Synergistic effects of mechanical reciprocation, biogas scouring, and quorum quenching on membrane fouling mitigation in an Anaerobic Migrating Bed Reactor (AnMBR)

एक ऐसे शहर की कल्पना करें जो अपने स्वयं के अपशिष्ट जल (वेस्टवॉटर) का उपचार करता है और साथ ही ईंधन भी उत्पन्न करता है। यह एक विशिष्ट प्रकार की तकनीक, जिसे एनारोबिक मेम्ब्रेन बायोरिएक्टर (anaerobic membrane bioreactor) कहा जाता है, का वादा है। पारंपरिक उपचार संयंत्रों के विपरीत, जो ऑक्सीजन पर निर्भर करते हैं और भारी मात्रा में कीचड़ (स्लज) पैदा करते हैं, ये प्रणालियाँ उन बैक्टीरिया का उपयोग करती हैं जो बिना हवा के पनपते हैं ताकि कचरे को तोड़कर ऊर्जा के लिए मीथेन गैस छोड़ी जा सके। यह प्रक्रिया स्वच्छ और कुशल है, लेकिन इसे एक जिद्दी भौतिक समस्या का सामना करना पड़ता है: फिल्टर। इन रिएक्टरों में, एक मेम्ब्रेन (झिल्ली) सूक्ष्म जीवन को अलग करने के लिए एक छलनी के रूप में कार्य करती है जो काम कर रहा है। समय के साथ, जैविक गंदगी और सूक्ष्म कणों की एक चिपचिपी परत इस छलनी को जाम कर देती है, ठीक वैसे ही जैसे कॉफी फिल्टर कॉफी के दानों से जाम हो जाता है। यह अवरोध, जिसे फाउलिंग (fouling) कहा जाता है, सिस्टम को अधिक मेहनत करने के लिए मजबूर करता है, अधिक ऊर्जा की खपत करता है, और अंततः स्वच्छ जल के प्रवाह को रोक देता है। वर्षों से, इंजीनियर कठोर रसायनों या अत्यधिक ऊर्जा का उपयोग किए बिना इन फिल्टरों को साफ रखने के लिए संघर्ष कर रहे हैं।

वियतनाम के दानांग यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी एंड एजुकेशन के शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग सफाई विधियों को एक समन्वित रणनीति में संयोजित करके इस क्लॉगिंग (जाम होने) की समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने एक प्रयोगशाला-स्तर का रिएक्टर बनाया और परीक्षण किया कि यह लंबे समय तक अपशिष्ट जल को कितनी अच्छी तरह संभाल सकता है। उनका दृष्टिकोण केवल एक तरकीब पर निर्भर रहना नहीं था, बल्कि यांत्रिक गति (mechanical movement), गैस के बुलबुले और जैविक हस्तक्षेप को एक साथ जोड़ना था। वे यह देखना चाहते थे कि क्या फिल्टर को हिलाना, उसके विरुद्ध बुलबुले फुलाना और क्लॉगिंग करने वाले सूक्ष्मजीवों के संचार को बाधित करने वाले बैक्टीरिया को पेश करना, अकेले किसी भी विधि की तुलना में बेहतर काम कर सकता है। लक्ष्य यह था कि सिस्टम अपने ही कचरे से घुटने से पहले हफ्तों तक पानी का प्रवाह सुचारू रूप से बनाए रखा जा सके।

शोधकर्ताओं ने रिएक्टर को सत्रह सप्ताह तक स्थिर होने के लिए छोड़ा, जिससे सूक्ष्मजीवी समुदाय स्थिर हो सके और कुशलता से कचरे को खाना सीख सके। इस दौरान, सिस्टम ने पानी से लगभग 69 प्रतिशत रासायनिक ऑक्सीजन डिमांड (COD) और 76 प्रतिशत बायोकेमिकल ऑक्सीजन डिमांड (BOD) को सफलतापूर्वक हटाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि जैविक इंजन सुचारू रूप से चल रहा था। एक बार जब सिस्टम स्थिर हो गया, तो उन्होंने पानी को मेम्ब्रेन के माध्यम से धकेलने की गति बढ़ाकर इसे इसकी सीमाओं तक पहुँचा दिया। जब उन्होंने पानी को बहुत तेजी से, 400 लीटर प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटा की दर से धकेला, तो फिल्टर तेजी से जाम हो गया। मात्र दो दिनों के भीतर, स्वच्छ जल का प्रवाह 73 प्रतिशत से अधिक गिर गया। इसने पुष्टि की कि उच्च दबाव फिल्टर के छिद्रों में फंसने वाले सूक्ष्म कणों से बदलकर सतह पर एक मोटी, ठोस परत (केक) बनने की समस्या को तेज कर देता है।

इससे निपटने के लिए, टीम ने पहले एक यांत्रिक समाधान का परीक्षण किया: मेम्ब्रेन को आगे-पीछे हिलाना। उन्होंने पाया कि मेम्ब्रेन को हिलाने से गंदगी की ढीली परत को हटाने में मदद मिली, लेकिन केवल तभी जब हिलाने की गति सही हो। यदि उन्होंने इसे बहुत जोर से हिलाया, तो उन्होंने वास्तव में समस्या को और खराब कर दिया क्योंकि इससे कचरे के गुच्छे छोटे टुकड़ों में टूट गए जो फिल्टर के छिद्रों में गहराई तक फिसल सकते थे। हालांकि, एक मध्यम हिलाने की गति पर, पानी का प्रवाह मजबूत बना रहा। यह यांत्रिक क्रिया सतह को साफ रखने में प्रभावी थी, लेकिन यह उस जैविक गोंद को नहीं रोक सकी जो क्लॉग को एक साथ थामे रखता है।

शोधकर्ताओं ने फिर एक जैविक मोड़ जोड़ा। उन्होंने विशिष्ट प्रकार के बैक्टीरिया पेश किए, जिन्हें 'कोरम-क्वेंचिंग' (quorum-quenching) सूक्ष्मजीव कहा जाता है, जो क्लॉगिंग करने वाले बैक्टीरिया द्वारा उपयोग किए जाने वाले संचार संकेतों के लिए एक जैमर की तरह कार्य करते हैं। सामान्यतः, ये क्लॉगिंग बैक्टीरिया एक दूसरे से बात करते हैं ताकि एक सख्त बायोफिल्म बनाने के लिए चिपचिले पदार्थों को छोड़ने का समन्वय किया जा सके। कोरम-क्वेंचिंग बैक्टीरिया इस बातचीत को बाधित करते हैं, जिससे बायोफिल्म को एक ठोस, अभेद्य परत बनाने से रोका जा सके। जब टीम ने यांत्रिक झटकों, गैस के बुलबुलों और इन सिग्नल-जैमिंग बैक्टीरिया को मिलाया, तो परिणाम अकेले किसी भी विधि के उपयोग की तुलना में काफी बेहतर रहे। दस दिनों की अवधि में, संयुक्त दृष्टिकोण वाले रिएक्टर ने नियंत्रण प्रणाली (कंट्रोल सिस्टम) की तुलना में, जिसमें सिग्नल-जैमिंग बैक्टीरिया की कमी थी, स्वच्छ पानी का बहुत अधिक प्रवाह बनाए रखा और फिल्टर के विरुद्ध बहुत कम दबाव बनाया।

शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज यह थी कि क्लॉग (अवरोध) की प्रकृति कैसे बदली। मानक प्रणाली में, अवरोध का एक बड़ा हिस्सा अपरिवर्तनीय (irreversible) था, जिसका अर्थ था कि यह फिल्टर से इतनी मजबूती से चिपका हुआ था कि भौतिक सफाई से इसे हटाया नहीं जा सकता था। संयुक्त रणनीतियों वाले सिस्टम में, इस स्थायी, जिद्दी क्लॉग की मात्रा घटकर आधी रह गई। इसके बजाय, जो अवरोध बना वह मुख्य रूप से प्रतिवर्ती (reversible) था, यानी एक ढीली परत जिसे आसानी से धोया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने सांख्यिकीय विश्लेषण का उपयोग यह पुष्टि करने के लिए किया कि ये तीन विधियाँ मिलकर फिल्टर के गंदा होने के तरीके को बदलने में एक साथ काम करती हैं, जिससे समस्या एक गहरे, स्थायी क्लॉग से बदलकर एक सतही परत में बदल गई जिसे प्रबंधित किया जा सकता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि मेम्ब्रेन को धीरे से हिलाकर, सतह को साफ करने के लिए बुलबुले फुलाकर और गोंद बनाने की प्रक्रिया को बाधित करने के लिए बैक्टीरिया का उपयोग करके, इन उन्नत जल उपचार प्रणालियों को बिना विफलता के बहुत लंबे समय तक चलाया जा सकता है। यह एकीकृत दृष्टिकोण न केवल क्लॉगिंग को धीमा करता है, बल्कि यह मौलिक रूप से उस प्रकार के क्लॉग को बदल देता है जो बनता है, जिससे इसे साफ करना आसान और उपकरणों के लिए कम हानिकारक हो जाता है। हालांकि इस सिस्टम को कचरे को तोड़ने से बचने के लिए हिलाने की गति के सावधानीपूर्वक प्रबंधन की आवश्यकता होती है, लेकिन भौतिक और जैविक युक्तियों का संयोजन ऊर्जा-सकारात्मक जल उपचार संयंत्रों के सतत, दीर्घकालिक संचालन की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।