuk biofilter dan tangki aerasi. Prinsip pengoperasian biofilter didasarkan pada kenyataan bahwa air yang terkontaminasi terlebih dahulu melalui tahap pemurnian mekanis. Setelah beberapa waktu, muatan (bagian dari biofilter) mulai kotor dengan lapisan biologis. Proses ini terjadi karena adanya adsorpsi mikroorganisme dari air limbah. Baru setelah itu proses oksidasi biokimia bahan organik dimulai.
Penting: syarat utama pembersihan yang efektif adalah adanya aerasi yang baik.
Biofilter adalah struktur yang diisi dengan bahan berbutir kasar yang tidak dapat membengkak (terak, kerikil, batu pecah). Permukaan bahan ini diairi dengan limbah setiap 10-15 menit. Cairan yang melewati filter melewati lubang drainase dan mengalir ke baki. Aerasi filter biologis dapat dilakukan secara buatan atau alami. Metode aerasi buatan dapat mempercepat proses oksidasi biologis secara signifikan.
Tangki aerasi merupakan fasilitas pengolahan yang menggunakan prinsip pengolahan air limbah biologis alami. Namun, intensitas proses ini jauh lebih tinggi. Aerasi air limbah disini dilakukan dengan cara memompa udara menggunakan aerator dan kompresor. Di sini, fungsi film biologis dilakukan oleh lumpur aktif - ini adalah serpihan khusus yang terdiri dari suspensi mikroorganisme.
Prinsip pembersihan di fasilitas tersebut adalah sebagai berikut:
- Air limbah yang bercampur dengan lumpur aktif memasuki tangki panjang dan bergerak melaluinya.
- Untuk mempertahankan lumpur dalam suspensi dan mempercepat proses oksidatif, udara terus-menerus dipompa ke dalam sistem di bawah tekanan.
- Setelah proses oksidasi selesai, campuran lumpur dan air limbah memasuki tangki pengendapan sekunder, dimana lumpur aktif dipisahkan dari air murni. Lumpur aktif dipompa kembali ke tangki aerasi menggunakan angkutan udara.
- Setelah disinfeksi, air dapat dibuang ke badan air.
Penting: metode pembersihan ini menyebabkan terbentuknya lumpur aktif dalam jumlah besar, sehingga harus dibuang secara berkala. Lumpur aktif yang dihasilkan dapat digunakan untuk menyuburkan lahan.
Lumpur aktif merupakan biomassa yang terdiri dari bakteri, protozoa, mikroorganisme nitrifikasi dan denitrifikasi, serta jamur. Tidak ada perwakilan kelompok alga dalam komposisi tersebut. Lumpur aktif menyerap bakteri coliform dengan sempurna.
Stasiun perawatan pencernaan anaerobik
Lumpur limbah terdiri dari 95 persen air, 5 persen karbohidrat, lemak dan protein. Metode biokimia juga digunakan untuk mendisinfeksi lumpur di instalasi pengolahan air limbah. Mereka memungkinkan Anda mengubah struktur lumpur, sehingga menjadi zat yang cepat kering dan mudah didaur ulang.
Proses fermentasi anaerobik dalam kondisi alami terjadi dengan pelepasan metana, air dan karbon dioksida. Ada jenis fasilitas pengolahan berikut yang menggunakan proses dekomposisi anaerobik:
- Septic tank adalah struktur yang menggabungkan proses fermentasi dan pembentukan sedimen. Desain ini cocok untuk melayani benda-benda kecil - rumah pedesaan dan dacha. Pembersihan septic tank dapat dilakukan secara manual, karena dimensi strukturnya kecil. Biasanya prosedur ini dilakukan 1-2 kali setahun. Lumpur septic tank yang tercerna tidak dapat digunakan sebagai pupuk karena mengancam lingkungan. Sebelum pembuangan lumpur, lumpur harus didesinfeksi dengan pemanasan hingga 60 derajat. Septic tank bisa terdiri dari 1, 2 atau 3 ruang. Desain ini cocok untuk pengolahan awal air limbah, setelah itu memerlukan pengolahan tambahan di bidang filtrasi, di sumur filtrasi atau parit.
- Pencerna. Di sini, lumpur difermentasi menggunakan pemanasan buatan. Air limbah datang ke sini setelah tangki pengendapan utama. Digester adalah tangki tertutup di mana pencernaan lumpur secara anaerobik dilakukan. Dalam struktur seperti itu, sedimen baru terus-menerus bercampur dengan sedimen matang. Efisiensi seluruh struktur bergantung pada jumlah sedimen matang. Semakin banyak, semakin baik.
- Tangki pengendapan dua tingkat berbeda dari septic tank karena banyak kekurangannya yang dihilangkan. Dengan demikian, gas yang dilepaskan selama penguraian lumpur tidak dapat masuk ke air limbah cair. Dalam desain ini, proses fermentasi bisa berlangsung dari 1 hingga 6 bulan. Pada saat yang sama, terdapat perangkap gas di atas tangki pengendapan dua tingkat. Lumpur yang telah dicerna diumpankan ke perkebunan lumpur untuk dikeringkan. Penguraian bahan organik di bak jauh lebih cepat dan efisien dibandingkan di septic tank. Struktur seperti itu tidak digunakan di garis lintang tengah, karena pencernaan lumpur tidak dapat dilakukan di musim dingin.
→ Pengolahan air limbah
Dasar biokimia dari metode pengolahan air limbah biologis
Metode biologis pengolahan air limbah didasarkan pada proses alami aktivitas vital mikroorganisme heterotrofik. Mikroorganisme diketahui memiliki sejumlah sifat khusus, di mana tiga sifat utama harus dibedakan, yang banyak digunakan untuk tujuan pembersihan:
1. Kemampuan mengkonsumsi berbagai macam senyawa organik (dan beberapa anorganik) sebagai sumber makanan untuk memperoleh energi dan menjamin fungsinya.
2. Kedua, sifat ini adalah berkembang biak dengan cepat. Rata-rata, jumlah sel bakteri berlipat ganda setiap 30 menit. Menurut Prof. N.P. Blinov, jika mikroorganisme dapat berkembang biak tanpa hambatan, maka, dengan nutrisi yang cukup dan kondisi yang sesuai, dalam 5-7 hari massa hanya satu jenis mikroorganisme akan memenuhi cekungan seluruh lautan dan samudera. Namun hal ini tidak terjadi baik karena terbatasnya sumber makanan maupun karena keseimbangan ekologi alam yang ada.
3. Kemampuan membentuk koloni dan akumulasi yang relatif mudah dipisahkan dari air murni setelah selesainya proses penghilangan kontaminan yang terkandung di dalamnya.
Dalam sel mikroba hidup, dua proses terjadi secara terus menerus dan bersamaan - pemecahan molekul (katabolisme) dan sintesisnya (anabolisme), yang membentuk keseluruhan proses metabolisme - metabolisme. Dengan kata lain, proses penghancuran senyawa organik yang dikonsumsi oleh mikroorganisme terkait erat dengan proses biosintesis sel mikroba baru, berbagai produk antara atau akhir, yang pelaksanaannya menghabiskan energi yang diterima sel mikroba sebagai akibat dari proses tersebut. konsumsi nutrisi. Sumber nutrisi mikroorganisme heterotrofik adalah karbohidrat, lemak, protein, alkohol, dll, yang dapat diuraikan olehnya baik dalam kondisi aerobik maupun anaerobik. Sebagian besar produk transformasi mikroba dapat dilepaskan oleh sel ke lingkungan atau terakumulasi di dalamnya. Beberapa produk antara berfungsi sebagai cadangan nutrisi yang digunakan sel setelah nutrisi utama habis.
Seluruh siklus hubungan antara sel dan lingkungan dalam proses pembuangan dan transformasi nutrisi ditentukan dan diatur oleh enzim yang sesuai. Enzim terlokalisasi di Sitoplasma dan di berbagai substruktur yang tertanam di membran sel, dilepaskan ke permukaan sel atau ke lingkungan. Total kandungan enzim dalam suatu sel mencapai 40-60% dari total kandungan protein di dalamnya, dan kandungan setiap enzim dapat berkisar antara 0,1 hingga 5% dari kandungan protein. Selain itu, sel dapat mengandung lebih dari 1000 jenis enzim, dan setiap reaksi biokimia yang dilakukan oleh sel dapat dikatalisis oleh 50-100 molekul enzim yang sesuai. Beberapa enzim merupakan protein kompleks (proteid), selain mengandung bagian protein (apoenzim) juga terdapat bagian non-protein (koenzim). Dalam banyak kasus, koenzim adalah vitamin, terkadang kompleks yang mengandung ion logam.
Enzim dibagi menjadi enam kelas menurut sifat reaksi yang dikatalisisnya: proses oksidatif dan reduksi; perpindahan berbagai kelompok kimia dari satu substrat ke substrat lainnya; pembelahan hidrolitik ikatan kimia substrat; pembelahan atau penambahan kelompok kimia dari substrat; perubahan di dalam media; menghubungkan molekul substrat menggunakan senyawa berenergi tinggi.
Karena sel mikroba hanya mengonsumsi zat organik yang dilarutkan dalam air, penetrasi zat yang tidak larut dalam air, seperti pati, protein, selulosa, dll. ke dalam sel hanya mungkin terjadi setelah persiapan yang tepat, di mana sel melepaskan enzim yang diperlukan ke dalam sel. cairan di sekitarnya pembelahan hidrolitiknya menjadi subunit yang lebih sederhana.
Koenzim menentukan sifat reaksi yang dikatalisis dan dibagi menjadi tiga kelompok sesuai dengan fungsinya:
1. Mengangkut ion hidrogen atau elektron. Terkait dengan enzim redoks - oksidoreduktase.
2. Berpartisipasi dalam transfer gugus atom (ATP - asam adenosin trifosfat, karbohidrat fosfat, CoA - koenzim A, dll)
3. Katalis reaksi sintesis, dekomposisi dan isomerisasi ikatan karbon.
Mekanisme penghilangan dari larutan dan disimilasi substrat selanjutnya sangat kompleks dan bersifat multi-tahap, reaksi biokimia yang saling berhubungan dan berurutan ditentukan oleh jenis nutrisi dan respirasi bakteri. Cukuplah dikatakan bahwa banyak aspek dari mekanisme ini yang masih belum sepenuhnya jelas, meskipun digunakan secara praktis, baik di bidang bioteknologi maupun di bidang pemurnian biokimia air dari pengotor organik dalam berbagai skema desain teknologi.
Model paling awal dari proses penghilangan biokimia dan oksidasi kontaminan didasarkan pada tiga prinsip utama: penghilangan serapan dan akumulasi zat yang dihilangkan pada permukaan sel; pergerakan difusi melalui membran sel baik zat itu sendiri, atau produk hidrolisisnya, atau kompleks hidrofobik yang dibentuk oleh zat penembus hidrofilik dan protein perantara; transformasi metabolik nutrisi yang memasuki sel, memastikan penetrasi difusi zat ke dalam sel.
Sesuai dengan model ini, diyakini bahwa proses penghilangan nutrisi dari air dimulai dengan penyerapan dan akumulasinya pada permukaan sel, yang memerlukan pencampuran biomassa dengan substrat secara konstan, memberikan kondisi yang menguntungkan untuk “tabrakan” sel dengan molekul substrat.
Mekanisme perpindahan suatu zat dari permukaan sel ke dalamnya - model ini dijelaskan baik dengan melekatnya zat penetrasi ke protein pembawa tertentu, yang merupakan komponen membran sel, yang setelah memasukkan zat tersebut ke dalam sel, dilepaskan dan dikembalikan ke permukaannya untuk menyelesaikan “penangkapan” zat baru dan siklus transfer baru, atau dengan pelarutan langsung zat ini ke dalam zat dinding dan membran sitoplasma, yang menyebabkan zat tersebut berdifusi ke dalam sel. . Proses konsumsi zat yang stabil dimulai hanya setelah “periode keseimbangan” zat tertentu antara larutan dan sel, yang dijelaskan oleh terjadinya hidrolisis dan pergerakan difusi zat melalui membran sel ke membran sitoplasma. , di mana berbagai enzim terkonsentrasi. Dengan timbulnya transformasi metabolik, keseimbangan penyerapan terganggu, dan gradien konsentrasi menjamin kelangsungan pasokan substrat lebih lanjut ke dalam sel.
Pada tahap ketiga, semua transformasi metabolik substrat terjadi, sebagian menjadi produk akhir seperti karbon dioksida, air, sulfat, nitrat (proses oksidasi zat organik), sebagian menjadi sel mikroba baru (proses sintesis biomassa), jika proses transformasi senyawa organik terjadi dalam kondisi aerobik. Jika oksidasi biokimia terjadi dalam kondisi anaerobik, maka dalam prosesnya berbagai produk antara (mungkin untuk tujuan tertentu), CH4, NH3, H2S, dll, dan sel-sel baru dapat terbentuk.
Namun model ini tidak dapat menjelaskan beberapa ciri kinetik dari proses transpor transfer substrat dan, khususnya, akumulasi substrat dalam sel melawan gradien konsentrasi, yang merupakan hasil paling umum dari proses ini dan disebut “ transpor aktif, berbeda dengan transpor difusif. Ciri proses transpor aktif adalah stereospesifisitasnya, ketika zat yang struktur kimianya serupa bersaing untuk mendapatkan pembawa yang sama, dan tidak begitu saja berdifusi ke dalam sel di bawah pengaruh gradien konsentrasi.
Berdasarkan pandangan modern, model pergerakan substrat melalui membran sel mengasumsikan adanya “saluran” hidrofilik di dalamnya, di mana substrat hidrofilik dapat menembus ke dalam sel. Namun, berbeda dengan model yang dijelaskan di atas, pergerakan stereospesifik terjadi di sini, mungkin dicapai karena “perlombaan estafet” transfer molekul substrat dari satu gugus fungsi ke gugus fungsi lainnya. Dalam hal ini, substrat, seperti kunci, membuka saluran yang sesuai untuk penetrasinya (model saluran transmembran).
Model alternatif kedua dapat dilihat sebagai kombinasi dari dua model pertama, dengan menggunakan sifat positifnya. Ini mengasumsikan adanya transporter membran hidrofobik, yang, melalui perubahan konformasi berturut-turut yang disebabkan oleh substrat, membawanya dari luar ke sisi dalam membran (model translokasi konformasi), di mana kompleks hidrofobik hancur. Dalam penafsiran mekanisme transpor substrat melintasi membran sel, istilah “pembawa” masih digunakan, meskipun semakin banyak digantikan dengan istilah “permease”, yang memperhitungkan dasar genetik dari pengkodeannya sebagai komponen membran. sel untuk tujuan mengangkut zat ke dalam sel.
Telah diketahui bahwa sistem transpor membran sering kali mencakup lebih dari satu mediator protein dan mungkin terdapat pembagian fungsi di antara keduanya. Protein yang “mengikat” mengidentifikasi substrat dalam medium, memasok dan memusatkannya pada permukaan luar membran dan mentransfernya ke transporter “sejati”, yaitu ke transporter. komponen yang mengangkut substrat melintasi membran. Dengan demikian, protein yang terlibat dalam “pengenalan”, pengikatan dan pengangkutan sejumlah gula, asam karboksilat, asam amino dan ion anorganik ke dalam sel bakteri, jamur dan hewan telah diisolasi.
Transformasi proses perpindahan zat ke dalam sel menjadi proses transpor “aktif” searah, yang menyebabkan peningkatan kandungan nutrisi dalam sel terhadap gradien konsentrasinya di lingkungan, memerlukan biaya energi tertentu dari sel. Oleh karena itu, proses perpindahan substrat dari lingkungan ke dalam sel berhubungan dengan proses pelepasan energi metabolik yang terkandung dalam substrat yang terjadi di dalam sel. Energi dalam proses transfer substrat dihabiskan untuk modifikasi kimia substrat atau pembawa itu sendiri untuk menghilangkan atau menghambat interaksi substrat dengan pembawa dan kembalinya substrat melalui difusi melalui membran kembali ke dalam larutan. .
Pandangan modern tentang proses penghilangan biokimia dan oksidasi senyawa organik didasarkan pada dua ketentuan utama teori kinetika enzimatik. Posisi pertama mendalilkan bahwa enzim dan substrat berinteraksi satu sama lain, membentuk kompleks enzim-substrat, yang, sebagai hasil dari satu atau beberapa transformasi, menyebabkan munculnya produk yang mengurangi hambatan aktivasi reaksi yang dikatalisis oleh enzim. enzim karena fragmentasinya menjadi beberapa tahap peralihan, yang masing-masing tidak menemui hambatan energi dalam implementasinya. Posisi kedua menyatakan bahwa, terlepas dari sifat senyawa dan jumlah tahapan selama reaksi enzimatik yang dikatalisis oleh enzim, pada akhir proses enzim keluar tidak berubah dan mampu berinteraksi dengan molekul substrat berikutnya. . Dengan kata lain, sudah pada tahap penarikan substrat, sel berinteraksi dengan substrat untuk membentuk ikatan yang relatif lemah yang disebut “kompleks enzim-substrat”.
Hal di atas diilustrasikan dengan baik dengan contoh ekstraksi glukosa dari larutan oleh berbagai mikroorganisme yang mengandung enzim glukosa oksidase dalam lingkungan dengan molekul oksigen. Glukosa oksidase membentuk kompleks enzim-substrat - glukosa - oksigen - glukosa oksidase, setelah pemecahan produk antara yang terbentuk - glukonolakton dan hidrogen peroksida, seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 11.1.
Glukonolakton yang terbentuk sebagai hasil pemecahan kompleks ini mengalami hidrolisis membentuk asam glukonat.
Salah satu sifat terpenting enzim adalah kemampuannya untuk disintesis dengan adanya dan di bawah pengaruh zat tertentu. Sifat lain yang sama pentingnya adalah kekhususan kerja enzim baik dalam kaitannya dengan reaksi yang dikatalisisnya maupun dalam hubungannya dengan substrat itu sendiri.
Kadang-kadang suatu enzim mampu bekerja pada satu substrat tunggal (spesifisitas absolut), tetapi lebih sering enzim bekerja pada sekelompok substrat yang serupa dengan adanya kelompok atom substrat tertentu.
Beras. 11.1. Skema “pengenalan” substrat oleh enzim, pembentukan kompleks enzim-substrat dan katalisis
Banyak enzim dicirikan oleh spesifisitas stereokimia, yang terdiri dari fakta bahwa enzim bekerja pada sekelompok substrat (dan kadang-kadang pada satu substrat) yang berbeda dari yang lain dalam susunan atom khusus dalam ruang. Peran masing-masing enzim dalam proses oksidasi biokimia zat organik didefinisikan secara ketat: enzim mengkatalisis oksidasi (yaitu penambahan oksigen atau eliminasi hidrogen) atau reduksi (yaitu penambahan hidrogen atau eliminasi hidrogen). oksigen) dari senyawa kimia yang terdefinisi dengan baik. Selama dehidrogenasi, enzim tertentu hanya dapat menghilangkan atom hidrogen tertentu yang menempati posisi spasial tertentu dalam molekul substrat atau produk antara. Hal yang sama berlaku untuk enzim yang mengkatalisis proses metabolisme lainnya.
Proses oksidasi biokimia pada mikroorganisme heterotrofik dibagi menjadi tiga kelompok tergantung pada akseptor akhir atom hidrogen atau elektron yang dikeluarkan dari substrat teroksidasi. Jika akseptornya adalah oksigen, maka proses ini disebut respirasi seluler atau sekadar respirasi; jika akseptor hidrogennya adalah zat organik, maka proses oksidasinya disebut fermentasi; terakhir, jika akseptor hidrogen adalah zat anorganik seperti nitrat, sulfat, dll., maka prosesnya disebut respirasi anaerobik, atau sekadar anaerobik.
Proses yang paling lengkap adalah oksidasi aerobik, karena produknya adalah zat yang tidak mampu terurai lebih lanjut di dalam sel mikroba dan tidak mengandung cadangan energi yang dapat dilepaskan melalui reaksi kimia biasa. Zat utama ini, sebagaimana telah disebutkan, adalah karbon dioksida (CO2) dan air (H20). Meskipun kedua zat ini mengandung oksigen, jalur kimia pembentukannya di dalam sel mungkin berbeda, karena karbon dioksida dapat dihasilkan sebagai hasil proses biokimia yang terjadi di lingkungan bebas oksigen di bawah pengaruh enzim - dekarboksilase, yang menghilangkan CO2 dari gugus karboksil (COOH) asam. Air, sebagai hasil aktivitas vital sel, dibentuk secara eksklusif dengan menggabungkan oksigen di udara dengan hidrogen dari zat organik tersebut, yang kemudian dipecah dalam proses oksidasinya.
Disimilasi aerobik substrat - karbohidrat, protein, lemak - adalah proses multi-tahap, termasuk pemecahan awal zat kompleks yang mengandung karbon menjadi subunit yang lebih sederhana (misalnya, polisakarida - menjadi gula sederhana; lemak - menjadi asam lemak dan gliserol ; protein - menjadi asam amino), yang pada gilirannya mengalami transformasi lebih lanjut. Dalam hal ini, aksesibilitas substrat terhadap oksidasi sangat bergantung pada struktur kerangka karbon molekul (lurus, bercabang, siklik) dan keadaan oksidasi atom karbon. Gula, terutama heksosa, dianggap yang paling banyak tersedia, diikuti oleh alkohol polihidrat (gliserol, manitol, dll.) dan asam karboksilat. Jalur akhir umum yang menyelesaikan metabolisme aerobik karbohidrat, asam lemak, dan asam amino adalah siklus asam trikarboksilat (siklus TCA) atau siklus Krebs, di mana zat-zat ini masuk pada satu tahap atau lainnya. Perlu dicatat bahwa dalam kondisi metabolisme aerobik, sekitar 90% oksigen yang dikonsumsi digunakan di saluran pernapasan untuk produksi energi oleh sel mikroba.
Fermentasi adalah proses pemecahan tidak sempurna zat organik, terutama karbohidrat, dalam kondisi tanpa oksigen, yang menghasilkan pembentukan berbagai produk antara yang teroksidasi sebagian, seperti alkohol, gliserin, format, laktat, asam propionat, butanol, aseton, metana, dll, yang banyak digunakan dalam bioteknologi untuk memperoleh produk sasaran. Hingga 97% substrat organik dapat diubah menjadi produk sampingan dan metana.
Pemecahan protein dan asam amino secara enzimatis secara anaerobik disebut pembusukan.
Karena keluaran energi yang rendah selama jenis metabolisme fermentasi, sel mikroba yang melaksanakannya harus mengonsumsi substrat dalam jumlah yang lebih besar (pada kedalaman penguraian yang lebih rendah) dibandingkan sel yang menerima energi melalui respirasi, yang menjelaskan pertumbuhan yang lebih efisien. sel dalam kondisi aerobik dibandingkan dengan kondisi anaerobik.
Sel menerima jumlah energi terbesar untuk fungsinya sebagai hasil oksidasi hidrogen oleh oksigen, yang dipecah dari substrat teroksidasi di bawah aksi enzim dehidrogenase, yang menurut aksi kimianya, dibagi menjadi nikotinamida (NAD ) dan flavin (FAD). Nikotinamida dehidrogenase adalah yang pertama bereaksi dengan substrat, menghilangkan dua atom hidrogen dari substrat dan menambahkannya ke koenzim. Akibat reaksi ini, substrat teroksidasi dan NAD direduksi menjadi NAD'H2. Selanjutnya, FAD bereaksi, mentransfer hidrogen dari koenzim nikotinamida ke koenzim flavin, akibatnya NAD'H2 dioksidasi lagi menjadi NAD, dan koenzim flavin direduksi menjadi FADH2. Selanjutnya, melalui kelompok enzim redoks yang sangat penting - sitokrom - hidrogen ditransfer ke oksigen molekuler, yang menyelesaikan proses oksidasi dengan pembentukan produk akhir - air.
Dalam reaksi ini, sebagian besar energi yang terkandung dalam substrat dilepaskan. Seluruh proses oksidasi aerobik dapat diwakili oleh diagram pada Gambar. 11.2.
Energi yang dilepaskan selama oksidasi mikroba suatu zat diakumulasikan oleh sel dengan bantuan senyawa berenergi tinggi. Penyimpanan energi universal dalam sel hidup adalah asam adenosin trifosfat - ATP (meskipun ada energi makro lainnya).
Reaksi fosforilasi ini, seperti terlihat pada (11.9), memerlukan energi, yang sumbernya dalam hal ini adalah oksidasi. Oleh karena itu, fosforilasi ADP berhubungan erat dengan oksidasi, dan proses ini disebut fosforilasi oksidatif. Dalam proses fosforilasi oksidatif, selama oksidasi, misalnya, satu molekul glukosa, terbentuk 38 molekul ATP, sedangkan pada tahap glikolisis hanya 2. Perlu dicatat bahwa tahap glikolisis berlangsung persis sama. dalam kondisi aerobik dan anaerobik, yaitu sebelum pembentukan asam piruvat (PVA), dan 2 dari 4 molekul ATP yang terbentuk dihabiskan untuk pembentukannya.
Jalur untuk transformasi lebih lanjut PVC dalam kondisi aerobik dan anaerobik berbeda.
Transformasi aerobik glukosa dapat direpresentasikan dengan skema berikut:
1. Glikolisis: SbH12Ob + 2FA-+2PVK + 2NADH2 + 4ATP (11.10)
2. Transformasi asam piruvat (PVA): 2PVA-*2C02 + 2 Asetil KoA + 2NADH2
3. Siklus asam trikarboksilat (siklus Krebs): Asetil CoA -> 4C02 + 6NADH2 + 2FADH2 + 2ATP (11.12) ECbH12Ob -> 6C02 + 10NADH2 + 2FADH2 + 4ATP (11.13) dimana FAD merupakan flavoprotein.
Oksidasi NADH2 dalam sistem transpor elektron menghasilkan ZATP di
1 mol; oksidasi 2FADH2 menghasilkan 4ATP,
lalu: SbN1206 + 602 -> 6C02 + 6H20 + 38ATP
Dalam kondisi transformasi karbohidrat anaerobik, langkah pertama adalah fosforilasi glukosa, yang dilakukan dengan bantuan ATP di bawah pengaruh enzim heksokinase, yaitu.
Glukosa + A TF-hexokinase > glukosa _ b – fosfat + ADP
Setelah tahap glikolisis dan pembentukan PVC selesai, proses transformasi PVC lebih lanjut bergantung pada jenis fermentasi dan agen penyebabnya. Jenis fermentasi utama: alkohol, asam laktat, asam propionat, asam butirat, metana.
Fosforilasi oksidatif juga dapat terjadi di bawah pengaruh enzim yang mensintesis ATP pada tingkat substrat. Namun, pembentukan ikatan energi tinggi ini sangat terbatas, dan dengan adanya oksigen, sel mensintesis sebagian besar ATP yang dikandungnya melalui sistem transpor elektron.
Akumulasi suatu zat yang dilepaskan selama proses disimilasi dalam kondisi aerobik atau anaerobik dengan bantuan senyawa berenergi tinggi (dan terutama ATP) memungkinkan untuk menghilangkan ketidaksesuaian antara keseragaman proses pelepasan energi kimia dari substrat. dan ketidakrataan proses konsumsinya, yang tidak dapat dihindari dalam kondisi nyata keberadaan sel.
Secara sederhana, seluruh proses penguraian zat organik selama transformasi aerobik dapat direpresentasikan oleh diagram yang ditunjukkan pada Gambar. 11.3. Diagram transformasi anaerobik PVC setelah tahap glikolisis disajikan pada Gambar. 11.4.
Penelitian telah membuktikan bahwa seringkali jenis metabolisme tidak terlalu bergantung pada keberadaan oksigen di lingkungan, namun pada konsentrasi substrat.
Hal ini menunjukkan bahwa, tergantung pada kondisi operasi spesifik biomassa di lingkungan, proses transformasi senyawa organik aerobik dan anaerobik dapat terjadi secara bersamaan, yang intensitasnya juga akan bergantung pada konsentrasi substrat dan oksigen.
Perlu dicatat di sini bahwa dalam bioteknologi industri, kultur murni digunakan untuk memperoleh berbagai produk yang berasal dari mikroba (pakan atau ragi roti, berbagai asam organik, alkohol, vitamin, obat-obatan), yaitu. mikroorganisme dari satu spesies sering dipilih, dengan pemeliharaan ketat terhadap komposisi spesies, kondisi nutrisi yang sesuai, suhu, reaksi aktif lingkungan, dll., tidak termasuk kemunculan dan perkembangan jenis mikroorganisme lain, yang dapat menyebabkan penyimpangan dalam kualitas produk yang dihasilkan dari standar yang ditetapkan.
Saat mengolah air limbah yang mengandung campuran kontaminan dari berbagai komposisi kimia, yang terkadang bahkan sangat sulit diidentifikasi dengan metode analitik, biomassa yang melakukan pemurnian juga merupakan campuran, atau lebih tepatnya, komunitas berbagai jenis mikroorganisme dan protozoa dengan hubungan yang kompleks di antara mereka. Baik spesies maupun komposisi kuantitatif biomassa dari instalasi pengolahan air limbah akan bergantung pada metode spesifik pengolahan biologis dan kondisi pelaksanaannya.
Menurut perhitungan beberapa ahli, ketika konsentrasi polutan organik terlarut yang dinilai dengan indeks BPKP0Ln mencapai 1000 mg/l, penggunaan metode pembersihan aerobik adalah yang paling menguntungkan. Pada konsentrasi BPKPOLn 1000 hingga 5000 mg/l, indikator ekonomi metode aerobik dan anaerobik akan hampir sama. Pada konsentrasi di atas 5000 mg/l akan lebih tepat menggunakan metode anaerobik. Namun, perlu diperhitungkan tidak hanya konsentrasi polutan, tetapi juga konsumsi air limbah, serta fakta bahwa metode anaerobik mengarah pada pembentukan produk akhir seperti metana, amonia, hidrogen sulfida, dll. dan jangan biarkan diperolehnya kualitas air murni , sebanding dengan kualitas pembersihan menggunakan metode aerobik. Oleh karena itu, pada konsentrasi kontaminan yang tinggi, kombinasi metode anaerobik pada pemurnian tahap pertama (atau tahap pertama) dan metode aerobik pada tahap pemurnian terakhir digunakan. Perlu ditekankan bahwa air limbah domestik dan kota, tidak seperti air limbah industri, tidak mengandung konsentrasi kontaminan yang membenarkan penggunaan metode anaerobik, dan oleh karena itu metode pengolahan ini tidak dibahas dalam bab ini.
Beras. 11.3. Diagram sederhana dari pemecahan tiga langkah molekul nutrisi (B. Alberte et al. 1986)
Beras. 11.4. Konversi asam piruvat oleh mikroorganisme anaerobik menjadi berbagai produk