Pengaruh pH terhadap Penghapusan Nitrogen dan Mangan Secara Simultan di MBBR
Dampak pH pada Kinerja MBBR
pH memainkan peran penting dalam efisiensi Reaktor Biofilm Moving Bed (MBBR) dengan secara langsung mempengaruhi aktivitas mikroba dan laju reaksi biokimia. Sebagai faktor lingkungan utama, variasi pH mempengaruhi:
- Struktur komunitas biofilm- Pergeseran pH mengubah dominasi bakteri nitrifikasi/denitrifikasi dan mikroorganisme pengoksidasi mangan-.
- Aktivitas enzim- Kisaran pH optimal mengatur kinerja nitrit oksidareduktase (pH 7-8) dan mangan oksidase (pH 6-7).
- Kinetika reaksi redoks- pH menentukan keseimbangan antara transformasi Mn²⁺/Mn⁴⁺ dan jalur konversi nitrogen.
- Potensi curah hujan - Higher pH (>8) mendorong oksidasi Mn²⁺ dan pengendapan fosfat, sedangkan kondisi asam (pH<6) may inhibit these processes.
Sistem ini menunjukkan kemampuan beradaptasi yang luar biasa, dengan populasi mikroba tertentu yang mempertahankan fungsinya pada rentang pH yang luas (5-9), meskipun efisiensi penghilangan optimal untuk berbagai kontaminan terjadi pada tingkat pH tertentu.
Kinerja MBBR Dalam Kondisi pH Berbeda
Sebuah studi baru-baru ini yang dilakukan oleh sebuah universitas di Tiongkok menyelidiki kinerja sistem Reaktor Biofilm Tempat Tidur Bergerak (MBBR) dalam berbagai kondisi pH (pH 5-9), dan juga dalam kondisi konsentrasi Mn²⁺ influen sebesar 10 mg·L⁻¹. Konsentrasi NH₄⁺-N, TN, TP, COD, Mn²⁺, NO₂⁻-N, dan NO₃⁻-N selama Operasi Tahap IV dirangkum di bawah ini.
(1)Efisiensi Penghapusan NH₄⁺-N
The MBBR demonstrated consistently high NH₄⁺-N removal across all pH levels, with average efficiencies of 96.22% (pH 5), 98.89% (pH 6), 98.70% (pH 7), 98.65% (pH 8), and 96.69% (pH 9). These results indicate robust nitrification performance (>efisiensi 96%) terlepas dari variasi pH. Meskipun efisiensi penyisihan awalnya meningkat dari pH 5 ke 6 (puncak pada 98,89%) sebelum menurun secara bertahap pada tingkat pH yang lebih tinggi, dampak pH secara keseluruhan terhadap penyisihan NH₄⁺-N adalah minimal. Hal ini menunjukkan kemampuan adaptasi yang kuat dari bakteri nitrifikasi dalam biofilm terhadap fluktuasi pH.
(2) Efisiensi Penghapusan TN
Penghapusan total nitrogen menunjukkan ketergantungan pH yang signifikan:
- pH 5: 40,13%
- pH 6: 42,66%
- pH 7: 49,20%
- pH 8: 52,74%
- pH 9:69.79%(kinerja puncak)
Peningkatan sebesar 29,66% dari pH 5 menjadi 9 menyoroti peningkatan aktivitas mikroba denitrifikasi dalam kondisi basa.
(3) Efisiensi Penghapusan COD
Penghapusan COD mengikuti kurva-berbentuk lonceng:
- PH netral optimal: 94,27% pada pH 7
- Penurunan secara ekstrem:
- pH 5: 90,85%
- pH 9: 53,81%
The sharp drop at pH>7 menyarankan penghambatan bakteri heterotrofik dalam lingkungan basa.
(4) Efisiensi Penghapusan Mn²⁺
Penghapusan Mn²⁺ paling efisien pada pH mendekati-netral:
- pH 6: 95,74% (optimal untuk oksidasi Mn²⁺→MnOx)
- pH 5/9: <60% efficiency
Hal ini berkorelasi dengan tren aktivitas mikroba pengoksidasi mangan.
(5) Efisiensi Penghapusan TP
Penghapusan fosfor meningkat secara linear dengan pH:
- pH 5: 20,70% → pH 9:51.76%
TP limbah terendah (2,80 mg/L pada pH 9) menunjukkan aktivitas PAO yang bersifat basa-lebih disukai.
(6)NO₃⁻-N & NO₂⁻-N Dinamika
- Minimalisasi NO₃⁻-N pada pH 9: 5,89 mg/L (vs. 11.63 mg/L pada pH 5)
- Akumulasi NO₂⁻-N yang stabil (0,16–0,19 mg/L) di semua fase
Hal ini menegaskan nitrifikasi sinergis-denitrifikasi pada pH basa.
Kesimpulan
Dalam kondisi konsentrasi Mn²⁺ influen sebesar 10 mg·L⁻¹, penelitian ini menyelidiki lebih lanjut dampak variasi tingkat pH terhadap kinerja MBBR untuk pengolahan air limbah. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika pH influen ditingkatkan menjadi 9, efisiensi penyisihan rata-rata NH₄⁺-N, TN, dan TP mencapai96,69%, 69,79%, dan 51,76%, masing-masing. Dibandingkan dengan Fase I (pH 5), efisiensi penyisihan TN dan TP meningkat secara signifikan sebesar29,66% dan 31,06%, masing-masing.
Temuan Utama
1. Kinerja Optimal pada pH 9
- Penghapusan N&P Tertinggi: MBBR menampilkan yang terbaikdenitrifikasi dan penghilangan fosforkemampuan dalam kondisi basa (pH 9), dengan pembentukan NO₃⁻-N minimal dan konversi NH₄⁺-N hampir-lengkap.
- Peningkatan Aktivitas Mikroba: TheLuas Permukaan Total Efektif (ETSA)biofilm meningkat secara proporsional dengan pH (7-9), memuncak pada pH 9, menunjukkan aktivitas metabolisme yang unggul dalam kondisi basa. Hal ini kemungkinan besar disebabkan oleh banyaknya ion hidroksida bebas (OH⁻) yang bersifat menguatkannitrifikasi simultan-efisiensi denitrifikasi (SND)..
2. Mekanisme Penghapusan Mn²⁺
- Dominasi Adsorpsi Ekstraseluler: Di semua fase (I-V), selesai75% penghilangan Mn²⁺dicapai melalui adsorpsi ekstraseluler oleh mikroorganisme biofilm.
3. Dinamika Komunitas Mikroba
- Alkaline-Denitrifier yang Disukai: Genera denitrifikasi utama seperti Comamonas dan Hyphomicrobium menunjukkan peningkatan kelimpahan relatif pada tingkat pH yang lebih tinggi, yang menegaskan adaptasi mereka terhadap lingkungan basa.
- Comamonas Aquatica LNL3 menunjukkan keserbagunaan metabolisme yang luar biasa, mengubah NH₄⁺-N → NO₂⁻-N dan NH₄⁺-N → N₂.
- Peningkatan Keanekaragaman Hayati pada pH 9: Unit Taksonomi Operasional Unik (OTU) meningkat dari2 (pH 5) hingga 13 (pH 9), mencerminkan kekayaan mikroba yang lebih besar dalam kondisi basa.
4. Implikasi Fungsional
- Penghapusan Nutrisi Sinergis: pH basa (9) meningkatkan aktivitaspolifosfat-organisme pengumpul (PAO)Danbakteri denitrifikasi(misal, Acinetobacter), mengoptimalkan penghilangan N-P secara simultan.
- Stabilitas Proses: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75%) terlepas dari perubahan pH, menyoroti ketahanan sistem.
Implikasi Praktis
- PH Operasional yang Direkomendasikan: 8,5–9,0untuk penghapusan TN/TP secara maksimal di Mn²⁺-sistem MBBR yang diubah.
- Manajemen Mikroba: Bioaugmentasi dengan strain Comamonas atau Hyphomicrobium selanjutnya dapat meningkatkan denitrifikasi dalam reaktor alkali.