گندے پانی میں حیاتیاتی نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کا اصول

آبی ذخائر میں ضرورت سے زیادہ نائٹروجن اور فاسفورس آلودگی پانی کے ماحول کے مسائل کی بنیادی وجہ ہیں جیسے یوٹروفیکیشن، الگل بلومز، اور سرخ جوار، جس کے نتیجے میں پانی کے معیار میں بگاڑ، آبی ماحولیاتی نظام کا عدم توازن، اور پینے کے پانی کی حفاظت کے لیے خطرات شامل ہیں۔ کیمیائی اور جسمانی علاج کے عمل کے مقابلے میں، حیاتیاتی نائٹروجن اور فاسفورس ہٹانے کی ٹیکنالوجی موجودہ گندے پانی کی صفائی کے پلانٹس میں اعلی درجے کے گندے پانی کے علاج کے لیے بنیادی عمل بن گئی ہے کیونکہ اس کے فوائد جیسے کہ مستحکم علاج کے اثرات، کم آپریٹنگ لاگت، کوئی ثانوی آلودگی نہیں، اور میونسپل اور صنعتی گندے پانی کی صفائی کے منظرناموں سے موافقت۔ گندے پانی میں حیاتیاتی نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کا بنیادی اصول یہ ہے کہ مختلف فعال مائکروجنزموں کی میٹابولک سرگرمیوں کو ایک کنٹرول شدہ متبادل anaerobic، anoxic، اور aerobic ماحول میں استعمال کیا جائے تاکہ آہستہ آہستہ آلودگیوں کو تبدیل کیا جا سکے جیسے نامیاتی نائٹروجن، امونیا نائٹروجن اور گائے کے سبسٹین فاسفورس میں۔ جو پانی کے جسم سے خارج ہونے والے کیچڑ میں بچ جاتا ہے یا ٹھوس ہوجاتا ہے، اس طرح پانی کی صفائی حاصل ہوتی ہے۔

گندے پانی میں نائٹروجن پیچیدہ شکلوں میں موجود ہے، جس میں بنیادی طور پر نامیاتی نائٹروجن، امونیا نائٹروجن، نائٹریٹ نائٹروجن، اور نائٹریٹ نائٹروجن شامل ہیں۔ حیاتیاتی نائٹروجن کو ہٹانا ایک واحد رد عمل کا عمل نہیں ہے، بلکہ ایک تین-مرحلہ مائکروبیل بائیو کیمیکل ری ایکشن ہے-امونیشن، نائٹریفیکیشن، اور ڈینائٹریفیکیشن-جو بالآخر نائٹروجن کی مختلف شکلوں کو نائٹروجن گیس میں تبدیل کرتا ہے، اسے پانی کے جسم سے ہٹاتا ہے اور ٹروجن کو دوبارہ پیدا کرتا ہے۔ پورا عمل ان کے مخصوص ماحول میں مختلف بیکٹیریل کمیونٹیز کی میٹابولک سرگرمیوں پر انحصار کرتا ہے۔

(I) امونیشن ری ایکشن (نامیاتی نائٹروجن کی تبدیلی)

ایروبک یا اینیروبک حالات کے تحت، گندے پانی میں نامیاتی نائٹروجن آلودگی، جیسے پروٹین، یوریا، اور امینو ایسڈ، کو ہائیڈولائز کیا جاتا ہے اور ان کو غیر نامیاتی امونیا نائٹروجن (NH₃-N) میں آکسائڈائز کیا جاتا ہے۔ یہ رد عمل حیاتیاتی نائٹروجن کے اخراج کا بنیادی قبل از-رد عمل ہے، جو ماحول کے لیے انتہائی موافق ہے، اور اسے تحلیل شدہ آکسیجن اور درجہ حرارت جیسے پیرامیٹرز کے سخت کنٹرول کی ضرورت نہیں ہے، جو اسے روایتی گندے پانی کے علاج کے حالات میں آسانی سے آگے بڑھنے کی اجازت دیتا ہے۔ رد عمل کا عمل پیچیدہ نامیاتی نائٹروجن کو سادہ غیر نامیاتی نائٹروجن میں تبدیل کرتا ہے، جو بعد میں ہونے والے نائٹریفیکیشن اور ڈینیٹریفیکیشن ری ایکشنز کے لیے سبسٹریٹس فراہم کرتا ہے، اور نائٹروجن کو ہٹانے کا پہلا قدم ہے۔

(II) نائٹریفیکیشن (امونیا نائٹروجن آکسیڈیشن)

نائٹریفیکیشن ایک آکسیکرن ردعمل ہے جس میں ایروبک آٹوٹروفک مائکروجنزموں کا غلبہ ہوتا ہے، جو دو مراحل پر مشتمل ہوتا ہے: نائٹریفیکیشن اور نائٹریفیکیشن۔ پورے عمل کے دوران کافی آکسیجن کی ضرورت ہوتی ہے، اور مائکروجنزم سست ترقی کی شرح، طویل نسل کے چکر، اور ماحولیاتی درجہ حرارت، پی ایچ، اور تحلیل شدہ آکسیجن کے لیے اعلیٰ حساسیت کی نمائش کرتے ہیں۔ پہلا مرحلہ نائٹریفیکیشن ہے، جہاں نائٹریفائنگ بیکٹیریا امونیا نائٹروجن کو نائٹریٹ نائٹروجن میں آکسائڈائز کرتے ہیں۔ دوسرا مرحلہ نائٹریفیکیشن ہے، جہاں نائٹریفائنگ بیکٹیریا نائٹرائٹ نائٹروجن کو مستحکم نائٹریٹ نائٹروجن میں مزید آکسائڈائز کرتے ہیں۔

نائٹریفائنگ بیکٹیریا آٹوٹروفک ہوتے ہیں، یعنی وہ گندے پانی میں نامیاتی آلودگی نہیں کھاتے۔ اس کے بجائے، وہ امونیا نائٹروجن کے آکسیکرن سے پیدا ہونے والی کیمیائی توانائی کو کاربن ڈائی آکسائیڈ کو ٹھیک کرنے اور اپنے مادوں کی ترکیب کے لیے بطور توانائی استعمال کرتے ہیں۔ یہ عمل نائٹروجن کے اخراج میں ایک کلیدی آکسیکرن مرحلہ ہے، نائٹروجن کو آکسیڈائزنگ نائٹروجن میں تبدیل کرنے اور بعد میں ڈینیٹریفیکیشن کے لیے رد عمل کے ذیلی ذخیرے فراہم کرنے کا احساس۔

(III) Denitrification (نائٹریٹ نائٹروجن کو ہٹانا)

Denitrification ایک کمی کا رد عمل ہے جس پر anaerobic heterotrophic microorganisms کا غلبہ ہوتا ہے اور یہ حیاتیاتی نائٹروجن کو ہٹانے کا آخری بنیادی مرحلہ ہے۔ ایک انیروبک ماحول میں جس میں سالماتی آکسیجن کی کمی ہوتی ہے لیکن نائٹریٹ نائٹروجن پر مشتمل ہوتا ہے، ناکارہ کرنے والے بیکٹیریا گندے پانی میں نامیاتی کاربن کے ذرائع کو الیکٹران کے عطیہ دہندگان کے طور پر استعمال کرتے ہیں تاکہ نائٹریفیکیشن ری ایکشن میں پیدا ہونے والے نائٹریٹ نائٹروجن اور نائٹریٹ نائٹروجن کو بتدریج کم کیا جا سکے، جو بالآخر پانی سے گیس پیدا کرتا ہے۔ سطح، گندے پانی سے نائٹروجن کو مکمل طور پر ہٹاتا ہے۔

denitrification کے عمل کو anaerobic اور anoxic ماحول کے درمیان سختی سے فرق کرنا چاہیے: ایک anaerobic ماحول میں سالماتی آکسیجن کی کمی ہوتی ہے لیکن اس میں مشترکہ آکسیجن (نائٹریٹ نائٹروجن) ہوتی ہے، جس سے denitrification کے رد عمل کو عام طور پر رونما ہونے دیا جاتا ہے۔ جب کہ ایک anaerobic ماحول میں مشترکہ آکسیجن کی کمی ہوتی ہے، جو denitrification کے رد عمل کو روکتا ہے۔ اس کے ساتھ ساتھ، نامیاتی کاربن کا ذریعہ denitrification کے لیے ایک بنیادی شرط ہے۔ کاربن کے ناکافی ذرائع براہ راست نائٹروجن کو ہٹانے کی کارکردگی میں نمایاں کمی کا باعث بنتے ہیں۔ عملی انجینئرنگ میں، خارجی کاربن کے ذرائع کے ساتھ ضمیمہ کا استعمال اکثر نائٹروجن کو ہٹانے کی تاثیر کو یقینی بنانے کے لیے کیا جاتا ہے۔

حیاتیاتی فاسفورس کو ہٹانے کے لیے بنیادی فعال بیکٹیریل گروپ پولی فاسفیٹ-جمع کرنے والے بیکٹیریا (PAOs) ہے۔ یہ مائکروجنزم منفرد میٹابولک خصوصیات کے حامل ہوتے ہیں، جو انہیں متبادل اینیروبک اور ایروبک ماحول کے تحت ایک "فاسفورس ریلیز-فاسفورس اپٹیک" سائیکل کو مکمل کرنے کے قابل بناتے ہیں، بالآخر اضافی کیچڑ کے اخراج کے ذریعے آبی جسم سے فاسفورس کے مکمل اخراج کو حاصل کرتے ہیں۔ denitrification کے برعکس، حیاتیاتی فاسفورس کو ہٹانے سے کوئی گیسی ضمنی مصنوعات پیدا نہیں ہوتی ہیں۔ اس کے بجائے، یہ مائکروجنزموں کے اندر پانی میں فاسفیٹس کو مضبوط کرتا ہے، انہیں کیچڑ کے طور پر چھوڑتا ہے۔

(I) انیروبک فاسفورس کی رہائی کا مرحلہ

سختی سے انیروبک ماحول میں، مالیکیولر آکسیجن اور نائٹریٹ نائٹروجن سے پاک، پولی فاسفیٹ-جمع کرنے والے بیکٹیریا (PABs) اپنے میٹابولک توانائی کے ذرائع کو محدود کرتے ہوئے، ایروبک سانس لینے کے لیے بیرونی آکسیجن کا استعمال نہیں کر سکتے۔ اس حالت میں، PPAs اپنے خلیات کے اندر ذخیرہ شدہ پولی فاسفیٹس کو گلتے ہیں، کم-سالماتی-وزن والے نامیاتی کاربن ذرائع جیسے کہ غیر مستحکم فیٹی ایسڈ (VFAs) کو گندے پانی سے جذب کرنے کے لیے توانائی جاری کرتے ہیں، انہیں خلیوں کے اندر ذخیرہ کرنے کے لیے پولی ہائیڈروکسیالکانوایٹس (PHAs) میں تبدیل کرتے ہیں۔ اس عمل کے دوران، انٹرا سیلولر فاسفیٹس کو گندے پانی میں چھوڑا جاتا ہے، جس سے پانی کے فاسفورس مواد میں لمحہ بہ لمحہ اضافہ ہوتا ہے-یہ انیروبک فاسفورس کے اخراج کا عمل ہے۔

(II) ایروبک اضافی فاسفورس جذب کرنے کا مرحلہ

جب ماحول ایروبک حالت میں بدل جاتا ہے، PPAs اب نامیاتی کاربن کے ذرائع کو جذب نہیں کرتے ہیں بلکہ اس کے بجائے anaerobic مرحلے میں ذخیرہ شدہ PHAs کو گلتے ہیں، نامیاتی مادے کے آکسیڈیشن اور گلنے کے ذریعے بڑی مقدار میں توانائی حاصل کرتے ہیں۔ اس توانائی کو استعمال کرتے ہوئے، پولی فاسفیٹ-جمع کرنے والے بیکٹیریا (PACs) گندے پانی سے فاسفیٹ کو ضرورت سے زیادہ جذب کرتے ہیں، جو کہ انیروبک مرحلے کے دوران جاری ہونے والی مقدار سے کہیں زیادہ ہے۔ اضافی فاسفیٹ اس کے بعد خلیات کے اندر پولی فاسفیٹ کے طور پر ذخیرہ کیا جاتا ہے، فاسفورس کی افزودگی اور پانی سے ہٹانے کو حاصل کرتا ہے۔

بالآخر، فاسفورس سے بھرپور PACs-کیچڑ کے ساتھ حل ہو جاتے ہیں اور سسٹم ویسٹ سلج ڈسچارج کے ذریعے گندے پانی کے نظام سے مکمل طور پر خارج ہو جاتے ہیں، اس طرح حیاتیاتی فاسفورس ہٹانے کا پورا عمل مکمل ہو جاتا ہے۔ PACs کی متبادل میٹابولک خصوصیات حیاتیاتی فاسفورس کو ہٹانے کا مرکز ہیں، اور فاسفورس کو ہٹانے کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے ایک مستحکم اینیروبک-ایروبک ماحول کی تبدیلی بہت اہم ہے۔

حیاتیاتی نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کی تاثیر مکمل طور پر مائکروبیل سرگرمی پر منحصر ہے۔ مائکروجنزموں کی میٹابولک خصوصیات عمل کے آپریشن کے بنیادی کنٹرول پیرامیٹرز کا تعین کرتی ہیں۔ اثر انداز کرنے والے اہم عوامل میں دو قسمیں شامل ہیں: ماحولیاتی پیرامیٹرز اور پانی کے معیار کے پیرامیٹرز۔

1. تحلیل شدہ آکسیجن: نائٹریفیکیشن اور ایروبک فاسفورس کے اخراج کے لیے کافی تحلیل شدہ آکسیجن کی ضرورت ہوتی ہے۔ anoxic denitrification کے لیے سختی سے کم-آکسیجن ماحول کی ضرورت ہوتی ہے۔ اور anaerobic فاسفورس کی رہائی کے لیے بالکل anaerobic ماحول کی ضرورت ہوتی ہے۔ آکسیجن ماحول میں رکاوٹیں براہ راست نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کی ناکامی کا باعث بنیں گی۔

2. کاربن کے ماخذ کا مواد: دونوں denitrifying بیکٹیریا اور پولی فاسفیٹ-جمع کرنے والے بیکٹیریا میٹابولزم کے لیے نامیاتی کاربن ذرائع پر انحصار کرتے ہیں۔ جب گندے پانی کا کاربن-سے-نائٹروجن کا تناسب اور کاربن-سے-فاسفورس کا تناسب بہت کم ہوتا ہے، تو خارجی کاربن ذرائع جیسے سوڈیم ایسیٹیٹ اور گلوکوز کو شامل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ دوسری صورت میں، نامکمل نائٹروجن ہٹانے اور کم فاسفورس ہٹانے کی کارکردگی واقع ہو جائے گا.

3. پی ایچ اور درجہ حرارت: نائٹریفائنگ بیکٹیریا کے لیے بہترین پی ایچ 7.5-8.5 ہے، جبکہ پولی فاسفیٹ جمع کرنے والے بیکٹیریا کے لیے بہترین پی ایچ 6.5-8.0 ہے۔ مائکروجنزموں کے لیے بہترین درجہ حرارت 20-30 ڈگری ہے۔ کم درجہ حرارت بیکٹیریا کی سرگرمی اور علاج کی کارکردگی کو نمایاں طور پر کم کر دے گا۔

4. کیچڑ کی عمر: نائٹریفائنگ بیکٹیریا کی نسل کا ایک طویل دور ہوتا ہے، جس میں بیکٹیریا کی بقا کو یقینی بنانے کے لیے کیچڑ کی لمبی عمر درکار ہوتی ہے۔ پولی فاسفیٹ-جمع کرنے والے بیکٹیریا، دوسری طرف، کیچڑ کی عمر کم ہوتی ہے۔ ضرورت سے زیادہ لمبی کیچڑ کی عمر کیچڑ سے فاسفورس کے اخراج کا باعث بن سکتی ہے۔ لہذا، اصل عمل کو کیچڑ کی عمر کو متوازن کرنے کی ضرورت ہے تاکہ نائٹروجن اور فاسفورس دونوں کو ہٹانے کی کارکردگی کو یقینی بنایا جا سکے۔

نائٹروجن اور فاسفورس کو ہٹانے کے مندرجہ بالا بنیادی اصولوں کی بنیاد پر، صنعت نے مختلف بالغ عمل تیار کیے ہیں، جن میں سے سبھی کا مقصد متبادل اینیروبک، اینوکسک، اور ایروبک رد عمل کے ماحول پیدا کرنا ہے۔ A²/O عمل بیک وقت نائٹروجن اور فاسفورس کو ہٹانے کا سب سے کلاسک عمل ہے۔ یہ ترتیب وار طور پر پولی فاسفیٹ کے ذریعے فاسفورس کے اخراج اور کاربن کو ذخیرہ کرنے کو مکمل کرتا ہے-اینروبک زون میں بیکٹیریا کو جمع کرتا ہے، اینوکسک زون میں ڈینیٹریفکیشن، اور پولی فاسفیٹ کے ذریعے فاسفورس کی ضرورت سے زیادہ مقدار کو نائٹریٹیشن اور فاسفورس کا زیادہ استعمال-ایک بیکٹیریا زون میں جمع کرتا ہے۔ آخر میں، بیک وقت نائٹروجن اور فاسفورس کو ہٹانا کیچڑ کی تلچھٹ اور خارج ہونے کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے۔ اس کے علاوہ، ترمیم شدہ A²/O، SBR، اور آکسیڈیشن ڈچ عمل تمام بنیادی بائیو کیمیکل اصولوں، ٹینک کی ساخت کو بہتر بنانے اور پانی کے معیار کے علاج کی مختلف ضروریات کو اپنانے کے لیے آپریٹنگ ترتیب پر مبنی ہیں۔

گندے پانی سے حیاتیاتی نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کا جوہر فعال مائکروجنزموں کی مختلف میٹابولک خصوصیات کو استعمال کرنا اور نائٹروجن اور فاسفورس آلودگیوں کی تبدیلی اور آبی جسم سے ان کے اخراج کو حاصل کرنے کے لیے آبی ماحول کو مصنوعی طور پر منظم کرنا ہے۔ نائٹروجن کا اخراج گیسوں کے اخراج کو حاصل کرنے کے لیے امونیفیکیشن، نائٹریفیکیشن، اور ڈینیٹریفیکیشن کے مرحلہ وار رد عمل پر انحصار کرتا ہے، جب کہ فاسفورس کا اخراج پولی فاسفیٹ کے چکراتی تحول پر انحصار کرتا ہے-جمع ہونے والے بیکٹیریا-ایروبک فاسفورس کے اخراج اور ایروبک کو حاصل کرنے کے لیے{3} استحکام اور ہٹانا. اس کے جیو کیمیکل اصولوں کی مکمل تفہیم گندے پانی کے علاج کے عمل کو بہتر بنانے، نائٹروجن اور فاسفورس کے اخراج کی کارکردگی کو بہتر بنانے اور آبی ذخائر میں یوٹروفیکیشن کے مسئلے کو حل کرنے کی بنیادی بنیاد ہے۔ یہ توانائی کے تحفظ، اخراج میں کمی، اور گندے پانی کے علاج کو اپ گریڈ کرنے کے لیے اہم نظریاتی مدد بھی فراہم کرتا ہے۔