Kemajuan Penelitian Proses Pengoperasian dan Penerapan MBBR Sistem pada Suhu Rendah
Ringkasan
Proses Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) merupakan salah satu teknologi pengolahan air limbah biofilm yang banyak digunakan saat ini. Dibandingkan dengan proses lumpur aktif konvensional, MBBR menawarkan keunggulan seperti kualitas limbah yang efektif, ketahanan yang kuat terhadap beban kejut, dan tidak memerlukan pengembalian lumpur atau pencucian balik. Selama periode suhu rendah-di musim dingin, khususnya di wilayah utara dan dataran tinggi barat daya, suhu udara dapat dengan mudah turun di bawah 5 derajat , dan suhu air dapat turun di bawah 15 derajat . Suhu rendah dapat menyebabkan ketidakpatuhan terhadap indikator limbah seperti Permintaan Oksigen Kimia (COD), nitrogen amonia, dan nitrogen total dalam sistem MBBR. Penghapusan nitrogen biofilm mencakup nitrifikasi aerobik dan denitrifikasi anoksik, dan suhu merupakan salah satu faktor kunci yang mempengaruhi proses ini. Ketika suhu menurun, laju nitrifikasi bakteri dalam sistem lumpur aktif secara bertahap menurun, dengan penurunan kapasitas nitrifikasi secara signifikan ketika suhu turun di bawah 8 derajat. Artikel ini secara sistematis menguraikan pengoperasian proses MBBR dalam kondisi suhu rendah dari berbagai aspek seperti komunitas mikroba, teknologi peningkatan pembawa, serta kombinasi dan manipulasi proses, sehingga memberikan referensi untuk penelitian dan penerapan lebih lanjut.
1. Penelitian Komunitas Mikroba dalam Sistem MBBR-Suhu Rendah
Saat ini, proses inti dalam instalasi pengolahan air limbah adalah pengolahan biologis.Suhu rendah di musim dingin (kurang dari atau sama dengan 15 derajat) menghambat aktivitas bakteri nitrifikasi dalam bioreaktor, mempengaruhi proses nitrifikasi dan membatasi kapasitas pembuangan nitrogen sistem.. Bakteri nitrifikasi bersifat autotrofik dengan siklus generasi yang panjang dan sensitif terhadap perubahan suhu, dengan kisaran suhu pertumbuhan optimal 20–35 derajat.
1.1 Aktivitas Mikroba
Biofilm pada reaktor MBBR tumbuh menempel pada permukaan pembawa, mendukung pertumbuhan mikroorganisme dengan siklus generasi yang panjang, sehingga meningkatkan kandungan bakteri nitrifikasi dalam sistem. Dibandingkan dengan proses lumpur aktif, MBBR menunjukkan kinerja nitrifikasi yang lebih kuat pada suhu rendah, sehingga banyak digunakan dalam-pengolahan air limbah bersuhu rendah. Suhu rendah merupakan salah satu faktor lingkungan penting yang mempengaruhi kinerja nitrifikasi reaktor ini. Penurunan suhu menyebabkan penurunan fluiditas membran sel dan katalisis enzim, penurunan transportasi material dan laju metabolisme, sehingga mempengaruhi stabilitas struktur sekunder asam nukleat dan menghambat replikasi DNA, transkripsi mRNA, dan translasi. Ketika suhu turun di bawah titik beku sitoplasma, kristal es terbentuk di dalam sel, menyebabkan kerusakan struktural yang parah. Studi oleh Qiu Tian dkk. menunjukkan ituaktivitas oksidasi amonia dan oksidasi nitrit biofilm MBBR pada suhu 10 derajat masing-masing adalah 55% dan 56% dari aktivitas oksidasi pada suhu 20 derajat.. Zheng Zhijia dkk. menguji tingkat nitrifikasi lumpur aktif diinstalasi pengolahan air limbah di musim panas (20 derajat ) dan musim dingin (8 derajat ), menemukan bahwa laju nitrifikasi nitrogen amonia pada suhu 8 derajat adalah 48,5% dibandingkan pada suhu 20 derajat. Dampak suhu rendah terhadap kapasitas nitrifikasi tangki biokimia mencakup dua aspek: pertama, suhu rendah mempengaruhi aktivitas komunitas bakteri nitrifikasi, dan kedua, suhu rendah yang berkepanjangan mengurangi populasi bakteri nitrifikasi dalam lumpur aktif.
1.2 Kompetisi Komunitas Mikroba
Karena bakteri nitrifikasi bersifat autotrofik, komunitas mikroba lain berdampak signifikan pada proses nitrifikasi dan bersaing ketat dengan bakteri nitrifikasi. Houweling dkk. melakukan eksperimen proses MBBR, menunjukkan bahwa pada suhu 4 derajat, MBBR memiliki potensi nitrifikasi tertentu, namun pertumbuhan mikroorganisme heterotrofik yang berlebihan dalam sistem mengurangi laju nitrifikasi sampai batas tertentu. Shao Shuhai dkk. menunjukkan bahwa efek penghilangan nitrogen pada MBBR-tahap tunggal tidak ideal karena persaingan antara bakteri nitrifikasi dan heterotrofik. Han Wenjie dkk. mempelajari perubahan komunitas mikroba dan pola distribusi biologis di instalasi pengolahan air limbah menggunakan proses hibrid MBBR selama musim bersuhu rendah, menemukan bahwa jumlah spesies mikroba dalam biofilm pembawa tersuspensi lebih rendah dibandingkan lumpur aktif dari sistem yang sama, dengan distribusi spesies yang tidak merata. Penambahan pembawa tersuspensi meningkatkan keanekaragaman mikroba dalam sistem, sementara mode influent dan operasional memiliki selektivitas tertentu pada komposisi komunitas mikroba. Wu Han dkk. simulasi pengolahan air limbah domestik menggunakan tiga reaktor MBBR batch berurutan dengan jenis pengisi berbeda. Dengan menurunkan suhu secara bertahap (25, 20, 15, 10, 6, dan 5 derajat ) untuk mengolah dan menyesuaikan biofilm dengan air limbah bersuhu rendah, mereka menemukan bahwa mikroorganisme yang berbeda mendominasi di tiga reaktor. Hasil pengurutan throughput yang tinggi menunjukkan bahwa pada suhu 5 derajat, mikroorganisme pengurai bahan organik mendominasi ketiga reaktor; satu reaktor berhasil mengaklimatisasi dan memperkaya bakteri nitrifikasi psikrofilik, sementara dua reaktor lainnya memiliki jumlah bakteri pengikat nitrogen yang lebih tinggi-yang tidak mendukung penghilangan nitrogen.
1.3 Aklimatisasi Mikroorganisme Psikrofilik
Teknologi peningkatan aklimasi dan pengayaan untuk-komunitas mikroba dominan bersuhu rendahadalah metode efektif untuk meningkatkan efisiensi operasional dan stabilitas MBBR dalam kondisi{0}}suhu rendah. Melalui induksi progresif dan budidaya yang dioptimalkan, populasi dominan disaring dan diterapkan, memanfaatkan toleransi yang kuat dari komunitas mikroba untuk mengurangi dampak suhu rendah, sehingga menawarkan-potensi stabilitas jangka panjang. Wang Dan dkk. menemukan bahwa dalam kondisi-suhu rendah di musim dingin, penambahan lumpur aktif yang mengandung-komunitas mikroba toleran dingin untuk menghasilkan lumpur aktif-bioreaktor hibrid simbiosis biofilm memberikan keuntungan seperti pengaktifan yang cepat, pembentukan biofilm yang cepat, dan efek pengolahan yang stabil. Delatolla dkk. menemukan bahwa dekarbonisasi sistem pada 1 derajat meningkatkan nitrifikasi biomassa aktif, mengentalkan biofilm, secara efektif meningkatkan jumlah sel yang dapat hidup selama operasi suhu rendah, dan meningkatkan kinerja nitrifikasi sistem. Selain itu, NO, N₂H₄, NH₂OH, dll., adalah zat antara utama yang merangsang proses oksidasi amonium anaerobik (anammox) dan mengurangi penghambatan bakteri anammox oleh NO₂. Zekker et al., dalam penelitian yang mengolah air limbah dengan konsentrasi tinggi (konsentrasi nitrogen amonia 740 mg/L) dengan sistem MBBR, menemukan bahwa penambahan NO secara signifikan mempercepat proses anammox, dan banyaknya bakteri pengoksidasi amonia meningkat secara proporsional selama pengoperasian sistem.
2. Penelitian Teknologi Peningkatan Pembawa MBBR pada Suhu Rendah
Pemilihan bahan pengisi MBBR tersuspensi adalah salah satu teknologi inti dari proses pengolahan air limbah ini dan merupakan faktor kunci yang mempengaruhi efisiensi proses dan biaya teknik. Jenis pengisi yang umum digunakan antara lain pengisi sarang lebah, pengisi semi-lunak, dan pengisi komposit. Aplikasi praktis mungkin menghadapi masalah seperti penyumbatan pengisi, aglomerasi, dan penuaan. Dalam kondisi-suhu rendah, pembentukan biofilm pada pengisi MBBR lebih lambat, berpotensi memperpanjang periode pengaktifan peralatan, menghambat operasi proses normal, mengakibatkan ketahanan beban kejut yang buruk, dan gagal mencapai efek perawatan yang diharapkan. Pembawa tersuspensi MBBR yang digunakan secara industri bervariasi dalam ukuran dan bentuk dan terbuat dari polimer molekul tinggi seperti polietilen densitas tinggi (HDPE), polietilen (PE), atau polipropilen (PP) melalui metode seperti ekstrusi leleh atau granulasi. Dengan-penerapan rekayasa skala besar dari proses ini, variasi operator komersial secara bertahap meningkat. Desain dan pemrosesan pembawa dapat disesuaikan dengan kualitas air dan karakteristik pertumbuhan mikroba, sehingga memungkinkan pengoptimalan dan peningkatan yang ditargetkan untuk menyempurnakan sistem biofilm MBBR dalam kondisi suhu rendah. Dalam aplikasi praktis, modifikasi pembawa terutama berfokus pada peningkatan luas permukaan spesifik, hidrofilisitas, afinitas bio-, sifat magnetik, dll., untuk meningkatkan perpindahan massa pembawa, pembentukan biofilm, dan kinerja pengolahan air limbah.
2.1 Pemuatan Magnetik
Penelitian saat ini telah mengeksplorasi penggunaan medan magnet untuk mengoptimalkan kapasitas pengolahan air limbah MBBR pada suhu rendah.Medan magnet dengan kekuatan tertentu dapat meningkatkan penghilangan polutan dalam proses pengolahan biologis. Di bawah medan magnet yang lemah, polutan organik diperkaya pada permukaan pembawa biologis magnetik melalui agregasi dan adsorpsi magnetik, dibantu oleh gaya magnet, gaya Lorentz, dan efek magneto-koloid. Dalam rentang intensitas yang sesuai, medan magnet dapat meningkatkan pemanfaatan oksigen mikroba, meningkatkan metabolisme pertumbuhan mikroba dan aktivitas enzim, serta meningkatkan permeabilitas membran sel. Jing Shuangyi dkk. mempelajari efek komparatif dari penambahan pembawa magnet [polietilen, bubuk magnet boron besi neodymium (Nd₂Fe₁₄B), dan poliquaternium-10 (PQAS-10), dll.] versus pembawa komersial dalam reaktor MBBR. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dalam kondisi suhu rendah, pembawa magnet secara signifikan meningkatkan aktivitas nitrifikasi biofilm, meningkatkan sekresi zat polimer ekstraseluler (EPS), serta mempertahankan dan meningkatkan morfologi dan struktur biofilm. Pembawa magnetik memperkaya lebih banyak genera bakteri nitrifikasi, dengan jumlah relatif bakteri pengoksidasi amonia dan bakteri pengoksidasi nitrit masing-masing meningkat sebesar 1,82 kali dan 1,05 kali, dibandingkan dengan pembawa komersial, dan mengaklimasi dan memperkaya dua genera bakteri nitrifikasi yang unik.
2.2 Modifikasi Operator
Selain pembebanan magnetik, modifikasi afinitas bahan pembawa tradisional seperti polietilen juga merupakan cara penting untuk meningkatkan kinerja pembentukan biofilm pengisi. Sun Bo dkk. menggunakan bahan pengisi tersuspensi nano baru untuk mengolah-air limbah domestik bersuhu rendah. Pada suhu 10–12 derajat, periode pembentukan biofilm untuk pengisi nano kurang dari 18 hari, lebih pendek dibandingkan pengisi lainnya, dengan tingkat penyisihan COD sistem stabil di sekitar 75%, menunjukkan nilai promosi yang baik. Ren Yanqiang dkk. menggunakan bahan pengisi tersuspensi sarang lebah yang terbuat dari bahan paduan polimer yang sangat hidrofilik untuk mengolah limbah dari tangki sedimentasi utama instalasi pengolahan air limbah dalam kondisi suhu rendah. Hasilnya menunjukkan bahwa bahan pengisi tersuspensi ini secara efektif meningkatkan kapasitas perlekatan mikroorganisme aktif permukaan, sehingga membantu meningkatkan efek pengobatan dari proses MBBR. Han Xiaoyun dkk. menggunakan busa poliuretan lembut dengan struktur pori yang dikembangkan sebagai pembawa yang tidak dapat bergerak untuk memperbaiki komunitas mikroba toleran dingin yang efisien dan terpisah dari lumpur aktif. Setelah menambahkan bahan pengisi ini ke dalam reaktor, efek pengolahan polutan meningkat secara signifikan, dengan laju penghilangan COD sebesar 82% dan laju penghilangan kebutuhan oksigen biokimia (BOD) sebesar 92% pada kondisi suhu rendah. Chen dkk. menggunakan proses MBBR dengan pengisi gel polivinil alkohol (PVA) yang diinokulasi dengan bakteri HN-AD untuk mengolah air limbah peternakan dan peternakan unggas, bukan lumpur aktif. Pada rasio karbon{24}}terhadap{25}}nitrogen (C/N) yang berbeda, kinerja pembawa yang berbeda bervariasi secara signifikan. Struktur berpori gel PVA memberikan perlindungan terhadap bakteri sehingga menghasilkan kinerja yang lebih stabil. Analisis mikroba menunjukkan bahwa proses MBBR dengan pembawa gel PVA mendukung pertumbuhan bakteri autotrofik dan bakteri HN-AD (Paracoccus dan Acinetobacter).
3. Kombinasi Proses dan Peraturan MBBR pada Suhu Rendah
Sistem ini memiliki persyaratan unik untuk pembentukan biofilm pada permukaan pengisi, yang menyoroti pentingnya kombinasi proses dan Regulasi. Nitrifikasi yang stabil di MBBR dapat dicapai melalui Pengaturan parameter dan rasio proses; mengkompensasi dampak suhu rendah melalui pembatasan yang lebih ketat adalah metode yang relatif langsung dan efektif.
3.1 Aerasi
Proses MBBR saat ini terutama diterapkan di lingkungan aerobik. Laju dan metode aerasi dalam reaktor secara langsung mempengaruhi kandungan oksigen terlarut (DO) dalam sistem dan karakteristik pembentukan biofilm, sehingga mempengaruhi tingkat degradasi polutan. Chen Long dkk., selama pengolahan air limbah industri, secara efektif mengatasi kesulitan dalam pembentukan biofilm dengan menggunakan langkah-langkah seperti Aerasi Batch, mencapai tingkat penyisihan COD sebesar 95,5% dan tingkat penyisihan nitrogen amonia sebesar 91%. Orang dkk. menggunakan MBBR untuk mengolah air limbah campuran limbah dapur dan air hitam setelah perlakuan awal anaerobik pada suhu 10 derajat, mencapai nitrifikasi lengkap melalui aerasi berselang. Bian dkk. menemukan bahwa mengendalikan rasio konstan antara DO dan konsentrasi nitrogen amonia total mengoptimalkan efek limbah pada suhu rendah; ketika rasio kontrol tidak melebihi 0,17, proses nitrifikasi tetap stabil pada 6 derajat.
3.2 Rasio-karbon terhadap-Nitrogen (C/N)
Jelas terdapat persaingan antara bakteri nitrifikasi dan bakteri heterotrofik; Oleh karena itu, regulasi C/N menjadi parameter penting yang mempengaruhi keseimbangan antara degradasi bahan organik dan nitrogen dalam sistem. Chen dkk. menunjukkan bahwa dalam sistem MBBR, ketika C/N antara 4–15, tingkat penyisihan COD berada di atas 90%. Ketika C/N turun menjadi 1, laju penyisihan COD turun secara signifikan. Efisiensi penghilangan nitrogen amonia sistem pertama-tama meningkat dan kemudian menurun dengan berkurangnya C/N. Chen dkk. mengeksplorasi dampak C/N terhadap kinerja reaktor A/O-MBBR yang mengolah air limbah budidaya laut.Hasil menunjukkan bahwa mengurangi C/N adalah bermanfaat untuk meningkatkan efisiensi penghilangan COD dan nitrogen amonia.
3.3 Waktu Retensi Hidraulik
Waktu Retensi Hidraulik (HRT) menentukan beban lumpur aktif dalam sistem reaksi. HRT yang terlalu tinggi atau terlalu rendah dapat mempengaruhi efisiensi pengobatan dan biaya konstruksi/operasional sistem MBBR. Memilih HRT yang wajar sangat penting untuk pengoperasian sistem yang stabil. Van dkk. menerapkan MBBR untuk pengendalian polusi non-sumber titik pertanian pada suhu rendah. Penelitian menunjukkan bahwa pada suhu 5 derajat, seiring dengan penurunan HRT, efisiensi penghilangan polutan menurun secara signifikan, dengan 8 jam merupakan waktu retensi minimum untuk memastikan denitrifikasi nitrat menjadi gas nitrogen. Wang Chuanxin dkk. mengolah air limbah domestik dengan sistem biofilm anoksik/aerobik, dengan fokus pada karakteristik nitrifikasi dan denitrifikasi simultan dalam MBBR pada suhu rendah. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem beradaptasi dengan baik terhadap penurunan suhu musiman dengan memperpanjang HRT, menstabilkan konsentrasi COD limbah dan nitrogen amonia agar memenuhi standar. Shitu menggunakan pengisi spons baru sebagai pembawa biofilm MBBR untuk mempelajari efek pengolahan air pada HRT yang berbeda. Hasil menunjukkan bahwa efek pengolahan air paling baik pada HRT 6 jam. Zhao Wenbin dkk. menunjukkan bahwa HRT optimal untuk menghilangkan polutan dalam air limbah oleh sistem MBBR dalam kondisi suhu rendah adalah 24 jam. Han Lei dkk. mempelajari laju penghilangan polutan ketika HRT dikurangi dari 15,4 jam menjadi 11,0 jam dalam proses gabungan saluran oksidasi DE + MBBR. Hasil penelitian menunjukkan bahwa seiring dengan memperpendek HRT, efisiensi penghilangan polutan secara bertahap menurun, namun kualitas limbah masih dapat memenuhi persyaratan target kualitas air, yang mencerminkan ketahanan beban kejut yang kuat dari sistem MBBR.
3.4 Kombinasi Proses
Deng Rui dkk. mempelajari proses MBBR dua-tahap A/O-untuk mengolah air limbah kota. Dalam kondisi suhu air rendah dan konsentrasi influen rendah, proses gabungan ini menunjukkan ketahanan beban kejut yang kuat dan kemampuan beradaptasi terhadap suhu, pengoperasian yang stabil, dan pengoperasian yang mudah, menunjukkan prospek penerapan yang baik dalam pengolahan air limbah. Luostarinen dkk. mempelajari efek pengolahan proses MBBR pada air limbah susu setelah pretreatment anaerobik pada suhu rendah. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses tersebut dapat menghilangkan 40%–70% COD, 50%–60% nitrogen, dan kombinasi Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) dan MBBR dapat menghilangkan 92% COD, 99% BOD, dan 65%–70% nitrogen. Ru Chun dkk. menggunakan proses presipitasi pemuatan magnetik Bardenpho-MBBR + yang dimodifikasi untuk merenovasi instalasi pengolahan air limbah. Dengan menyesuaikan titik takaran sumber karbon dan menerapkan influen multi-titik dan refluks multi-titik dalam sistem, pemanfaatan sumber karbon tambahan secara eksternal secara efisien dapat dicapai, memastikan efek nitrifikasi dan denitrifikasi pada 8,7 derajat , dengan kualitas limbah cair yang stabil dan lebih baik daripada standar pembuangan.
Kesimpulan
Pada-kondisi suhu rendah, aktivitas mikroba dalam sistem MBBR menurun, dan terdapat persaingan nyata antara mikroorganisme heterotrofik yang mengolah bahan organik dan mikroorganisme autotrofik yang mengolah nitrogen amonia. Oleh karena itu, berdasarkan komposisi polutan air baku dan persyaratan Indikator limbah, C/N yang sesuai harus dipertimbangkan sepenuhnya. Langkah-langkah seperti meningkatkan dan mengaklimatisasi strain dominan bersuhu rendah, pengayaan yang ditargetkan, dan meningkatkan kelimpahan populasi dominan pada pembawa harus diterapkan sebagai indikator utama guna memastikan kualitas limbah.
Peningkatan pembawa merupakan cara penting untuk meningkatkan-toleransi suhu rendah pada sistem MBBR dan meningkatkan efisiensi degradasi proses. Tindakan khusus terutama mencakup pembebanan magnetik dan perlakuan struktural terhadap pembawa. Pembebanan magnetik dapat meningkatkan perlekatan bakteri nitrifikasi pada suhu rendah, memperkuat proses sekresi EPS, dan meningkatkan aktivitas bakteri; mengoptimalkan struktur pembawa dan sifat permukaan dapat mempercepat efisiensi perpindahan massa polutan, meningkatkan kemampuannya untuk memperkuat dan melindungi komunitas mikroba, dan mempertahankan kinerja sistem yang lebih stabil.
Proses MBBR sendiri memiliki-karakteristik ketahanan suhu rendah tertentu. Namun, dengan terus meningkatkan standar kualitas limbah cair untuk instalasi pengolahan air limbah, penyesuaian kondisi kerja dan kombinasi proses MBBR dalam kondisi-suhu rendah telah menjadi konten penelitian penting untuk terobosan proses. Untuk berbagai jenis air limbah, kondisi kerja optimal harus ditentukan berdasarkan situasi aktual. Sementara itu, kombinasi proses yang masuk akal dapat secara efektif meningkatkan ketahanan terhadap beban kejut, kemampuan beradaptasi terhadap suhu, dan stabilitas sistem sistem MBBR terhadap polutan.