अपशिष्ट जल से कठोरता हटाने का सिद्धांत और विधि

सार

औद्योगिक उत्पादन और घरेलू सीवेज निर्वहन में लगातार वृद्धि के साथ, अपशिष्ट जल में कठोरता आयनों का पर्यावरण और बाद की उपचार प्रक्रियाओं पर गंभीर प्रभाव पड़ता है। यह लेख अपशिष्ट जल के निर्जलीकरण के बुनियादी सिद्धांतों की व्यवस्थित रूप से व्याख्या करता है, रासायनिक अवक्षेपण, आयन विनिमय, झिल्ली पृथक्करण और सोखना जैसी विभिन्न निर्जलीकरण विधियों की तकनीकी विशेषताओं, अनुप्रयोग क्षेत्र और मौजूदा समस्याओं का विस्तार से विश्लेषण करता है, और भविष्य में अपशिष्ट जल निर्जलीकरण प्रौद्योगिकी के विकास की प्रवृत्ति की ओर देखता है, जिसका उद्देश्य अपशिष्ट जल निर्जलीकरण प्रक्रियाओं के अनुकूलन और तकनीकी नवाचार के लिए सैद्धांतिक संदर्भ प्रदान करना है।

1、परिचय

अपशिष्ट जल की कठोरता मुख्य रूप से पानी में कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों (कैल्शियम कार्बोनेट, मैग्नीशियम कार्बोनेट, कैल्शियम सल्फेट, मैग्नीशियम सल्फेट, आदि जैसे लवणों के रूप में) की उपस्थिति के कारण होती है। औद्योगिक उत्पादन में, उच्च कठोरता वाला अपशिष्ट जल उपकरण स्केलिंग का कारण बन सकता है, गर्मी विनिमय दक्षता को कम कर सकता है, ऊर्जा की खपत बढ़ा सकता है, और यहां तक कि उपकरण की विफलता का कारण बन सकता है; घरेलू सीवेज उपचार और पुन: उपयोग की प्रक्रिया में, कठोर पानी धोने के प्रभाव को प्रभावित कर सकता है और घरेलू पानी के आराम को कम कर सकता है। इसके अतिरिक्त, बड़ी मात्रा में कठोरता आयनों वाले अपशिष्ट जल का निर्वहन प्राकृतिक जल निकायों के पारिस्थितिक संतुलन पर भी प्रतिकूल प्रभाव डाल सकता है। इसलिए, अपशिष्ट जल से कठोरता आयनों को प्रभावी ढंग से हटाना औद्योगिक उत्पादन के स्थिर संचालन, जल संसाधनों के पुनर्चक्रण और पारिस्थितिक पर्यावरण की सुरक्षा के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।

2、अपशिष्ट जल निर्जलीकरण का सिद्धांत

अपशिष्ट जल में कठोरता को आमतौर पर अस्थायी कठोरता और स्थायी कठोरता में विभाजित किया जाता है। अस्थायी कठोरता मुख्य रूप से कैल्शियम और मैग्नीशियम के बाइकार्बोनेट लवणों से बनी होती है, जिसे कैल्शियम कार्बोनेट और मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड अवक्षेपों में विघटित किया जा सकता है और हीटिंग द्वारा हटाया जा सकता है; स्थायी कठोरता कैल्शियम और मैग्नीशियम के सल्फेट, क्लोराइड, आदि से बनी होती है, जिन्हें रासायनिक, भौतिक या भौतिक रासायनिक विधियों से हटाने की आवश्यकता होती है। अपशिष्ट जल निर्जलीकरण के बुनियादी सिद्धांत मुख्य रूप से अवक्षेपण प्रतिक्रिया, आयन विनिमय, चयनात्मक झिल्ली पारगम्यता, सोखना, आदि पर आधारित हैं। अवक्षेपण प्रतिक्रिया कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए कुछ रासायनिक एजेंटों का उपयोग है ताकि अघुलनशील अवक्षेप उत्पन्न हो सकें, जिससे उन्हें अपशिष्ट जल से अलग किया जा सके; आयन विनिमय विधि पानी में कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों का आदान-प्रदान करने और उन्हें राल पर ठीक करने के लिए आयन विनिमय राल का उपयोग है; झिल्ली पृथक्करण विधि पानी से कठोरता आयनों के पृथक्करण को प्राप्त करने के लिए विभिन्न आयनों के लिए झिल्ली प्रतिधारण क्षमता में अंतर पर आधारित है; सोखना सिद्धांत सोखने वाले की सतह पर सक्रिय स्थलों के माध्यम से कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों को सोखना द्वारा हटाने का है।

3、अपशिष्ट जल से कठोरता हटाने के तरीके

（1）रासायनिक अवक्षेपण विधि

1. चूना सोडा ऐश विधि
चूना सोडा ऐश विधि कठोरता को हटाने के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली रासायनिक अवक्षेपण विधियों में से एक है। इस विधि में अपशिष्ट जल में चूना (Ca (OH) ₂ ) और सोडा ऐश (Na ₂ CO₃) मिलाना शामिल है। चूना पहले पानी में बाइकार्बोनेट आयनों के साथ प्रतिक्रिया करता है ताकि कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेप बन सके, जबकि मैग्नीशियम आयनों को मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड अवक्षेप में परिवर्तित किया जाता है। सोडा ऐश आगे पानी में कैल्शियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करता है ताकि कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेप बन सके। प्रतिक्रिया प्रक्रिया इस प्रकार है:
Ca(HCO_{3})_{2}+Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +2H_ {2}O
Mg(HCO_{3})_{2}+2Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +Mg(OH)_{2}downarrow +2H_ {2}O
CaSO_{4}+Na_ {2}CO_ {3}rightarrow CaCO_{3}downarrow +Na_ {2}SO_ {4}

इस विधि के फायदे कम उपचार लागत, रासायनिक स्रोतों की विस्तृत श्रृंखला और उच्च सांद्रता कठोरता अपशिष्ट जल पर महत्वपूर्ण उपचार प्रभाव हैं। लेकिन नुकसान भी काफी स्पष्ट हैं, जैसे बड़ी मात्रा में कीचड़ का उत्पादन और कीचड़ उपचार की उच्च लागत; प्रतिक्रिया प्रक्रिया को पीएच मान और अभिकर्मकों की खुराक के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है, अन्यथा यह कठोरता हटाने के प्रभाव को प्रभावित करेगा; उपचारित अपशिष्ट जल सोडियम कार्बोनेट की एक निश्चित मात्रा को बनाए रख सकता है, जिससे पानी की क्षारीयता में वृद्धि हो सकती है।

1. फॉस्फेट अवक्षेपण विधि
फॉस्फेट अवक्षेपण विधि में अघुलनशील कैल्शियम और मैग्नीशियम फॉस्फेट अवक्षेप बनाने के लिए कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए अपशिष्ट जल में फॉस्फेट मिलाना शामिल है। उदाहरण के लिए, सोडियम ट्राइपॉलीफॉस्फेट (Na ₅ P ₃ O ₁₀) कैल्शियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करके अघुलनशील कैल्शियम फॉस्फेट अवक्षेप बनाता है। इस विधि में उच्च कठोरता हटाने की दक्षता और कम सांद्रता कठोरता अपशिष्ट जल पर अच्छा उपचार प्रभाव होता है। हालांकि, इस विधि में बड़ी मात्रा में फास्फोरस तत्व पेश किया जाता है, जिससे जल निकायों का सुपोषण हो सकता है, और फॉस्फेट एजेंटों की अपेक्षाकृत उच्च कीमत उपचार लागत को बढ़ाती है।

（2）आयन विनिमय विधि

आयन विनिमय विधि अपशिष्ट जल में कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ आदान-प्रदान करने के लिए आयन विनिमय रेजिन पर विनिमेय आयनों का उपयोग करती है। मजबूत अम्लीय केशन विनिमय राल (जैसे सल्फॉनिक एसिड राल) एक आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला आयन एक्सचेंजर है, और इसकी विनिमय प्रक्रिया इस प्रकार है:
2R - SO_ {3}H + Ca^{2 + }rightarrow (R - SO_{3})_ {2}Ca + 2H^{+}
2R - SO_ {3}H + Mg^{2 + }rightarrow (R - SO_{3})_ {2}Mg + 2H^{+}

जब राल पर विनिमेय आयन कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों से संतृप्त हो जाते हैं, तो राल की विनिमय क्षमता को बहाल करने के लिए एसिड (जैसे हाइड्रोक्लोरिक एसिड और सल्फ्यूरिक एसिड) का उपयोग करना आवश्यक है। आयन विनिमय विधि के फायदे अच्छे कठोरता हटाने का प्रभाव, स्थिर अपशिष्ट गुणवत्ता और उच्च जल गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा करने की क्षमता हैं; उपकरण अपेक्षाकृत कम क्षेत्र पर कब्जा करता है और संचालित करना अपेक्षाकृत आसान है। हालांकि, इस विधि में उच्च राल की कीमतें और पुनर्जन्म प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न होने वाले बड़ी मात्रा में अम्लीय और क्षारीय अपशिष्ट जल के नुकसान हैं, जिन्हें ठीक से उपचारित करने की आवश्यकता है, अन्यथा यह द्वितीयक प्रदूषण का कारण बनेगा; राल में आने वाले पानी की गुणवत्ता के लिए उच्च आवश्यकताएं होती हैं, और अपशिष्ट जल में निलंबित ठोस पदार्थ और कार्बनिक पदार्थ जैसी अशुद्धियाँ आसानी से राल को अवरुद्ध और विषाक्त कर सकती हैं, जिससे इसकी सेवा जीवन और अन्य मुद्दे प्रभावित होते हैं।

（3）झिल्ली पृथक्करण विधि

1. रिवर्स ऑस्मोसिस (आरओ)
रिवर्स ऑस्मोसिस एक ऐसी तकनीक है जो दबाव में एक अर्ध पारगम्य झिल्ली के माध्यम से एक समाधान में विलेय और सॉल्वैंट्स को अलग करती है। रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली का छिद्र आकार बहुत छोटा होता है (लगभग 0.1-1nm), जो कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों को प्रभावी ढंग से रोक सकता है और अपशिष्ट जल कठोरता हटाने को प्राप्त कर सकता है। कठोरता को हटाने की प्रक्रिया में, पानी के अणु दबाव में रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली से गुजरते हैं, जबकि कठोरता आयनों को रोक दिया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप कम कठोरता वाला पानी बनता है। रिवर्स ऑस्मोसिस विधि में कठोरता हटाने में उच्च दक्षता होती है, और अपशिष्ट की कठोरता को बहुत कम स्तर तक कम किया जा सकता है। यह उन अवसरों के लिए उपयुक्त है जिनमें अत्यधिक उच्च जल गुणवत्ता की आवश्यकता होती है, जैसे इलेक्ट्रॉनिक उद्योग का पानी, बॉयलर फीडवाटर, आदि। लेकिन इसके नुकसान उच्च ऑपरेटिंग दबाव और उच्च ऊर्जा खपत हैं; झिल्ली घटक महंगे हैं और कार्बनिक पदार्थ, सूक्ष्मजीवों और अपशिष्ट जल में अन्य प्रदूषकों से आसानी से दूषित हो जाते हैं, जिसके लिए नियमित सफाई और प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च रखरखाव लागत होती है; इस बीच, रिवर्स ऑस्मोसिस प्रक्रिया एक निश्चित मात्रा में केंद्रित पानी उत्पन्न करती है, और केंद्रित पानी का उपचार भी एक चुनौती है।

2. नैनोफिल्ट्रेशन (एनएफ)
नैनोफिल्ट्रेशन झिल्ली का छिद्र आकार रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली और अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली (लगभग 1-10nm) के बीच होता है, और इसमें द्विसंयोजक आयनों (जैसे कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों) के लिए उच्च प्रतिधारण दर होती है, जबकि मोनोवैलेंट आयनों (जैसे सोडियम और क्लोराइड आयनों) के लिए प्रतिधारण दर अपेक्षाकृत कम होती है। नैनोफिल्ट्रेशन प्रक्रिया कम दबाव पर संचालित हो सकती है, जो रिवर्स ऑस्मोसिस की तुलना में ऊर्जा की खपत को कम करती है। नैनोफिल्ट्रेशन न केवल कठोरता आयनों को प्रभावी ढंग से हटा सकता है, बल्कि कार्बनिक पदार्थ और भारी धातु आयनों को भी आंशिक रूप से हटा सकता है। हालांकि, नैनोफिल्ट्रेशन झिल्लियों में भी आसान संदूषण की समस्या होती है और आने वाले पानी के सख्त पूर्व-उपचार की आवश्यकता होती है; इसके अलावा, नैनोफिल्ट्रेशन झिल्लियों का सेवा जीवन और कठोरता हटाने का प्रभाव जल गुणवत्ता और ऑपरेटिंग स्थितियों जैसे कारकों से बहुत प्रभावित होता है।

（4）सोखना विधि

सोखना विधि कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों को सोखने और हटाने के लिए सोखने वालों की सतह पर सक्रिय स्थलों का उपयोग है। सामान्य सोखने वालों में सक्रिय कार्बन, जिओलाइट, बेंटोनाइट, धातु ऑक्साइड, आदि शामिल हैं। उदाहरण के लिए, जिओलाइट में एक अद्वितीय छिद्र संरचना और आयन विनिमय प्रदर्शन होता है, और इसके विनिमेय केशन अपशिष्ट जल में कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ विनिमय सोखना से गुजर सकते हैं। सोखना विधि संचालित करने में सरल है और कम सांद्रता कठोरता अपशिष्ट जल पर एक निश्चित उपचार प्रभाव डालती है। इसके अलावा, कुछ सोखने वालों को पुनर्जन्म के माध्यम से पुन: उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, सोखने वाले की सोखने की क्षमता सीमित है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च सांद्रता कठोरता अपशिष्ट जल के लिए खराब उपचार दक्षता होती है; सोखने वालों की पुनर्जन्म प्रक्रिया अपेक्षाकृत जटिल है, और पुनर्जन्म प्रभाव अस्थिर है, जो सोखने वालों की सेवा जीवन और कठोरता हटाने के प्रभाव को प्रभावित कर सकता है।

（5）अन्य तरीके

1. इलेक्ट्रोडायलिसिस विधि
इलेक्ट्रोडायलिसिस पानी में आयनों के दिशात्मक प्रवास को प्रेरित करने के लिए आयन विनिमय झिल्लियों की चयनात्मक पारगम्यता और विद्युत क्षेत्र प्रभाव का उपयोग करता है, जिससे अपशिष्ट जल से कठोरता प्राप्त होती है। इलेक्ट्रोडायलिसिस के दौरान, केशन विनिमय झिल्लियाँ केवल केशन को गुजरने देती हैं, जबकि आयन विनिमय झिल्लियाँ केवल आयनों को गुजरने देती हैं। विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत, अपशिष्ट जल में कैल्शियम और मैग्नीशियम आयन केशन विनिमय झिल्लियों के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड में चले जाते हैं, जिससे पानी से अलग हो जाते हैं। कठोरता को हटाने के लिए इलेक्ट्रोडायलिसिस विधि को रासायनिक एजेंटों के योग की आवश्यकता नहीं होती है और कीचड़ का उत्पादन नहीं होता है, जिससे संचालन प्रक्रिया अपेक्षाकृत पर्यावरण के अनुकूल हो जाती है। हालांकि, इस विधि के लिए उपकरणों में बड़े निवेश की आवश्यकता होती है, संचालन के दौरान विद्युत ऊर्जा की खपत होती है, और आने वाले पानी की गुणवत्ता के लिए उच्च आवश्यकताएं होती हैं, जिसके लिए झिल्ली को दूषित होने से रोकने के लिए सख्त पूर्व-उपचार की आवश्यकता होती है।

2. माइक्रोबियल विधि
माइक्रोबियल विधि अपशिष्ट जल से कठोरता प्राप्त करने के लिए सूक्ष्मजीवों की चयापचय गतिविधि या सूक्ष्मजीवों के बाह्यकोशिकीय पॉलिमर और कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के बीच प्रतिक्रिया का उपयोग करना है। उदाहरण के लिए, कुछ सूक्ष्मजीव क्षारीय पदार्थों को स्रावित करके आसपास के वातावरण के पीएच मान को बढ़ा सकते हैं, जो कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के अवक्षेपण को बढ़ावा देता है; माइक्रोबियल बाह्यकोशिकीय पॉलिमर में कार्यात्मक समूह, जैसे कार्बोक्सिल और हाइड्रॉक्सिल समूह, कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ जटिलता और सोखना से भी गुजर सकते हैं। माइक्रोबियल विधियों में कम उपचार लागत और पर्यावरण मित्रता के फायदे हैं, लेकिन उपचार प्रक्रिया धीमी है और तापमान, पीएच मान, घुले हुए ऑक्सीजन, आदि जैसे माइक्रोबियल विकास स्थितियों से बहुत प्रभावित होती है। वर्तमान में, व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अभी भी कुछ सीमाएँ हैं।

4、कठोरता हटाने के लिए विभिन्न विधियों की तुलना और चयन

अपशिष्ट जल से कठोरता हटाने के विभिन्न तरीकों के अपने फायदे और नुकसान हैं, और उनकी प्रयोज्यता भी भिन्न होती है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, अपशिष्ट जल की जल गुणवत्ता विशेषताओं (जैसे कठोरता आयन सांद्रता, अन्य प्रदूषक घटक, आदि), उपचार पैमाने, उपचार लागत, अपशिष्ट गुणवत्ता आवश्यकताओं और पर्यावरण संरक्षण आवश्यकताओं जैसे कारकों पर व्यापक रूप से विचार करना आवश्यक है, और कठोरता हटाने के लिए उपयुक्त तरीकों का चयन करें। उच्च सांद्रता कठोरता अपशिष्ट जल के लिए, रासायनिक अवक्षेपण एक अधिक किफायती और प्रभावी विधि हो सकती है; उच्च जल गुणवत्ता की आवश्यकता वाले छोटे पैमाने के उपचार के लिए, आयन विनिमय या रिवर्स ऑस्मोसिस विधियाँ अधिक उपयुक्त हैं; लागत के प्रति संवेदनशील कम सांद्रता कठोरता अपशिष्ट जल के लिए, सोखना या माइक्रोबियल विधियों में कुछ अनुप्रयोग क्षमता हो सकती है। इसके अतिरिक्त, कई मामलों में, कठोरता हटाने के लिए कई विधियों के संयुक्त अनुप्रयोग का उपयोग प्रत्येक विधि के लाभों का पूरी तरह से लाभ उठाने, हटाने के प्रभाव में सुधार करने और प्रसंस्करण लागत को कम करने के लिए किया जा सकता है।

5、निष्कर्ष और संभावना

अपशिष्ट जल से कठोरता हटाने की तकनीक औद्योगिक उत्पादन सुनिश्चित करने, जल संसाधन पुनर्चक्रण का एहसास करने और पारिस्थितिक पर्यावरण की रक्षा करने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। वर्तमान में, कठोरता हटाने के विभिन्न तरीके, जैसे रासायनिक अवक्षेपण, आयन विनिमय, झिल्ली पृथक्करण, सोखना, आदि, व्यावहारिक इंजीनियरिंग में व्यापक रूप से उपयोग किए गए हैं, लेकिन प्रत्येक विधि की कुछ सीमाएँ हैं। भविष्य में, अपशिष्ट जल के निर्जलीकरण प्रौद्योगिकी का विकास रुझान मुख्य रूप से निम्नलिखित पहलुओं में शामिल है: सबसे पहले, कुशल, पर्यावरण के अनुकूल और किफायती नए निर्जलीकरण एजेंटों और सोखना सामग्री का विकास करना ताकि निर्जलीकरण दक्षता में सुधार हो सके, उपचार लागत और द्वितीयक प्रदूषण को कम किया जा सके; दूसरा झिल्ली सामग्री के अनुसंधान और विकास को मजबूत करना, झिल्लियों के प्रदूषण विरोधी प्रदर्शन, प्रतिधारण दर और सेवा जीवन में सुधार करना, और झिल्ली पृथक्करण प्रौद्योगिकी की परिचालन लागत को कम करना है; तीसरा माइक्रोबियल कठोरता हटाने की तंत्र पर गहन शोध करना, माइक्रोबियल उपचार प्रक्रियाओं का अनुकूलन करना और उनकी स्थिरता और उपचार दक्षता में सुधार करना है; चौथा कठोरता हटाने के लिए कई विधियों के संयुक्त अनुप्रयोग प्रक्रिया का पता लगाना, पूरक लाभ प्राप्त करना और समग्र उपचार प्रभाव में सुधार करना है। निरंतर तकनीकी नवाचार और प्रक्रिया अनुकूलन के माध्यम से, अपशिष्ट जल निर्जलीकरण प्रौद्योगिकी भविष्य में जल संसाधनों और पर्यावरण संरक्षण के सतत उपयोग में अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगी।