【मुख्य अंतर्दृष्टि】सक्रिय कीचड़ प्रणालियों में स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीवों के बीच अंतर का विश्लेषण

अपशिष्ट जल उपचार की सक्रिय कीचड़ प्रणाली में, सूक्ष्मजीव प्रदूषक शुद्धिकरण के लिए मुख्य "निष्पादक" के रूप में कार्य करते हैं। ऊर्जा अधिग्रहण विधियों और कार्बन स्रोत उपयोग रूपों के आधार पर, इन सूक्ष्मजीवों को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: स्वपोषी और विषमपोषी। इन दोनों प्रकारों में चयापचय तंत्र, कार्यात्मक भूमिकाओं और पर्यावरणीय अनुकूलन क्षमता में मौलिक अंतर हैं, जो सामूहिक रूप से सक्रिय कीचड़ की पारिस्थितिक संरचना बनाते हैं। हालाँकि, उनके क्रिया के मार्ग और मुख्य मूल्य काफी भिन्न हैं। इन अंतरों की गहरी समझ अपशिष्ट जल उपचार प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने और शुद्धिकरण दक्षता को बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण है।

1. मुख्य अंतर: ऊर्जा स्रोतों और कार्बन स्रोत उपयोग के बीच मौलिक अंतर

ऊर्जा का स्रोत और कार्बन का स्रोत स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीवों को अलग करने वाले मौलिक संकेतक हैं। ये दो प्रमुख कारक सीधे तौर पर उनके चयापचय की दिशा और अस्तित्व की निर्भरता के साथ-साथ सक्रिय कीचड़ प्रणाली में उनकी विशिष्ट भूमिकाओं के अंतर्निहित तर्क को निर्धारित करते हैं।

(1) स्वपोषी सूक्ष्मजीव: "आत्मनिर्भर" अकार्बनिक पदार्थ ट्रांसफार्मर

स्वपोषी सूक्ष्मजीवों की मुख्य विशेषता अकार्बनिक कार्बन से स्वतंत्र रूप से कार्बनिक यौगिकों को संश्लेषित करने की उनकी क्षमता है, जो बाहरी कार्बनिक पदार्थों पर निर्भर किए बिना, "ऊर्जा ईंधन" के रूप में अकार्बनिक पदार्थों का उपयोग करते हैं, जो पारिस्थितिक तंत्र में "उत्पादकों" के रूप में कार्य करते हैं।
ऊर्जा अधिग्रहण के संदर्भ में, ये सूक्ष्मजीव अकार्बनिक पदार्थों का ऑक्सीकरण करके ऊर्जा प्राप्त करते हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया अमोनिया नाइट्रोजन (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻) का ऑक्सीकरण करके ऊर्जा प्राप्त करते हैं, जबकि नाइट्राइट-ऑक्सीकरण बैक्टीरिया नाइट्राइट (NO₂⁻→NO₃⁻) का ऑक्सीकरण करते हैं। दूसरी ओर, सल्फर-ऑक्सीकरण बैक्टीरिया सल्फाइड (जैसे, H₂S→S→SO₄²⁻) का ऑक्सीकरण करके ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। कार्बन स्रोत उपयोग के संबंध में, वे एकमात्र कार्बन स्रोत के रूप में केवल कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) या कार्बोनेट (जैसे HCO₃⁻) पर निर्भर करते हैं, प्रकाश संश्लेषण या रसायन संश्लेषण के माध्यम से अकार्बनिक कार्बन को कार्बनिक कार्बन में परिवर्तित करते हैं ताकि अपनी कोशिकाओं का निर्माण किया जा सके और चयापचय गतिविधियों को किया जा सके। यह "आत्मनिर्भर" विशेषता उन्हें अपशिष्ट जल में कार्बनिक प्रदूषकों पर निर्भर किए बिना जीवित रहने में सक्षम बनाती है।

(2) विषमपोषी सूक्ष्मजीव: "बाह्य रूप से निर्भर" कार्बनिक पदार्थ डिग्रेडर

विषमपोषी सूक्ष्मजीव स्वपोषी सूक्ष्मजीवों के बिल्कुल विपरीत हैं। वे ऊर्जा के लिए अकार्बनिक पदार्थों का उपयोग नहीं कर सकते हैं या स्वायत्त रूप से कार्बनिक कार्बन को संश्लेषित नहीं कर सकते हैं, इसके बजाय बाहरी वातावरण से पहले से मौजूद कार्बनिक पदार्थों पर "ऊर्जा स्रोत" और "कार्बन स्रोत" दोनों के रूप में निर्भर करते हैं। यह उन्हें पारिस्थितिक तंत्र में "उपभोक्ताओं" और "अपघटकों" के समतुल्य बनाता है।
ऊर्जा अधिग्रहण के संदर्भ में, ये सूक्ष्मजीव अपशिष्ट जल में कार्बनिक प्रदूषकों (जैसे कार्बोहाइड्रेट, प्रोटीन, वसा, आदि, जिन्हें COD, यानी रासायनिक ऑक्सीजन मांग द्वारा मापा जाता है) को विघटित करके ऊर्जा प्राप्त करते हैं। उदाहरण के लिए, एरोबिक विषमपोषी बैक्टीरिया ग्लूकोज को CO₂ और H₂O में तोड़ते हैं, जबकि अपनी चयापचय के लिए ऊर्जा छोड़ते हैं। कार्बन स्रोत उपयोग के संबंध में, वे स्वायत्त संश्लेषण की आवश्यकता के बिना, अपशिष्ट जल से सीधे कार्बनिक कार्बन (जैसे COD घटक और छोटे कार्बनिक अणु) को अवशोषित करते हैं। उनकी चयापचय गतिविधियाँ पूरी तरह से अपशिष्ट जल में कार्बनिक प्रदूषकों की सांद्रता और प्रकार पर निर्भर करती हैं।

II. कार्यात्मक भूमिकाएँ: सक्रिय कीचड़ शुद्धिकरण प्रणाली में विभिन्न भूमिकाएँ
ऊर्जा और कार्बन स्रोत उपयोग में अंतर के आधार पर, सक्रिय कीचड़ प्रणालियों में स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीव विशिष्ट रूप से अलग-अलग शुद्धिकरण कार्य करते हैं। पूर्व अकार्बनिक पदार्थ परिवर्तन पर ध्यान केंद्रित करता है, जबकि बाद वाला कार्बनिक पदार्थ के क्षरण पर ध्यान केंद्रित करता है, प्रभावी अपशिष्ट जल शुद्धिकरण सुनिश्चित करने के लिए सहक्रियात्मक रूप से काम करता है।
(1) स्वपोषी सूक्ष्मजीव: "नाइट्रोजन और सल्फर हटाने" पर केंद्रित, अकार्बनिक प्रदूषकों का उपचार
स्वपोषी सूक्ष्मजीव अकार्बनिक पदार्थों के परिवर्तन और हटाने की सुविधा प्रदान करके सक्रिय कीचड़ में केंद्रीय भूमिका निभाते हैं, जिसमें नाइट्रोसोमोनास (जिसमें नाइट्रोसोमोनास और नाइट्रोबैक्टर शामिल हैं) सबसे प्रतिनिधि हैं। ये बैक्टीरिया अपशिष्ट जल नाइट्रोजन हटाने की प्रक्रियाओं में प्रमुख खिलाड़ी हैं। एरोबिक स्थितियों के तहत, नाइट्रोसोमोनास पहले अपशिष्ट जल में अमोनिया नाइट्रोजन (NH₄⁺) को नाइट्राइट (NO₂⁻) में ऑक्सीकरण करता है, जिसे बाद में नाइट्रोबैक्टर द्वारा नाइट्रेट (NO₃⁻) में और ऑक्सीकरण किया जाता है। यह प्रक्रिया, जिसे "नाइट्रिफिकेशन रिएक्शन" के रूप में जाना जाता है, जैविक नाइट्रोजन हटाने का मुख्य चरण है। स्वपोषी नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया के बिना, अपशिष्ट जल में अमोनिया नाइट्रोजन को नाइट्रेट में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है, जिसे बाद में विनाइट्रीकरण के माध्यम से हटाया जा सकता है, जिससे अंततः बहिर्वाह में अत्यधिक अमोनिया नाइट्रोजन का स्तर बढ़ जाता है।
इसके अतिरिक्त, कुछ स्वपोषी सल्फर-ऑक्सीकरण बैक्टीरिया अपशिष्ट जल में सल्फाइड का ऑक्सीकरण कर सकते हैं, उन्हें हानिरहित सल्फेट में परिवर्तित कर सकते हैं और सूक्ष्मजीवों पर सल्फाइड के विषाक्त अवरोध को रोक सकते हैं, जिससे सक्रिय कीचड़ प्रणाली का स्थिर संचालन सुनिश्चित होता है। हालाँकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि स्वपोषी सूक्ष्मजीवों में चयापचय दर बहुत धीमी होती है (10-30 घंटे का एक विशिष्ट पीढ़ी चक्र के साथ) और वे पर्यावरणीय परिस्थितियों (जैसे तापमान, घुली हुई ऑक्सीजन और पीएच) के प्रति संवेदनशील होते हैं। नतीजतन, सक्रिय कीचड़ प्रणाली में उनका अनुपात आमतौर पर कम होता है (लगभग 5%-10%)।
(2) विषमपोषी सूक्ष्मजीव: कोर "COD क्षरण," कीचड़ गुच्छे का निर्माण
विषमपोषी सूक्ष्मजीव सक्रिय कीचड़ की "मुख्य शक्ति" हैं, जो इसकी आबादी का 90% से अधिक हिस्सा हैं। उनके प्राथमिक कार्य दो प्रमुख पहलुओं में केंद्रित हैं: कार्बनिक पदार्थ का क्षरण और कीचड़ गुच्छे का निर्माण, जो सीधे अपशिष्ट जल में COD हटाने की दक्षता और सक्रिय कीचड़ के बसने के प्रदर्शन को निर्धारित करते हैं।
कार्बनिक पदार्थ के क्षरण में, एरोबिक विषमपोषी बैक्टीरिया अपशिष्ट जल में मैक्रोमोलेक्यूलर कार्बनिक यौगिकों (जैसे स्टार्च, लिपिड और प्रोटीन) को एरोबिक श्वसन के माध्यम से छोटे कार्बनिक अणुओं में तोड़ते हैं। इन छोटे अणुओं को आगे CO₂ और H₂O जैसे अकार्बनिक उत्पादों में विघटित किया जाता है, जिससे अपशिष्ट जल का COD मान कम हो जाता है। यह घरेलू सीवेज और औद्योगिक कार्बनिक अपशिष्ट जल के उपचार का मुख्य उद्देश्य है। उदाहरण के लिए, शहरी अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों में, विषमपोषी बैक्टीरिया 300-500 मिलीग्राम/एल से लेकर 50 मिलीग्राम/एल से कम तक के प्रवाह COD को कम कर सकते हैं, जो निर्वहन मानकों को पूरा करता है।
कीचड़ गुच्छे के निर्माण में, कुछ विषमपोषी सूक्ष्मजीव (जैसे एक्टिनोमाइसेट्स और कवक) चिपचिपे पदार्थों जैसे पॉलीसेकेराइड और प्रोटीन का स्राव करते हैं, जो बिखरे हुए सूक्ष्मजीव कोशिकाओं को संरचनात्मक रूप से स्थिर गुच्छों (यानी, सक्रिय कीचड़ गुच्छों) में एकत्रित करते हैं। ये गुच्छे न केवल प्रदूषकों को समाहित करते हैं और क्षरण दक्षता को बढ़ाते हैं, बल्कि अवसादन टैंकों में तेजी से बस जाते हैं, कीचड़-पानी पृथक्करण प्राप्त करते हैं और बहिर्वाह के साथ सूक्ष्मजीवों के नुकसान को रोकते हैं। यदि विषमपोषी बैक्टीरिया की गतिविधि अपर्याप्त है या उनकी गुच्छे बनाने की क्षमता कमजोर है, तो इससे बहिर्वाह में अत्यधिक निलंबित ठोस पदार्थ (SS) हो सकता है, और गंभीर मामलों में, "कीचड़ उभार" हो सकता है, जिससे प्रणाली अस्थिर हो जाती है।

3、 पर्यावरणीय अनुकूलन क्षमता: प्रक्रिया स्थितियों के लिए अलग-अलग आवश्यकताएं

स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीवों की चयापचय विशेषताएं भिन्न होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप सक्रिय कीचड़ प्रणाली की पर्यावरणीय स्थितियों, जैसे घुली हुई ऑक्सीजन, तापमान और पोषक अनुपात के लिए अलग-अलग आवश्यकताएं होती हैं। इन स्थितियों का अनुकूलन दोनों प्रकार के सूक्ष्मजीवों के सहयोगात्मक कार्य को सुनिश्चित करने की कुंजी है।

（1） स्वपोषी सूक्ष्मजीव: पर्यावरणीय परिस्थितियों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील

स्वपोषी सूक्ष्मजीवों (विशेषकर नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया) की चयापचय गतिविधि को सख्त पर्यावरणीय परिस्थितियों की आवश्यकता होती है, और यहां तक कि छोटे पैरामीटर उतार-चढ़ाव भी उनकी गतिविधि को प्रभावित कर सकते हैं:

-घुली हुई ऑक्सीजन (DO): नाइट्रिफिकेशन रिएक्शन के लिए पर्याप्त घुली हुई ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, और DO को 2mg/L पर बनाए रखने की आवश्यकता होती है। यदि DO 1mg/L से कम है, तो नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया की गतिविधि काफी हद तक बाधित हो जाएगी, और अमोनिया नाइट्रोजन ऑक्सीकरण की दक्षता में तेजी से कमी आएगी;

-तापमान: इष्टतम तापमान 20-30 ℃ है। जब तापमान 10 ℃ से कम होता है, तो नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया की चयापचय दर 50% से अधिक घट जाएगी। सर्दियों में, सीवेज उपचार संयंत्र अक्सर अपर्याप्त अमोनिया नाइट्रोजन हटाने की दर की समस्या का सामना करते हैं;

-PH मान: उपयुक्त सीमा 7.5-8.5 है। यदि pH 6.5 से कम या 9.0 से अधिक है, तो एंजाइम गतिविधि अवरोध के कारण नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया चयापचय बंद कर देंगे;

-पोषक अनुपात: बड़ी मात्रा में कार्बनिक कार्बन की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन कार्बनिक कार्बन के प्रति संवेदनशील होता है - यदि सीवेज में COD बहुत अधिक है, तो विषमपोषी बैक्टीरिया घुली हुई ऑक्सीजन और स्थान के लिए स्वपोषी बैक्टीरिया के साथ प्रतिस्पर्धा करेंगे, जिससे नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया के विकास में बाधा आएगी।

（2） विषमपोषी सूक्ष्मजीव: पर्यावरणीय परिस्थितियों के प्रति अत्यधिक सहिष्णु

स्वपोषी सूक्ष्मजीवों की तुलना में, विषमपोषी सूक्ष्मजीवों में मजबूत पर्यावरणीय अनुकूलन क्षमता होती है और प्रक्रिया मापदंडों के लिए एक व्यापक सहिष्णुता सीमा होती है:

-घुली हुई ऑक्सीजन (DO): एरोबिक विषमपोषी बैक्टीरिया को अपनी चयापचय आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए DO को 1-2mg/L पर बनाए रखने की आवश्यकता होती है, जबकि कुछ वैकल्पिक विषमपोषी बैक्टीरिया (जैसे विनाइट्रीकरण बैक्टीरिया) अवायवीय परिस्थितियों में अवायवीय श्वसन के माध्यम से अभी भी कार्बनिक पदार्थों को क्षरित कर सकते हैं;

-तापमान: इष्टतम तापमान 15-35 ℃ है, लेकिन यह अभी भी 5-40 ℃ की सीमा के भीतर एक निश्चित स्तर की गतिविधि बनाए रख सकता है, और कम तापमान के प्रति इसकी सहनशीलता स्वपोषी बैक्टीरिया की तुलना में बहुत बेहतर है;

-PH मान: उपयुक्त सीमा 6.0-9.0 है, और कुछ विषमपोषी बैक्टीरिया (जैसे कवक) pH 5.0 पर अम्लीय परिस्थितियों या pH 10.0 पर क्षारीय परिस्थितियों में अभी भी जीवित रह सकते हैं;

-पोषक अनुपात: पर्याप्त कार्बनिक कार्बन की आवश्यकता होती है और कार्बन से नाइट्रोजन अनुपात (C/N) के प्रति संवेदनशील होता है - आमतौर पर 5-10:1 का C/N अनुपात आवश्यक होता है। यदि कार्बन स्रोत अपर्याप्त है, तो विषमपोषी बैक्टीरिया "भुखमरी" के कारण गतिविधि और COD हटाने की दर में कमी का अनुभव करेंगे।

4、 सहयोग और प्रतिस्पर्धा: सक्रिय कीचड़ प्रणालियों में सूक्ष्मजीव संबंध

सक्रिय कीचड़ प्रणाली में, स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीव स्वतंत्र रूप से मौजूद नहीं होते हैं, लेकिन "सहयोग" और "प्रतिस्पर्धा" का एक दोहरा संबंध रखते हैं, और दोनों के बीच का संतुलन सीधे सीवेज उपचार की प्रभावशीलता को प्रभावित करता है।

（1） सहयोगात्मक संबंध: पूरक कार्य, संयुक्त रूप से शुद्धिकरण पूरा करना

दोनों के बीच तालमेल मुख्य रूप से "विनाइट्रीकरण प्रक्रिया" में परिलक्षित होता है: स्वपोषी नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया अमोनिया नाइट्रोजन को नाइट्रेट में परिवर्तित करते हैं (नाइट्रिफिकेशन प्रक्रिया), जबकि विषमपोषी विनाइट्रीकरण बैक्टीरिया, अवायवीय परिस्थितियों में, अपशिष्ट जल में कार्बनिक कार्बन का उपयोग इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में करते हैं। नाइट्रेट को नाइट्रोजन (N ₂) में कम करने और इसे हवा में छोड़ने के लिए (विनाइट्रीकरण प्रक्रिया) - स्वपोषी बैक्टीरिया के बिना, विनाइट्रीकरण बैक्टीरिया के पास उपयोग करने के लिए कोई "सब्सट्रेट" नहीं होता है; यदि विषमपोषी बैक्टीरिया की कमी है, तो नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित नाइट्रेट को नहीं हटाया जा सकता है, और अंततः कुल नाइट्रोजन मानक को पूरा नहीं कर सकता है। इसके अतिरिक्त, विषमपोषी बैक्टीरिया COD को क्षरित करने के बाद अपशिष्ट जल में कार्बनिक भार को कम कर सकते हैं, कार्बनिक कार्बन के प्रति संवेदनशील स्वपोषी बैक्टीरिया के लिए एक उपयुक्त रहने का वातावरण बनाते हैं और अप्रत्यक्ष रूप से उनकी गतिविधि को बढ़ावा देते हैं।

（2） प्रतिस्पर्धी संबंध: संसाधन प्रतिस्पर्धा, प्रणाली संतुलन को प्रभावित करना

दोनों के बीच प्रतिस्पर्धा मुख्य रूप से "घुली हुई ऑक्सीजन" और "रहने की जगह" पर केंद्रित है: जब सीवेज में COD सांद्रता बहुत अधिक होती है, तो विषमपोषी बैक्टीरिया "पर्याप्त भोजन" के कारण तेजी से प्रजनन करेंगे, बड़ी मात्रा में घुली हुई ऑक्सीजन का उपभोग करेंगे, और स्वपोषी बैक्टीरिया की गतिविधि "हाइपोक्सिया" के कारण बाधित हो जाएगी, जिसके परिणामस्वरूप "अच्छा COD हटाने का प्रभाव लेकिन खराब अमोनिया नाइट्रोजन हटाने का प्रभाव" होता है; इसके विपरीत, यदि अपशिष्ट जल में COD सांद्रता बहुत कम है (जैसे औद्योगिक अपशिष्ट जल), तो विषमपोषी बैक्टीरिया की गतिविधि अपर्याप्त है, और स्थिर कीचड़ गुच्छे नहीं बन सकते हैं। स्वपोषी बैक्टीरिया भी "वाहक की कमी" के कारण खो जाएंगे, जिससे नाइट्रिफिकेशन दक्षता प्रभावित होगी। इसलिए, व्यावहारिक प्रक्रियाओं में, इनलेट पानी के भार और रिफ्लक्स अनुपात जैसे मापदंडों को समायोजित करके दोनों के बीच प्रतिस्पर्धी संबंध को संतुलित करना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, उच्च COD अपशिष्ट जल का उपचार करते समय, "खंडित इनलेट पानी" का उपयोग स्थानीय कार्बनिक भार को कम करने और नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया की घुली हुई ऑक्सीजन की मांग को सुनिश्चित करने के लिए किया जा सकता है।

5、 सारांश: दो प्रकार के सूक्ष्मजीवों के बीच मुख्य अंतर और तकनीकी महत्व

सक्रिय कीचड़ में स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीवों के बीच का अंतर अनिवार्य रूप से "ऊर्जा स्रोतों और कार्बन स्रोत उपयोग विधियों" में अंतर है, जो कार्यात्मक स्थिति, पर्यावरणीय अनुकूलन क्षमता और दोनों के बीच सूक्ष्मजीव संबंधों में अंतर की एक श्रृंखला तक फैला हुआ है (जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है)।

इन अंतरों को समझने से सीवेज उपचार प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए महत्वपूर्ण मार्गदर्शन मिलता है: उदाहरण के लिए, उच्च अमोनिया नाइट्रोजन और कम COD सीवेज (जैसे जलीय कृषि अपशिष्ट जल) का उपचार करते समय, स्वपोषी बैक्टीरिया की जीवित रहने की स्थिति सुनिश्चित करने पर ध्यान केंद्रित करना आवश्यक है (DO बढ़ाना, तापमान को नियंत्रित करना), और विषमपोषी बैक्टीरिया की विनाइट्रीकरण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उचित रूप से कार्बन स्रोत जोड़ना; उच्च COD और कम अमोनिया नाइट्रोजन अपशिष्ट जल (जैसे खाद्य अपशिष्ट जल) का उपचार करते समय, कार्बनिक भार को नियंत्रित करना आवश्यक है, विषमपोषी बैक्टीरिया के अत्यधिक विकास से बचना और स्वपोषी बैक्टीरिया को रोकना, और यह सुनिश्चित करना कि COD और अमोनिया नाइट्रोजन एक साथ मानकों को पूरा करें। संक्षेप में, एक सक्रिय कीचड़ प्रणाली का स्थिर संचालन अनिवार्य रूप से स्वपोषी और विषमपोषी सूक्ष्मजीवों के बीच एक "गतिशील संतुलन" है। केवल दोनों की आवश्यकताओं को सटीक रूप से मिलाकर ही सीवेज उपचार की अधिकतम दक्षता प्राप्त की जा सकती है।