Optimalisasi Kinerja Dan Suksesi Komunitas Mikroba dalam Proses-Aliran MBBR Anoksik-AAO Berkelanjutan Untuk Meningkatkan Penghapusan Nitrogen Dan Fosfor Dari Limbah Kota

Optimasi Kinerja dan Mikroba Suksesi Komunitas dari Proses AAO-Aliran Anoxic MBBR-Berkelanjutan

Dalam beberapa tahun terakhir, pengolahan limbah perkotaan yang canggih dan realisasi daur ulang sumber daya telah menjadi topik hangat di bidang lingkungan perairan. Namun, proses penghilangan nitrogen dan fosfor secara tradisional yang banyak diterapkan oleh instalasi pengolahan air limbah tidak hanya mengakibatkan pemborosan sumber daya secara berlebihan namun juga meningkatkan biaya operasional [1]. Selain itu, penurunan bertahap dalam rasio karbon-terhadap-nitrogen (C/N) limbah perkotaan dan perbedaan lingkungan hidup komunitas mikroba fungsional yang berbeda telah menjadi faktor pembatas penting bagi teknologi pengolahan air.

Proses MBBR hibrid film lumpur menggabungkan proses lumpur aktif dengan proses biofilm pembawa tersuspensi untuk mencapai peningkatan pengayaan mikroorganisme fungsional, memecahkan masalah penggunaan lahan yang luas dan toleransi suhu rendah yang buruk dibandingkan proses lumpur aktif tradisional [2]. Pada tahun 2008, Instalasi Pengolahan Air Limbah Wuxi Lucun di Provinsi Jiangsu, sebagai instalasi pengolahan air limbah pertama di Tiongkok yang melakukan peningkatan dan rekonstruksi ke standar Kelas IA, berhasil meningkatkan efek pengolahan dengan menambahkan pembawa tersuspensi ke sistem lumpur [3]; Hu Youbiao dkk. [4] menyelidiki pengaruh suhu terhadap penghilangan nitrogen amonia dan bahan organik dalam MBBR dan lumpur aktif, dan hasilnya menunjukkan bahwa suhu memiliki dampak yang lebih kecil pada MBBR tetapi dampak yang lebih besar pada lumpur aktif; Zhang Ming dkk. [5] menggunakan proses A²O-MBBR untuk mengolah limbah domestik pedesaan, sehingga mencapai tingkat penghilangan COD, nitrogen amonia, TP, dan TN yang tinggi; Zhou Jiazhong dkk. [2] menemukan melalui eksperimen skala kecil bahwa DO, suhu berkorelasi positif dengan sistem MBBR hibrid film lumpur, sedangkan rasio C/N influen berkorelasi negatif.

Proses MBBR anoksik (AM-MBBR) dapat mewujudkan denitrifikasi dan penghilangan fosfor secara simultan dalam tangki anoksik, yang juga merupakan proses denitrifikasi penghilangan fosfor (DPR). Dibandingkan dengan proses pengolahan air limbah tradisional, proses DPR dapat menghemat sumber karbon organik dan mengurangi konsumsi oksigen. Zhang Yongsheng [6] dkk. mengembangkan reaktor biofilm aliran kontinu, dan hasilnya menunjukkan bahwa pada suhu 20 derajat, konsentrasi DO 5,5 mg/L, beban 2,2 kg/(m³·d), dan kondisi aerasi intermiten anaerobik 3 jam/aerob 6 jam, konsentrasi rata-rata COD dan fosfor dalam limbah adalah 76 mg/L dan 0,67 mg/L, dengan laju penyisihan sebesar masing-masing 72,9% dan 78,5%.

Namun, untuk sistem lumpur-hibrida AM-AAO, terdapat hubungan kompleks antara lumpur flokulan tersuspensi dan biofilm yang menempel. Penelitian sebelumnya berfokus pada praktik rekayasa seperti tender dan rekonstruksi instalasi pengolahan air limbah, namun hanya ada sedikit penelitian tentang nitrifikasi sinkron dan DPR untuk meningkatkan penghilangan nitrogen dan fosfor dalam sistem-aliran lumpur-film hybrid AM-AAO yang berkelanjutan, dan stabilitas kinerja penghilangan polutan dari proses ini melalui teknologi DPR juga merupakan salah satu kesulitannya.

Studi ini mengoptimalkan strategi-permulaan dan pengoperasian proses-aliran kontinu (AAO) dan-aliran lumpur-film hibrid (AM-AAO) kontinu, dengan fokus menyelidiki pengaruh laju aerasi, takaran bahan pengisi, waktu retensi hidraulik (HRT), rasio refluks cairan nitrifikasi, rasio C/N influen, dan suhu terhadap kinerja penghilangan nitrogen dan fosfor jangka panjang- Proses AM-MBBR dan efisiensi penghilangan fosfor denitrifikasi dalam tangki anoksik. Pada saat yang sama, suksesi komunitas mikroba dan aturan perubahan komunitas mikroba fungsional dalam lumpur aktif dan biofilm dipelajari.

1 Bahan dan Metode

1.1 Perangkat Eksperimental dan Parameter Operasi

Perangkat reaksi AAO aliran{0}}kontinyu (Gambar 1) digunakan dalam penelitian ini. Terbuat dari kaca organik, berjumlah 7 kompartemen, masing-masing berukuran 10 cm × 10 cm × 40 cm; volume kerjanya adalah 21 L, dan rasio volume setiap tangki reaksi adalah anaerobik: anoksik: aerobik=2:2:3. Pengadukan mekanis diterapkan pada tangki anaerobik dan anoksik; tangki aerobik menggunakan kepala pasir aerasi sebagai aerator berpori mikro dan gaya eksternal untuk pencampuran air lumpur, dan laju aerasi dikontrol oleh pengukur aliran gas. Konsentrasi DO dalam tangki aerobik reaktor dikontrol pada 2~3 mg/L; tangki sedimentasi sekunder berbentuk silinder dengan volume kerja sekitar 40 L; waktu retensi lumpur (SRT) adalah 40 hari, dan rasio refluks lumpur adalah 50%. Reaktor beroperasi selama total 263 hari (dibagi menjadi 6 tahap operasi), dan pengisi polietilen ditambahkan ke tangki anoksik mulai hari ke-159 untuk beroperasi dalam mode AM-AAO. Kondisi pengoperasian spesifik ditunjukkan pada Tabel 1.

(Gambar 1 Diagram skema peralatan proses AM-AAO: Gambar tersebut mencakup ember saluran masuk air, pompa peristaltik, tangki anaerobik, tangki anoksik, tangki aerobik, tangki sedimentasi, ember saluran keluar air, serta refluks internal, pipa refluks lumpur, dan katup pembuangan)

Tabel 1 Jenis sistem proses dan parameter operasi

1.2 Kualitas Lumpur dan Air Influen yang Diinokulasi

Lumpur yang diinokulasi dalam percobaan ini diambil dari kelebihan lumpur yang dibuang dari tangki sedimentasi sekunder instalasi pengolahan air limbah. Setelah inokulasi, konsentrasi lumpur (MLSS) dalam reaktor adalah 2,3 g/L, dan lumpur padatan yang mudah menguap (MLVSS) adalah 2,1 g/L.

Influen reaktor adalah limbah domestik dari restoran, yang ditambahkan ke reaktor setelah menyaring kotoran melalui saringan. Polutannya termasuk NH₄⁺-N (35.0456,54 mg/L), NO₂⁻-N (00,42 mg/L), NO₃⁻-N (00,05 mg/L), COD (362,1605,1 mg/L), dan PO₄³⁻-P (1~5,08 mg/L).

1.3 Item Deteksi dan Metode Analisis

1.3.1 Metode Deteksi Rutin

Sampel air lumpur-dikumpulkan dari influen, tangki anaerobik, tangki anoksik, tangki aerobik, tangki sedimentasi, dan limbah, dan disaring dengan kertas saring 0,45 μm. NH₄⁺-N ditentukan dengan spektrofotometer Nessler; NO₂⁻-N ditentukan dengan fotometri N-(1-naphthyl) ethylenediamine; NO₃⁻-N ditentukan dengan spektrofotometri ultraviolet; COD ditentukan oleh detektor cepat multi-parameter COD Lianhua 5B-3A; pH/DO dan suhu ditentukan oleh detektor WTW Multi3620; MLSS ditentukan dengan metode gravimetri; MLVSS ditentukan dengan metode penurunan berat badan pembakaran tungku muffle [7].

1.3.2 Ekstraksi dan Deteksi Zat Polimer Ekstraseluler

Zat polimer ekstraseluler (EPS) dianggap terdiri dari polisakarida (PS), protein (PN), dan asam humat (HA). Tiga jenis EPS, yaitu zat polimer ekstraseluler terlarut (S-EPS), zat polimer ekstraseluler yang terikat longgar (LB-EPS), dan zat polimer ekstraseluler yang terikat erat (TB-EPS), dipisahkan dan diekstraksi. Metode penentuan PS adalah metode asam sulfat-antron, dan metode penentuan PN dan HA adalah metode Folin-Lowry yang dimodifikasi [7].

1.3.3 Metode Perhitungan Tingkat Penghapusan Polutan

Tingkat penghilangan polutan (SRE) digunakan untuk mengkarakterisasi keseluruhan penghilangan polutan pada sistem proses AM-AAO. Diantaranya, Sinf dan Seff masing-masing adalah konsentrasi polutan dari influen dan limbah, yang dapat mewakili konsentrasi massa polutan seperti NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD, dan PO₄³⁻-P dalam influen dan limbah, mg/L.

1.3.4 Metode Pengurutan Throughput-Tinggi

Metode pengurutan throughput-tinggi Illumina digunakan. Sampel lumpur dari tangki anaerobik, tangki anoksik, dan tangki aerobik pada hari ke 1, 110, 194, dan 237 dikumpulkan dan diberi nama kelompok D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), kelompok D110 (D110_A1, D110_A2, D110_O), kelompok D194 (D194_A1, D194_A2, D194_O), dan grup D237 (D237_A1, D237_A2, D237_O), masing-masing; sampel lumpur biofilm pada hari ke 194 dan 237 dikumpulkan dan diberi nama masing-masing M194 dan M237. Sebanyak 14 sampel lumpur dianalisis untuk mengetahui perubahan komunitas mikroba. DNA diekstraksi menggunakan kit Fast DNA SPIN (MP Biomedicals, Santa Ana, CA, USA). Wilayah V3-V4 gen bakteri 16S rRNA diamplifikasi dengan primer 338F/806R. Amplikon yang dimurnikan diurutkan pada platform Illumina MiSeq PE300 (Illumina, USA) oleh Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Shanghai, Cina) [7].

2 Hasil dan Pembahasan

2.1 Aturan Penghapusan Polutan-Jangka Panjang dalam Proses AAO dan AM-AAO

Penghapusan polutan-jangka panjang selama pengoperasian proses AAO-aliran berkelanjutan (Tahap 13) dan proses AM-AAO dengan penambahan bahan pengisi polietilen tersuspensi (Tahap 46) ditunjukkan pada Gambar 2.

Pada Tahap 1 (1~45 hari), jumlah serapan PO₄³⁻-P di tangki anaerobik, jumlah serapan PO₄³⁻-P di tangki anoksik (PUAA), dan jumlah serapan PO₄³⁻-P di tangki aerobik (PUAO) adalah 66,06 mg, 14,22 mg, dan masing-masing 87,81 mg, dan proses penyerapan fosfor terutama dicapai di tangki aerobik. Tingkat penghilangan NH₄⁺-N dan total nitrogen anorganik (TIN) masing-masing sebesar 92,85% dan 86.37%, sehingga memastikan efek denitrifikasi. Setelah menyempurnakan aerasi (DO=2~3 mg/L), efek penyisihan NH₄⁺-N meningkat menjadi 98,68%, dan konsentrasi serta laju penyisihan TIN efluen masing-masing sebesar 1,75 mg/L dan 95,75%, yang menunjukkan bahwa penyesuaian DO yang tepat kondusif bagi proses nitrifikasi dan denitrifikasi; efek penyisihan COD pada tangki anaerobik melemah (91,60%). Selain itu, penyesuaian DO tidak berpengaruh terhadap limbah PO₄³⁻-P, dengan rata-rata 0,47 mg/L, yang konsisten dengan kesimpulan Yang Sijing dkk. [8].

Pada Tahap 2 (46~120 hari), setelah penyesuaian HRT=8 jam, kinerja penghilangan COD sedikit berfluktuasi; nilai maksimum PRA, PUAA, dan PUAO mencapai 148,01 mg, 81,95 mg, dan 114,15 mg, menunjukkan bahwa peningkatan aliran influen tidak mempengaruhi penyisihan fosfor, dan mempertahankan kinerja penyisihan NH₄⁺-N dan TIN yang tinggi. Pada hari ke 72, rasio refluks cairan nitrifikasi ditingkatkan menjadi 300% dan 400%. Peningkatan rasio refluks menurunkan efek penyisihan TIN, dengan tingkat penyisihan masing-masing sebesar 80,37% (300%) dan 68,68% (400%). Dari hari ke 108 hingga 120, rasio refluks cairan nitrifikasi ditentukan sebesar 250%. Jumlah penyisihan COD dalam tangki anaerobik pada rasio refluks cairan nitrifikasi 250% (127,1 mg/L) lebih tinggi atau sama dengan tangki lainnya (86.2 mg/L, 124,7 mg/L, dan 128,0 mg/L masing-masing untuk 200%, 300%, dan 400%); konsentrasi fosfor limbah yang sesuai dengan rasio refluks yang berbeda adalah 0,52 mg/L, 0,35 mg/L, dan 0,06 mg/L, menunjukkan bahwa meningkatkan rasio refluks cairan nitrifikasi dalam kisaran tertentu dapat meningkatkan penghilangan fosfor. Selain itu, rasio refluks sebesar 250% memiliki kinerja denitrifikasi yang baik, dengan tingkat penghilangan TIN sebesar 86.86%.

Pada Tahap 3 (121~158 hari), rasio refluks cairan nitrifikasi ditetapkan pada 250%. Pada hari ke 131, aliran influen ditingkatkan menjadi 5 L/jam, efek penyisihan COD dan fosfor menurun, dan konsentrasi efluen masing-masing sebesar 73,3 mg/L dan 3,92 mg/L, menunjukkan bahwa peningkatan aliran influen mengakibatkan semakin banyak COD yang dibuang tanpa pengolahan. Selain itu, tingkat penghilangan maksimum NH₄⁺-N dan TIN masing-masing adalah 93,82% dan 79,12%, di mana NO₃⁻-N menjadi polutan utama dalam limbah (4,70 mg/L). Pada hari ke 139, aliran influen dikurangi menjadi 4 L/jam, COD limbah cair dan laju pembuangan masing-masing sebesar 55,7 mg/L dan 85,97%, yang lebih tinggi dari kinerja penghilangan karbon pada HRT=5.6 jam, yang menunjukkan bahwa pengurangan HRT dapat menyebabkan penurunan efek penyisihan COD. Selain itu, tingkat penghilangan maksimum NH₄⁺-N dan TIN adalah 100% dan 97,41%, yang menunjukkan bahwa penyesuaian HRT mendorong nitrifikasi dan denitrifikasi, namun HRT yang terlalu pendek dapat menyebabkan penurunan efek denitrifikasi. Oleh karena itu, ketika HRT=7 jam, reaksi di setiap tangki cukup untuk berjalan sepenuhnya, dan peningkatan HRT yang signifikan hanya memiliki sedikit efek peningkatan pada efek denitrifikasi.

Pada hari ke 159, 20% bahan pengisi polietilen tersuspensi ditambahkan ke tangki anoksik proses AAO. Pada Tahap 4 (159~209 hari), kinerja penghilangan COD dan PO₄³⁻-P ditingkatkan. Mulai hari ke 172, konsentrasi NH₄⁺-N influen ditingkatkan menjadi 64,17 mg/L (C/N=8.59), COD limbah dan laju penyisihan masing-masing sebesar 77,7 mg/L dan 86.06%. Alasannya mungkin karena biofilm tumbuh lambat, dan lumpur aktif memberikan kontribusi utama dalam menghilangkan sebagian besar COD; bahan pengisi yang tersuspensi meningkatkan tingkat penghilangan PO₄³⁻-P sebesar 1,18%. Namun, peningkatan NH₄⁺-N influen dalam tangki anoksik menyebabkan perlunya lebih banyak sumber karbon untuk proses denitrifikasi NO₃⁻-N, yang tidak kondusif terhadap pelepasan fosfor dan serapan PAO; pada saat yang sama, operasi ini tidak sepenuhnya mereduksi NO₃⁻-N, dan konsentrasi limbah minimum adalah 7,30 mg/L. Pada hari ke 185, dengan mengubah HRT menjadi 5,6 jam, ditemukan bahwa efek penyisihan COD sedikit berfluktuasi, dengan tingkat penyisihan sebesar 86.05%; konsentrasi PO₄³⁻-P limbah cair meningkat sebesar 0,05 mg/L, disertai dengan peningkatan PUAA (dari 13,02 mg menjadi 18,90 mg), yang menunjukkan bahwa lumpur dan biofilm secara sinergis memberikan efisiensi penghilangan fosfor tertentu. Selain itu, konsentrasi limbah NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, dan TIN masing-masing adalah 10,23 mg/L, 6,52 mg/L, dan 16,82 mg/L, yang menunjukkan bahwa penurunan HRT akan menyebabkan penurunan efek penyisihan NH₄⁺-N dan TIN. Pada hari ke 195, HRT disesuaikan kembali menjadi 7 jam, dan pada saat ini, kandungan polutan dalam limbah menurun, dan kinerja penghilangan nitrogen dan fosfor serta penghilangan bahan organik dari sistem secara bertahap pulih.

Pada Tahap 5 (210~240 hari), konsentrasi NH₄⁺-N influen ditingkatkan menjadi 84,06 mg/L (C/N=6.28), dan lumpur aktif masih memberikan kontribusi utama dalam penghilangan bahan organik. Peningkatan NH₄⁺-N mempunyai pengaruh yang kecil terhadap penyisihan COD. Proporsi COD yang diserap dalam tangki anaerobik adalah 68,02%, dan sebagian besar bahan organik diserap oleh PAO dalam tangki anaerobik dan disintesis menjadi sumber karbon internal (PHA), dan pelepasan fosfor anaerobik selesai sepenuhnya [9]. PRA maksimum sebesar 72,75 mg, serta PUAA dan PUAO masing-masing sebesar 35,82 mg/L dan 48,20 mg/L, namun kontribusi serapan fosfor utama tetap berasal dari tangki aerobik. Pada hari ke 221, rasio pengisian ditingkatkan menjadi 30%, dan konsentrasi limbah NH₄⁺-N dan TIN berkurang masing-masing sebesar 4,49 mg/L dan 5,16 mg/L; diantaranya, NH₄⁺-N dan NO₃⁻-N masing-masing menyumbang 70,11% dan 28,75% dari TIN limbah. Pada hari ke 231, konsentrasi NH₄⁺-N influen disesuaikan menjadi 66,34 mg/L, dan kinerja penghilangan polutan sistem pada dasarnya stabil.

Pada Tahap 6 (241~263 hari), suhu reaktor diatur untuk mengetahui pengaruhnya terhadap penghilangan polutan. Pada hari ke 241 suhu diturunkan menjadi 18 derajat, laju penyisihan COD menurun menjadi 84,37%, namun aturan perubahan COD tidak berubah akibat penurunan suhu. Proporsi penyisihan pada tangki anaerobik paling tinggi yaitu 62,02%, proses penyisihan fosfor denitrifikasi pada tangki anoksik menghabiskan 26,72% COD, konsentrasi NO₃⁻-N pada efluen tangki aerobik sebesar 10,44 mg/L, dan sisa NH₄⁺-N sebesar 8,50 mg/L; selain itu, PRA tidak terlalu terpengaruh oleh suhu, namun kinerja penyerapan fosfor pada tangki anoksik menurun, dengan PUAA hanya 19,77 mg, dan fosfor dihilangkan sebesar 3,94 mg/L di tangki aerobik. Kebanyakan PAO psikrofilik melakukan proses serapan fosfor secara aerobik [10]. Ketika suhu diturunkan lagi hingga 13 derajat , laju penghilangan NH₄⁺-N dan TIN menurun masing-masing sebesar 6,38% dan 6,25%; pada saat yang sama, PUAA dan PUAO mengalami penurunan masing-masing sebesar 7,77 mg dan 15,00 mg, yang mungkin terkait dengan penurunan aktivitas mikroba serta kapasitas pertumbuhan dan metabolisme yang disebabkan oleh penurunan suhu. Jin Yu [11] menemukan bahwa ketika suhu lebih rendah dari 14 derajat, sulit untuk menjamin konsentrasi polutan limbah dalam sistem.

(Gambar 2 Penghapusan polutan dalam proses AAO dan AM-AAO selama-operasi jangka panjang: Termasuk (c) Kurva konsentrasi NH₄⁺-N dan laju penghilangan yang berubah seiring hari pengoperasian, (d) Kurva konsentrasi NOₓ⁻-N yang berubah seiring hari pengoperasian, (e) Kurva laju penyingkiran TIN yang berubah seiring hari pengoperasian. Sumbu horizontal adalah hari pengoperasian (0~260 hari), dan sumbu vertikal masing-masing adalah ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹), dan laju pelepasan/%.

2.2 Aturan Perubahan Polutan dalam Siklus Umum Proses AAO dan AM-AAO

Untuk mengeksplorasi lebih jauh mekanisme penghilangan polutan dari proses AAO dan AM-AAO, perubahan konsentrasi polutan dalam siklus umum pada tahapan operasi yang berbeda dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Pada hari ke 42 (Tahap 1), proses AAO memiliki kinerja denitrifikasi dan penghilangan fosfor yang baik. Namun, COD influen yang tinggi tidak meningkatkan kinerja pelepasan fosfor, dan PRA saat ini adalah 9,13 mg/L. Selain itu, NH₄⁺-N dikonsumsi terlebih dahulu saat memasuki tangki anoksik; kemudian, tangki anoksik mengurangi NO₃⁻-N menjadi N₂; namun, tangki aerobik hanya menghilangkan 3,52 mg/L NH₄⁺-N, yang mungkin disebabkan oleh HRT yang panjang di Tahap 1 yang menyebabkan peningkatan DO yang dikembalikan ke tangki anoksik, dan sebagian besar NH₄⁺-N telah menyelesaikan nitrifikasi di tangki anoksik, sehingga konsentrasi rendah memasuki tangki aerobik.

Pada hari ke 118 (Tahap 2), dengan penurunan COD influen, pelepasan fosfor dan kinerja denitrifikasi menurun. Konsentrasi pelepasan fosfor pada tangki anaerobik adalah 5,91 mg/L, dan konsentrasi NO₃⁻-N pada limbah tangki aerobik adalah 8,20 mg/L. Konsentrasi PO₄³⁻-P dalam tangki anoksik menurun menjadi 2,78 mg/L, menunjukkan bahwa PO₄³⁻-P telah dihilangkan dalam tangki anoksik. Selain itu, rasio refluks cairan nitrifikasi ditetapkan pada 250% saat ini. Dibandingkan dengan rasio refluks 300% dan 400%, kinerja penghilangan nitrogen dan fosfor serta penghilangan bahan organik dari proses tersebut ditingkatkan, menunjukkan bahwa peningkatan refluks cairan nitrifikasi dalam kisaran tertentu dapat meningkatkan efek penghilangan polutan.

Pada hari ke 207 (Tahap 4), setelah penyesuaian influen NH₄⁺-N dan HRT dalam proses AM-AAO, tingkat penyisihan COD adalah 86.15%; tangki aerobik menghilangkan 13,34 mg/L NH₄⁺-N, sisa konsentrasi TIN adalah 7,51 mg/L, dan dihasilkan 4,39 mg/L NO₃⁻-N, dan NO₃⁻-N menjadi polutan dominan dalam limbah. Tidak ada perbedaan yang signifikan dalam kontribusi penyisihan fosfor antara tangki anoksik dan tangki aerobik. Selain itu, peningkatan influen NH₄⁺-N tidak mempengaruhi nitrifikasi, namun peningkatan konsentrasi TIN influen menurunkan kinerja denitrifikasi proses AM-AAO, sehingga mempengaruhi penghilangan TIN.

Pada hari ke 262 (Tahap 6), suhu reaktor adalah 13 derajat, dan tingkat penyisihan COD saat ini adalah 83,67%. Pada saat yang sama, 6,95 mg/L fosfor dilepaskan dalam tangki anaerobik; 20,22 mg/L NH₄⁺-N dikonsumsi oleh tangki anoksik dan dilakukan denitrifikasi, dan konsentrasi NO₃⁻-N dalam limbah tangki anoksik adalah 5,07 mg/L; tangki aerobik mengalami kehilangan TIN sebesar 1,32 mg/L; tingkat penyisihan TIN sebesar 77,00%, dan TIN limbah mengandung 11,24 mg/L NH₄⁺-N, yang menunjukkan bahwa suhu rendah mengurangi aktivitas bakteri nitrifikasi dan bakteri denitrifikasi, sehingga mengakibatkan pembuangan polutan dalam limbah tidak tuntas. Selain itu, PRA menurun menjadi 6,95 mg/L, dan kinerja serapan fosfor pada tangki anoksik dan tangki aerobik masing-masing menurun menjadi 2,41 mg/L dan 3,61 mg/L, yang menunjukkan bahwa penurunan suhu reaktor menghambat kinerja penyisihan fosfor pada PAO, yang menyebabkan penurunan PRA dalam tangki anaerobik dan tingginya konsentrasi fosfor limbah.

(Gambar 3 Perubahan kontaminan dalam siklus umum: Termasuk (a) Hari ke-42 proses AAO, (b) Hari ke-118 proses AAO, (c) Hari ke-207 proses AM-AAO, (d) Kurva perubahan konsentrasi polutan pada hari ke-262 proses AM-AAO. Sumbu horizontal adalah proses reaksi, dan sumbu vertikal adalah konsentrasi (mg/L) masing-masing polutan (COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 Perubahan Komposisi dan Kandungan Zat Polimer Ekstraseluler (EPS) dalam Proses AAO dan AM-AAO

Selama percobaan, perubahan komposisi dan konten EPS pada hari ke 101 (proses AAO) dan hari ke 255 (proses AM-AAO) ditentukan dan dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Secara keseluruhan, total konten EPS pada hari ke 101 dan 255 dapat dikaitkan dengan peningkatan konten TB-EPS, dan PN dan PS menyumbang bagian utama dari TB-EPS; pada hari ke 101, kandungan EPS total pada tangki anaerobik, tangki anoksik, dan tangki aerobik menunjukkan tren peningkatan (masing-masing 0,12 mg/gVSS, 0,29 mg/gVSS, dan 0,37 mg/gVSS); di antaranya, kandungan EPS meningkat secara signifikan selama tahap nitrifikasi, yang mungkin disebabkan oleh metabolisme aktif mikroorganisme internal ketika sistem dioperasikan dalam kondisi rasio karbon-terhadap-nitrogen (C/N=5.9) yang tinggi [12]. Namun, TB-EPS memainkan peran positif dalam pembentukan flok lumpur, sedangkan S-EPS dan LB-EPS memiliki efek negatif [8]; dalam percobaan ini, kandungan S-EPS dan LB-EPS relatif rendah, sehingga menciptakan kondisi untuk pertumbuhan lumpur; dalam sistem hibrid film-aliran lumpur-kontinyu, peran lumpur flokulan tidak tergantikan [2].

Selain itu, aturan perubahan PN/PS pada lapisan lumpur yang berbeda di setiap tangki reaksi juga berbeda. PN di setiap tangki reaksi selalu lebih tinggi dari PS. Pada hari ke-101, rasio PN/PS pada lumpur S-EPS, LB-EPS, dan TB-EPS masing-masing sebesar 0,06, 1,62, dan 2,67, sedangkan pada hari ke-255 sebesar 0,03, 1,30, dan 3,27 yang menunjukkan bahwa rasio PN/PS menunjukkan tren peningkatan dari lapisan luar ke lapisan dalam. dari sel lumpur. Namun, ketika suhu reaktor diturunkan hingga 13 derajat, kandungan EPS total di ketiga tangki menunjukkan tren meningkat (masing-masing 0,28 mg/gVSS, 0,41 mg/gVSS, dan 0,63 mg/gVSS). Alasannya mungkin karena mikroorganisme yang tidak mampu beradaptasi dengan suhu rendah akan mati atau mengalami autolisis, dan mikroorganisme yang mati ini melepaskan EPS, menyebabkan peningkatan kandungan EPS dalam lumpur, atau suhu rendah menyebabkan beberapa mikroorganisme psikrofilik mengeluarkan lebih banyak EPS untuk beradaptasi dengan penurunan suhu dalam reaktor [13].

(Gambar 4 Perubahan kandungan dan komposisi EPS pada Hari ke 101 (proses AAO) dan Hari ke 255 (proses AM-AAO): Sisi kiri adalah proses AAO, dan sisi kanan adalah proses AM-AAO. Sumbu horizontal adalah tangki reaksi (akhir anaerobik, akhir anoksik, akhir aerobik) dan tipe EPS (S, LB, TB). Sumbu vertikal kiri adalah konten EPS (mg·gVSS⁻¹), dan sumbu vertikal kanan adalah rasio PN/PS. Ini mencakup histogram konten PN, PS, dan total EPS serta diagram garis rasio PN/PS)

2.4 Aturan Suksesi Komunitas Keanekaragaman Mikroba dan Dinamis Populasi

Hasil sekuensing throughput yang tinggi menunjukkan bahwa jumlah sekuens dari 14 sampel lumpur adalah 1.027.419, dan jumlah sekuens OTU setiap sampel ditunjukkan pada Tabel 2. Cakupan sampel berada di atas 0,995, menunjukkan bahwa hasil sekuensing memiliki akurasi yang tinggi. Kelompok D01 menggambarkan struktur komunitas mikroba awal, dengan indeks Ace yang tinggi, yang menunjukkan bahwa lumpur memiliki kekayaan spesies mikroba yang tinggi pada awal-pengoperasian sistem. Dengan transformasi sistem dari proses AAO ke AM-AAO, indeks Ace menurun, dan kekayaan komunitas mikroba dalam sistem AM-AAO menurun. Selain itu, indeks Simpson mengalami penurunan yang menunjukkan bahwa keanekaragaman komunitas mikroba menurun. Menurut perubahan indeks Ace, jumlah spesies dalam komunitas mikroba biofilm tangki anoksik menunjukkan tren menurun; Penurunan indeks Shannon membuktikan bahwa keanekaragaman komunitas mikroba pada biofilm mengalami penurunan.

Tabel 2 Variasi indeks keanekaragaman mikroba

The main phyla with relative abundance >10% dari 14 sampel dianalisis (Gambar 5a). Filum dominan pada kelompok D01 adalah Actinobacteriota (25,76%32,90%), Proteobakteri (21,98%27,16%), Bakterioidota (15,50%18,36%), dan Firmicute (10,37%13,77%); namun, kelimpahan relatif Actinobacteriota (16,89%19,16%) dan Firmicute (3,83%6,52%) pada kelompok D110 menurun, dan kelimpahan relatif Proteobacteria meningkat (32,96%~40,75%). Pada sistem proses AM-AAO, Actinobacteriota menurun dengan cepat, bahkan hingga kurang dari 3% pada kelompok D237, sedangkan Proteobacteria (33,72%43,54%), Bakterioidota (17,40%24.19%), and Chloroflexi (12.46%~12.77%) have become the phyla with relatively high abundances. In addition, in sample M194, the phyla with relative abundance >10% adalah Proteobacteria (35,26%) dan Bacteroidota (30,61%), menunjukkan bahwa struktur komunitas mikroba biofilm mirip dengan lumpur aktif. Dalam sampel M237, kelimpahan relatif Firmicutes menurun hingga kurang dari 2%, dan kelimpahan Acidobacteriota (5,33%) meningkat.

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3%). Ditemukan genera yang dominan pada kelompok D01 adalah Candidatus_Microthrix (11,32%20,65%), norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3,97%6,36%), Trikokokus (6,99%9,95%), dan Ornithinibacter (3,99%6,41%); setelah sistem dioperasikan dalam proses AM-AAO, kelimpahan relatif Candidatus_Microthrix turun tajam menjadi 0,02% (kelompok D237); sedangkan norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 menunjukkan tren mula-mula meningkat dan kemudian menurun (kelompok D237, 1,91%2,91%). Ketika proses tersebut dioperasikan secara stabil, Azospira menjadi salah satu genera yang relatif dominan (kelompok D237, 7,37%18,41%). Selain itu, genera biofilm pada dasarnya mirip dengan lumpur, dan kelimpahan relatif norank_f__norank_o__Run-SP154 di M194 dan M237 masing-masing adalah 6,61%~7,66% dan 7,43%.

Sebanyak 12 genera dan 1 famili amonia-bakteri pengoksidasi (AOB), nitrit-bakteri pengoksidasi (NOB), organisme pengumpul glikogen-organisme pengumpul (GAO), dan organisme pengumpul fosfor-organisme pengumpul fosfor (PAO) dalam sistem dipilih untuk dianalisis (Tabel 3). Ditemukan bahwa pada kelompok D01, Nitrosomonas (0,02%0,03%), Ellin6067 (0,01%0,02%), dan Nitrospira (0,04%0,07%) dapat memastikan kinerja oksidasi NH₄⁺-N. Penurunan Nitrosomonas dan Nitrospira pada kelompok D110 kemungkinan disebabkan oleh tingginya internal reflux rasio, namun Ellin6067 (0,01%0,02%) tidak terganggu. Di grup D194, sistem dioperasikan dalam proses AM-AAO, dan reduksi HRT menghilangkan NOB dan beberapa AOB. Peningkatan nitrogen amonia yang masuk mungkin menjadi alasan peningkatan kelimpahan relatif dari tiga genera di atas pada kelompok D237 (Gambar 5b). Selain itu, AOB (Nitrosomonas dan Ellin6067, 0,03%0,07%) dan NOB (Nitrospira, 0,01%0,02%) pada sampel M237 menunjukkan sedikit peningkatan, menunjukkan bahwa biofilm membantu sistem lumpur mencapai proses denitrifikasi.

Ada berbagai macam PAO di kelompok D01, termasuk Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas, dan Tetrasphaera. Perubahan Candidatus_Microthrix (10,93%~11,88%) dan PAO dengan kelimpahan relatif<5% in group D110 may be the reasons for the decrease of PRA in Stage 2. In group D194, the relative abundances of Candidatus_Microthrix and Tetrasphaera decreased to 0.711,14 dan 0,31%0,39% [14]. Pada kelompok D237, Candidatus_Microthrix hampir tereliminasi (0,02%), dan PAO yang menggantikannya untuk melakukan fungsi penghilangan fosfor adalah Defluviimonas (0,70%1,07%) dan Dekloromonas (0,95%1,06%); selain itu, famili Comamonadaceae juga telah dipastikan memiliki kinerja penghilangan fosfor [8], dan kelimpahan relatif Comamonadaceae di tangki anaerobik atau tangki anoksik relatif tinggi, sekitar dua kali lipat dari tangki aerobik. Selain itu, Candidatus_Competibacter dan Defluviicoccus merupakan genera GAO yang dominan di semua sampel, namun kelimpahan kedua genera tersebut pada kelompok D01 adalah<1%. In the remaining samples, the growth of Defluviicoccus lagged behind that of Candidatus_Competibacter. In group D237, the abundances of the two genera were 2.96%~3.89% and 0.54%~0.57%, respectively. GAOs are considered to compete with PAOs for organic matter, thereby causing the deterioration of biological phosphorus removal performance, but recent studies have found that GAOs can carry out endogenous denitrification to achieve denitrification (the average TIN removal rate was 83.08% when the system was stable) [7].

(Gambar 5 Komposisi komunitas mikroba: (a) Bagan batang kelimpahan relatif pada tingkat filum. Sumbu horizontal adalah sampel, dan sumbu vertikal adalah kelimpahan relatif/%. Ini mencakup filum utama seperti Actinobacteriota dan Proteobacteria; (b) Peta panas kelimpahan relatif pada tingkat genus. Sumbu horizontal adalah sampel, dan sumbu vertikal adalah genera dominan. Kedalaman warna menunjukkan tingkat kelimpahan relatif)

Tabel 3 Kelimpahan gugus fungsi dalam 14 sampel biologis

3 Kesimpulan

Dengan menggunakan limbah sebenarnya sebagai objek pengolahan, kondisi pengoperasian proses AM-AAO dioptimalkan. Ditemukan bahwa ketika proses dioperasikan dalam kondisi HRT=7 jam, suhu sekitar 25 derajat, refluks internal=250%, SRT=40 d, refluks lumpur=50%, dan laju pengisian pengisi tangki anoksik=30%, efek penghilangan polutan adalah yang terbaik. Tingkat penghilangan NH₄⁺-N maksimum adalah 98,57%; konsentrasi limbah NO₃⁻-N, konsentrasi PO₄³⁻-P, laju penyisihan TIN, dan laju penyisihan COD berturut-turut adalah 6,64 mg/L, 0,42 mg/L, 83,08%, dan 86.16%.

Tangki anaerobik melakukan proses penghilangan bahan organik dan pelepasan fosfor dengan baik, dengan 64,51% COD dihilangkan dan 9,77 mg/L fosfor dilepaskan pada saat yang bersamaan; tangki anoksik melakukan reaksi penghilangan fosfor denitrifikasi yang baik; tangki aerobik melakukan proses nitrifikasi dan penyerapan fosfor secara lengkap, dengan laju penyisihan NH₄⁺-N dan PUAO masing-masing sebesar 97,85% dan 59,12 mg.

Ketika proses AM-AAO dioperasikan secara stabil, peningkatan AOB (Ellin6067 dan Nitrosomonas, 0,02%~0,04% → 0,04%0,12%) dan NOB (Nitrospira, 00.01% → 0.02%0,04%) memastikan kemajuan nitrifikasi yang memadai, dan tingkat penghilangan NH₄⁺-N meningkat sebesar 8,35%; GAO (Candidatus_Competibacter dan Defluviicoccus, 1,31%1.61% → 3.49%4,46%) mendominasi proses denitrifikasi endogen; pertumbuhan PAO (keluarga Defluviimonas, Dechloromonas, dan Comamonadaceae, 3,29%8,67% → 3,79%~9,35%) adalah alasan untuk mempertahankan kinerja penghilangan fosfor yang baik; selain itu, struktur komunitas mikroba biofilm tangki anoksik pada dasarnya mirip dengan lumpur aktif, yang secara bersama-sama menjamin kinerja penghilangan nitrogen dan fosfor dari sistem.