Life cycle assessment of antibiotic wastewater treatment technologies: A dual-endpoint framework with fluoroquinolone ecotoxicity
यह अध्ययन चार एंटीबायोटिक अपशिष्ट जल उपचार प्रौद्योगिकियों की तुलना करने के लिए एक दोहरे-अंत बिंदु (dual-endpoint) जीवन चक्र मूल्यांकन ढांचे का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि जहाँ निर्मित आर्द्रभूमि (constructed wetlands) का ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल और प्रति ग्राम फ्लोरोक्विनोलोन हटाए जाने की लागत सबसे कम है, वहीं उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रियाएं अपनी प्रभावकारिता के बावजूद उच्चतम पर्यावरणीय लागत वहन करती हैं।
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हर दिन, फार्मास्युटिकल कारखाने और अस्पताल बड़ी मात्रा में दूषित पानी का उत्पादन करते हैं जिसमें वे दवाएं होती हैं जो मानव शरीर से कभी पूरी तरह बाहर नहीं निकल पातीं। इन अवशेषों के बीच, फ्लोरोक्विनोलोन (fluoroquinolones) के रूप में ज्ञात एंटीबायोटिक्स का एक सामान्य वर्ग विशेष चुनौती पेश करता है। इन रसायनों को कठोर बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, ताकि वे प्राकृतिक रूप से टूटने का विरोध कर सकें, जिससे वे नदियों और झीलों में लंबे समय तक बने रहते हैं। वहां, वे जलीय जीवन के लिए खतरा पैदा करते हैं और बैक्टीरिया को प्रतिरोध विकसित करने के लिए प्रोत्साहित करते हैं, जिससे भविष्य के संक्रमणों का इलाज करना कठिन हो जाता है। पर्यावरण की रक्षा के लिए, इंजीनियरों ने अपशिष्ट जल को छोड़ने से पहले इन दवाओं को साफ करने के कई तरीके विकसित किए हैं। हालांकि, एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: वास्तव में ग्रह के लिए सबसे अच्छा सफाई का तरीका कौन सा है?
द दशकोंों से, वैज्ञानिक औद्योगिक प्रक्रियाओं की पर्यावरणीय लागत को तौलने के लिए 'लाइफ साइकिल असेसमेंट' (जीवन चक्र मूल्यांकन) नामक उपकरण का उपयोग करते रहे हैं। यह विधि एक पूर्ण लेखा बहियों (accounting ledger) की तरह कार्य करती है, जो उपचार संयंत्र के शुरू होने से लेकर उसके कचरे के निपटान तक, खर्च की गई ऊर्जा के हर अंश और उत्पन्न हुए प्रदूषण के हर अंश का हिसाब रखती है। पारंपरिक रूप से, इन अध्ययनों ने केवल लेजर के 'लागत पक्ष' पर ध्यान केंद्रित किया है: कि एक मशीन काम करते समय कितनी कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित करती है। उन्होंने 'लाभ पक्ष' की काफी हद से अनदेखी की है: वह पर्यावरणीय नुकसान जो एक जहरीले रसायन को सफलतापूर्वक हटाने पर रोका जाता है। दोनों पक्षों को देखे बिना, यह जानना असंभव है कि क्या लगभग सारा जहर हटाने वाली एक उच्च-ऊर्जा वाली मशीन उस कम-ऊर्जा वाली मशीन से बेहतर है जो कुछ पीछे छोड़ देती है।
एक शोधकर्ता ने चार सामान्य अपशिष्ट जल उपचार तकनीकों की तुलना करके इस कमी को दूर करने का प्रयास किया: उन्नत ऑक्सीकरण (advanced oxidation), जो रसायनों को तोड़ने के लिए शक्तिशाली ऑक्सीडेंट का उपयोग करता है; मेम्ब्रेन बायोरिएक्टर (membrane bioreactors), जो बैक्टीरिया को फिल्टर मेम्ब्रेन के साथ जोड़ते हैं; ग्रेनुलर एक्टिवेटेड कार्बन (granular activated carbon), जो प्रदूषकों को सोखने के लिए छिद्रपूर्ण चारकोल का उपयोग करता है; और निर्मित आर्द्रभूमि (constructed wetlands), जो पौधों और प्राकृतिक मिट्टी की प्रक्रियाओं पर निर्भर करती है। इन मशीनों को चलाने के कार्बन फुटप्रिंट को मापने के बजाय, शोधकर्ता ने एक 'डुअल-एंडपॉइंट फ्रेमवर्क' बनाया। यह दृष्टिकोण प्रत्येक तकनीक के लिए दो अलग-अलग संख्याएं निकालता है। पहला यह मापता है कि प्रणाली चलाने की प्रत्यक्ष पर्यावरणीय लागत क्या है, विशेष रूप से ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल, या प्रति घन मीटर उपचारित पानी के लिए उत्सर्जित कार्बन डाइऑक्साइड के बराबर मात्रा। दूसरा यह मापता है कि पर्यावरणीय लाभ क्या है, या फ्लोरोक्विनोलोन को सफलतापूर्वक हटाने से कितना विषाक्त नुकसान टल जाता है।
शोधकर्ता ने एक यथार्थवादी मॉडल बनाने के लिए चालीस एक प्रकाशित अध्ययनों से डेटा एकत्र किया। उन्होंने बिजली के उपयोग, सक्रिय कार्बन और मेम्ब्रेन जैसे पदार्थों के उत्पादन, और अपशिष्ट स्लज या प्रयुक्त चारकोल के निपटान को देखा। जब उन्होंने संचालन की प्रत्यक्ष लागत के लिए आंकड़े जुटाए, तो एक स्पष्ट पदानुक्रम सामने आया। उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रिया कार्बन उत्सर्जन के मामले में सबसे महंगी थी, जो प्रति घन मीटर उपचारित पानी के लिए लगभग चौदह दशमलव पांच किलोग्राम कार्बन डाइऑक्साइड समकक्ष उत्सर्जित करती थी। यह उच्च लागत लगभग पूरी तरह से ऑक्सीडेंट उत्पन्न करने के लिए आवश्यक भारी मात्रा में बिजली से आई। ग्रेनुलर एक्टिवेटेड कार्बन दूसरा सबसे अधिक था, जो प्रति घन मीटर लगभग ग्यारह किलोग्राम कार्बन डाइऑक्साइड समकक्ष उत्सर्जित करता था। आश्चर्यजनक रूप से, यह इसलिए नहीं था क्योंकि मशीनें बहुत अधिक बिजली का उपयोग करती थीं, बल्कि इसलिए क्योंकि सक्रिय कार्बन का उत्पादन और निपटान स्वयं अत्यंत कार्बन-गहन है। मेम्ब्रेन बायोरिएक्टर का प्रदर्शन बहुत बेहतर रहा, जिसने प्रति घन मीटर एक किलोग्राम से कम उत्सर्जन किया, जबकि निर्मित आर्द्रभूमि सबसे स्वच्छ थी, जिसने केवल लगभग शून्य दशमलव शून्य तीन किलोग्राम प्रति घन मीटर उत्सर्जित किया।
हालांकि, जब शोधकर्ता ने एंटीबायोटिक को हटाने के लाभ को शामिल किया, तो तस्वीर पूरी तरह बदल गई। उन्होंने गणना की कि फ्लोरोक्विनोलोन के प्रत्येक ग्राम को सफलतापूर्वक हटाने के लिए कितनी पर्यावरणीय विषाक्तता को रोका गया। चूंकि उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रिया बहुत अधिक ऊर्जा-खपत वाली है, इसलिए यह पाया गया कि दवा के एक ग्राम को हटाने का सबसे महंगा तरीका यही है, जो हटाए गए प्रति ग्राम दवा के लिए एक किलोग्राम से अधिक कार्बन उत्सर्जन उत्पन्न करता है। इसके विपरीत, निर्मित आर्द्रभूमि, हालांकि दवा का कम प्रतिशत हटाती है, सबसे कुशल विकल्प थी। इसे बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता थी, जिससे यह केवल लगभग शून्य दशमलव शून्य शून्य तीन किलोग्राम कार्बन उत्सर्जन प्रति ग्राम दवा उत्पन्न करती थी। इसका अर्थ है कि उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रिया की तुलना में, प्रति उत्सर्जित कार्बन इकाई के प्रति दवा को हटाने में आर्द्रभूमि लगभग तीन सौ सत्तर गुना अधिक कुशल थी।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि पिछले, सरल मॉडलों ने सक्रिय कार्बन के प्रभाव को काफी कम करके आंका था। पहले के अनुमानों ने सुझाव दिया था कि चारकोल का उपयोग करना सफाई प्रक्रिया में एक छोटा कदम है, लेकिन नए, विस्तृत डेटा ने दिखाया कि कार्बन के उत्पादन और निपटान में उस पद्धति की लगभग पूरी पर्यावरणीय लागत शामिल है। शोधकर्ता ने यह परीक्षण करने के लिए हजारों कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए कि उनके परिणाम कितने स्थिर हैं। उन्होंने पाया कि जबकि आर्द्रभूमि का सबसे स्वच्छ रहना और उन्नत ऑक्सीकरण का सबसे अधिक कार्बन-गहन रहना सुसंगत बना रहा, लेकिन उन्नत ऑक्सीकरण और सक्रिय कार्बन विधियों के बीच का अंतर इतना कम था कि यदि बिजली ग्रिड अधिक स्वच्छ हो जाए तो क्रम बदल सकता है।
अंततः, यह शोध हमारे पानी को साफ करने के तरीके को चुनने का एक अधिक पूर्ण तरीका प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि एक तकनीक जो कागज पर कुशल दिखती है, वह पूरे जीवन चक्र के संदर्भ में एक भारी प्रदूषक हो सकती है। इसके विपरीत, एक कम-तकनीकी समाधान जैसे कि आर्द्रभूमि, जो लगभग कोई बिजली का उपयोग नहीं करती है, पर्यावरण की रक्षा के लिए सबसे प्रभावी विकल्प हो सकती है, बशर्ते उसे बनाने के लिए पर्याप्त भूमि उपलब्ध हो। उपचार की लागत को जहर को हटाने के लाभ के विरुद्ध तौलकर, कारखाने और शहर ऐसे निर्णय ले सकते हैं जो वास्तव में स्वच्छ उत्पादन का समर्थन करते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि जल प्रदूषण का उपचार वायुमंडल के लिए एक नई समस्या पैदा न करे।
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