about nutrisi buat bakteri pengolahan limbah

Efisiensi proses menyingkirkan polutan bergantung pada interaksi 3 faktor: organisme, polutan, dan lingkungan. Untuk membuang polutan yang tersedia sebagai nutrisi secara efisien, organisme harus tumbuh di dalam lingjungan dengan nutrisi, temperatur, pH , dan intensitas pencampuran di dalam kesetimbangan. Medium tempatnya tumbuh harus memiliki sumber karbon yang cukup, sumber energi yang cukup, dan suplai ample dari nutrisi anorganik, serta dalam beberapa kasus dibutuhkan pula sumber nutrisi organik.

Tanpa lingkungan pertumbuhan yang cukup baik dan kesetimbangan kondisi nutrisi, efisiensi pengolahan limbah yang dari konversi yang kurang sempurna dari sumber organik dan anorganik menjadi produk  dan penghilangan padatan tersuspensi  yang tdk efisien. Dalam beberapa kasus, operator harus dapat mengenali kondisi yang akan menyebabkan kegagalan proses.

Komposisi sel:

Sel terdiri dari 70-90% air, dan 10-30% berat material kering. Material kering terdiri dari 70-95% bahan organik dan 5-30% bahan inorganik. Karbon, oksigen, nitrogen, dan hidrogen menjadi pengisi bahan inorganik sebanyak 92% . komposisi sel bakteri bervariasi berdasarkan tipe bakteri dan kondisi pertumbuhan seperti konsentrasi berbagai nutrisi, temperatur, pH , intensitas pencampuran, dan tahapan pertumbuhan bakteri itu sendiri. Oleh karena terdapat elemen yang tidak lebih penting secara kuantitatuf,  fraksi organik dalam biomassa diasumsikan terdiri dario karbon, oksigen, nitrogen, dan hidrogen. Fraksi organik dari lumpur aktif rata-rata terdiri dari 49.2% karbon, 34.6% oksigen, 8.8%nitrogen, dan 7.4% hidrogen, dengan variasi yang bergantung faktor yang sebelumnya telah disebutkan.

limbah domestik dapat didefinisikan menjadi C₁₀H₁₉O₃N, limbah lemak C₈H₁₆O, dan limbah karbohidrat C₆H₁₂O₆, limbah protein sbagai C₁₆H₂₄O₅N4. persamaan 3.1 dapat dituliskan untuk perubahan limbah cair domestik dalam sintesis sel yang memiliki komposisi C₅H₇O₃N.

C₁₀H₁₉O₃N + 3.625 O₂ + 0.774NH₄+ + 0.775 HCO₃ à1.775 C₅H₇O₂N + 1.9 CO₂ + 5.225 H₂O

Komposisi unsure dalam biomassa dapat juga diperoleh dari kondisi defisit nutrisi  yang terjadi.

Komposisi biokimia sel

Prekursor inorganik seperti amonia (NH3), ortoposfat (PO43-), Sulfida (HS-), air, dan nutrisi lain yang diambil dari sel dan disintesis pertama kali menjadi building block yang disebut monomer.  Nutrisi lain harus dibuat  atau direduksi dengan menggunakan tingkat oksidasi atau reduksi  yang setara dengan unsur yang hadir  dalam monomer sebelum digunakan dalam biosintesis. Nutrisi ini meliputi karbondioksida (CO2), nitrat (NO3-), nitrit (NO2-), nitrogen, sulfat, unsur belerang (S), dan tiosulfat (S2O32-). CO2 dapat direduksi dengan level oksidasi yang sama sebagai karbohidrat atau lebih rendah seperti NO3-, NO2-, dan N2 menjadi senyawa golongan amino (-NH2); dan SO42-, S, dan S2O32- menjadi senyawa golongan sulfhidril.

Molekul-molekul besar yang disuplai sebagai protein, polisakarida, dan lipid harus dipecah terlebih dulu menjadi senyawa yang lebih kecil dan senyawa inorganik yang ——– disintesis menjadi monomernya. Nutrisi yang lain pun sama, harus disuplai sebagai senyawa dengan molekul yang cukup sederhana seperti asam amino, purin, atau pirimidin, dan vitamin karena senyawa-snyawa ini tak dapat disintesis oleh beberapa organisme.

Terdapat 4 kelas monomer yang penting yaitu: asam amino, gula sederhana, asam lemak, dan nukleotida yang kemudian akan disintesis sel menjadi molekul yang lebih besar

Bentuk dan Fungsi Nutrisi dalam Metabolisme Bakterial

Ketika makromolekul-maromoekul dibentuk, mereka dirakit  menjadi senyawa yang memiliki struktur yang lebih rumit seperti penyususn dinding sel, membrane, ribosom, dan kromososm yang dibentuk menjadi sel  dan organel.

Temperature  memiliki pengaruh yang cukup signifkan dalam komposisi sel. Ketika kanduungan RNA dalam sel bertambah karena pengurangan temperature, kandungan DNA dalam sel hamper constant.

Bentuk dan fungsi nutrisi dalam metabolism bacteria.

Senyawa-senyawa yang diambil dari lingkungan dibawa dengan menggunakan dua mekanisme aktifitas metaolisme.: produksi energy (bioenergetka) dan embuatan sel baru dari bahan material sel (biosintesis).organisme memproduks eneri berbantukan cahaya, bahan organic dan inorganic. Bahan inrganik yang teribat dalam pembuatan energy tersebut, misalnya ammonium, nitrit, sulfide, unsure belerang, thiosulfat, dan ion ferro. Senyawa-senyawa ini diksidasi  dan energy dileaskan selama oksidasai dan digunakan untuk pertahanan sel seperti sintesis ahan baku pembuatan sel yang baru, dan pergerakan sel jika sel termasuk ke dalam jenis sel yang motil.

Karbon

Merupkan unsure utama dalam pembentukan sel baru selama biosintesis karbon merupakan sumber dari bebagai senyawa organic seperti asam amino, asam lemak, gula, basa nitrogen senyawa-senyawa aromatic, dan berbaga substansi organic lainnya, serta karbon dioksida. Selama proses biosintesis dari senyawa organic sebagian karbon diekskresikan dari sel, baik sebagai karbo dioksida, maupun produk limbah organic. Karbon dioksida, pada gilirannya digunakan oleh bakteri autotrof maupun jenis baktei lainnya sebagai sumber karbon utama dalam pembentukan sel. Ini diperoleh dari lingkunganakuatik dari sel bakteri bukan dari udara.

Oksigen dan hydrogen

Osksigen dan hisrogen adalah juga bahan utama pembuatan sel. Adapun sumbernya dapat berasa dari molekul oksigen dan molekul air, dan senyawa-senyawa organic. Oksigen sebagai akseptor electron, digunakan sebgai dasar klasifikasi organism, yaitu aerob dan anaerob. Obligat aerob tidak dapat tumbuh tanpa oksigen, sementara obliigat anaerob justru akan terbunuh dengan adanya iksigen.

Anaerob aerotolerant dapat mentoleransi oksigen kadar rendah tanpa terjadinya kerugian besar pada organisme.  Mikroaerofilik adalah organism yang tumbuh pada level oksigen rendah pula, sedangkan organism fakultatif dapat tumbuh pada kondisi hadirnya oksigen maupun ketidakhadiran oksigen.

Nitrogen

Nitrogen memeiliki komposisi sebesar 14% dari keseluruhan bahan pembangun sel.  Dan merupakan konstituen utama dari protein dan asam nukleat dari sel. Nitrogen juga ditemukan di dalam peptidoglikan, dinding sel sebagian besar bakteri. Nitrogen terdapat di alam dalam bentuk s senyawa organic dan senyawa inorganic. Bentuk organic nitrogen misalnya asam amino, dan basa nitrogen, serta produk mineralisasi dari organism yang telah mati. Nitrogen organic dalam limbah cair secara parsial tersedia untuk digunakan sebagai suber makanan.

Nitrogen inorganic dapat digunakan dalam bentuk gas nitrogen, ammonia-nirogen (NH₃⁺NH₄⁺), nirit, dan nitrat. gas nitrogen diperoleh dari udara yang diperoleh melalui proses fiksasi nitrogen, Azotobacter, Bacillus, cyanobakteri, Clostridium, dan Rhodobacter. Dalam proses fiksasi, gas nitrogen pertama direduksi menjadi ammonium (NH₄⁺), dan kemudian dikonversi menjadi nitrogen organic.  Ammonia-nitrogen dapat ditemukan dala limbah organic sebagai ammonia yang dapat  dibentuk melalui proses unionisasi gas nitrogen atau ion ammonium:

NH₃ + H₂O à  NH₄+  + OH^–

Ion ammonium memeiliki Ph di bawah 9 dan ammonia memiliki Ph dia atas 9.7. ion ammonium adalah bentuk nitrogen inorganic ion yang selalu paling siap digunakan karena tidak membutuhkan reaksi oksidasi-reduksi, atom nitrogen ion ammonium terdapat pada derajat oksidasi yang sama dengan nitrogen  dalam asam amino, purin, dan pirimidin.  Asam amino merupakan precursor untk protein, purin, pirimidin yang merupakan precursor bagi pembentukan nukleotida. Ion ammonium dapat diasimilasi oleh mikroorganisme melalui tiga reaksi yaitu aminasi yang berisi pembentukan grup asam amino dari asam glutamate,  asparagin, dan glutamine. Banyak bakteri menggunakan nitrit dan nitrat sebagai satu-satunya sumber nitrogen. Proses reduksi ini dikenal sebagi proses reduksi asimilasi nitrat, yang membutuhkan energy. Organism yang membutuhkan energy dari sumber lain seperti proses oksidasi senyawa organic harus menggunakan energy yang lebih besar ketika nitrat atau nitrit yang tersedia sebagai stu-satunya sumber nitrogen jika dibandingkan dengan ketika nitrogen tersedia. Hasilnya adalah perolehan biomassa yang lebih rendah daripada biomassa yang diperoleh dari proses nitrogen yang bersumber dari ammonia-nitrogen.

Fosfor

Kandungan fosfor dalam sel kering adalah sekitar 3%  massa. Kompenen selular mengandung senyawa fosfor berenergi tinggi yang disebut Adenosin Triphosfat (ATP) dan adenosine diphosfat (ADP), nukleotida seperti nikotinamida adenine dinukleotida (NAD), dan flavin adenine dinukleotida (FAD), asam nukleat, dan phosfolipid. Phosphor tersedia di alam dalam bentuk garam phosfat dari kalsium, besi, aluminium phosfat dan turunan organic dan inorganic lainnya. Phosfat inorganic meliputi orthophosfat yang bersifat mudah larut dalam air, serta poliphosfat dan metaphosfat yang keduanya relative tidak mudah larut. Poliphosfat dihidrolisis dalam larutan akan menghasilkan orthophosfat. Kebanyakan phosfat inorganic tidak dapat digunakan sebelum dipecah, melepaskan organic phosfat bebas dengan menggunakan enzim phosfatase.

Sulfur

Sulfur memeiliki fungsi yang sangat penting dalam pembentukan asam amino sistein dan metionin yang di dalam keduanya terdapat unsure sulfur. Sulfur juga hadir dalam sejumlah vitamin yang digunakan untuk pertumbuhan. Sulfur terdapat di alam dalam berbagai bentuk seperti: sulfuhidril (R-SH), sulfide (HS^–), unsur sulfur (S), dan sulfat (SO₄^2-)

Bahan makanan yang lain

Karbon, oksigen, nitrogen, hydrogen, phosphor, dan sulfur dibutuhkan untuk sintesis sel secara makromolekul. Terdapat elemen yang lain  yang dibutuhkan untuk memenuhi tiga tugas berikut: activator enzim atau koenzim atau kofaktor logam, mentransfer electron dalam reaksi oksidasi reduksi, dan pengaturan tekanan osmososis.

Kalium dibuthkan untuk mengaktivasi enzim dalam berbagai proses sintesis protein, mempertahankan tekanan osmosis dan mengatur Ph. Magnesium mengaktivasi berbagai enzim terutama yang berkaitan dengan transfer phosfat, mengikat enzim dengan substrat masing-masing, dan merupakan bahan pembentuk klorofil serta terdapat dalam dinding sel, membrane, ribososm, dan ester phosfat. Kalsium adalah kofaktor untuk enzim bernama proteinase yang terdapat dalam dinding sel, tempat di mana terdapat integritas struktur, dalam endospora bakteri dorman sebagai kalsium-dipokolinat, yang akan menambah hambatan panas dari spora. Natrium dibuthkan dalam pertumbuhan terutama di wilayah laut, dan lingkungan bergaram, serta hasil produksi bakteri methane. Klorin penting sebagai anion dalam sel, besi penting sebagai sejumlah enzim seperti enzim transport electron dalam respirasi protein besi- sulfur dan sitokrom. Besi dalam alam yang berupa ion Ferri (Fe ³⁺), ion Ferro (Fe ²⁺), dan bentuk senyawa organic besi, bentuk ion ferri berada dalam kondisi aerob dan berfungsi mereduksi bentuk ferro  yang ditemukan dalam kondisi anaerob. Kobalt diperlukan untuk membentuk vitamin B12 dan seng essensial untuk aktifitas berbagai enzim seperti karbonik anhidrase, alcohol dehidrogenase, dan polymerase RNA-DNA. Molibdenum memeiliki fungsi dalam mengasimilasi reduksi nitrat dan resuksi nitrogen. Tembaga memiliki fungsi yang hamper sama dengan besi yaitu dalam respirasi, sebagai sitokrom oksidase. Mangan berfungsi sebagai activator dalam enzim tertentu  yang berfungsi dalam proses detoksifikasi racun menjadi oksigen,. Nikel berfungsi sebagai bahan penyusun enzim hidrogenase yang berfungsi menangkap hydrogen. Tungsten dan Selenium merupakan bagian enzim yang berfungsi dalam metabolism format.

Asam amino, purin, pirimidin, dan vitamin

Asam amino, purin, pirimidin, tersedia sebagai bahan nutrisi untuk organism yang tak mampu mensintesis bahan ini sendiri. Ketiganya berfungsi sebagai precursor dalam building blok dan bahan penyusun berbagai senyawa organic dalam pembangun sel. Vitamin merupakan senyawa organic yang berfungsi sebagai bukan sumber energy maupun building blok dari makromolekul melainkan sebagai bagian dari enzim baik itu berupa koenzim maupun grup proshetik yang merupakan katalis dari berbagai macam reaksi biologis.

Transportasi Bahan Makanan

Senyawa-senyawa yang memiliki ukuran molekul yang cukup besar dipecah terlebih dulu sebelum ditransportasikan dengan menggunakan aktifitas ekstraseluler (di luar sel) dari enzim yang disebut eksoenzim yang diproduksi di dalam sel dan disekresikan melalui membrane sel untuk bertugas memecah molekul besar.

Adapun mekanisme transportasi yang dapat dilakukan adalah dengan transport aktif dan transport pasif. Transport pasif merupakan mekanisme transportasi yang tidak memerlukan energy dari sel untuk mendorong nutrisi masuk ke dalam sel. Yang termasuk ke dalam transport pasif adalah difusi sederhana dan difusi terfasilitasi. Difusi sederhana terjadi pada membrane semipermabel secara langsung berdasarkan driving force berupa perbedaan konsentrasi yaitu pergerakan nutrisi di luar sel yang berkonsentrasi tinggi ke dalam sel yang memiliki konsentrasi nutrisi rendah. Sedangkan difusi terfasilitasi adalah difusi yang menggunakan fasilitas pergerakan tanpa energy yang berupa protein pembawa atau permease. Protein pembawa adalah protein spesifik terhadap satu atau beberapa jenis protein tertentu yang akan mengikat nutrisi tersebut dan membawanya ke dalam sel.

Transport aktif, merupakan mekanisme transportasi yang melibatkan kombinasi antara protein pembawa dengan energy karena terjadi perlawanan terhadap gradient konsentrasi sehingga diperlukan beberapa mekanisme kimiawi seperti pelibatan phosfat berenergi tinggi berupa ATP, dan lainnya.

Sumber Nutrisi yang Terdapat dalam Limbah Cair

Karbon, oksigen, dan hydrogen terdapat dalam berbagai senyawa organic yang menjadi bagian dari limbah cair, misalnya dalam limbah domestic, limbah komersial, limbah industry, dan limbah pertanian dalam bentuk protein, karbohidrat, lemak, minyak dan pelumas. Bahan ini juga ditemukan dalam bentuk inorganiknya. Karbon ditemukan dalam bentuk utama seperti bikarbonat, asam karbonat, dan karbonat. Oksigen tersedia dalam bentuk oksigen terlarut, air, dan bikarbonat. Sementara hydrogen tersedia dalam bentuk gas dan air.

Senyawa nitrogen dalam limbah cair tersedia dalam bentuk organic (urea) dan inorganic (ammonia, nitrit, dan nitrat). Senyawa phosfat  dalam limbah cair tersedia dalam bentuk orthophosfat (PO₄^3-, HPO₄^2-, H₂PO₄^–, H₃PO₄)dan phosfat organic. Phosfat organic dikonversi menjadi orthophosfat melalui reaksi hidrolisis, oksidasi, dan polimerisasi. Sumber utama senyawa phosfat dari limbah cair adalah limbah manusia dan limbah deterjen. Bahan kimia mengandung senyawa phosfat kadang digunakan untuk mengendalikan korosi dan pembentukan kerak yang terjadi dalam sistem perpipaan.

Senyawa belerang terdapat dalam limbah domestic, komersial, dan industry berupa senyawa sulfide, sulfat, sulfit, dan sulfur organic (berupa merkaptan, thioester, dan disulfide). Nutrisi lain dalam limbah organic misalnya kalium, magnesium, sodium, kalsium, mangan, seng, tembaga, klorida, nikel, selenium, kobalt, selenium terpat dalam limbah domestic, limbah bahan kimia dalam perpipaan air, limbah industry, limbah hasil irigasi, infiltrasi sumur, dan air bawah tanah.

Kebutuhan Nutrisi dalam pengolahan limbah secara biologi

Untuk menunjang seluruh sistem kehidupan mikroba mulai dari energi maupun makanan, maka nutrisi yang diperlukan harus dalam keadaan dengan jumlah yang cukup penelitian terakhir menyebutkan, untuk mencukupi kebutuhan senyawa nutrisi  selama 5 hari, dibutuhkan nutrisi dengan perbandingan BOD₅: N: P sebesar 100:5:1 untuk memperoleh pengolahan limbah yang efisien. Rasio ini dapat bertambah seiring dengan pertambahan usia sludge. Nitrogen dan Phosfor yang dibutuhkan akan berkurang pada pertambahan sludge karena jumlah sel yang dihasilkan lebih sedikit pada usia sludge yang cukup lama.

Proses anaerob pada umumnya digunakan untuk menstabilisasi lumpur limbah cair dan lumpur limbah teraktifkan, baik itu diasumsikan mengandung nutrisi yang cukup untuk mendukung proses stabilisasi anaerob.

Namun, jumlah sel yang baru yang dihasilkan dalam proses anaerob lebih sedikit daripada yang dihasilkan melalui proses aerob, lebih sedikit jumlah nitrogen dan phosphor yang dibutuhkan untuk membangun sel baru. Dengan kata lain, proses anaerob membutuhkan jumlah nitrogen dan phosphor yang jauh lebih sedikit. Proses anaerob memiliki koefisien perolehan karena sebagian besar energy dalam substrat, hilang dari sistem sebagai metana, dengan energy yang lebih sedikit yang tersedia untuk sintesis sel baru daripada proses anaerob.

Defisiensi nutrisi

Defisiensi nutrisi dapat terjadi dan dapat menimbulkan konversi yang kurang sempurna dari substansi organic maupun inorganic menjadi produk. Selain itu, hal inio akan menyebabkan ketiideakefisienan dalam menyingkirkan padatan tersuspensi.

Sludge bulking

Peristiwa ini terjadi ketika organism berfilamen jumlahnya sangat berlebih, lumpur aktif tidak dapat mengendap saat melalui klarifier sehingga proses akan menjadi terganggu. Kondisi seperti ini disebut sludge bulking. Proses fisika, kimia, dan biologi dapat terjadi sebelum pengolahan limbah secara biologi dilakukan sehingga konsentrasi nutrisi yang akan diproses dapat berkurang.

Sludge Foaming

Defisiensi nutrisi tidak hanya diakibatkan oleh berlebihnya pertumbuhan organism berfilamen, tetapi juga karena aktifitas busa dari lumpur atau disebut sludge foaming. Sludge foaming ini dapat disebabkan mikroorganisme seperti Microtrhrix Parvicella yang kekurangan nutrisi. Adapun penyelesaiannya adalah dengan menambahkan vitamin misalnya asam folat kedalam lumpur sekunder yang secara signifikan dapat mengurangi keberadaan organisme Microtrhrix Parvicella tersebut.

Penambahan Nutrisi

Tingginya nilai BOD dalam limbah dan deteriorasi dari karakteristik limbah lumpur aktif dapat mengurangi nutrisi dalam limbah, sedangkan untuk menyelenggarakan proses yang memadai dibutuhkan nutrisi memadai pula yang dapat membuat mikroorganisme dapat hidup secara optimum. Jika defisiensi nutrisi terjadi, jumlah sebagian partikel nutrisi harus segera didefinisikan  jumlahnya dan diketahui di mana kekaurangannya untuk selanjutnya dilakukan tindakan berupa penambahan nutrisi atau yang dikenal sebagai nutrient addition atau penambahan nutrisi.

Dosis Nutrisi pada Basis Rasio Influent  BOD terhadap massa Nutrisi

Adapun jumlah nutrisi yang ditambahkan diketahui dengan mengurangkan jumlah nutrient yang dibutuhkan dengan jumlah nutrient yang tersedia.

Jumlah Oksigen yang dibuthkan oleh mikroorganisme

Oksigen yang dibutuhkan organisme dapat didefinisikan dari persamaan pertumbuhan yang dituliskan sebagai oksidasi substrat dan sintesis material sel baru. Oksigen yang dibutuhkan untuk proses lumpur aktif tanpa nitrifikasi dapat didefinisikan dari jumlah substrat berkarbonat yang dioksiodasi per hari.

Nutrisi berlebih

Kelebihan input nutrisi dalam limbah juga dapat mempengaruhi lingkungan secara signifikan. Jumlah karbon berlebih misalnya, dapat mengurangi oksigen terlarut dalam sistem air tempat limbah secara keseluruhan, membunuh organism makro seperti ikan. Tingginya konsentrasi nitrogen dan phosphor yang masuk ke dalam sistem sungai akan menyebabkan sungai mengalami overfertilisasi atau terlalu subur sehingga menyebabkan timbulnya eutrofikasi dan blooming alga yang akan menyebabkan efek ikutan yang juga mengganggu lingkungan. Konsentrasi nitrat berlebih juga dapat menimbulkan methemoglobinemia, yaitu sejenis penyakit kerusakan darah bayi yang kurang dari usia 3 tahun. Nitrit berlebih yang masuk ke dalam usus manusia dapat bereaksi dengan amina menghasilkan nitroamina yang bersifat karsinogenik. Selain itu, sulfide berlebih juga menyebabkan bau di plant pengolahan, bersifat toksik, edema, aprea, dan sampai kematian. Nutrisi berlebih lainnya juga menimbulkan efek yang merugikan baik untuk lingkungan maupun untuk manusia.

Penyingkiran Karbon

Proses biologi digunakan untuk menyingkirkan karbon organic dalam bentuk koloid maupun tersuspensi. Dalam proses, karbon organic dikonversi manjadi gas terutama karbon dioksida. Proses pengolahan biologi dapat menyingkirkan 80-95% dari influent BOD_5. Adapun proses yang dapat dilakukan misalnya pengendpan, filtrasi, transfer gas, adsorpsi, pertukaran ion, fotosintesis, fotooksidasi, dan lain-lain

Penyingkiran Nitrogen

Proses penyingkiran nitrogen secara biologis misalnya dengan menyingkirkan alga secara manual, assimilasi bakteri, dan pengolahan alami. Proses-proses ini membutuhkan sumber karbon untuk ditambahkan ke dalam sistem.

Penyingkiran Phosfor

Penyingkiran Phosfor dilakukan dengan menyelenggarakan metabolism organism yang disebut sebagai “luxury uptake” misalnya Acinetobacter, Pseudomonas, dan Moraxella. Factor yang berpengaruh terhadap Penyingkiran Phosfor adalah komposisi dan konsentrasi substrat,  konsentrasi nitrit dan sulfide, serta tingkat DO (kadar Oksigen terlarutkan).

Penyingkiran Element Minor

Penyingkiran Element Minor dilakukan dengan pengambilan secara biologi dan adsorpsi