ANAMMOX

ANAMMOX

1. PENDAHULUAN

Untuk mengatasi limbah cair ada beberapa tahapan-tahapannya, yang pertama yaitu primary treatment. Dalam primary treatment memiliki banyak treatment yang di lakukan untuk mengatasi limbah cair, setelah melalui primary treatment lanjut ke secondary treatment.
Disini saya akan membahas mengenai anaerobik suspended growth yaitu salah satu cara atau biologi treatment yang di gunakan untuk mengatasi limbah cair. Pada secondary treatment yang dipilih adalah biologi treatment pertumbuhan tersuspensi (suspended growth) karena lebih menguntungkan dibandingkan dengan system bioreaktor pertumbuhan melekat (attached growth). Keuntungan bioreaktor pertumbuhan tersuspensi antara lain, tidak memerlukan media pendukung untuk pertumbuhan mikroorganisme dan tidak mudah tersumbat (Sahm 1984). Disamping itu, bioreaktor yang dipilih memiliki rancang bangun sederhana, murah dan mudah pengoperasiannya serta kestabilan biomassa tinggi. Desain bioreaktor yang memenuhi karakteristik tersebut adalah bioreaktor berpenyekat anaerob karena bioreaktor ini mempunyai rasio waktu tinggal biomassa dengan waktu tinggal hidraulik jauh lebih besar dibandingkan dengan sistim bioreaktor tercampur sempurna (CSTR, continouos stirred tank reactor). Dalam anaerobik suspended growth memiliki banyak cara untuk mengatasi limbah dan salah satu anaerobik suspended growth yang akan saya bahas adalah anammox.

Anammox (anaerobic ammonia oxidation) adalah suatu proses baru dimana nitrit digunakan sebagai aseptor electron dalam konversi ammonium menjadi gas nitrogen. Proses anammox menghilangkan ammonium dalam sistem autrotrop dengan meninggalkan sedikit biomassa. Karbon organik tidak dibutuhkan dalam sistem ini karena ammonium digunakan sebagai donor electron dalam reduksi nitrit (Karthikeyan dan Joseph, 2009).

Dahulu sebelum proses ini ditemukan, untuk menghilangkan ammonium, proses oksidasi ammonium adalah dari ammonium menuju nitrit, kemudian nitrat. Selanjutnya, Nitrat direduksi menjadi N2O dan N2. Anammox adalah proses yang sangat penting mikroba global dari siklus nitrogen. Bakteri mediasi pada proses ini diidentifikasi 20 tahun yang lalu dan pada saat itu kejutan besar bagi komunitas ilmiah. Ini terjadi di banyak lingkungan alam dan Anammox juga merupakan nama merek dagang untuk teknologi penghapusan amonium yang telah dikembangkan oleh Delft University of Technology. Sistem nitrifikasi baru-baru ini dikembangkan di mana oksidasi nitrit menjadi nitrat dicegah yang merupakan cara ideal untuk proses Anammox. Kombinasi dari nitrifikasi parsial dan proses Anammox tetap menjadi tantangan untuk aplikasi masa depan dalam penghapusan amonium dari air limbah dengan konsentrasi amonium tinggi.

Disamping denitrifikasi (persamaan 1) dan anammox (persamaan 2) ada beberapa reaksi baru yang ditemukan, yang dapat menghasilkan nitrogen N2 dari ammonium dan nitrat.

4 NO3 - + 5 CH2O —— 2 N2 + 4 HCO3 - + CO2 + 3 H2O (persamaan 1)

NH4 + + NO2- ——-N2 + 2H2O (persamaan 2)

Dalam proses biologis, nitrit dan amonium dikonversi langsung ke dinitrogen. Proses ini memberikan kontribusi hingga 50% dari gas dinitrogen diproduksi di lautan. Dengan demikian wastafel utama untuk nitrogen tetap sehingga membatasi produktivitas primer kelautan. Reaksi katabolik keseluruhan adalah:

NH 4 + + NO 2 − → N 2 + 2H 2 O.

Anammox Pilot Reactor

2. KARAKTERISASI MIKROBIA PELAKU ANAMMOX

Bakteri anammox berbentuk cocci biasanya berukuran kurang dari 1um dan waktu generasinya 10-30 hari. Mereka termasuk dalam ordo Planctomycetes dan oleh karena itu chemolithoautrotroph anaerobic (Hertach, 2008). Sejauh ini semua percobaan kultur murni bakteri anammox gagal karena sangat kesulitan untuk mengisolasikannya. Sehingga, hanya ada cara pengkayaan kultur (enrichment cultures) yang tersedia (Hertach, 2008) dan semua yang kita ketahui tentang bakteri anammox diperoleh kultur dengan cara itu.

2.1 Biodiversitas

Ada tiga genera bakteri anammox yang telah ditemukan sampai saat ini: Brokardia, Kuenenia dan Scalindua (Hertach, 2008). Didalam genera ini berbagai spesies berikut ini telah ditemukan (Hertach, 2008) :

    Brocadia anammoxidans

    Brocadia fulgida

    Kuenenia stuttgartiensis

    Scalindua wagneri

    Scalindua brodae

    Scalindua sorokinii

Tiga genera tersebut adalah monophyletic dan cabang dari planctomycete. Mereka mimiliki suatu ultrastruktur dan metabolisme yang sama yang mengarah kepada kesimpulan bahwa ciri anammox (anammox feature) hanya berevolusi sekali dalam hidupnya. Semua spesies anammox telah dapat ditemukan di sistem marin dan estuarin masuk dalam genus Scalindua (Hertach, 2008 ). Hanya bakteri anammox yang ditemukan dalam system lacustrin memiliki kemiripan 95,7% dengan bakteri anammox yang telah diketahui Cadidatus Scalindua brodae dalam gene sequence 16S rRNA. Bakteri yang melakukan proses Anammox adalah phylum bakteri Planctomycetes , yang Planctomyces dan Pirellula adalah genera paling dikenal. Saat ini ada empat genera bakteri Anammox telah didefinisikan, yaitu Brocadia , Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia (semua spesies air tawar), dan Scalindua (spesies laut). Bakteri Anammox ditandai oleh beberapa sifat yang mencolok, yaitu mereka semua memiliki satu anammoxosome , kompartemen terikat membran di dalam sitoplasma yang merupakan lokus katabolisme Anammox. Membran bakteri ini terdiri dari ladderane lipid sejauh ini hal itu unik di Biologi. Memiliki hidrazin (biasanya digunakan sebagai bahan bakar energi roket-tinggi dan beracun bagi organisme hidup) sebagai perantara. Sebuah fitur mencolok dari organisme adalah tingkat pertumbuhan yang sangat lambat. Waktu penggandaannya hampir dua minggu. Proses Anammox awalnya terjadi dari 20 o C sampai 43 o C, tetapi baru-baru ini, Anammox diamati pada suhu dari 36 o C sampai 52 o C dalam air panas dan 60 o C sampai 85 o C pada lubang hidrotermal terletak di sepanjang Mid-Atlantic Ridge.

3. METODE UNTUK IDENTIFIKASI ANAMMOX

Di alam denitrifikasi dan anammox dapat berlangsung bersamaan dan oleh karena itu, metode yang memadai dibutuhkan untuk membedakannya. Ada beberapa jalan untuk membuktikan bahwa terjadi proses anammox. Pertama, dengan perunut isotop nitrogen. Dengan ingkubasi sampel 15NH4+ dan 15NO3- kita dapat memisahkan antara denitrifikasi dan anammox sehingga kita memiliki bukti bahwa proses anammox terjadi. Langkah selanjutnya adalah mengubungkan prose situ dengan organismenya. Bakteri anammox dapat diidentifikasi dengan melihat lemak ladderane, dengan hibridisasi fluorescence in situ (FISH, Fluorescence in situ hybridization) dan dengan cara analysis phylogenetic dari gen 16S rRNA parsial.

Identifikasi Pengukuran Komunitas Bakteri Anammox dengan Metode FISH (Fluorescence in situ hybridization)

Untuk waktu yang lama konsensus umum amonium yang hanya bisa dioksidasi dalam kondisi aerobik. Austria kimiawan teoritis Engelbert Broda adalah orang pertama yang mengakui kemungkinan oksidasi amonium anaerobik pada tahun 1977. Penghapusan simultan amonium dan produksi gas nitrogen diamati dalam industri pengolahan air limbah di Belanda pada tahun 1986.

4. APLIKASI

Anammox telah ditemukan dalam mesin pengelola limbah cair. Diasumsikan bahwa penggunaan anammox di mesin pengolah limbah cair dapat mengurangi biaya operasional 90% (Jetten et al., 2005 dalam Hertach, 2008). Ada dua alasan bahwa, yaitu tidak perlu menambahkan methanol sebagai tambahan sumber karbon dan hanya dibutuhkan oksigen separuhnya disbanding langkah nitrifikasi/denitrifikas tradisional. Pengiritan lain adalah penghapusan langkah nitrifikasi yang membutuhkan karbon sintetik untuk berlangsungnya langkah denitrifikasi yang memproduksi CO2. CO2 dikonsumsi oleh anammox dalam pengelolaan limbah cair. Alasan mengapa karbon ditambahkan adalah bahwa tidak cukup karbon organic dalam air limbah untuk semua nitrogen reaktif oleh denitrifikasi.

4.1 SHARON proses untuk pengelolaan limbah cair

SHARON (Single reactor for High activity Ammonia Removal Over Nitrite) adalah cara baru yang berbeda dengan cara konvensional dalam penanganan limbah. Proses ini berlangsung dalam suatu reactor campuran yang sempurna tanpa penghambatan biomassa. Ini digunakan dalam menangani limbah dari pengolahan limbah yang mengalir. Dalam proses ini ammonium langsung diubah ke nitrit, dan langsung ke gas nitrogen. Oksidasi ammonium berhenti sampai nitrit oleh pengoperasian proses SHARON pada peningkatan temperatur. Pada temperatur yang lebih tinggi, bakteri pengoksidasi ammonium tumbuh lebih cepat dibanding bakteri pengoksidasi nitrit. Bakteri pengoksidasi nitrit yang tumbuh lambat terbuang dari reactor dan oksidasi ammonium berhenti pada nitrit. Temperatur proses ini antara 30 dan 40 derajad Celcius. Waktu tinggal berkisar antara 1 dan 2 hari.

4.2 Kombinasi SHARON/ANAMMOX

Dalam langkah ini, campuran ammonium-nitrit yang dihasilkan dari reactor Sharon, diubah menjadi gas nitrogen secara anaerob. Ammonium digunakan sebagai donor electron. Karena anammox berlangsung lambat (10 hari), volumenya harus diperbesar.

Proses SHARON/ANAMMOX

Penerapan proses Anammox terletak pada penghapusan amonium dalam pengolahan air limbah dan terdiri dari dua proses yang terpisah. Langkah pertama adalah parsial nitrifikasi ( nitritation ) setengah dari ammonium menjadi nitrit oleh bakteri pengoksidasi amonia :

4NH 4 + + 3O 2 → 2NH 4 + + 2NO 2 - + 4H + + 2H 2 O

Ammonium yang dihasilkan dan nitrit dikonversi dalam proses Anammox ke gas dinitrogen dan nitrat sekitar 15% (tidak ditampilkan) oleh bakteri Anammox.

NH 4 + + NO 2 - → N 2 + 2 H 2 O

Langkah kedua proses dapat berlangsung dalam 1 reaktor mana dua serikat bakteri bentuk butiran kompak.

4.3 Pengaruh konsentrasi COD terhadap anammox

Semakin tinggi konsentrasi COD, semakin tinggi inhibitor, khususnya pada tahap pertama dalam percobaan. Kecepatan pembuangan (removal) ammonium dan jumlah ammonium, nitrit dan nitrat dikontrol oleh konsentrasi COD dalam reactor. Lebih lanjut, semakin tinggi konsentrasi COD, semakin rendah efisiensi pengbuangan (removal) COD. Dalam permulaan reaksi, semakin tinggi konsentrasi COD, semakin tinggi pembuangan COD dan lebih besar pengaruhnya atas reaksi anammox (Jing Kang dan Jian-Long Wang, 2006)

4.4 Aplikasi anammox di industri / pabrik

Untuk pengayaan organisme Anammox biomassa butiran atau sistem biofilm tampaknya sangat cocok di mana umur lumpur yang diperlukan lebih dari 20 hari dapat dipastikan. Kemungkinan reaktor yang Sequencing Batch Reaktor (SBR), bergerak seperti angkat-loop reaktor gas. Pengurangan biaya dibandingkan dengan penghapusan nitrogen konvensional memang cukup besar, teknik ini masih muda namun terbukti dalam beberapa fullscale instalasi. Reaktor skala penuh pertama ditujukan untuk aplikasi bakteri Anammox yang dibangun di Belanda pada tahun 2002. Perlakuan wastewater plants lainnya, seperti yang ada di di Jerman (Hattingen), di mana aktivitas Anammox adalah tanpa sengaja diamati dengan tanpa ada  tujuan.Namun pada tahun 2006 terdapat tiga proses skala penuh di Belanda. Satu di sebuah pabrik pengolahan air limbah kota (di Rotterdam ), dan dua di industry, limbah cair.

Di Indonesia, terdapat enam pabrik pupuk urea dengan karakteristik limbah cair berkadar urea dan amonia-nitrogen tinggi. Selama ini proses pengolahan limbah pabrik-pabrik tersebut adalah dengan menampung limbah dalam kolam-kolam besar tanpa perlakuan khusus atau pengaturan kondisi operasi sehingga keluaran proses tidak selalu berada di bawah baku mutu yang ditetapkan. Penelitian terdahulu memanfaatkan mikroalgae berklorofil, yang menghasilkan enzim urease, untuk menguraikan senyawa urea dan amonia dalam air limbah. Dalam skala besar, mikroalgae selalu berasosiasi dengan bakteri lain. Mikroalgae menyerap senyawa-senyawa CO2, NH4+, NO3-, PO43- hasil metabolisme bakteri. Oksigen yang diproduksi mikroalgae, digunakan oleh bakteri untuk proses nitrifikasi-denitrifikasi. Proses konvensional untuk menghilangkan ammonium pada umumnya melalui 2 tahap, nitrifikasi-aerobik dan denitrifikasi-anaerobik. Dalam skala laboratorium telah dikembangkan proses autotrofik 1 tahap dimana ammonium dioksidasi secara langsung menjadi N2 dimana kebutuhan O2 lebih kecil 63% dan tanpa senyawa pereduksi. Kajian yang dilangsungkan pada dekade terakhir menemukan bahwa konversi NH4+ menjadi gas N2 secara autotrofik meliputi 2 tahap: (i) nitrifikasi aerobik NH4+ menjadi NO2 atau NO3 dengan O2 sebagai penerima elektron dan (ii) denitrifikasi anoksik NO2 atau NO3 menjadi gas N2 dengan NH4+ sebagai donor elektron (Anderson & Levine,  1986). Akan tetapi, aplikasi proses 1 tahap dengan nitrifier sebagai biokatalis secara praktis masih menghadapi kendala karena kapasitas spesifik penghilangan N masih sangat rendah yaitu, kurang dari 2 mg N [g Volatile Suspended Solids (VSS)]day, dan ketidakpastian kondisi operasi (Bock, et al  1995; Schmidt & Bock,  1997). Pada tahun 1994, pengolahan efluen dari reaktor metanogenik dengan menggunakan reaktor fluidized-bed, mampu menghilangkan nitrat dan secara simultan menurunkan amonium disertai pembentukan gas N2 (Mulder, et al  1995). Proses itu disebut Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation). Mikroorganisme yang mengkatalisis reaksi tersebut belum diidentifikasi, tetapi dianggap tidak berkaitan dengan fungsi nitrifier autotrofik (Strous et al,  1997). Pertumbuhan populasi mikroba Anammox sangat lambat. Uji skala laboratorium menunjukkan bahwa pada pengolahan air limbah dengan kadar amonium tinggi, input NO2 dalam jumlah stoikiometrik sangat penting (Strous et al, 1997 ). Adanya O2, walaupun dalam jumlah kecil, dapat menghambat konversi amonium secara anaerobik (van de Graaf et al, 1996). Penelitian skala laboratorium ini mempelajari potensi sistem OLAND (Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification-Denitrification) dengan lumpur nitrifying sebagai biokatalis. Pada dasarnya pembuatan lumpur aktif nitrifying relatif mudah (Gernaey et al,  1997). Tetapi bila lumpur itu kemudian dapat diinduksi untuk mengkonversi NH4+ menjadi N2 tanpa bantuan sumber karbon organik, maka sebuah langkah penting dalam pengolahan limbah akan mungkin dilakukan.

5. KESIMPULAN

Daur nitrogen mengalami perkembangan 15 tahun terakhir ini dari dari tanpa jalur anammox menjadi daur  N dengan jalur anammox, dan berikutnya, daur N dengan tambahan jalur anammox dan OLAND. Karekterisasi mikrobia pelaku anammox, biodiversitasnya, biologi selnya, dan pertumbuhannya, telah dilakukan disamping penjelasan biokimia anammox. Metede identifikasi juga dilakukan melalui Inkubasi dengan 15NH4 + , Inkubasi dengan 15NO3 - , Analisis lemak (ladderane lipids), Fluorescence in situ hybridization (FISH), dan Analisis phylogenetic dari gen 16s rRNA parsial. Ini Semua menambah pengetahuan peningkatan dan efisiensi pengelolaan pencemaran nitrogen. Teknik yang dikembangkan saat ini, SHARON dan ANAMMOX, merupakan contoh dari pengembangan penemuan jalur anammox dalam daur nitrogen dan menjadi pangkal dari pengembangan reactor dan pengembangan percobaan-percobaan dalam bidang tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

Anderson, I. C., and J. S. Levine. 1986. Relative rates of nitric oxide and nitrous oxide production by nitrifiers, denitrifiers, and nitrate respirers. Appl. Environ. Microbiol. 51:938-945.

Anonym (2007) Wastewater Technology Fact Sheet: Side Stream Nutrient Removal. United state Environmental Protection agency, USA. 7p.

Bock, E., I. Schmidt, R. Stüven, and D. Zart. 1995. Nitrogen loss caused by denitrifying Nitrosomonas cells using ammonium or hydrogen as electron donors and nitrite as electron acceptor. Arch. Microbiol. 163:16-20.

Gernaey, K., L. Verschuere, L. Luyten, and W. Verstraete. 1997. Fast and sensitive acute toxicity detection with an enrichment nitrifying culture. Water Environ. Res. 69:1163-1169.

Hertach, M (2008) Anaerobic Ammonium Oxidation (Anammox) – A new sink in the marine nitrogen cycle. Hildastrasse 4 8004 Zürich. 16p.

Jing Kang dan Jian-Long Wang (2006) Influence of Chemical Oxygen Demand Concentrations on Anaerobic Ammonium Oxidation by Granular Sludge From EGSB Reactor. BIOMEDICAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES 19, 192-196

Karthikeyan, O.P. dan K. Joseph (2009) “ANAMMOX” a novel process for nitrogen management in bioreactor landfills – a review. Centre for Environmental Studies, Anna University, Chennai – 25.

Mulder, A., A. A. van de Graaf, L. A. Robertson, and J. G. Kuenen. 1995. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16:177-184.

Sahm, H (1984) Anaerobic wastewater treatment, advances in biochemical engineering. Biotechnology 29: 83-115.

Strous, M., E. van Gerven, J. G. Kuenen, and M. Jetten. 1997. Effects of aerobic and microaerobic conditions on anaerobic ammonium-oxidizing (Anammox) sludge. Appl. Environ. Microbiol. 63:2446-2448

Strous, M., E. van Gerven, P. Zheng, J. G. Kuenen, and M. S. M. Jetten. 1997. Ammonium removal from concentrated waste streams with the anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process in different reactor configurations. Water Res. 31:1955-1962

Van de Graaf, A.A., de Bruijn, P., Robertson, L.A., Jetten, M.S.M., Kuenen, J.G. (1996). Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing micro-organisms in a fluidized bed reactor. Microbiology 142, S. 2187–2196.