سیوریج میں نائٹروجن کی حیاتیاتی تبدیلی کے عمل کا جامع تجزیہ

گندے پانی کے علاج کے میدان میں، نائٹروجن کی حیاتیاتی تبدیلی نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کے حصول اور اخراج کے معیارات کو پورا کرنے کا بنیادی عمل ہے۔ اس عمل میں کوئی ایک ردعمل شامل نہیں ہے، بلکہ تین اہم مراحل کی مربوط تکمیل شامل ہے: امونیفیکیشن، نائٹریفیکیشن، اور ڈینیٹریفیکیشن۔ ایک ساتھ مل کر، یہ اقدامات آہستہ آہستہ گندے پانی میں پیچیدہ نامیاتی نائٹروجن اور غیر نامیاتی نائٹروجن کو بے ضرر نائٹروجن گیس میں تبدیل کرتے ہیں، بنیادی طور پر آبی ذخائر میں نائٹروجن کے بوجھ کو کم کرتے ہیں۔

تعارف
سیوریج میں نائٹروجن بنیادی طور پر نامیاتی نائٹروجن (جیسے پروٹین اور یوریا) اور امونیا نائٹروجن کی شکل میں موجود ہے۔ براہ راست خارج ہونے سے ماحولیاتی مسائل جیسے آبی ذخائر کا یوٹروفیکیشن ہو سکتا ہے۔ حیاتیاتی علاج کے طریقے، اعلی کارکردگی اور معیشت کے اپنے فوائد کے ساتھ، سیوریج سے نائٹروجن نکالنے کے لیے مرکزی دھارے کی ٹیکنالوجی بن چکے ہیں۔ بنیادی اصول یہ ہے کہ مخصوص ماحولیاتی حالات میں مختلف مائکروجنزموں کی میٹابولک سرگرمیوں کو آہستہ آہستہ نائٹروجن عناصر کو تبدیل کرنے کے لیے استعمال کیا جائے، بالآخر آبی ذخائر سے فضا میں گیسوں کے اخراج کو حاصل کیا جائے۔ مندرجہ ذیل اس عمل کے بنیادی میکانزم کو منظم طریقے سے الگ کریں گے۔

امونیفیکیشن گندے پانی سے نائٹروجن کے اخراج کا پہلا قدم ہے، جس میں نامیاتی نائٹروجن مرکبات کی تبدیلی کا حوالہ دیا جاتا ہے۔
اس عمل کو بنیادی طور پر امونیفائینگ بیکٹیریا کے ذریعے سہولت فراہم کی جاتی ہے۔ ماحول کے آکسیجن کے مواد پر منحصر ہے، اسے دو راستوں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: ایروبک ٹرانسفارمیشن اور اینیروبک ٹرانسفارمیشن
1. ایروبک تبدیلی
ایروبک حالات میں، مائکروجنزم جیسے ایروموناس ہائیڈرو فیلا، بیسیلس سیریس، اور فیکلٹیٹو پروٹیوس ولگارس رد عمل میں حصہ لیتے ہیں، بنیادی طور پر دو اہم میکانزم کے ذریعے نامیاتی نائٹروجن کو کم کرتے ہیں:
آکسیڈیٹیو ڈیمینیشن: آکسیڈیسس کے کیٹالیسس کے تحت، امینو ایسڈ آہستہ آہستہ کیٹو ایسڈ اور امونیا پیدا کرنے کے لیے اپنے امینو گروپس کو کھو دیتے ہیں۔
الانائن کو بطور مثال لینا:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(ایلانائن → امینوپروپینک ایسڈ → پائرووک ایسڈ + امونیا)
• امونیا کا ہائیڈرولیسس: ہائیڈرولائٹک انزائمز کے عمل کے تحت، نائٹروجن-جس میں نامیاتی مرکبات جیسے یوریا کو ہائیڈولائز کیا جاتا ہے تاکہ امونیا پیدا ہو۔
یوریا ہائیڈولیسس رد عمل:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
اس عمل میں شامل بیکٹیریا میں ایروبک بیکٹیریا جیسے Enterococcus faecalis اور Bacillus Urea شامل ہیں۔

2. اینیروبک تبدیلی
anaerobic یا آکسیجن کی کمی والے ماحول میں، anaerobic اور facultative anaerobic microorganisms تین راستوں سے امونیفیکیشن مکمل کرتے ہیں:
• کمی اور ڈیمینیشن:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• پانی-کی بنیاد پر امونیا کو ہٹانا:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
پانی کی کمی اور ڈیمینیشن:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

نائٹریفیکیشن دوسرا بنیادی رد عمل ہے جو NH3−N کو NOx−N پر آکسائڈائز کرتا ہے، جو نائٹریٹ بیکٹیریا اور نائٹریٹ بیکٹیریا کے ذریعے ہم آہنگی سے مکمل ہوتا ہے، اور اسے دو مراحل میں تقسیم کیا جاتا ہے: نائٹریٹیشن اور نائٹریفیکیشن
1. رد عمل کا طریقہ کار
• نائٹریٹیشن رد عمل (نائٹریٹ بیکٹیریا کا غلبہ):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• نائٹریفیکیشن ری ایکشن (نائٹرو بیکٹیریا کا غلبہ):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• مجموعی رد عمل کا فارمولا:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. کلیدی عمل کی خصوصیات
• ہائی آکسیجن کی طلب: 4.2 گرام فی 1 جی ہٹانے کی نظریاتی کھپت، اس لیے نائٹریفیکیشن ری ایکشن کو کافی ہوا کے حالات میں انجام دینے کی ضرورت ہے۔
• کم شرح نمو: نائٹریفائنگ بیکٹیریا کی سیل کی پیداوار انتہائی کم ہوتی ہے، اور وہ سرد موسم سرما کے مہینوں میں ناکافی سرگرمی کا زیادہ شکار ہوتے ہیں۔ لہذا، علاج کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے کیچڑ کی زیادہ مقدار کو برقرار رکھنا ضروری ہے۔
• الکلینٹی کی کھپت: رد عمل H+. کی ایک بڑی مقدار پیدا کرتا ہے نظریاتی طور پر، 7.54 گرام الکلائنٹی (جس کا حساب CaCO3 کے طور پر کیا جاتا ہے) ہر 1 گرام آکسیڈیشن کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ الکلائن ایجنٹوں کو شامل کرکے سسٹم پی ایچ کے استحکام کو برقرار رکھنا ضروری ہے۔

گندے پانی سے نائٹروجن کے اخراج کا آخری مرحلہ Denitrification ہے۔ یہ اس عمل کی طرف اشارہ کرتا ہے جہاں ڈینائٹریفائنگ بیکٹیریا NOx−N اور دیگر نائٹروجن آکسائیڈز کو نائٹروجن گیس یا گیسی نائٹروجن آکسائیڈز کو الیکٹران قبول کرنے والے کے طور پر انیروبک یا آکسیجن-کی کمی (DO <0.3~0.5mg/L) حالات میں کم کر دیتے ہیں۔
1. رد عمل کا طریقہ کار
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
مکمل کمی کا ردعمل (مثال کے طور پر نامیاتی مرکبات کو الیکٹران ڈونرز کے طور پر لینا):
NO3−+5[H] (الیکٹران ڈونر) → 0.5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (الیکٹران ڈونر) → 0.5N2 + H2O + OH−

2. کاربن ماخذ کی ضروریات اور مائکروبیل خصوصیات

• کاربن ماخذ کی کھپت: نظریاتی طور پر، 1 گرام نائٹریٹ نائٹروجن کو N2 میں تبدیل کرنے کے لیے 2.86 گرام کاربن ماخذ کی ضرورت ہوتی ہے، اور 1 گرام نائٹرائٹ نائٹروجن کو تبدیل کرنے کے لیے 1.71 گرام نامیاتی مادے کی ضرورت ہوتی ہے۔
الیکٹران کے عطیہ دہندگان کا تنوع: [H] نامیاتی مرکبات، سلفائیڈز وغیرہ کے ذریعے فراہم کیا جا سکتا ہے، جو عمل کی اصلاح کے لیے متعدد کاربن سورس کے اختیارات پیش کرتے ہیں۔
مائکروبیل خصوصیات: ڈینیٹریفائنگ بیکٹیریا زیادہ تر فیکلٹیٹیو بیکٹیریا ہیں، جو آکسیجن کی موجودگی میں O2 کو ٹرمینل الیکٹران قبول کرنے والے کے طور پر استعمال کرتے ہوئے سانس لیتے ہیں، اور آکسیجن کی عدم موجودگی میں سانس لینے کے لیے NOx−N کا استعمال کرتے ہیں۔ یہ خصوصیت anoxic denitrification کے عمل کی بنیادی بنیاد ہے۔
 

خلاصہ
سیوریج میں نائٹروجن کی حیاتیاتی تبدیلی ایک سلسلہ عمل ہے جو آپس میں جڑا ہوا ہے:
امونیفیکیشن نامیاتی نائٹروجن کے مالیکیولز کو توڑتی ہے، امونیا نائٹروجن جاری کرتی ہے۔
نائٹریفیکیشن میں ایروبک ماحول میں امونیاکل نائٹروجن کا نائٹریٹ نائٹروجن سے بتدریج آکسیکرن شامل ہوتا ہے۔
ڈینیٹریفیکیشن اینوکسک ماحول میں نائٹروجن کو نائٹروجن گیس سے کم کر دیتی ہے، بالآخر آبی ذخائر سے نائٹروجن کو فضا میں خارج کر دیتی ہے۔
اس عمل کا موثر عمل کلیدی پیرامیٹرز جیسے کہ آکسیجن مواد، الکلائنٹی، کاربن ماخذ، اور درجہ حرارت پر قطعی کنٹرول پر انحصار کرتا ہے، اور جدید شہری گندے پانی کے پلانٹس اور صنعتی گندے پانی کے علاج میں نائٹروجن کو مستحکم کرنے کے حصول کے لیے بنیادی تکنیکی معاونت کے طور پر کام کرتا ہے۔