Dalam sistem lumpur aktif pengolahan air limbah, mikroorganisme berfungsi sebagai "pelaksana" inti untuk pemurnian polutan. Tergantung pada metode perolehan energi dan bentuk pemanfaatan sumber karbon mereka, mikroorganisme ini dapat diklasifikasikan secara luas menjadi dua kategori: autotrofik dan heterotrofik. Kedua jenis ini menunjukkan perbedaan mendasar dalam mekanisme metabolisme, peran fungsional, dan kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan, yang secara kolektif membentuk struktur ekologis lumpur aktif. Namun, jalur tindakan dan nilai inti mereka sangat berbeda. Pemahaman mendalam tentang perbedaan ini sangat penting untuk mengoptimalkan proses pengolahan air limbah dan meningkatkan efisiensi pemurnian.
1. Perbedaan Inti: Perbedaan Mendasar Antara Sumber Energi dan Pemanfaatan Sumber Karbon
Sumber energi dan sumber karbon adalah indikator mendasar yang membedakan mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik. Kedua faktor kunci ini secara langsung menentukan arah metabolisme dan ketergantungan kelangsungan hidup mereka, serta logika yang mendasari peran berbeda mereka dalam sistem lumpur aktif.
(1) Mikroorganisme autotrofik: pengubah materi anorganik yang "mencukupi diri sendiri"
Karakteristik inti dari mikroorganisme autotrofik adalah kemampuan mereka untuk secara independen mensintesis senyawa organik dari karbon anorganik, menggunakan zat anorganik sebagai "bahan bakar energi" tanpa bergantung pada materi organik eksternal, berfungsi sebagai "produsen" dalam ekosistem.
Dalam hal perolehan energi, mikroorganisme ini memperoleh energi dengan mengoksidasi zat anorganik. Misalnya, bakteri nitrifikasi memperoleh energi dengan mengoksidasi nitrogen amonia (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), sementara bakteri pengoksidasi nitrit mengoksidasi nitrit (NO₂⁻→NO₃⁻). Bakteri pengoksidasi sulfur, di sisi lain, menghasilkan energi dengan mengoksidasi sulfida (misalnya, H₂S→S→SO₄⁻). Mengenai pemanfaatan sumber karbon, mereka hanya mengandalkan karbon dioksida (CO₂) atau karbonat (seperti HCO₃⁻) sebagai satu-satunya sumber karbon mereka, mengubah karbon anorganik menjadi karbon organik melalui fotosintesis atau kemosintesis untuk membangun sel mereka dan melakukan aktivitas metabolisme. Karakteristik "mencukupi diri sendiri" ini memungkinkan mereka untuk bertahan hidup tanpa bergantung pada polutan organik dalam air limbah.
(2) Mikroorganisme Heterotrofik: Pengurai Materi Organik yang "Bergantung Eksternal"
Mikroorganisme heterotrofik adalah kebalikan dari mikroorganisme autotrofik. Mereka tidak dapat memanfaatkan zat anorganik untuk energi atau secara otonom mensintesis karbon organik, melainkan bergantung pada materi organik yang sudah ada dari lingkungan eksternal sebagai "sumber energi" dan "sumber karbon." Hal ini membuat mereka secara fungsional setara dengan "konsumen" dan "pengurai" dalam suatu ekosistem.
Dalam hal perolehan energi, mikroorganisme ini memperoleh energi dengan menguraikan polutan organik dalam air limbah (seperti karbohidrat, protein, lemak, dll., yang diukur dengan COD, yaitu kebutuhan oksigen kimia). Misalnya, bakteri heterotrofik aerobik memecah glukosa menjadi CO₂ dan H₂O sambil melepaskan energi untuk metabolisme mereka sendiri. Mengenai pemanfaatan sumber karbon, mereka secara langsung menyerap karbon organik dari air limbah (seperti komponen COD dan molekul organik kecil) tanpa perlu sintesis otonom. Aktivitas metabolisme mereka sepenuhnya bergantung pada konsentrasi dan jenis polutan organik dalam air limbah.
II. Peran Fungsional: Peran Berbeda dalam Sistem Pemurnian Lumpur Aktif
Berdasarkan perbedaan dalam pemanfaatan energi dan sumber karbon, mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik dalam sistem lumpur aktif melakukan fungsi pemurnian yang sangat berbeda. Yang pertama berfokus pada transformasi materi anorganik, sementara yang terakhir berfokus pada degradasi materi organik, bekerja secara sinergis untuk memastikan pemurnian air limbah yang efektif.
(1) Mikroorganisme autotrofik: Berfokus pada "penghilangan nitrogen dan sulfur," mengolah polutan anorganik
Mikroorganisme autotrofik memainkan peran sentral dalam lumpur aktif dengan memfasilitasi transformasi dan penghilangan zat anorganik, dengan nitrosomonas (termasuk Nitrosomonas dan Nitrobacter) menjadi yang paling representatif. Bakteri ini adalah pemain kunci dalam proses penghilangan nitrogen air limbah. Di bawah kondisi aerobik, Nitrosomonas pertama-tama mengoksidasi nitrogen amonia (NH₄⁺) dalam air limbah menjadi nitrit (NO₂⁻), yang kemudian dioksidasi lebih lanjut menjadi nitrat (NO₃⁻) oleh Nitrobacter. Proses ini, yang dikenal sebagai "reaksi nitrifikasi," adalah langkah inti dalam penghilangan nitrogen biologis. Tanpa bakteri nitrifikasi autotrofik, nitrogen amonia dalam air limbah tidak dapat diubah menjadi nitrat, yang selanjutnya dapat dihilangkan melalui denitrifikasi, yang pada akhirnya menyebabkan kadar nitrogen amonia yang berlebihan dalam efluen.
Selain itu, beberapa bakteri pengoksidasi sulfur autotrofik dapat mengoksidasi sulfida dalam air limbah, mengubahnya menjadi sulfat yang tidak berbahaya dan mencegah inhibisi toksik sulfida pada mikroorganisme, sehingga memastikan operasi sistem lumpur aktif yang stabil. Namun, perlu dicatat bahwa mikroorganisme autotrofik memiliki laju metabolisme yang sangat lambat (dengan siklus generasi tipikal 10-30 jam) dan sensitif terhadap kondisi lingkungan (seperti suhu, oksigen terlarut, dan pH). Akibatnya, proporsi mereka dalam sistem lumpur aktif biasanya rendah (sekitar 5%-10%).
(2) Mikroorganisme Heterotrofik: Inti "degradasi COD," membangun flok lumpur
Mikroorganisme heterotrofik adalah "kekuatan utama" dari lumpur aktif, yang menyumbang lebih dari 90% dari populasinya. Fungsi utama mereka terkonsentrasi dalam dua aspek utama: degradasi materi organik dan pembentukan flok lumpur, yang secara langsung menentukan efisiensi penghilangan COD dalam air limbah dan kinerja pengendapan lumpur aktif.
Dalam degradasi materi organik, bakteri heterotrofik aerobik memecah senyawa organik makromolekul (seperti pati, lipid, dan protein) dalam air limbah menjadi molekul organik yang lebih kecil melalui respirasi aerobik. Molekul yang lebih kecil ini selanjutnya diuraikan menjadi produk anorganik seperti CO₂ dan H₂O, sehingga mengurangi nilai COD air limbah. Ini adalah tujuan utama dari pengolahan limbah domestik dan limbah organik industri. Misalnya, di pabrik pengolahan air limbah perkotaan, bakteri heterotrofik dapat mengurangi COD influent dari 300-500 mg/L menjadi di bawah 50 mg/L, memenuhi standar pembuangan.
Dalam pembentukan flok lumpur, mikroorganisme heterotrofik tertentu (seperti aktinomiset dan jamur) mengeluarkan zat kental seperti polisakarida dan protein, yang menggabungkan sel mikroba yang tersebar menjadi flok yang stabil secara struktural (yaitu, flok lumpur aktif). Flok ini tidak hanya mengkapsulasi polutan dan meningkatkan efisiensi degradasi tetapi juga mengendap dengan cepat di tangki sedimentasi, mencapai pemisahan lumpur-air dan mencegah hilangnya mikroba dengan efluen. Jika aktivitas bakteri heterotrofik tidak mencukupi atau kemampuan pembentuk floknya lemah, hal itu dapat menyebabkan padatan tersuspensi (SS) yang berlebihan dalam efluen, dan dalam kasus yang parah, menyebabkan "pembengkakan lumpur," yang menstabilkan sistem.
3、 Kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan: Persyaratan yang berbeda untuk kondisi proses
Karakteristik metabolisme mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik berbeda, yang menghasilkan persyaratan yang berbeda untuk kondisi lingkungan sistem lumpur aktif, seperti oksigen terlarut, suhu, dan rasio nutrisi. Mengoptimalkan kondisi ini adalah kunci untuk memastikan kerja kolaboratif dari dua jenis mikroorganisme.
（1） Mikroorganisme autotrofik: sangat sensitif terhadap kondisi lingkungan
Aktivitas metabolisme mikroorganisme autotrofik (terutama bakteri nitrifikasi) membutuhkan kondisi lingkungan yang ketat, dan bahkan fluktuasi parameter kecil dapat memengaruhi aktivitas mereka:
-Oksigen terlarut (DO): Oksigen terlarut yang memadai diperlukan untuk reaksi nitrifikasi, dan DO perlu dipertahankan pada 2mg/L. Jika DO di bawah 1mg/L, aktivitas bakteri nitrifikasi akan sangat terhambat, dan efisiensi oksidasi nitrogen amonia akan menurun tajam;
-Suhu: Suhu optimal adalah 20-30 ℃. Ketika suhu di bawah 10 ℃, laju metabolisme bakteri nitrifikasi akan menurun lebih dari 50%. Di musim dingin, pabrik pengolahan limbah sering menghadapi masalah laju penghilangan nitrogen amonia yang tidak mencukupi;
-Nilai PH: Kisaran yang sesuai adalah 7,5-8,5. Jika pH di bawah 6,5 atau di atas 9,0, bakteri nitrifikasi akan menghentikan metabolisme karena inhibisi aktivitas enzim;
-Rasio nutrisi: tidak memerlukan sejumlah besar karbon organik, tetapi sensitif terhadap karbon organik - jika COD dalam limbah terlalu tinggi, bakteri heterotrofik akan bersaing dengan bakteri autotrofik untuk oksigen terlarut dan ruang, menghambat pertumbuhan bakteri nitrifikasi.
（2） Mikroorganisme heterotrofik: sangat toleran terhadap kondisi lingkungan
Dibandingkan dengan mikroorganisme autotrofik, mikroorganisme heterotrofik memiliki kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan yang lebih kuat dan rentang toleransi yang lebih luas untuk parameter proses:
-Oksigen terlarut (DO): Bakteri heterotrofik aerobik membutuhkan DO untuk dipertahankan pada 1-2mg/L untuk memenuhi kebutuhan metabolisme mereka, sementara beberapa bakteri heterotrofik fakultatif (seperti bakteri denitrifikasi) masih dapat menguraikan materi organik melalui respirasi anaerobik di bawah kondisi anaerobik;
-Suhu: Suhu optimal adalah 15-35 ℃, tetapi masih dapat mempertahankan tingkat aktivitas tertentu dalam rentang 5-40 ℃, dan toleransinya terhadap suhu rendah jauh lebih baik daripada bakteri autotrofik;
-Nilai PH: Kisaran yang sesuai adalah 6,0-9,0, dan beberapa bakteri heterotrofik (seperti jamur) masih dapat bertahan hidup di bawah kondisi asam pada pH 5,0 atau kondisi basa pada pH 10,0;
-Rasio nutrisi: Karbon organik yang memadai diperlukan dan sensitif terhadap rasio karbon terhadap nitrogen (C/N) - biasanya membutuhkan rasio C/N 5-10:1. Jika sumber karbon tidak mencukupi, bakteri heterotrofik akan mengalami penurunan aktivitas dan laju penghilangan COD karena "kelaparan".
4、 Kolaborasi dan Persaingan: Hubungan Mikroba dalam Sistem Lumpur Aktif
Dalam sistem lumpur aktif, mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik tidak ada secara independen, tetapi memiliki hubungan ganda "sinergi" dan "persaingan", dan keseimbangan antara keduanya secara langsung memengaruhi efektivitas pengolahan limbah.
（1） Hubungan kolaboratif: fungsi komplementer, bersama-sama menyelesaikan pemurnian
Sinergi antara keduanya terutama tercermin dalam "proses denitrifikasi": bakteri nitrifikasi autotrofik mengubah nitrogen amonia menjadi nitrat (proses nitrifikasi), sementara bakteri denitrifikasi heterotrofik, di bawah kondisi anaerobik, menggunakan karbon organik dalam air limbah sebagai donor elektron untuk mengurangi nitrat menjadi nitrogen (N ₂) dan melepaskannya ke udara (proses denitrifikasi) - tanpa bakteri autotrofik, bakteri denitrifikasi tidak memiliki "substrat" untuk digunakan; Jika bakteri heterotrofik kurang, nitrat yang dihasilkan oleh bakteri nitrifikasi tidak dapat dihilangkan, dan pada akhirnya total nitrogen tidak dapat memenuhi standar. Selain itu, bakteri heterotrofik dapat mengurangi beban organik dalam air limbah setelah menguraikan COD, menciptakan lingkungan hidup yang sesuai untuk bakteri autotrofik yang sensitif terhadap karbon organik dan secara tidak langsung mempromosikan aktivitas mereka.
（2） Hubungan kompetitif: persaingan sumber daya, memengaruhi keseimbangan sistem
Persaingan antara keduanya terutama berfokus pada "oksigen terlarut" dan "ruang hidup": ketika konsentrasi COD dalam limbah terlalu tinggi, bakteri heterotrofik akan berkembang biak dengan cepat karena "makanan yang cukup", mengkonsumsi sejumlah besar oksigen terlarut, dan aktivitas bakteri autotrofik akan terhambat karena "hipoksia", yang menghasilkan fenomena "efek penghilangan COD yang baik tetapi efek penghilangan nitrogen amonia yang buruk"; Sebaliknya, jika konsentrasi COD dalam air limbah terlalu rendah (seperti air limbah industri), aktivitas bakteri heterotrofik tidak mencukupi, dan flok lumpur yang stabil tidak dapat terbentuk. Bakteri autotrofik juga akan hilang karena "kekurangan pembawa", yang memengaruhi efisiensi nitrifikasi. Oleh karena itu, dalam proses praktis, perlu untuk menyeimbangkan hubungan kompetitif antara keduanya dengan menyesuaikan parameter seperti beban air masuk dan rasio refluks. Misalnya, saat mengolah air limbah COD tinggi, "air masuk tersegmentasi" dapat digunakan untuk mengurangi beban organik lokal dan memastikan kebutuhan oksigen terlarut bakteri nitrifikasi.
5、 Ringkasan: Perbedaan Inti dan Signifikansi Teknologi antara Dua Jenis Mikroorganisme
Perbedaan antara mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik dalam lumpur aktif pada dasarnya adalah perbedaan dalam "sumber energi dan metode pemanfaatan sumber karbon", yang meluas ke serangkaian perbedaan dalam penempatan fungsional, kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan, dan hubungan mikroba antara keduanya (seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1).
Memahami perbedaan ini memiliki signifikansi panduan penting untuk mengoptimalkan proses pengolahan limbah: misalnya, saat mengolah limbah nitrogen amonia tinggi dan COD rendah (seperti air limbah akuakultur), perlu untuk fokus pada memastikan kondisi kelangsungan hidup bakteri autotrofik (meningkatkan DO, mengendalikan suhu), dan menambahkan sumber karbon yang sesuai untuk memenuhi kebutuhan denitrifikasi bakteri heterotrofik; Saat mengolah air limbah COD tinggi dan nitrogen amonia rendah (seperti air limbah makanan), perlu untuk mengontrol beban organik, menghindari pertumbuhan bakteri heterotrofik yang berlebihan dan menghambat bakteri autotrofik, dan memastikan bahwa COD dan nitrogen amonia memenuhi standar secara bersamaan. Singkatnya, operasi yang stabil dari sistem lumpur aktif pada dasarnya adalah "keseimbangan dinamis" antara mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik. Hanya dengan mencocokkan kebutuhan keduanya secara akurat, efisiensi maksimum pengolahan limbah dapat dicapai.
