सीवेज में नाइट्रोजन की जैविक परिवर्तन प्रक्रिया का व्यापक विश्लेषण

अपशिष्ट जल उपचार के क्षेत्र में, नाइट्रोजन का जैविक परिवर्तन नाइट्रोजन और फास्फोरस को हटाने और उत्सर्जन मानकों को पूरा करने की मुख्य प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया में एक भी प्रतिक्रिया शामिल नहीं है, बल्कि तीन प्रमुख चरणों का समन्वित समापन शामिल है: अमोनीकरण, नाइट्रीकरण, और विनाइट्रीकरण। साथ में, ये कदम धीरे-धीरे अपशिष्ट जल में जटिल कार्बनिक नाइट्रोजन और अकार्बनिक नाइट्रोजन को हानिरहित नाइट्रोजन गैस में परिवर्तित करते हैं, जिससे जल निकायों में नाइट्रोजन भार मूल रूप से कम हो जाता है।

परिचय
सीवेज में नाइट्रोजन मुख्य रूप से कार्बनिक नाइट्रोजन (जैसे प्रोटीन और यूरिया) और अमोनिया नाइट्रोजन के रूप में मौजूद होती है। प्रत्यक्ष निर्वहन से जल निकायों के यूट्रोफिकेशन जैसे पर्यावरणीय मुद्दे पैदा हो सकते हैं। उच्च दक्षता और मितव्ययिता के अपने लाभों के साथ, जैविक उपचार विधियाँ सीवेज से नाइट्रोजन हटाने की मुख्य तकनीक बन गई हैं। मुख्य सिद्धांत विशिष्ट पर्यावरणीय परिस्थितियों में विभिन्न सूक्ष्मजीवों की चयापचय गतिविधियों का उपयोग करके नाइट्रोजन तत्वों को धीरे-धीरे परिवर्तित करना है, जिससे अंततः जल निकायों से वायुमंडल में गैसीय निष्कासन प्राप्त होता है। निम्नलिखित इस प्रक्रिया के मूल तंत्र का व्यवस्थित रूप से विश्लेषण करेगा।

अपशिष्ट जल से नाइट्रोजन हटाने में अमोनीकरण पहला कदम है, जो कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों के रूपांतरण को संदर्भित करता है
यह प्रक्रिया मुख्य रूप से अमोनीफाइंग बैक्टीरिया द्वारा सुगम होती है। पर्यावरण की ऑक्सीजन सामग्री के आधार पर, इसे दो मार्गों में वर्गीकृत किया जा सकता है: एरोबिक परिवर्तन और अवायवीय परिवर्तन
1. एरोबिक परिवर्तन
एरोबिक स्थितियों के तहत, एरोमोनास हाइड्रोफिला, बैसिलस सेरेस और फैकलेटिव प्रोटियस वल्गरिस जैसे सूक्ष्मजीव प्रतिक्रिया में भाग लेते हैं, मुख्य रूप से दो मुख्य तंत्रों के माध्यम से कार्बनिक नाइट्रोजन को नष्ट करते हैं:
• ऑक्सीडेटिव डीमिनेशन: ऑक्सीडेस के उत्प्रेरण के तहत, अमीनो एसिड धीरे-धीरे कीटो एसिड और अमोनिया उत्पन्न करने के लिए अपने अमीनो समूहों को खो देते हैं।
उदाहरण के तौर पर एलानिन लेना:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(एलेनिन → इमिनोप्रोपियोनिक एसिड → पाइरुविक एसिड + अमोनिया)
• अमोनिया का हाइड्रोलिसिस: हाइड्रोलाइटिक एंजाइमों की कार्रवाई के तहत, यूरिया जैसे कार्बनिक यौगिकों वाले नाइट्रोजन को अमोनिया का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोलाइज किया जाता है।
यूरिया हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
इस प्रक्रिया में शामिल बैक्टीरिया में एरोबिक बैक्टीरिया जैसे एंटरोकोकस फ़ेकैलिस और बैसिलस यूरिया शामिल हैं।

2. अवायवीय रूपांतरण
अवायवीय या ऑक्सीजन की कमी वाले वातावरण में, अवायवीय और ऐच्छिक अवायवीय सूक्ष्मजीव तीन मार्गों से अमोनीकरण पूरा करते हैं:
• कमी और डीमिनेशन:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• पानी आधारित अमोनिया निष्कासन:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• निर्जलीकरण और डीमिनेशन:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

नाइट्रीकरण दूसरी मुख्य प्रतिक्रिया है जो NH3−N को NOx−N में ऑक्सीकृत करती है, जो सहक्रियात्मक रूप से नाइट्राइट बैक्टीरिया और नाइट्रेट बैक्टीरिया द्वारा पूरा किया जाता है, और इसे दो चरणों में विभाजित किया जाता है: नाइट्रीकरण और नाइट्रीकरण
1. प्रतिक्रिया तंत्र
• नाइट्रिटेशन प्रतिक्रिया (नाइट्राइट बैक्टीरिया द्वारा हावी):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• नाइट्रीकरण प्रतिक्रिया (नाइट्रोबैक्टीरिया द्वारा हावी):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• समग्र प्रतिक्रिया सूत्र:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. मुख्य प्रक्रिया विशेषताएँ
• उच्च ऑक्सीजन की मांग: प्रति 1 ग्राम हटाने पर 4.2 ग्राम की सैद्धांतिक खपत, इसलिए नाइट्रीकरण प्रतिक्रिया को पर्याप्त वातन स्थितियों के तहत किए जाने की आवश्यकता है।
• कम वृद्धि दर: नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया की कोशिका उपज बेहद कम होती है, और ठंड के महीनों के दौरान उनकी अपर्याप्त गतिविधि की संभावना अधिक होती है। इसलिए, उपचार दक्षता सुनिश्चित करने के लिए उच्च कीचड़ सांद्रता बनाए रखना आवश्यक है।
• क्षारीयता की खपत: प्रतिक्रिया बड़ी मात्रा में H उत्पन्न करती है। सैद्धांतिक रूप से, प्रत्येक 1g ऑक्सीकरण के लिए 7.54g क्षारीयता (CaCO3 के रूप में गणना) की खपत होती है। क्षारीय एजेंटों को जोड़कर सिस्टम पीएच स्थिरता को बनाए रखना आवश्यक है।

अपशिष्ट जल से नाइट्रोजन हटाने का अंतिम चरण विनाइट्रीकरण है। यह उस प्रक्रिया को संदर्भित करता है जहां डीनाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया NOx−N और अन्य नाइट्रोजन ऑक्साइड को नाइट्रोजन गैस या गैसीय नाइट्रोजन ऑक्साइड में अवायवीय या ऑक्सीजन की कमी (DO <0.3~0.5mg/L) स्थितियों के तहत इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में कम करता है।
1. प्रतिक्रिया तंत्र
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
पूर्ण कमी प्रतिक्रिया (उदाहरण के तौर पर इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में कार्बनिक यौगिकों को लेना):
NO3−+5[H] (इलेक्ट्रॉन दाता) → 0.5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (इलेक्ट्रॉन दाता) → 0.5N2 + H2O + OH−

2. कार्बन स्रोत आवश्यकताएँ और माइक्रोबियल विशेषताएँ

• कार्बन स्रोत की खपत: सैद्धांतिक रूप से, 1 ग्राम नाइट्रेट नाइट्रोजन को एन2 में परिवर्तित करने के लिए 2.86 ग्राम कार्बन स्रोत की आवश्यकता होती है, और 1 ग्राम नाइट्राइट नाइट्रोजन को परिवर्तित करने के लिए 1.71 ग्राम कार्बनिक पदार्थ की आवश्यकता होती है।
• इलेक्ट्रॉन दाताओं की विविधता: [एच] कार्बनिक यौगिकों, सल्फाइड आदि द्वारा प्रदान की जा सकती है, जो प्रक्रिया अनुकूलन के लिए कई कार्बन स्रोत विकल्प प्रदान करती है।
• माइक्रोबियल विशेषताएं: डेनिट्रिफाइंग बैक्टीरिया ज्यादातर ऐच्छिक बैक्टीरिया होते हैं, जो ऑक्सीजन की उपस्थिति में टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में O2 का उपयोग करके सांस लेते हैं, और ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में श्वसन के लिए NOx−N का उपयोग करते हैं। यह विशेषता एनोक्सिक डिनाइट्रीकरण प्रक्रिया का मूल आधार है।
 

सारांश
सीवेज में नाइट्रोजन का जैविक परिवर्तन एक श्रृंखलाबद्ध प्रक्रिया है जो परस्पर जुड़ी हुई है:
अमोनीकरण कार्बनिक नाइट्रोजन अणुओं को तोड़ता है, अमोनिया नाइट्रोजन जारी करता है;
नाइट्रिफिकेशन में एरोबिक वातावरण में नाइट्रेट नाइट्रोजन में अमोनिया नाइट्रोजन का क्रमिक ऑक्सीकरण शामिल है;
विनाइट्रीकरण एनोक्सिक वातावरण में नाइट्रेट नाइट्रोजन को नाइट्रोजन गैस में कम कर देता है, जिससे अंततः जल निकायों से वायुमंडल में नाइट्रोजन को हटाने में मदद मिलती है।
इस प्रक्रिया का कुशल संचालन ऑक्सीजन सामग्री, क्षारीयता, कार्बन स्रोत और तापमान जैसे प्रमुख मापदंडों पर सटीक नियंत्रण पर निर्भर करता है, और आधुनिक शहरी अपशिष्ट जल संयंत्रों और औद्योगिक अपशिष्ट जल उपचार में स्थिर नाइट्रोजन हटाने को प्राप्त करने के लिए मुख्य तकनीकी सहायता के रूप में कार्य करता है।