अपशिष्ट जल में जैविक नाइट्रोजन और फास्फोरस को हटाने का सिद्धांत

जल निकायों में अत्यधिक नाइट्रोजन और फास्फोरस प्रदूषक यूट्रोफिकेशन, शैवाल प्रस्फुटन और लाल ज्वार जैसी जल पर्यावरण समस्याओं का मुख्य कारण हैं, जिससे पानी की गुणवत्ता में गिरावट, जलीय पारिस्थितिकी तंत्र असंतुलन और पीने के पानी की सुरक्षा के लिए खतरे सहित कई समस्याएं पैदा होती हैं। रासायनिक और भौतिक उपचार प्रक्रियाओं की तुलना में, स्थिर उपचार प्रभाव, कम परिचालन लागत, कोई माध्यमिक प्रदूषण नहीं, और नगरपालिका और औद्योगिक अपशिष्ट जल उपचार परिदृश्यों के अनुकूलता जैसे अपने फायदों के कारण, जैविक नाइट्रोजन और फास्फोरस हटाने की तकनीक वर्तमान अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों में उन्नत अपशिष्ट जल उपचार के लिए मुख्य प्रक्रिया बन गई है। अपशिष्ट जल में जैविक नाइट्रोजन और फास्फोरस को हटाने का मुख्य सिद्धांत नियंत्रित वैकल्पिक अवायवीय, एनोक्सिक और एरोबिक वातावरण में विभिन्न कार्यात्मक सूक्ष्मजीवों की चयापचय गतिविधियों का उपयोग करना है ताकि अपशिष्ट जल में कार्बनिक नाइट्रोजन, अमोनिया नाइट्रोजन और कुल फास्फोरस जैसे प्रदूषकों को धीरे-धीरे गैसीय पदार्थों में परिवर्तित किया जा सके जो जल निकाय से निकलने वाले कीचड़ में निकल जाते हैं या जम जाते हैं, जिससे जल शुद्धिकरण होता है।

अपशिष्ट जल में नाइट्रोजन जटिल रूपों में मौजूद है, जिसमें मुख्य रूप से कार्बनिक नाइट्रोजन, अमोनिया नाइट्रोजन, नाइट्राइट नाइट्रोजन और नाइट्रेट नाइट्रोजन शामिल हैं। जैविक नाइट्रोजन निष्कासन एक एकल प्रतिक्रिया प्रक्रिया नहीं है, बल्कि एक तीन चरण वाली माइक्रोबियल जैव रासायनिक प्रतिक्रिया है {{2}अमोनियाकरण, नाइट्रीकरण और डीनाइट्रीकरण - जो अंततः नाइट्रोजन के विभिन्न रूपों को नाइट्रोजन गैस में परिवर्तित करती है, इसे जल निकाय से हटाती है और कुल नाइट्रोजन निष्कासन प्राप्त करती है। पूरी प्रक्रिया उनके विशिष्ट वातावरण में विभिन्न जीवाणु समुदायों की चयापचय गतिविधियों पर निर्भर करती है।

(I) अमोनिया प्रतिक्रिया (कार्बनिक नाइट्रोजन रूपांतरण)

एरोबिक या एनारोबिक स्थितियों के तहत, अपशिष्ट जल में कार्बनिक नाइट्रोजन प्रदूषक, जैसे प्रोटीन, यूरिया और अमीनो एसिड, अमोनियाकारी बैक्टीरिया के अपघटन और चयापचय के माध्यम से हाइड्रोलाइज्ड होते हैं और अकार्बनिक अमोनिया नाइट्रोजन (एनएच₃-एन) में ऑक्सीकृत हो जाते हैं। यह प्रतिक्रिया जैविक नाइट्रोजन हटाने की मौलिक पूर्व प्रतिक्रिया है, जो पर्यावरण के लिए अत्यधिक अनुकूल है, और इसमें घुलित ऑक्सीजन और तापमान जैसे मापदंडों के सख्त नियंत्रण की आवश्यकता नहीं होती है, जो इसे पारंपरिक अपशिष्ट जल उपचार स्थितियों के तहत सुचारू रूप से आगे बढ़ने की अनुमति देती है। प्रतिक्रिया प्रक्रिया जटिल कार्बनिक नाइट्रोजन को सरल अकार्बनिक नाइट्रोजन में परिवर्तित करती है, जो बाद के नाइट्रीकरण और डिनाइट्रीकरण प्रतिक्रियाओं के लिए सब्सट्रेट प्रदान करती है, और नाइट्रोजन हटाने में पहला कदम है।

(II) नाइट्रिफिकेशन (अमोनिया नाइट्रोजन ऑक्सीकरण)

नाइट्रीकरण एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया है जो एरोबिक ऑटोट्रॉफ़िक सूक्ष्मजीवों पर हावी होती है, जिसमें दो चरण होते हैं: नाइट्रीकरण और नाइट्रीकरण। पूरी प्रक्रिया के दौरान पर्याप्त ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, और सूक्ष्मजीव धीमी वृद्धि दर, लंबे पीढ़ी चक्र और पर्यावरणीय तापमान, पीएच और घुलित ऑक्सीजन के प्रति उच्च संवेदनशीलता प्रदर्शित करते हैं। पहला चरण नाइट्रीकरण है, जहां नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया अमोनिया नाइट्रोजन को नाइट्राइट नाइट्रोजन में ऑक्सीकरण करते हैं; दूसरा चरण नाइट्रीकरण है, जहां नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया नाइट्राइट नाइट्रोजन को स्थिर नाइट्रेट नाइट्रोजन में ऑक्सीकरण करते हैं।

नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया स्वपोषी होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे अपशिष्ट जल में कार्बनिक प्रदूषकों का उपभोग नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे कार्बन डाइऑक्साइड को ठीक करने और अपने स्वयं के पदार्थों को संश्लेषित करने के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में अमोनिया नाइट्रोजन के ऑक्सीकरण से उत्पन्न रासायनिक ऊर्जा का उपयोग करते हैं। यह प्रक्रिया नाइट्रोजन हटाने में एक महत्वपूर्ण ऑक्सीकरण चरण है, जो नाइट्रोजन को ऑक्सीकरण नाइट्रोजन में बदलने और बाद के डिनाइट्रीकरण के लिए प्रतिक्रिया सब्सट्रेट प्रदान करने का एहसास कराती है।

(III) विनाइट्रीकरण (नाइट्रेट नाइट्रोजन निष्कासन)

विनाइट्रीकरण एक कमी प्रतिक्रिया है जो अवायवीय हेटरोट्रॉफ़िक सूक्ष्मजीवों पर हावी है और जैविक नाइट्रोजन हटाने में अंतिम मुख्य चरण है। अवायवीय वातावरण में आणविक ऑक्सीजन की कमी होती है लेकिन नाइट्रेट नाइट्रोजन युक्त होता है, नाइट्रीकरण प्रतिक्रिया में उत्पादित नाइट्रेट नाइट्रोजन और नाइट्राइट नाइट्रोजन को धीरे-धीरे कम करने के लिए डिनाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया अपशिष्ट जल में कार्बनिक कार्बन स्रोतों का उपयोग इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में करते हैं, अंततः नाइट्रोजन गैस (एन₂) उत्पन्न करते हैं जो पानी की सतह पर निकल जाती है, जिससे अपशिष्ट जल से नाइट्रोजन पूरी तरह से निकल जाती है।

डिनाइट्रिफिकेशन प्रक्रिया को अवायवीय और एनोक्सिक वातावरण के बीच सख्ती से अंतर करना चाहिए: अवायवीय वातावरण में आणविक ऑक्सीजन की कमी होती है लेकिन इसमें संयुक्त ऑक्सीजन (नाइट्रेट नाइट्रोजन) होता है, जिससे डिनाइट्रीकरण प्रतिक्रिया सामान्य रूप से होती है; जबकि अवायवीय वातावरण में संयुक्त ऑक्सीजन की कमी होती है, जो विनाइट्रीकरण प्रतिक्रिया को रोकता है। इसके साथ ही, एक कार्बनिक कार्बन स्रोत विनाइट्रीकरण के लिए एक मुख्य शर्त है; अपर्याप्त कार्बन स्रोत सीधे तौर पर नाइट्रोजन हटाने की दक्षता में महत्वपूर्ण कमी लाते हैं। व्यावहारिक इंजीनियरिंग में, नाइट्रोजन हटाने की प्रभावशीलता सुनिश्चित करने के लिए अक्सर बहिर्जात कार्बन स्रोतों के साथ पूरक का उपयोग किया जाता है।

जैविक फॉस्फोरस हटाने के लिए मुख्य कार्यात्मक जीवाणु समूह पॉलीफॉस्फेट {{0}संचयी बैक्टीरिया (पीएओ) है। इन सूक्ष्मजीवों में अद्वितीय चयापचय विशेषताएं होती हैं, जो उन्हें बारी-बारी से अवायवीय और एरोबिक वातावरण के तहत "फॉस्फोरस रिलीज - फॉस्फोरस ग्रहण" चक्र को पूरा करने में सक्षम बनाती हैं, जिससे अंततः अतिरिक्त कीचड़ के निर्वहन के माध्यम से जल निकाय से कुल फॉस्फोरस निष्कासन प्राप्त होता है। डिनाइट्रीकरण के विपरीत, जैविक फास्फोरस निष्कासन से कोई गैसीय उपोत्पाद उत्पन्न नहीं होता है। इसके बजाय, यह सूक्ष्मजीवों के भीतर पानी में फॉस्फेट को ठोस बनाता है, उन्हें कीचड़ के रूप में छोड़ता है।

(I) अवायवीय फास्फोरस रिलीज स्टेज

कड़ाई से अवायवीय वातावरण में, आणविक ऑक्सीजन और नाइट्रेट नाइट्रोजन से मुक्त, पॉलीफॉस्फेट -संचय करने वाले बैक्टीरिया (पीएबी) एरोबिक श्वसन के लिए बाहरी ऑक्सीजन का उपयोग नहीं कर सकते हैं, जिससे उनके चयापचय ऊर्जा स्रोत सीमित हो जाते हैं। इस अवस्था में, पीपीए अपनी कोशिकाओं के भीतर संग्रहीत पॉलीफॉस्फेट को विघटित करते हैं, जिससे अपशिष्ट जल से कम {{2}आण्विक - वजन वाले कार्बनिक कार्बन स्रोतों जैसे वाष्पशील फैटी एसिड (वीएफए) को अवशोषित करने के लिए ऊर्जा जारी होती है, जो उन्हें कोशिकाओं के भीतर भंडारण के लिए पॉलीहाइड्रोक्साइलकेनोएट्स (पीएचए) में परिवर्तित करती है। इस प्रक्रिया के दौरान, इंट्रासेल्युलर फॉस्फेट को अपशिष्ट जल में छोड़ा जाता है, जिससे पानी की फॉस्फोरस सामग्री में क्षणिक वृद्धि होती है। यह अवायवीय फॉस्फोरस रिलीज प्रक्रिया है।

(II) एरोबिक अतिरिक्त फास्फोरस अवशोषण चरण

जब पर्यावरण एरोबिक अवस्था में बदल जाता है, तो पीपीए अब कार्बनिक कार्बन स्रोतों को अवशोषित नहीं करता है, बल्कि अवायवीय चरण में संग्रहीत पीएचए को विघटित करता है, जिससे कार्बनिक पदार्थों के ऑक्सीकरण और अपघटन के माध्यम से बड़ी मात्रा में ऊर्जा प्राप्त होती है। इस ऊर्जा का उपयोग करते हुए, पॉलीफॉस्फेट {{1}संचय करने वाले बैक्टीरिया (पीएसी) अपशिष्ट जल से फॉस्फेट को अत्यधिक अवशोषित करते हैं, जो अवायवीय चरण के दौरान जारी मात्रा से कहीं अधिक है। फिर अतिरिक्त फॉस्फेट को कोशिकाओं के भीतर पॉलीफॉस्फेट के रूप में संग्रहीत किया जाता है, जिससे फॉस्फोरस संवर्धन होता है और पानी से निकाल दिया जाता है।

अंततः, फास्फोरस से भरपूर पीएसी कीचड़ के साथ जम जाता है और सिस्टम अपशिष्ट कीचड़ निर्वहन के माध्यम से अपशिष्ट जल प्रणाली से पूरी तरह से हटा दिया जाता है, इस प्रकार संपूर्ण जैविक फास्फोरस हटाने की प्रक्रिया पूरी हो जाती है। पीएसी की वैकल्पिक चयापचय विशेषताएं जैविक फॉस्फोरस हटाने का मूल हैं, और फॉस्फोरस हटाने की दक्षता सुनिश्चित करने के लिए एक स्थिर अवायवीय एरोबिक पर्यावरण स्विचिंग महत्वपूर्ण है।

जैविक नाइट्रोजन और फास्फोरस हटाने की प्रभावशीलता पूरी तरह से माइक्रोबियल गतिविधि पर निर्भर करती है। सूक्ष्मजीवों की चयापचय विशेषताएं प्रक्रिया संचालन के मुख्य नियंत्रण मापदंडों को निर्धारित करती हैं। मुख्य प्रभावित करने वाले कारकों में दो श्रेणियां शामिल हैं: पर्यावरणीय पैरामीटर और जल गुणवत्ता पैरामीटर।

1. घुली हुई ऑक्सीजन: नाइट्रीकरण और एरोबिक फॉस्फोरस ग्रहण के लिए पर्याप्त मात्रा में घुली हुई ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है; एनोक्सिक डिनाइट्रीकरण के लिए सख्ती से कम {{1}ऑक्सीजन वातावरण की आवश्यकता होती है; और अवायवीय फॉस्फोरस रिलीज के लिए बिल्कुल अवायवीय वातावरण की आवश्यकता होती है। ऑक्सीजन वातावरण में व्यवधान सीधे तौर पर नाइट्रोजन और फास्फोरस को हटाने में विफलता का कारण बनेगा।

2. कार्बन स्रोत सामग्री: डिनाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया और पॉलीफॉस्फेट दोनों ही संचय करने वाले बैक्टीरिया चयापचय के लिए कार्बनिक कार्बन स्रोतों पर निर्भर करते हैं। जब अपशिष्ट जल का कार्बन - से {{4} नाइट्रोजन अनुपात और कार्बन - से - फास्फोरस अनुपात बहुत कम होता है, तो सोडियम एसीटेट और ग्लूकोज जैसे बहिर्जात कार्बन स्रोतों को जोड़ने की आवश्यकता होती है; अन्यथा, अपूर्ण नाइट्रोजन निष्कासन और कम फास्फोरस निष्कासन दक्षता घटित होगी।

3. पीएच और तापमान: नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया के लिए इष्टतम पीएच 7.5-8.5 है, जबकि पॉलीफॉस्फेट-संचय करने वाले बैक्टीरिया के लिए इष्टतम पीएच 6.5-8.0 है। सूक्ष्मजीवों के लिए इष्टतम तापमान 20-30 डिग्री है। कम तापमान बैक्टीरिया की गतिविधि और उपचार दक्षता को काफी कम कर देगा।

4. कीचड़ आयु: नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया का पीढ़ी चक्र लंबा होता है, जिससे बैक्टीरिया के अस्तित्व को सुनिश्चित करने के लिए लंबी कीचड़ आयु की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, पॉलीफ़ॉस्फेट {{2}संचय करने वाले बैक्टीरिया की कीचड़ आयु कम होती है; अत्यधिक लंबे समय तक कीचड़ रहने से कीचड़ से फॉस्फोरस निकल सकता है। इसलिए, वास्तविक प्रक्रिया में नाइट्रोजन और फास्फोरस हटाने की दक्षता सुनिश्चित करने के लिए कीचड़ की उम्र को संतुलित करने की आवश्यकता होती है।

नाइट्रोजन और फास्फोरस हटाने के उपरोक्त मूल सिद्धांतों के आधार पर, उद्योग ने विभिन्न परिपक्व प्रक्रियाएं विकसित की हैं, जिनका उद्देश्य वैकल्पिक अवायवीय, एनोक्सिक और एरोबिक प्रतिक्रिया वातावरण बनाना है। A²/O प्रक्रिया नाइट्रोजन और फॉस्फोरस को एक साथ हटाने की सबसे क्लासिक प्रक्रिया है। यह क्रमिक रूप से एनारोबिक क्षेत्र में बैक्टीरिया को जमा करके पॉलीफॉस्फेट द्वारा फॉस्फोरस रिलीज और कार्बन भंडारण को पूरा करता है, एनोक्सिक क्षेत्र में डीनाइट्रीकरण, और एरोबिक क्षेत्र में पॉलीफॉस्फेट द्वारा नाइट्रीकरण और अत्यधिक फॉस्फोरस को जमा करके बैक्टीरिया को जमा करता है। अंत में, कीचड़ अवसादन और निर्वहन के माध्यम से एक साथ नाइट्रोजन और फास्फोरस को हटाया जाता है। इसके अलावा, संशोधित ए²/ओ, एसबीआर और ऑक्सीकरण खाई प्रक्रियाएं सभी मुख्य जैव रासायनिक सिद्धांतों पर आधारित हैं, जो विभिन्न जल गुणवत्ता उपचार आवश्यकताओं के अनुकूल टैंक संरचना और संचालन अनुक्रम को अनुकूलित करती हैं।

अपशिष्ट जल से जैविक नाइट्रोजन और फास्फोरस को हटाने का सार कार्यात्मक सूक्ष्मजीवों की विभेदित चयापचय विशेषताओं का उपयोग करना और नाइट्रोजन और फास्फोरस प्रदूषकों के परिवर्तन और जल निकाय से उनके निष्कासन को प्राप्त करने के लिए जलीय पर्यावरण को कृत्रिम रूप से विनियमित करना है। नाइट्रोजन निष्कासन गैसीय निष्कासन को प्राप्त करने के लिए अमोनीकरण, नाइट्रीकरण, और डिनाइट्रीकरण की चरणबद्ध प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करता है, जबकि फॉस्फोरस निष्कासन कीचड़ के जमने और निष्कासन को प्राप्त करने के लिए पॉलीफॉस्फेट के चक्रीय चयापचय पर निर्भर करता है {{1}बैक्टीरिया जमा करना {{2}अवायवीय फास्फोरस जारी करना और एरोबिक फास्फोरस ग्रहण करना। इसके जैव रासायनिक सिद्धांतों की गहन समझ अपशिष्ट जल उपचार प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने, नाइट्रोजन और फास्फोरस हटाने की दक्षता में सुधार करने और जल निकायों में यूट्रोफिकेशन की समस्या को हल करने का मुख्य आधार है। यह ऊर्जा संरक्षण, उत्सर्जन में कमी और अपशिष्ट जल उपचार के उन्नयन के लिए महत्वपूर्ण सैद्धांतिक समर्थन भी प्रदान करता है।