Nitrobacter sebagai Upaya Biodegradasi Pengolahan Limbah

Mikroba terdapat dimana-mana di sekitar kita ada yang menghuni tanah, air, dan udara. Studi tentang mikroba yang ada di lingkungan alamiahnya disebut ekologi mikroba. Ekologi merupakan bagian biologi yang berkenaan dengan studi mengenai hubungan organism atau kelompok organisme dengan lingkungannya.

Ekologi mikroba sangat berperan membantu memperbaiki kualitas lingkungan. Bagian dari mikrobiologi yang mempelajari tentang peranan mikroorganisme di dalam lingkungan adalah mikrobiologi lingkungan. Lingkungan yang dimaksud terutama terdiri dari air, udara, dan tanah. Mikrobiologi air adalah mikrobiologi yang mempelajari kehidupan dan peranan mikroorganisme di dalam lingkungan air. Peranan mikroba dalam air dapat dipakai dalam bidang kesehatan, bidang pertanian, bidang peternakan, bidang industri, bidang pengairan, bidang pengolahan air. Mikrobiologi tanah adalah bagian disiplin mikrobiologi yang mempelajari kehidupan, aktivitas, dan peranan mikroorganisme di dalam tanah.

Perananan mikroba dalam lingkungan hidup pada saat sekarang adalah sebagai jasad yang secara langsung atau secara tidak langsung mempengaruhi lingkungan; dan juga baik jasad yang secara langsung maupun secara  tidak langsung dipengaruhi oleh lingkungan.

NITROBACTER

Unsur nitrogen di alam terdapat dalam bentuk gas, sedangkan di tanah jumlahnya sangat sedikit,namun sangat dibutuhkan oleh tumbuhan dalam jumlah banyak. Nitrogen bersenyawa membentuk urea, protein, asam nukleat atau sebagai senyawa anorganik seperti amoniak, nitrit dan nitrat.

Meskipun kebutuhan N₂ sangat penting, namun hanya sedikit organisme yang dapat mengikat N2 dari udara, yaitu jenis bakteri dan gangang bersel satu yang bersimbiosis dengan tmbuhan tingkat tinggi melalui Fiksasi Nitrogen. Sedangkan tumbuhan lainnya memperoleh senyawa nitrogen melalui suplai N2 atau daur nitrogen. N2 diserap oleh tumbuhan dalam bentuk nitrat melalui proses Nitrifikasi yang dibantu oleh bakteri Nitrosomonas, Nitrococus dan Nitrobacter.

Bakteri yang mengoksidasi ammonia menjadi nitrit kemudian menjadi nitrat disebut bakteri nitrifikasi. Sedangkan bakteri denitrifikasi adalah bakteri mampu mengubah nitrit menjadi gas nitrogen yang nantinya gas tersebut akan kembali lagi ke atmosfer dan siap untuk memulai daur lagi.

Nitrobacter merupakan bakteri nitrifikasi karena merupakan bakteri yang mengubah nitrit menjadi nitrat. Nitrobacter termasuk famili Nitrobacteraceae. Spesies nitrobacter meliputi Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter hamburgensis, Nitrobacter vulgaris, Nitrobacter alkalicus. Selain itu, nitrobacter juga merupakan sub-kelas dari Proteobacteria.Tidak seperti pada tumbuhan, ketika transfer elektron pada fotosintesis menyedisakan energi untuk fiksasi karbon, Nitrobakter menggunakan energi dari oksidasi ion nitrit  ( NO₂¯ ) menjadi ion nitrat ( NO₃¯ )  untuk memenuhi kebutuhan karbonnya.
Nitrobacter memiliki pH optimum antara 7,3 dan 7,5 serta akan mati pada suhu 120°F (49°C) atau di bawah 32°F (0°C). Menurut Grundman, Nitrobacter tumbuh optimal pada suhu 38°C dan pH 7,9. Akantetapi, Holt menyatakan bahwa Nitrobacter tumbuh optimal pada suhu 28°C dan ph antara 5,8-8,5 dan memiliki pH optimal antara 7,6-7,8 (Grundman et. al. 2000, Holt, 1993).  Nitrobakter termasuk bakteri aerob, pada umumnya berbentuk batang, seperti pir atau pleomorfhic dan berkembang biak dengan budding.
Nitrosomonas menguraikan ammonia menjadi Nitrit, yang merupakan senyawa beracun bagi koi. Nitrit menjadi makanan bakteri Nitrobacter dan menghasilkan senyawa Nitrat. Melihat keterkaitannya, lumrah bila kita menemukan kedua bakteri itu bersama dalam kolam. Walaupun berbahaya, koi masih mampu bertahan dengan kadar Nitrit dua kali kadar ammonia.
Inilah yang dimaksud siklus nitrogen atau lazim disebut proses nitrifikasi. Koi melakukan respirasi dan bersekresi membuang kotoran yang mengandung ammonia. Begitu juga sisa pakan, kotoran di dasar kolam, atau koti mati yang lama tidak diangkat. Semuanya memberikan kontribusi terhadap peningkatan kadar ammonia dalam kolam. Ammonia diuraikan nitrosomonas menjadi nitrit. Siklus berikutnya adalah nitrobacter yang mengkonversi nitrit menjadi nitrat. Pada bagian akhir, nitrat diserap tumbuhan air atau menguap setelah melalui proses oksidasi dipermukaan air.
Karakteristik

Nitrosomonas dan nitrobacter adalah terminologi bakteri Lithotrophic. Mereka membutuhkan oksigen dan makanan untuk hidup dan membangun koloni dimedia dengan permukaan yang keras dan bersih. Kedua jenis bakteri tersebut termasuk lama dalam replikasi dibanding bakteri lain yang ada. Pada kolam air tawar, bakteri membutuhkan waktu setiap 8 jam untuk bereplika, sedangkan untuk air laut lebih lama lagi, sekitar 24 jam.

Proses pengolahan air limbah secara biologis aerobic adalah dengan memanfaatkan aktifitas mikroba aerob, untuk menguraikan zat organik yang terdapat dalam air limbah, menjadi zat norganik yang stabil dan tidak memberikan dampak pencemaran terhadap lingkungan. Mikroba aerob ini sebenarnya sudah terdapat di alam dalam jumlah yang tidak terbatas dan selalu dapat diperoleh dengan sangat mudah.Dalam kapasitas yang terbatas alam sendiri sudah mampu menetralisir zat organik yang ada dalam air limbah. Sementara itu kemampuan air dalam menyerap oksigen di udara sangat terbatas, walaupun keberadaan oksigen di udara tidak terbatas. Pemenuhan oksigen dapat dibantu dengan peralatan mekanis (aerator), aliran udara bertekanan atau pertumbuhan mikrobia itu sendiri (algae).
 Pengolahan Limbah

            Bakteri aerob dapat memecah gula menjadi air, karbondioksida (CO2), dan energi. Oleh karena itu, saat ini, bakteri aerob banyak dimanfaatkan untuk pengolahan limbah-limbah cair yang dihasilkan dari pabrik-pabrik. Dalam pengolahan limbah ini, bakteri aerob memiliki beberapa karakteristik sebagai berikut.

1. Bakteri aerob memerlukan suhu yang tinggi agar dapat bekerja maksimal. Ia memerlukan temperatur lebih tinggi dari sebelumnya jika ingin sampai pada reaksi yang diinginkan.
2. Bakteri ini akan efektif bekerja pada kisaran pH 6,5 sampai dengan 8,5. Pada reaktor aerob, hal tesebut dikenal dengan istilah Completely Mixed Activated Sludge (CMAS). Pada proses tersebut, terjadi netralisasi asam dan basa sehingga tidak diperlukan lagi tambahan bahan kimia selama BOD-nya kurang dari 25mg/liter limbah.
3. Memiliki kebutuhan energi yang tinggi untuk prosesnya dengan tingkat pengolahan 60-90 persen.
4. Produksi lumpur yang akan dihasilkan untuk pengolahannya tinggi. Begitupun, stabilitas proses terhadap racun dari limbah dan perubahan bebannya dari sedang sampai tinggi.
5. Bakteri aerob memerlukan nutrien yang tinggi untuk beberapa limbah industri.
6. Tidak ada bau yang dihasilkan dari pengolahan limbahnya.
Tujuan utama pengolahan limbah air adalah untuk menguraikan BOD, partikel tercampur srta membunuh organisme pathogen. Berikut ini adalah beberapa kegiatan yang beasanya dipergunakan pada penglaman limbah air berikut beberapa tujuan dari kegiatan yang dilaksanakan
1. Kegiatan nitrifikasi atau denitrifikasi bertujuan untuk menghilangkan nitrat secara biologis.
2. Kegiatan air stripping tujuan untuk amoniak.
3. Desinfeksi tujuan untuk membunuh mikroorganisme.
4.Osmosis atau elektro dianalisis tujuan untuk menghilangkan zat terlarut.
Adapun secara garis besar kegiatan pengolahanair limbah dapat dikelompokkan menjadi 6 bagian antara lain:
1. Pengolahan pendahuluan (pre treatment)
2. Pengolahan pertama (primainy treatment)
3. Pengolahan kedua (secoundary treatment)
4. Pengolahan ketiga (tertiary treatment)
5. pengolahan kuman (desinfektion treatment)
6. pengolahan lanjutan (ultimate disposai)
Cara Pengolahaan Limbah Air
Bahan padat yang mudah mengenda adalah bahan yang kurang begitu penting pada pengolahan ini pengurangan kebutuhan akan oksigen dapat dilaksanakan dangan baik memulai pengendapan. Pengendapan pada tangki pertama menyebabkan pertama menyebabkan perubahan loktasa menjadi laktat secara cepat dan menyulitkan pengolahan terhadap keduanya.
Pengolahan dengan penggunaan oksidasi mempunyai dua fase yaitu:
1. Fase asimilasi
Pada fase ini air buangan susu segar masih berada dalam tangki aerasi.
2. Fase endogen
Bakteri tidak mempunyai makanan baru tetapi mencerna makanan selama proses asimilasi dan memerluukan oksigen dalam waktu yang lama

Langkah-langkah Pengolahan Air Limbah
Langkah awal proses pengolahan limbah adalah merubahnya menjadi air yang sudah dikurangi pencemarannya. Proses ini akan menyebabkan terbentuknya lumpur, bau, serta sedikit panas(energy).
Air Limbah → Air berkurang tercemarnya +lumpur + bau + panas
Cara pengolahannya :

1. Aerobik

2. Anaerobik
3. Fakultatif
4. Kimiawi lannya

1.      Cara Aerobik

Air limbah + udara (O₂)  → Air lebih aman + lumpur + bau + energy (sedikit)

• Bakteri aerob yang menguraikan air limbah.
• Bakteri aerob dapat hidup karena ada udara.
• Sehingga diperlukan unit tambahan “aerator”, atau kolam aerob.
• Prosesnya lebih cepat.
• Biaya lebih mahal karena harus mengoperasikan aerator.
• Contohnya pada terjunan/bending air sungai yang tercemar.

Fungsi aerator = mensuplai oksigen dari luar, sehingga member hidup bagi bakteri untuk penguraian.
2. Cara anaerobic
Air limbah → Air limbah lebih aman + lumpur + bau + panas

• Bakteri anaerob yang menguraikan air limbah, dalam kedaan tanpa udara atau sedikit udara.
• Kelemahannya bau yang kuat.
• Proses pengolahannya lebih lama.
• Kelebihannya , tanpa aerator sehingga lebih murah.
• Biasanya di limbah yang berbentuk genangan atau kali yang relative tidak bergerak.
• Contohnya pada septic tank.

1.     Cara fakultatif

Air limbah → air limbah lebih aman + lumpur + bau + panas
Fakultatif artinya sebagian waktu menggunakan cara aerob dan sebagian waktu lain menggunakan cara anaerob. Misalnya pada pengolahan cara aerob  diperlukan waktu 10 jam untuk mengperasikan aerator, pada fakultatif mungkin aerator cukup dioperasikan 4jam/hari(aerator tidak hidup terus-menerus) dan sisa waktu yang lain menggunakan cara anaerob. Sehingga dicapai hasil yang optimum. Contohnya adalah IPAL (Instalasi pengolahan air limbah)
Aerasi Didalam Pengolahan Limbah Cair
Secara umum, aerasi merupakan proses yang bertujuan untuk meningkatkan kontak antara udara dengan air. Pada prakteknya, proses aerasi terutama bertujuan untuk meningkatkan konsentrasi oksigen di dalam air limbah. Peningkatan konsentrasi oksigen di dalam air ini akan memberikan berbagai manfaat dalam pengolahan limbah.
Proses aerasi sangat penting terutama pada pengolahan limbah yang proses pengolahan biologinya memanfaatkan bakteri aerob. Bakteri aerob adalah kelompok bakteri yang mutlak memerlukan oksigen bebas untuk proses metabolismenya. Dengan tersedianya oksigen yang mencukupi selama proses biologi, maka bakteri-bakteri tersebut dapat bekerja dengan optimal. Hal ini akan bermanfaat dalam penurunan konsentrasi zat organik di dalam air limbah. Selain diperlukan untuk proses metabolisme bakteri aerob, kehadiran oksigen juga bermanfaat untuk proses oksidasi senyawa-senyawa kimia di dalam air limbah serta untuk menghilangkan bau. Aerasi dapat dilakukan secara alami, difusi, maupun mekanik.
Aerasi alami merupakan kontak antara air dan udara yang terjadi karena pergerakan air secara alami.  Beberapa metode yang cukup populer digunakan untuk meningkatkan aerasi alami antara lain menggunakan cascade aerator, waterfalls, maupun cone tray aerator.

Pada aerasi secara difusi, sejumlah udara dialirkan ke dalam air limbah melalui diffuser.  Udara yang masuk ke dalam air limbah nantinya akan berbentuk gelembung-gelembung (bubbles). Gelembung yang terbentuk dapat berupa gelembung halus (fine bubbles) atau kasar (coarse bubbles). Hal ini tergantung dari jenis diffuser yang digunakan.

Aerasi secara mekanik atau dikenal juga dengan istilah mechanical agitation menggunakan proses pengadukan dengan suatu alat sehingga memungkinkan terjadinya kontak antara air dengan udara.

1.    Metode Lumpur Aktif Dalam Pengolahan Air Limbah

Merupakan proses pengolahan secara biologis aerobic dengan mempertahankan jumlah massa mikroba dalam suatu reaktor dan dalam keadaan tercampur sempurna. Suplai oksigen adalah mutlak dari peralatan mekanis, yaitu aerator dan blower, karena selain berfungsi untuk suplai oksigen juga dibutuhkan pengadukan yang sempurna. Perlakuan untuk memperoleh massa mikroba yang tetap adalah dengan melakukan  resirkulasi lumpur dan pembuangan lumpur dalam jumlah tertentu.
Pengaturan jumlah massa mikroba dalam sistem lumpur aktif dapat dilakukan dengan baik dan relatif mudah karena pertumbuhan mikroba dalam kondisi tersuspensi sehingga dapat terukur dengan baik melalui analisa laboratorium. Tetapi jika dibandingkan dengan sistem sebelumnya operasi sistem ini jauh lebih rumit. Khususnya untuk limbah industri  dengan karakteristik khusus.
Permasalahan dalam lumpur aktif antara lain :

1.  Membutuhkan energi yang besar
2.  Membutuhkan operator yang terampil dan disiplin dalam mengatur jumlah massa mikroba dalam reaktor
3.  Membutuhkan penanganan lumpur lebih lanjut.

Proses lumpur aktif dalam pengolahan air limbah tergantung pada pembentukan flok lumpur aktif yang terbentuk oleh mikroorganisme (terutama bakteri), partikel inorganik, dan polimer exoselular. Selama pengendapan flok, material yang terdispersi, seperti sel bakteri dan flok kecil, menempel pada permukaan flok. Pembentukan flok lumpur aktif dan penjernihan dengan pengendapan flok akibat agregasi bakteri dan mekanisme adesi. Selanjutnya dinyatakan pula bahwa flokulasi dan sedimentasi flok tergantung pada hypobisitas internal dan eksternal dari flok dan material exopolimer dalam flok, dan tegangan permukaan larutan mempengaruhi hydropobisitas lumpur granular dari reaktor lumpur anaerobik.  limbah padat yang berasal dari suatu instalasi pengolah air limbah industri tekstil dapat digolongkan ke dalam limbah berbahaya karena mengandung logam berat.

Bakteri merupakan unsur utama dalam flok lumpur aktif. Lebih dari 300 jenis bakteri yang dapat ditemukan dalam lumpur aktif. Bakteri tersebut bertanggung jawab terhadap oksidasi material organik dan tranformasi nutrien, dan bakteri menghasilkan polisakarida dan material polimer yang membantu flokulasi biomassa mikrobiologi. Genus yang umum dijumpai adalah : Zooglea, Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Achromobacter, Corynebacterium, Comomonas, Brevibacterium, dan Acinetobacter, disamping itu ada pula mikroorganisme berfilamen, yaitu Sphaerotilus dan Beggiatoa, Vitreoscilla yang dapat menyebabkan sludge bulking.

Jumlah total bakteri dalam lumpur aktif standard adalah 10⁸ CFU/mg lumpur. Sebagian besar bakteri yang diisolasi diidentifikasi sebagai spesies-spesies Comamonas-Psudomonas. Caulobacter, bakteri bertangkai umumnya ditemukan dalam air yang miskin bahan organik, dapat diisolasi dari kebanyakan pengolahan limbah, khususnya lumpur aktif .

Zoogloea adalah bakteri yang menghasilkan exopolysaccharide yang membentuk proyeksi khas seperti jari tangan dan ditemukan dalam air limbah dan lingkungan yang kaya bahan organik . Zoogloea diisolasi dengan menggunakan media yang mengandung m-butanol, pati, atau m-toluate sebagai sumber karbon. Bakteri ini ditemukan dalam berbagai tahap pengolahan limbah tetapi jumlahnya hanya 0,1-1% dari total bakteri dalam mixed liqour (Williams dan Unz, 1983).

Flok lumpur aktif juga merupakan tempat berkumpulnya bakteri autotrofik seperti bakteri nitrit (Nitrosomonas, Nitrobacter), yang dapat merubah amonia menjadi nitrat dan bakteri fototrofik seperti bakteri ungu non sulfur (Rhodospilrillaceae), yang dapat dideteksi pada konsentrasi sekitar 10⁵ sel/ml. Bakteri ungu dan hijau ditemukan dalam jumlah yang sangat kecil. Barangkali, bakteri fototrofik hanya sedikit berperan dalam penurunan nilai BOD dalam lumpur aktif .